Özet
Son 50 yılda kariyerimi biyolojideki temel soruları incelemeye adadım. Bu sorular, “Aynı genetik bilgiyi taşıyan hücreler insan vücudundaki yaklaşık 200 hücre tipine nasıl farklılaşıyor?” gibi yaşamın en temel süreçlerinden bazılarını ele alıyor. ve “Hücreler çevresel bilgilere yanıt olarak nasıl yeniden şekillenir?” Bu yazıda sizi bu sorular üzerine yaptığım bazı araştırmalarda bir yolculuğa çıkaracağım. DNA ve onun RNA polimeraz II adı verilen karmaşık bir mekanizma aracılığıyla mRNA’ya transkripsiyonu hakkındaki ana bulgularımı anlatacağım. mRNA sonunda, hücre inşa etmek, çevresel sinyallere yanıt vermek, kimyasal reaksiyonları hızlandırmak ve uzak dokular arasında sinyal iletmek dahil olmak üzere organizma içinde çeşitli önemli roller oynayan proteinlere çevrilir.
Profesör Kornberg, ökaryotik transkripsiyonun moleküler temelinin incelenmesi için 2006 yılında Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı.
Hayfa, İsrail, Technion, İsrail Teknoloji Enstitüsü, Grand Technion Enerji Programı mezunu Noa Segev tarafından röportaj yapıldı ve birlikte yazıldı .
RNA’ya Giden Yolum
Babam bir biyokimyacıydı ve deoksiribonükleik asit (DNA) üzerindeki çalışmaları nedeniyle 1959’da Nobel ödülü aldı.
Canlılarda genetik bilgiyi taşıyan madde. DNA, çift sarmal şeklinde iki iplikten oluşur ve hücrenin çekirdeğinin içinde bulunur.çoğaltma. Dinlemek isteyen herkesle araştırmalarına duyduğu muazzam coşkuyu paylaştı ve ben onun bilime olan sevgisini özümsedim. Üniversitede matematik, fizik ve kimya okudum ve doktoram için. Membranların dinamiği üzerine araştırma yaptım (Şekil 1, sol). Zarlar yaşamda en temel rolü oynarlar, çünkü canlı hücreyi çevreleyen bu zarf, her canlının temel birimi olan hücrenin etrafını sarmalayan şeydir.
Membranlar üzerindeki çalışmamın sonuna doğru, yaşam bilimleriyle ilgili fizik ve kimya üzerinde çalışmaya devam etmek istediğimi biliyordum. O zamanlar, hücre bileşenleri ve süreçlerinin incelenmesi olan yapısal biyoloji alanı hızla büyüyordu.
Kromozom, genetik materyalimiz olan DNA’nın tüm hücrelerde bulunduğu yapıdır. Kromozom yapısı, DNA’nın temel önemi ve görünüşte basit yapısı nedeniyle yapısal biyologlar için ilgi çekiciydi. Kromozomların DNA’dan ve eşit kütlede dört çok küçük proteinden oluştuğunu zaten biliyorduk. Çözmemiz gereken tek şey, DNA ve dört proteinin kromozom yapısını oluşturacak şekilde nasıl birlikte düzenlendiğiydi.
Eh, bu sorunun hiç de basit olmadığı ortaya çıktı. Sonunda, kromozom yapısı üzerine yazılmış yüzlerce araştırma makalesi arasından birkaç ilgili araştırma makalesini belirleyerek çözdüm. Bu kağıtlar beni çözüme götürdü. İlgili deneyler yaptım ve yapbozun parçalarını bir araya getirdim ve kromozomun yapısını açıkladım. Bu yapının daha sonra X-ışını kristalografisi adı verilen bir teknikle doğru olduğu kanıtlandı .
Kromozomun yapısını çözdükten sonraki doğal adım, bu yapının biyoloji ve yaşamın kendisi üzerindeki etkilerini araştırmaktı. Kromozom içinde bu şekilde organize olan DNA, genetik bilginin ifadesine nasıl dahil olur? Gen ifadesi, transkripsiyon adı verilen bir süreçle başlar.
DNA’nın bir bölümünün bir mRNA molekülüne kopyalandığı gen ifadesindeki (ekspresyon) ilk adımdır. mRNA molekülü, DNA molekülüne benzer, ancak farklı bir yapı ve işleve sahiptir. DNA’nın yapıldığı iki iplikten farklı olarak, mRNA molekülü, DNA dizisinin belirli bir bölümünün bir kopyası olan tek bir kısa iplikten yapılır. mRNA, DNA’da kodlanan genetik bilgiyi, sonunda bu bilgiye dayalı olarak sentezlenen proteinlere bağlayan bir ara madde görevi görür. Gen ifadesinde kromozomun rolünü araştırmak için üç enzimden birini inceleyerek başladım. Vücutta veya hücre içinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonları hızlandıran büyük molekül.transkripsiyona katılanlar. Bu enzime RNA polimeraz II denir.
DNA’dan RNA’ya: RNA Polimeraz II Transkripsiyon Düzeneği
RNA polimeraz II transkripsiyon makinesinin işlevi, mRNA oluşturmaktır. Yukarıda bahsettiğim gibi mRNA, DNA kodu ile bu koddan üretilen proteinler arasında bir bağlantı görevi görür. RNA polimeraz II transkripsiyon makinesi, neredeyse 60 farklı proteinden oluşur! Üç ana bileşeni tanımlayacağım: RNA polimeraz II enzimi, genel transkripsiyon faktörleri adı verilen bir dizi protein DNA transkripsiyonunun mRNA’ya başlatılmasına yardımcı olan bir grup proteinden oluşur. Gen regülasyonu hakkındaki bilgileri işleyen ve bu bilgiyi GTF’lere ve RNA polimeraz II’ye ileten bir çoklu protein kompleksidir.
RNA Polimeraz II Enzim: Yapı ve İşlev
RNA polimeraz II enzimi (Şekil 2A), transkripsiyon işleminin gerçekleştiği yapıdır. Bu, DNA’nın bu enzime bir yönden girdiği ve bir mRNA ürününün başka bir yönden çıktığı anlamına gelir. Çalışmalarımızın çoğu, bu enzimin karmaşık yapısını çözmekle ilgiliydi. Enzimin yapısını kendi başına çözdükten sonra, transkripsiyon işlemi sırasında hem DNA hem de içinde bulunan RNA ile yapısını da çözmeyi başardık (Şekil 2 ).
RNA polimeraz II, Şekil 2A’da farklı renklerle temsil edilen ve neredeyse 30.000 atomdan oluşan 12 farklı proteinden oluşur. RNA polimeraz II, bir magnezyum iyonuna yol açan merkezi bir kanala sahiptir. Merkezi kanal, transkripsiyonun gerçekleştiği yerdir. Bir çift zincirli DNA, merkezi kanala girer ve iki DNA zinciri birbirinden ayrılır (Şekil 2B). Bir iplik, enzimin merkezindeki magnezyum iyonunun yakınında bükülür. Aktif merkez olarak adlandırılan bu yerde, DNA zincirinin bükülmüş bölümünün talimatları izlenerek mRNA sentezlenir. Son olarak, hibrit DNA-mRNA yapısı, enzime giren DNA’ya göre yaklaşık 90°’lik bir açıyla enzimden çıkar.
Genel Transkripsiyon Faktörleri (GTF’ler): Gen İfadesindeki Anahtar Bileşenler
Transkripsiyon sürecindeki en önemli adım, başlama adı verilen sürecin başlangıcıdır. DNA, mRNA’ya kopyalandığında, tamamı kopyalanmaz. Sadece belirli bir kısmı belirli bir amaç için yazılmıştır. DNA’nın bu kısmına gen denir.
Bir protein oluşturmak için bilgi içeren bir DNA parçası. Her gen, vücudumuzdaki spesifik proteinlerin üretimi hakkında bilgi içerir. Spesifik bir genin tanınması ve onun kopyalanıp kopyalanmamasına karar vermek için RNA polimeraz II, beş ek molekül kullanır. Bunlar, genel transkripsiyon faktörleri (GTF’ler) olarak adlandırılan proteinlerdir ve transkripsiyon işlemi sırasında RNA polimeraz II enzimi ile temas halindedirler (Şekil 3’ün altındaki gri küreler). Genel olarak konuşursak, bu GTF’leri transkripsiyon makinelerinde belirli genleri “açma” veya “kapatma”ya yardımcı olan bileşenler olarak düşünebilirsiniz.
Şekil 2B’de daha önce gördüğümüz gibi , DNA RNA polimeraz II içinde hareket ettiğinde, mRNA’ya kopyalanmak için bükülmesi gerekir. Bununla birlikte, normal biçimindeki DNA çok katıdır ve kolayca bükülmez. Bükülmesi için tek tek tellere ayrılması gerekir, bunun üzerine tamamen esnek hale gelir ve serbestçe bükülebilir. GTF’lerin devreye girdiği yer burasıdır: GTF’ler DNA molekülündeki genin başlangıcını bulduktan sonra, DNA’yı açarlar ve onu RNA polimeraz II’deki transkripsiyonun aktif bölgesinin yakınında bükerler. Bu şekilde, GTF’ler transkripsiyon sürecini başlatır.
Arabulucu (mediatör): Gen Düzenlemesi için “Aracı”
DNA transkripsiyonu sürecinde, hangi genin kopyalanacağı, vücudun hangi yerinde ve ne zaman yapılacağı gibi çok önemli kararlar alınmalıdır. Bu karar ve eylemler grubuna gen ifadesi düzenlemesi denir ve vücudumuzun düzgün çalışması için kritik öneme sahiptir. Mediatör, 1990’da keşfettiğimiz bir protein grubudur ve gen düzenleme mekanizmasının önemli bir parçasıdır: tüm düzenleyici bilgileri işler ve belirli bir kopyayı yazıp yazmama kararını kontrol etmek için RNA polimeraza iletir.
Şekil 3, transkripsiyon sürecindeki Aracı’nın işlevini şematik olarak göstermektedir: aracı (pembe renkli), bir genin transkripsiyon için “açılmasını” etkileyen, aktivatör (kırmızı renkte) olarak adlandırılan bir protein ile RNA polimeraz II arasında bağlantı kurar. enzim (mavi). Başka bir deyişle, Aracı, gen ekspresyonu hakkında RNA polimeraz enzimi düzenleyici bilgileri ileten “aracı” olarak hizmet eder.
Gelecek İçin Açık Sorular
Bu yazıda anlattıklarımla ilgili çözülmemiş iki problemden kısaca bahsederek merakınızı gidermek istiyorum. Bu konular bugün biyokimya araştırmalarının en uç noktasında ve şu anda laboratuvarımda her ikisi üzerinde de çalışıyoruz.
İlk problem kromozomun yapısı ile ilgilidir. Bir hücrenin bölünmesinin belirli bir aşamasında, DNA’nın uzunluğu yaklaşık 10.000 faktör kadar kısalır, böylece daha önce hücrenin tüm çekirdeğini işgal eden DNA, kromozomların şekillerine yoğunlaşır. Kromozomun yapısı hakkında kesin olarak bildiklerimiz, DNA uzunluğunun 10.000 kat değil, 5 kat kısalmasını açıklayabilir. Öyleyse, açık soru şudur: kromozomdaki DNA, 2.000’lik ek bir faktörle nasıl yoğunlaşır?
İkinci problem, Mediatör ve gen ekspresyonunun düzenlenmesi ile ilgilidir. Şekil 3’te gördüğünüz gibi , Aracı, RNA polimeraz II enzimine düzenleyici bilgi sağlar. Ancak düzenleyici bilgiler Arabulucu tarafından nasıl işlenir? Bu bilgi polimeraza tam olarak nasıl iletilir? Arabulucu, kopyalanmasına izin vermek için DNA’nın açılmasına nasıl yardımcı olur? Ne olabileceği ve nasıl olabileceği hakkında bazı fikirlerimiz var, ancak bunlar hala çözmeye çalıştığımız açık problemler.
Genç Beyinler İçin İpuçları
Birçok yönden yukarıda bahsettiğim sorular, akademik çalışmalarıma başladığım temel sorularla aynıdır. Muhtemelen bildiğiniz gibi, birçok bilimsel soru karmaşıktır ve tam olarak ele alınması uzun yıllar süren sıkı çalışmayı gerektirir. Bilim zorludur, çok çalışma gerektirir ve bazen zor ve sinir bozucu olabilir. Ama benim için ara sıra verilen ödüller mücadeleye tamamen değer. Bilimi seviyorsanız ve bir bilim insanı olarak kariyer yapmak istiyorsanız, size ilk tavsiyem, etkinliğin kendisinden zevk almanız ve bilimin küçük, günlük etkinliklerinin tadını çıkarmanızdır. Benim durumumda, örneğin, bu faaliyetler deneyseldir – farklı malzemeleri karıştırıp çözme ve deneylerim için çözümler üretme. Bu küçük adımların her birinden kişisel olarak zevk alıyorum ve laboratuvarda vakit geçirmeyi seviyorum.
Bir diğer önemli şey de başarısızlığı teşvik edici, zorlayıcı bir şey olarak nasıl deneyimleyeceğinizi öğrenmektir – geçen seferkiyle aynı yüksek başarı beklentisiyle yeniden denemeye davet olarak. Arada bir, araştırma sırasında yeni ve şaşırtıcı bir şey olur. Ancak, iyi bilim adamları buna hemen inanmazlar. İlk olarak, bunun bir hata olmadığından emin olmalısınız, bu yüzden yanıldığınızı kanıtlamanın yollarını düşünmelisiniz. Gerçekten iyi bir bilim adamı, yanlış olduklarını kanıtlamak için son derece karmaşık yollar düşünür. Ustaca deneylerle bile yanıldıklarını kanıtlayamadıklarında, bir şey keşfettiler. Bunlar, bir bilim insanının kariyerinde benzersiz ve unutulmaz anlar ve sürece yatırılan sıkı çalışmadan çok daha ağır basar.
Sözlük
Deoksiribonükleik Asit (DNA) : ↑ Canlılarda genetik bilgiyi taşıyan madde. DNA, çift sarmal şeklinde iki iplikten oluşur ve hücrenin çekirdeğinin içinde bulunur.
Proteinler : Tüm canlı hücrelerde bulunan ve organizmalarda birçok önemli rol oynayan büyük moleküller.
Kromozom : DNA’nın hücre çekirdeğinde düzenlendiği temel yapı.
Transkripsiyon : DNA’nın bir bölümünün bir mRNA molekülüne kopyalandığı gen ekspresyonunun ilk adımı.
Messenger RNA (mRNA) : DNA’da depolanan bilgilere dayalı olarak proteinlerin oluşturulmasında yer alan bir RNA türü.
Enzimler : Vücutta veya hücre içinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonları hızlandıran büyük molekül.
Genel Transkripsiyon Faktörleri (GTF’ler) : mRNA’ya DNA transkripsiyonunun başlatılmasına yardımcı olan bir grup protein.
Aracı : Gen regülasyonu hakkındaki bilgiyi işleyen ve bu bilgiyi GTF’lere ve RNA polimeraz II’ye ileten bir multi-protein kompleksi.
Gen : Bir protein oluşturmak için bilgi içeren bir DNA parçası.
Çıkar çatışması
Yazar, araştırmanın potansiyel bir çıkar çatışması olarak yorumlanabilecek herhangi bir ticari veya finansal ilişki olmaksızın yürütüldüğünü beyan eder.
Kaynak: The Transcription of Life: From DNA to RNA
Referanslar
[1] Cramer, P., Bushnell, DA ve Kornberg, RD 2001. Transkripsiyonun yapısal temeli: 2.8 Â çözünürlükte RNA polimeraz II. Bilim 292:1863–76. doi: 10.1126/bilim.1059493
[2] Boeger, H., Bushnell, DA, Davis R., Griesenbeck, J., Lorch, Y., Strattan, JS, et al. 2005. Ökaryotik gen transkripsiyonunun yapısal temeli. FEBS Lett. 579:899–903. doi: 10.1016/j.febslet.2004.11.027
[3] Kelleher, RJ, Flanagan, PM ve Kornberg, RD 1990. Aktivatör proteinler ve RNA polimeraz II transkripsiyon aparatı arasında yeni bir aracı. Hücre 61:1209–15. doi: 10.1016/0092-8674(90)90685-8
Makale bilgileri
Alıntı
Kornberg R (2021) Yaşamın Transkripsiyonu: DNA’dan RNA’ya. Ön. Genç Akıllar. 9:599460. doi: 10.3389/frym.2020.599460
Editör
Bilim Mentorları
Yayınlanma tarihleri
Gönderildi: 27 Ağustos 2020; Kabul: 27 Kasım 2020; Çevrimiçi yayın tarihi: 7 Eylül 2021.Telif hakkı © 2021 Kornberg
Bu makale, Creative Commons Atıf Lisansı (CC BY) koşulları altında dağıtılan açık erişimli bir makaledir . Orijinal yazar(lar)a ve telif hakkı sahibine/sahiplerine atıfta bulunulması ve kabul edilen akademik uygulamaya uygun olarak bu dergideki orijinal yayına atıfta bulunulması koşuluyla diğer forumlarda kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilir. Bu şartlara uymayan hiçbir kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilmez.
Bilim Blogu: Zor Olanı Sormak! 