Transkripsiyon

Tanım ve Kapsam

Transkripsiyon, DNA’da depolanan genetik bilginin RNA molekülüne aktarılmasıdır. Süreç sırasında RNA polimeraz, DNA’nın bir zincirini kalıp olarak kullanır ve bu zincire tamamlayıcı bir RNA sentezler. RNA polimeraz kalıp DNA zincirini 3′ → 5′ yönünde okurken yeni RNA zincirini 5′ → 3′ yönünde uzatır. RNA sentezinde adenozin trifosfat, guanozin trifosfat, sitidin trifosfat ve üridin trifosfat kullanılır.

Protein kodlayan genlerin transkripsiyonu sonucunda önce öncül haberci RNA meydana gelir. Bu molekül 5′ başlık eklenmesi, intronların çıkarılması, ekzonların birleştirilmesi ve 3′ poli-A kuyruğunun oluşturulması gibi işlemlerden geçerek olgun mRNA’ya dönüştürülür. Olgun mRNA daha sonra ribozomlarda protein sentezi için kalıp olarak kullanılır.

DNA → Transkripsiyon → RNA → Translasyon → Protein

Bütün genler protein kodlamaz. Ribozomal RNA, taşıyıcı RNA, mikroRNA, küçük nükleer RNA ve uzun kodlamayan RNA genlerinin son işlevsel ürünü RNA’dır. Bu nedenle transkripsiyon yalnızca protein sentezinin ilk basamağı değil, aynı zamanda çok sayıda düzenleyici ve yapısal RNA’nın üretilmesini sağlayan temel bir hücresel süreçtir.

Ökaryotik hücrelerde transkripsiyon; kromatin yapısı, promotörler, güçlendiriciler, transkripsiyon faktörleri, RNA polimerazlar, epigenetik değişiklikler ve hücre içi sinyal yolları tarafından düzenlenir. Böylece aynı genomu taşıyan farklı hücrelerde farklı gen grupları ifade edilir ve hücreye özgü yapı ile işlevler ortaya çıkar.

Temel Kavramlar

Kalıp zincir, RNA polimeraz tarafından okunan DNA zinciridir. RNA dizisi bu zincire tamamlayıcı ve antiparalel olarak sentezlenir.

Kodlayan zincir, kalıp olarak kullanılmayan DNA zinciridir. Timin yerine urasil bulunması dışında dizisi sentezlenen RNA ile büyük ölçüde aynıdır.

Transkripsiyon birimi, RNA’ya aktarılan DNA bölgesidir. Genellikle promotör, transkripsiyon başlangıç noktası, transkribe edilen bölge ve sonlanma bölgesini kapsar.

Promotör, RNA polimeraz ve genel transkripsiyon faktörlerinin bağlanarak transkripsiyonu başlattığı düzenleyici DNA bölgesidir.

Transkripsiyon başlangıç noktası, ilk RNA nükleotidinin sentezlendiği ve çoğunlukla +1 olarak gösterilen konumdur.

Güçlendirici, bir genin transkripsiyonunu artırabilen düzenleyici DNA dizisidir. Genin önünde, arkasında veya intronları içinde bulunabilir ve promotörden uzak mesafelerde işlev gösterebilir.

Susturucu, belirli düzenleyici proteinlerin bağlanmasıyla gen transkripsiyonunu azaltan DNA bölgesidir.

Transkripsiyon faktörü, belirli DNA dizilerine veya transkripsiyon kompleksinin diğer bileşenlerine bağlanarak gen ekspresyonunu düzenleyen proteindir.

Öncül RNA, transkripsiyon sonucunda ilk oluşan ve henüz bütün işlenme basamaklarını tamamlamamış RNA molekülüdür.

Transkript, belirli bir DNA bölgesinden sentezlenen RNA molekülüdür.

Transkriptom, belirli bir hücre, doku veya koşulda bulunan RNA transkriptlerinin tamamıdır.

Konstitutif gen ekspresyonu, hücresel yaşamın sürdürülmesi için gerekli bazı genlerin sürekli veya görece kararlı biçimde ifade edilmesidir.

İndüklenebilir gen ekspresyonu, hormon, büyüme faktörü, stres veya metabolik sinyal gibi uyaranlara bağlı olarak gen transkripsiyonunun değiştirilmesidir.

Moleküler Yapı ve Bileşenler

Transkripsiyonun temel moleküler bileşenleri DNA kalıbı, ribonükleozid trifosfatlar, RNA polimeraz, genel ve gene özgü transkripsiyon faktörleri, kromatin proteinleri ve RNA işleme kompleksleridir.

DNA çift sarmalında iki zincir antiparalel olarak uzanır. Bir genin transkripsiyonunda bu zincirlerden yalnızca biri kalıp olarak kullanılır. Ancak aynı kromozom üzerindeki farklı genlerde farklı DNA zincirleri kalıp görevi görebilir.

RNA sentezinde kullanılan ribonükleozid trifosfatlar şunlardır:

• ATP: Adenozin trifosfat
• GTP: Guanozin trifosfat
• CTP: Sitidin trifosfat
• UTP: Üridin trifosfat

DNA ile RNA arasındaki tamamlayıcı baz eşleşmesi şu şekilde gerçekleşir:

DNA kalıp A → RNA U
DNA kalıp T → RNA A
DNA kalıp G → RNA C
DNA kalıp C → RNA G

Ökaryotik hücrelerde üç temel nükleer RNA polimeraz bulunur. Bunlar farklı gen gruplarının transkripsiyonunu gerçekleştirir. Çoklu ökaryotik RNA polimerazların varlığı ilk olarak Roeder ve Rutter tarafından gösterilmiştir.

RNA polimeraz II, çok alt birimli bir enzim kompleksidir. En büyük alt biriminin karboksil terminal bölgesinde tekrarlayan heptapeptid dizileri bulunur. CTD olarak adlandırılan bu bölge, transkripsiyonun farklı evrelerinde fosforile edilerek RNA başlıklandırma, kesip birleştirme ve 3′ uç işleme faktörlerinin transkripsiyon kompleksine bağlanmasını sağlar.

Ökaryotik DNA histonlar çevresinde paketlendiği için RNA polimerazın gene ulaşabilmesi kromatin yapısına bağlıdır. Aktif genler genellikle daha erişilebilir ökromatin bölgelerinde bulunurken yoğun heterokromatin bölgeleri transkripsiyona daha kapalıdır. Bununla birlikte kromatin durumu sabit değildir; histon değişiklikleri ve ATP bağımlı kromatin yeniden düzenleyici kompleksler aracılığıyla değiştirilebilir.

Biyokimyasal / Moleküler Mekanizma

Transkripsiyon genel olarak başlatılma, uzama ve sonlanma olmak üzere üç temel aşamada gerçekleşir. Ökaryotik RNA polimeraz II transkripsiyonunda bu aşamalar, RNA işlenmesiyle eş zamanlı biçimde yürütülür.

Başlatılma

Başlatılma, RNA polimerazın promotör bölgesine yerleştirilmesi ve DNA’nın yerel olarak açılmasıyla gerçekleşir. Birçok protein kodlayan gende başlangıç kompleksinin kurulması TFIID’nin promotöre bağlanmasıyla başlar. TFIID, TATA bağlayıcı protein ile TAF proteinlerinden oluşur.

Promotör tanınması → Genel transkripsiyon faktörlerinin bağlanması → RNA polimeraz II’nin yerleşmesi → DNA’nın açılması → İlk fosfodiester bağlarının kurulması

Ön başlatma kompleksinin başlıca bileşenleri şunlardır:

TFIID → TFIIA → TFIIB → RNA polimeraz II–TFIIF → TFIIE → TFIIH

Bütün RNA polimeraz II promotörleri TATA kutusu içermez. TATA kutusu bulunmayan promotörlerde başlangıç bölgesi, aşağı akım promotör elemanı ve CpG bakımından zengin bölgeler gibi farklı diziler rol oynayabilir.

TFIIH, DNA’nın promotör çevresinde açılmasına katkıda bulunan XPB proteinini ve RNA polimeraz II CTD’sini fosforile eden CDK7 kinazını içerir. CTD’nin başlıca Ser5 kalıntılarının fosforilasyonu, RNA polimerazın promotörden ayrılmasını ve erken RNA işleme faktörlerinin bağlanmasını destekler.

RNA polimeraz II başlangıçta kısa ve kararsız RNA’lar sentezleyebilir. Yeterli uzunluğa ulaşan transkriptin ardından polimeraz promotörden uzaklaşır ve uzama evresine geçer.

RNA zincirinin uzaması

RNA polimeraz kalıp DNA zincirini 3′ → 5′ yönünde okur ve RNA’yı 5′ → 3′ yönünde sentezler. Büyüyen RNA zincirinin 3′-OH grubu, gelen ribonükleozid trifosfatın α-fosfatına saldırır. Yeni fosfodiester bağı oluşurken pirofosfat açığa çıkar.

RNA–3′-OH + NTP → Uzamış RNA + Pirofosfat

Transkripsiyon kabarcığında DNA zincirleri kısa bir bölgede birbirinden ayrılır. Yeni RNA ile kalıp DNA arasında kısa bir RNA-DNA hibriti oluşur. Polimeraz ilerledikçe enzimin arkasındaki DNA yeniden çift sarmal hâline gelir ve RNA transkripti enzimden ayrılır. RNA polimeraz II uzama kompleksinin yapısal özellikleri Cramer, Gnatt ve çalışma arkadaşlarının kristalografi çalışmalarıyla ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

Birçok insan geninde RNA polimeraz II, başlangıç noktasından kısa bir mesafe sonra geçici olarak duraklar. Bu olay promotöre yakın duraklama olarak adlandırılır. DSIF ve NELF kompleksleri duraklamayı destekler. P-TEFb kompleksi içindeki CDK9, RNA polimeraz II CTD’sini, DSIF’i ve NELF’i fosforile ederek verimli uzamaya geçişi sağlar.

Promotör başlangıcı → Kısa RNA sentezi → DSIF/NELF aracılı duraklama → P-TEFb aktivasyonu → Verimli uzama

Uzama sırasında RNA polimeraz nükleozomlarla karşılaşır. FACT, SPT6 ve kromatin yeniden düzenleyici kompleksler nükleozomların geçici olarak açılmasına ve polimeraz geçtikten sonra yeniden kurulmasına katkıda bulunur.

RNA’nın 5′ ucunun başlıklandırılması

RNA polimeraz II transkripti yaklaşık 20–30 nükleotid uzunluğa ulaştığında 5′ ucuna 7-metilguanozin başlığı eklenir. Başlıklandırma enzimleri, Ser5-fosforile CTD’ye bağlanarak yeni RNA’ya yönlendirilir.

Yeni RNA 5′ ucu → Trifosfataz işlemi → Guanililtransferaz ile guanozin eklenmesi → Metiltransferaz ile metilasyon → 5′ başlık

5′ başlık;

• mRNA’yı ekzonükleazlardan korur,
• kesip birleştirmeyi destekler,
• çekirdekten sitoplazmaya taşınmaya katkıda bulunur,
• translasyon başlangıcında ribozomun mRNA’yı tanımasını kolaylaştırır.

Kesip birleştirme

Protein kodlayan ökaryotik genlerin çoğu ekzon ve intronlardan oluşur. İntronlar, öncül mRNA’dan spliceozom aracılığıyla çıkarılır. Spliceozom; küçük nükleer RNA’lar ve çok sayıda proteinden oluşan dinamik bir ribonükleoprotein kompleksidir.

Öncül mRNA → 5′ kesip birleştirme bölgesinin tanınması → Dallanma noktasının tanınması → İntron halkasının oluşması → Ekzonların birleştirilmesi

Alternatif kesip birleştirme, aynı genden farklı ekzon kombinasyonları taşıyan mRNA’ların üretilmesini sağlar. Böylece tek bir gen birden fazla protein izoformu oluşturabilir. RNA polimeraz II’nin uzama hızı, kromatin yapısı ve RNA bağlayıcı proteinler alternatif kesip birleştirme kararlarını etkileyebilir.

3′ uç oluşumu ve poliadenilasyon

Protein kodlayan transkriptlerin çoğunda 3′ uç oluşumu, RNA’daki poliadenilasyon sinyalinin tanınmasıyla başlar. En sık bulunan sinyal AAUAAA dizisidir. CPSF ve CstF gibi kompleksler RNA’yı tanır ve kesim bölgesinin belirlenmesini sağlar.

AAUAAA sinyali → CPSF ve CstF bağlanması → RNA’nın kesilmesi → Poli-A polimeraz etkinliği → Poli-A kuyruğu oluşumu

Poli-A polimeraz, kalıp kullanmadan RNA’nın 3′ ucuna adenozin kalıntıları ekler. PABPN1 gibi poli-A bağlayıcı proteinler kuyruğun uzunluğunu ve işlevini düzenler.

Poli-A kuyruğu;

• mRNA kararlılığını artırır,
• çekirdekten taşınmayı destekler,
• translasyon verimliliğini etkiler,
• mRNA yıkımının düzenlenmesine katılır.

Sonlanma

RNA polimeraz II, RNA’nın kesildiği noktadan sonra bir süre daha transkripsiyona devam edebilir. Kesim sonrasında ortaya çıkan korunmasız RNA ucu XRN2 ekzonükleazı tarafından 5′ → 3′ yönünde parçalanır. XRN2’nin RNA polimeraza yetişmesi, polimerazın DNA’dan ayrılmasına katkıda bulunur. Bu mekanizma torpido modeli olarak adlandırılır.

RNA’nın kesilmesi → XRN2’nin RNA’yı parçalaması → Polimeraza ulaşma → Transkripsiyon kompleksinin dağılması

Bakterilerde tek bir temel RNA polimeraz bulunur. Sigma faktörleri promotörlerin tanınmasını sağlar. Transkripsiyon, RNA saç tokası yapısının oluştuğu Rho’dan bağımsız mekanizmayla veya Rho proteininin görev yaptığı Rho’ya bağımlı mekanizmayla sonlandırılabilir.

Metabolizma / Fizyoloji

Transkripsiyon, ribonükleotid metabolizması ve hücresel enerji üretimiyle doğrudan ilişkilidir. RNA sentezi için gerekli ATP, GTP, CTP ve UTP; pürin ve pirimidin sentez yollarıyla üretilir. Nükleotid havuzundaki ciddi dengesizlikler RNA sentez hızını ve doğruluğunu etkileyebilir.

RNA polimerizasyonu sırasında kullanılan NTP’ler hem RNA’nın yapı taşlarını hem de fosfodiester bağı oluşumu için gerekli kimyasal enerjiyi sağlar. Reaksiyonda açığa çıkan pirofosfatın hücresel pirofosfatazlar tarafından parçalanması, sentez reaksiyonunu ileri yönde destekler.

NTP + RNA–3′-OH → Uzamış RNA + PPi
PPi → 2 Pi

RNA polimerazların katalitik merkezinde magnezyum iyonları bulunur. Bu iyonlar, gelen nükleotidin doğru konumlandırılmasına ve fosfodiester bağı oluşumuna katkıda bulunur.

Transkripsiyonun kromatin düzeyindeki kontrolü hücresel metabolitlerle bağlantılıdır. Histon asetilasyonu için asetil-koenzim A, DNA ve histon metilasyonu için S-adenozilmetiyonin kullanılır. Sirtuin ailesi histon deasetilazlar NAD⁺ bağımlıdır.

Asetil-koenzim A → Histon asetilasyonu → Kromatin erişilebilirliğinde değişim
S-Adenozilmetiyonin → DNA/histon metilasyonu → Gen düzenlenmesinde değişim
NAD⁺ → Sirtuin etkinliği → Histon deasetilasyonu

Bu bağlantılar, glukoz metabolizması, yağ asidi metabolizması ve tek karbon metabolizmasının gen ekspresyonunu dolaylı biçimde etkileyebileceğini gösterir. Ancak metabolit düzeyi ile belirli bir genin transkripsiyonu arasındaki ilişki hücre tipine ve biyolojik bağlama göre değişir.

Farklılaşmış hücreler aynı genomu taşımasına rağmen farklı transkripsiyon programlarına sahiptir. Hepatositlerde albumin ve metabolik enzim genleri, pankreas beta hücrelerinde insülin senteziyle ilişkili genler, kas hücrelerinde kontraktil protein genleri ve nöronlarda sinaptik protein genleri daha yüksek düzeyde ifade edilir.

Düzenlenme Mekanizmaları

Transkripsiyonun düzenlenmesi, genlerin doğru zamanda, doğru hücrede ve uygun miktarda ifade edilmesini sağlar. Düzenleme kromatin erişilebilirliği, transkripsiyon faktörleri, güçlendirici-promotör etkileşimleri, hücre içi sinyal yolları ve RNA geri bildirim mekanizmaları üzerinden gerçekleştirilir.

Kromatin erişilebilirliği

Nükleozomlar, transkripsiyon faktörlerinin ve RNA polimerazın DNA’ya ulaşmasını sınırlayabilir. Histon asetiltransferazlar histon lizinlerine asetil grubu ekleyerek kromatini daha erişilebilir hâle getirebilir. Histon deasetilazlar asetil gruplarını uzaklaştırarak daha kapalı kromatin durumlarını destekleyebilir.

Histon metilasyonunun etkisi değişikliğin bulunduğu amino aside bağlıdır. H3K4 trimetilasyonu aktif promotörlerle, H3K27 asetilasyonu aktif güçlendiricilerle ilişkilidir. H3K9 ve H3K27 metilasyonu ise çoğunlukla baskılanmış kromatin bölgelerinde görülür.

DNA metilasyonu, özellikle promotörlerdeki CpG bölgelerinde yoğun olduğunda transkripsiyonun baskılanmasıyla ilişkili olabilir. Metillenmiş DNA’yı tanıyan proteinler baskılayıcı kromatin komplekslerini bölgeye çekebilir.

ATP bağımlı kromatin yeniden düzenlenmesi

SWI/SNF, ISWI, CHD ve INO80 ailesi kompleksler ATP enerjisi kullanarak nükleozomları kaydırabilir, uzaklaştırabilir veya yeniden düzenleyebilir. Böylece promotör ve güçlendirici bölgelerin erişilebilirliği değişir.

Transkripsiyon faktörleri

Genel transkripsiyon faktörleri, RNA polimeraz II’nin promotöre yerleşmesi için gereklidir. Gene özgü transkripsiyon faktörleri ise belirli DNA dizilerini tanır ve hücreye özgü gen ekspresyonunu düzenler.

Transkripsiyon faktörleri başlıca şu yapısal DNA bağlanma bölgelerini taşıyabilir:

• Çinko parmak
• Heliks-dönüş-heliks
• Lösin fermuarı
• Heliks-ilmek-heliks
• Homeodomain

Bazı transkripsiyon faktörleri hormon veya metabolit bağlayan reseptörlerdir. Glukokortikoid reseptörü, tiroid hormonu reseptörü, retinoik asit reseptörü ve östrojen reseptörü ligand bağlandıktan sonra belirli DNA yanıt elemanlarına bağlanarak transkripsiyonu değiştirir.

Güçlendirici-promotör etkileşimi

Güçlendiriciler, promotörlerden binlerce baz çifti uzakta bulunabilir. Kromatin döngülerinin oluşmasıyla güçlendiriciye bağlı transkripsiyon faktörleri promotör ve RNA polimeraz kompleksiyle temas eder. Kohezin ve CTCF, üç boyutlu genom organizasyonuna ve düzenleyici alanların sınırlandırılmasına katkıda bulunur.

Mediator kompleksi, gene özgü transkripsiyon faktörlerinden gelen düzenleyici sinyalleri RNA polimeraz II’ye ileten çok alt birimli bir yapıdır. Mediator, aktivatörler ile genel transkripsiyon mekanizması arasında işlevsel köprü oluşturur.

Hücre içi sinyal yolları

Hücre dışı sinyaller, protein kinaz yolları üzerinden transkripsiyon faktörlerinin fosforilasyonunu, çekirdeğe taşınmasını veya DNA’ya bağlanmasını düzenleyebilir.

Büyüme faktörü → Reseptör aktivasyonu → RAS–MAPK yolu → Transkripsiyon faktörü fosforilasyonu → Gen ekspresyonu

Sitokin → JAK aktivasyonu → STAT fosforilasyonu → STAT dimerleşmesi → Çekirdeğe geçiş → Hedef gen transkripsiyonu

Hipoksi → HIF-α stabilizasyonu → HIF kompleksinin oluşması → Hipoksi yanıt genlerinin transkripsiyonu

Kodlamayan RNA’lar

MikroRNA’lar çoğunlukla transkripsiyon sonrasında görev yapsa da bazı kodlamayan RNA’lar kromatin düzenleyici proteinleri belirli genom bölgelerine yönlendirerek transkripsiyonu etkileyebilir. XIST RNA’sı, X kromozomu inaktivasyonunda baskılayıcı kromatin oluşumunu başlatan önemli bir örnektir.

Görev Alan Enzimler, Proteinler ve Kofaktörler

RNA polimerazların katalitik işlevi için magnezyum iyonları gereklidir. ATP; TFIIH, kromatin yeniden düzenleyici kompleksler ve bazı RNA işleme proteinleri tarafından enerji kaynağı olarak kullanılır. S-adenozilmetiyonin, RNA başlığı ile DNA ve histon metilasyonlarında metil grubu vericisidir.

Doku, Organ ve Hücresel Dağılım

Transkripsiyon, çekirdekli hücrelerin tamamında temel bir süreçtir. Ancak ifade edilen genlerin türü ve transkripsiyon hızı hücre tipine, gelişimsel döneme ve fizyolojik duruma göre değişir.

RNA polimeraz I etkinliği başlıca nükleolusta yoğunlaşır. Burada ribozomal RNA öncülleri sentezlenir ve ribozom alt birimlerinin üretimi başlatılır. Hızlı büyüyen veya yoğun protein sentezi yapan hücrelerde nükleolus ve RNA polimeraz I etkinliği belirgin olabilir.

RNA polimeraz II, nükleoplazmada protein kodlayan genlerin ve birçok kodlamayan RNA geninin transkripsiyonunu gerçekleştirir. RNA polimeraz III ise nükleoplazmada tRNA ve 5S rRNA gibi küçük RNA’ları sentezler.

Hepatositlerde albumin, apolipoproteinler, pıhtılaşma faktörleri ve metabolik enzimlerin transkripsiyonu belirgindir. Pankreas beta hücrelerinde insülin ve glukoz algılama mekanizmalarına ait genler ifade edilir. Plazma hücrelerinde immünoglobulin genlerinin transkripsiyonu ve protein sentezi çok yüksektir.

Nöronlar bölünmeyen hücreler olmalarına rağmen sinaptik işlev, nörotransmitter yanıtı, öğrenme ve hafıza için yoğun ve dinamik transkripsiyon gerçekleştirir. Nöronal etkinlik, CREB gibi transkripsiyon faktörleri üzerinden belirli genlerin ifade edilmesini sağlayabilir.

Olgun eritrositler çekirdek içermediği için yeni nükleer RNA sentezi yapamaz. Retikülositler çekirdeklerini kaybetmiş olmalarına rağmen önceden sentezlenmiş mRNA’ları kullanarak sınırlı süre protein sentezine devam edebilir.

Mitokondriyal transkripsiyon, mitokondri matriksinde gerçekleşir. Mitokondriyal RNA polimeraz, TFAM ve TFB2M gibi faktörlerle birlikte mitokondriyal genomun RNA ürünlerini sentezler.

Biyolojik Fonksiyonlar

Transkripsiyonun temel biyolojik işlevleri şunlardır:

• DNA’daki genetik bilginin RNA’ya aktarılması
• Protein sentezi için mRNA oluşturulması
• Ribozom yapısında görev alan rRNA’ların üretilmesi
• Amino asit taşıyan tRNA’ların sentezlenmesi
• Gen ekspresyonunu düzenleyen kodlamayan RNA’ların oluşturulması
• Hücre farklılaşmasının ve doku kimliğinin kurulması
• Hormonlara ve büyüme faktörlerine hücresel yanıt verilmesi
• Metabolik koşullara göre enzim sentezinin değiştirilmesi
• Bağışıklık yanıtı ve inflamasyon genlerinin etkinleştirilmesi
• Hücresel stres yanıtlarının düzenlenmesi
• Embriyonik gelişim programlarının yürütülmesi
• Sinir sistemi plastisitesi ve hafıza süreçlerinin desteklenmesi
• Hücre döngüsü, DNA onarımı ve apoptozun kontrol edilmesi

Transkripsiyonun hücreye özgü düzenlenmesi, aynı genomdan çok farklı hücre tiplerinin oluşmasını sağlar. Gen ekspresyon örüntüsünün bozulması, hücresel kimlik kaybı, kontrolsüz çoğalma veya işlev yetersizliğiyle sonuçlanabilir.

Klinik ve Patofizyolojik Önemi

Transkripsiyon mekanizmasındaki bozukluklar tek bir genin yetersiz ifade edilmesinden geniş kapsamlı transkripsiyon programlarının değişmesine kadar farklı sonuçlar oluşturabilir. Transkripsiyon faktörlerindeki, RNA polimeraz alt birimlerindeki, kromatin düzenleyicilerindeki veya RNA işleme proteinlerindeki varyantlar gelişimsel, nörolojik, hematolojik ve metabolik hastalıklara yol açabilir.

Kanserlerde transkripsiyon düzenlenmesi sıklıkla bozulur. Onkogenlerin aşırı ifade edilmesi, tümör baskılayıcı genlerin susturulması, güçlendiricilerin yeniden düzenlenmesi ve anormal füzyon transkripsiyon faktörlerinin oluşması tümör gelişimine katkı sağlar.

MYC gibi transkripsiyon düzenleyicilerinin aşırı etkinliği ribozom biyogenezi, nükleotid sentezi ve hücresel büyüme programlarını artırabilir. PML::RARA ve EWSR1::FLI1 gibi füzyon proteinleri normal transkripsiyon programlarını değiştirerek hücresel farklılaşmayı engelleyebilir veya uygunsuz genleri etkinleştirebilir.

RNA polimeraz II transkripsiyonu, DNA hasarıyla karşılaştığında durabilir. Transkripsiyonla eşleşmiş nükleotid eksizyon onarımı, aktif olarak transkribe edilen DNA’nın kalıp zincirindeki hasarların hızlı biçimde giderilmesini sağlar. ERCC6 ve ERCC8 proteinlerinin bozukluğu Cockayne sendromuyla ilişkilidir.

TFIIH kompleksi hem transkripsiyon başlangıcında hem de nükleotid eksizyon onarımında görev yapar. TFIIH alt birimlerini kodlayan ERCC2 veya ERCC3 genlerindeki bazı varyantlar xeroderma pigmentosum, trikotiyodistrofi veya birleşik klinik tablolar oluşturabilir.

Transkripsiyon ve RNA düzeylerinin incelenmesinde RT-qPCR, RNA dizileme, tek hücre RNA dizileme, nükleer run-on temelli yöntemler, ChIP-seq ve kromatin erişilebilirlik analizlerinden yararlanılabilir. Bu yöntemlerin sonuçları RNA kalitesi, hücre bileşimi, örnekleme zamanı ve normalizasyon yöntemlerinden etkilenebilir.

Eksiklik, Fazlalık ve Bozukluk Durumları

Transkripsiyon eksikliği, bir genin normalden daha az RNA üretmesi veya hiç ifade edilmemesidir. Promotör varyantları, gen delesyonları, yoğun DNA metilasyonu, transkripsiyon faktörü eksikliği veya kromatin kapanması bu duruma yol açabilir.

Aşırı transkripsiyon, bir genin normalden fazla ifade edilmesidir. Gen amplifikasyonu, aşırı etkin güçlendiriciler, kromozomal yeniden düzenlenmeler veya sürekli etkin transkripsiyon faktörleri aşırı RNA ve protein üretimine neden olabilir.

Promotör bozukluğu, RNA polimeraz ve transkripsiyon faktörlerinin bağlanmasını azaltabilir veya uygunsuz biçimde artırabilir. Kodlayan bölge değişmeden kalsa bile gen ürününün miktarı değişebilir.

Güçlendirici bozukluğu, gelişimsel ve dokuya özgü gen ekspresyonunu etkileyebilir. Bir güçlendiricinin delesyonu hedef genin yetersiz ifade edilmesine, kromozomal yeniden düzenlenmeyle başka bir genin yanına taşınması ise uygunsuz aktivasyona yol açabilir.

Transkripsiyon faktörü eksikliği, aynı faktör tarafından düzenlenen çok sayıda genin birlikte etkilenmesine neden olabilir. Bu nedenle tek bir transkripsiyon faktörü varyantı multisistem gelişimsel bozukluk oluşturabilir.

RNA polimeraz bozukluğu, belirli RNA sınıflarının sentezini azaltabilir. RNA polimeraz III alt birimlerinin bozuklukları, özellikle merkezi sinir sisteminde hipomiyelinizasyon ve nörolojik hastalıklarla ilişkilidir.

Promotöre yakın duraklama bozukluğu, genlerin uyarılara hızlı yanıt verme kapasitesini ve uzama verimliliğini değiştirebilir.

Yanlış sonlanma, RNA polimerazın komşu gen bölgelerine ilerlemesine, anormal RNA oluşumuna ve genler arası transkripsiyon çatışmalarına neden olabilir.

Yanlış RNA işlenmesi, intron tutulması, ekzon atlanması, anormal poliadenilasyon veya kararsız mRNA oluşumuyla sonuçlanabilir. Bu bozukluklar doğrudan transkripsiyon hatası olmasa da RNA polimeraz II transkripsiyonuyla eş zamanlı yürütülen süreçlerle yakından ilişkilidir.

İlişkili Hastalıklar ve Klinik Tablolar

Beslenme, İlaç ve Çevresel Faktörlerle İlişki

Beslenme ve metabolik durum, DNA dizisini değiştirmeden transkripsiyon için gerekli nükleotid havuzlarını, kromatin düzenleyici metabolitleri ve hücre içi sinyal yollarını etkileyebilir.

Folat, vitamin B12, kolin ve metiyonin tek karbon metabolizması üzerinden S-adenozilmetiyonin üretimini etkiler. S-adenozilmetiyonin DNA, histon ve RNA metilasyonunda metil grubu vericisidir. Bununla birlikte bu besinlerin yüksek dozlarda alınması belirli genleri güvenli ve öngörülebilir biçimde “açan” veya “kapatan” bir tedavi yöntemi değildir.

Çinko, çok sayıda çinko parmaklı transkripsiyon faktörünün yapısal bütünlüğünde görev alır. Çinko yetersizliği yalnızca transkripsiyonu değil, bağışıklık, büyüme ve enzim işlevlerini de etkileyebilir.

Demir ve oksijen durumu HIF yolunu etkiler. Normal oksijen koşullarında HIF-α proteinleri demire ve oksijene bağımlı hidroksilazlar tarafından işaretlenerek yıkıma yönlendirilir. Hipokside HIF-α kararlı hâle gelir ve glikoliz, anjiyogenez ve eritropoezle ilişkili genlerin transkripsiyonunu artırır.

Bazı ilaçlar doğrudan RNA polimerazları veya transkripsiyon düzenleyicilerini hedefler:

Ultraviyole ışınları DNA’da hacimli lezyonlar oluşturarak RNA polimerazın ilerlemesini durdurabilir. İyonlaştırıcı radyasyon ve oksidatif stres DNA zincir kırıkları ve baz hasarları oluşturarak transkripsiyonu bozabilir. Tütün dumanı, benzen ve diğer çevresel genotoksinler hem DNA hasarı hem de epigenetik değişiklikler üzerinden gen ekspresyon örüntülerini etkileyebilir.

Kısaltmalar ve Açılımları

RNA: Ribonükleik Asit. DNA’daki genetik bilginin ifade edilmesinde, protein sentezinde ve gen düzenlenmesinde görev alan nükleik asittir.

DNA: Deoksiribonükleik Asit. Genetik bilginin depolandığı ve transkripsiyon sırasında kalıp olarak kullanılan nükleik asittir.

mRNA: Messenger RNA – Haberci RNA. Protein sentezi için genetik bilgiyi DNA’dan ribozoma taşıyan RNA türüdür.

pre-mRNA: Precursor Messenger RNA – Öncül Haberci RNA. RNA işlenmesi tamamlanmadan önce oluşan birincil RNA polimeraz II transkriptidir.

rRNA: Ribosomal RNA – Ribozomal RNA. Ribozomun yapısal ve katalitik bileşenlerini oluşturan RNA türüdür.

tRNA: Transfer RNA – Taşıyıcı RNA. Amino asitleri ribozoma taşıyan RNA molekülüdür.

miRNA: MicroRNA – MikroRNA. Hedef mRNA’ların yıkımını veya translasyonunu düzenleyen kısa kodlamayan RNA’dır.

snRNA: Small Nuclear RNA – Küçük Nükleer RNA. Spliceozomun yapısında ve öncül RNA’nın kesip birleştirilmesinde görev alır.

snoRNA: Small Nucleolar RNA – Küçük Nükleolar RNA. Ribozomal RNA’nın işlenmesi ve kimyasal değişikliklerinde görev yapar.

lncRNA: Long Non-Coding RNA – Uzun Kodlamayan RNA. Kromatin, transkripsiyon ve RNA işlenmesini düzenleyebilen RNA sınıfıdır.

NTP: Ribonükleozid Trifosfat. RNA polimerazın RNA sentezinde kullandığı ATP, GTP, CTP ve UTP’nin genel adıdır.

RNA Pol I: RNA Polimeraz I. Büyük ribozomal RNA öncülünün sentezini gerçekleştirir.

RNA Pol II: RNA Polimeraz II. mRNA ve birçok kodlamayan RNA’nın transkripsiyonunu gerçekleştirir.

RNA Pol III: RNA Polimeraz III. tRNA, 5S rRNA ve bazı küçük RNA’ları sentezler.

CTD: C-Terminal Domain – Karboksil Terminal Bölge. RNA polimeraz II’nin en büyük alt biriminde bulunan ve transkripsiyon ile RNA işlenmesini koordine eden bölgedir.

TBP: TATA-Binding Protein – TATA Bağlayıcı Protein. TFIID kompleksinin promotör tanınmasında görev alan bileşenidir.

TAF: TBP-Associated Factor – TBP ile İlişkili Faktör. TFIID içinde promotör tanıma ve düzenleyici proteinlerle etkileşimde görev alır.

TFIID: Transcription Factor IID – Transkripsiyon Faktörü IID. TBP ve TAF proteinlerinden oluşan genel transkripsiyon faktörü kompleksidir.

TFIIH: Transcription Factor IIH – Transkripsiyon Faktörü IIH. Promotör açılması, CTD fosforilasyonu ve nükleotid eksizyon onarımında görev alır.

CDK7: Cyclin-Dependent Kinase 7 – Sikline Bağımlı Kinaz 7. TFIIH içinde RNA polimeraz II CTD’sini fosforile eden kinazdır.

P-TEFb: Positive Transcription Elongation Factor b – Pozitif Transkripsiyon Uzama Faktörü b. CDK9 ve siklin T’den oluşarak RNA polimeraz II’nin verimli uzamaya geçmesini sağlar.

CDK9: Cyclin-Dependent Kinase 9 – Sikline Bağımlı Kinaz 9. Promotöre yakın duraklamanın kaldırılmasında görev alan kinazdır.

DSIF: DRB Sensitivity-Inducing Factor. RNA polimeraz II duraklaması ve uzamasında görev alan protein kompleksidir.

NELF: Negative Elongation Factor – Negatif Uzama Faktörü. RNA polimeraz II’nin promotöre yakın duraklamasını destekler.

CPSF: Cleavage and Polyadenylation Specificity Factor. Öncül mRNA’nın 3′ uç kesimi ve poliadenilasyon sinyalinin tanınmasında görev alır.

CstF: Cleavage Stimulation Factor. RNA’nın 3′ uç oluşumu ve kesim işlemini destekleyen protein kompleksidir.

PAP: Poly(A) Polymerase – Poli-A Polimeraz. RNA’nın 3′ ucuna adenozin kalıntıları ekler.

XRN2: 5′ → 3′ Exoribonuclease 2. RNA polimeraz II transkripsiyonunun sonlanmasına katkıda bulunan ekzoribonükleazdır.

HAT: Histone Acetyltransferase – Histon Asetiltransferaz. Histon proteinlerine asetil grubu ekleyen enzimdir.

HDAC: Histone Deacetylase – Histon Deasetilaz. Histonlardan asetil gruplarını uzaklaştıran enzim ailesidir.

DNMT: DNA Methyltransferase – DNA Metiltransferaz. DNA’ya metil grubu ekleyen enzim ailesidir.

SAM: S-Adenozilmetiyonin. DNA, histon ve RNA metilasyonunda kullanılan temel metil grubu vericisidir.

HIF: Hypoxia-Inducible Factor – Hipoksiyle İndüklenen Faktör. Düşük oksijen koşullarında gen ekspresyonunu düzenleyen transkripsiyon faktörüdür.

Kaynakça

1. Alberts, B., Heald, R., Johnson, A., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2022). Molecular biology of the cell (7th ed.). W. W. Norton & Company.
2. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. C., Yaffe, M. B., & Amon, A. (2021). Molecular cell biology (9th ed.). W. H. Freeman.
3. Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M., & Losick, R. (2014). Molecular biology of the gene (7th ed.). Pearson.
4. Nelson, D. L., Cox, M. M., & Hoskins, A. A. (2021). Lehninger principles of biochemistry (8th ed.). W. H. Freeman.
5. Roeder, R. G., & Rutter, W. J. (1969). Multiple forms of DNA-dependent RNA polymerase in eukaryotic organisms. Nature, 224(5216), 234–237.
6. Cramer, P., Bushnell, D. A., & Kornberg, R. D. (2001). Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 Å resolution. Science, 292(5523), 1863–1876.
7. Gnatt, A. L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell, D. A., & Kornberg, R. D. (2001). Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3 Å resolution. Science, 292(5523), 1876–1882.
8. He, Y., Fang, J., Taatjes, D. J., & Nogales, E. (2013). Structural visualization of key steps in human transcription initiation. Nature, 495(7442), 481–486.
9. Koleske, A. J., & Young, R. A. (1994). An RNA polymerase II holoenzyme responsive to activators. Nature, 368(6470), 466–469.
10. Kim, Y. J., Björklund, S., Li, Y., Sayre, M. H., & Kornberg, R. D. (1994). A multiprotein mediator of transcriptional activation and its interaction with the C-terminal repeat domain of RNA polymerase II. Cell, 77(4), 599–608.
11. Luger, K., Mäder, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F., & Richmond, T. J. (1997). Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution. Nature, 389(6648), 251–260.
12. McCracken, S., Fong, N., Yankulov, K., Ballantyne, S., Pan, G., Greenblatt, J., Patterson, S. D., Wickens, M., & Bentley, D. L. (1997). The C-terminal domain of RNA polymerase II couples mRNA processing to transcription. Nature, 385(6614), 357–361.
13. Core, L. J., Waterfall, J. J., & Lis, J. T. (2008). Nascent RNA sequencing reveals widespread pausing and divergent initiation at human promoters. Science, 322(5909), 1845–1848.
14. Rahl, P. B., Lin, C. Y., Seila, A. C., Flynn, R. A., McCuine, S., Burge, C. B., Sharp, P. A., & Young, R. A. (2010). c-Myc regulates transcriptional pause release. Cell, 141(3), 432–445.
15. Jonkers, I., Kwak, H., & Lis, J. T. (2014). Genome-wide dynamics of Pol II elongation and its interplay with promoter proximal pausing, chromatin, and exons. eLife, 3, e02407.
16. Fong, N., Kim, H., Zhou, Y., Ji, X., Qiu, J., Saldi, T., Diener, K., Jones, K., Fu, X. D., & Bentley, D. L. (2014). Pre-mRNA splicing is facilitated by an optimal RNA polymerase II elongation rate. Genes & Development, 28(23), 2663–2676.
17. West, S., Gromak, N., & Proudfoot, N. J. (2004). Human 5′ → 3′ exonuclease Xrn2 promotes transcription termination at co-transcriptional cleavage sites. Nature, 432(7016), 522–525.
18. Shi, Y., Di Giammartino, D. C., Taylor, D., Sarkeshik, A., Rice, W. J., Yates, J. R., Frank, J., & Manley, J. L. (2009). Molecular architecture of the human pre-mRNA 3′ processing complex. Molecular Cell, 33(3), 365–376.
19. Andersson, R., Gebhard, C., Miguel-Escalada, I., Hoof, I., Bornholdt, J., Boyd, M., Chen, Y., Zhao, X., Schmidl, C., Suzuki, T., Ntini, E., Arner, E., Valen, E., Li, K., Schwarzfischer, L., Glatz, D., Raithel, J., Lilje, B., Rapin, N., Bagger, F. O., Jørgensen, M., Andersen, P. R., Bertin, N., Rackham, O., Burroughs, A. M., Baillie, J. K., Ishizu, Y., Shimizu, Y., Furuhata, E., Maeda, S., Negishi, Y., Mungall, C. J., Meehan, T. F., Lassmann, T., Itoh, M., Kawaji, H., Kondo, N., Kawai, J., Lennartsson, A., Daub, C. O., Heutink, P., Hume, D. A., Jensen, T. H., Suzuki, H., Hayashizaki, Y., Müller, F., Forrest, A. R. R., Carninci, P., Rehli, M., & Sandelin, A. (2014). An atlas of active enhancers across human cell types and tissues. Nature, 507(7493), 455–461.
20. ENCODE Project Consortium. (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature, 489(7414), 57–74.
21. Buenrostro, J. D., Giresi, P. G., Zaba, L. C., Chang, H. Y., & Greenleaf, W. J. (2013). Transposition of native chromatin for fast and sensitive epigenomic profiling of open chromatin, DNA-binding proteins and nucleosome position. Nature Methods, 10(12), 1213–1218.
22. Troelstra, C., van Gool, A., de Wit, J., Vermeulen, W., Bootsma, D., & Hoeijmakers, J. H. J. (1992). ERCC6, a member of a subfamily of putative helicases, is involved in Cockayne’s syndrome and preferential repair of active genes. Cell, 71(6), 939–953.
23. Trinh, J., & Farrer, M. (2013). Advances in the genetics of Parkinson disease. Nature Reviews Neurology, 9(8), 445–454.
24. Soutourina, J. (2018). Transcription regulation by the Mediator complex. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19(4), 262–274.
25. Sainsbury, S., Bernecky, C., & Cramer, P. (2015). Structural basis of transcription initiation by RNA polymerase II. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 16(3), 129–143.
26. Peterlin, B. M., & Price, D. H. (2006). Controlling the elongation phase of transcription with P-TEFb. Molecular Cell, 23(3), 297–305.
27. Proudfoot, N. J. (2016). Transcriptional termination in mammals: Stopping the RNA polymerase II juggernaut. Science, 352(6291), aad9926.
28. Jeronimo, C., & Robert, F. (2017). The mediator complex: At the nexus of RNA polymerase II transcription. Trends in Cell Biology, 27(10), 765–783.