12. Sınıf Protein Sentezi ve Genetik Mühendisliği — Konu Anlatımı

Domuzdan Bakteriye: İnsülinin Hikâyesi

1920'lerden 1980'lere kadar şeker hastalarının kullandığı insülin, kesimhanelerden toplanan domuz ve sığır pankreaslarından elde edildi. İki sorun vardı. Miktar hayvan kesimine bağlıydı ve talep arttıkça yetmiyordu. Molekül de birebir aynı değildi: domuz insülini insanınkinden 1, sığır insülini 3 amino asitte ayrılır ve bazı hastalarda bağışıklık tepkisi doğurabiliyordu.

1982'de bakteride üretilen insan insülini kullanıma girdi. Bakteri, kendisine aktarılan insan genini okuyup insanınkiyle aynı diziye sahip insülini üretiyordu. Bu nasıl mümkün oldu? Cevap iki katmanlı: protein sentezinin işleyişi ve genetik mühendisliğinin araçları.

Neden Araya RNA Giriyor?

Bilginin akışı $\mathrm{DNA \rightarrow RNA \rightarrow protein}$ yönündedir. Transkripsiyonda (yazılma) DNA'daki bilgi aynı "nükleotit dilinde" mRNA'ya kopyalanır. Translasyonda (çevrilme) dil değişir: nükleotit dizisi amino asit dizisine çevrilir.

DNA doğrudan kullanılsa daha kısa olmaz mıydı? İki neden aracıyı değerli kılar:

1. Koruma: Asıl kayıt çekirdekte kalır; yıpranan, parçalanan şey kopyadır.
2. Ayar: Bir genden 5 kopya da 500 kopya da mRNA yazılabilir. Kopya sayısı arttıkça üretilen protein de artar; hücre bir proteinin miktarını büyük ölçüde bu sayıyla düzenler.

Aynı nedenle vücudun her hücresi aynı DNA'yı taşıdığı hâlde farklı protein üretir. Pankreasın beta hücresi insülin genini okur; deri hücresi aynı geni taşır ama okumaz. Doku çeşitliliği gen kaybından değil, hangi genin okunduğundan doğar.

Grafik sorusu olarak düşünelim: bir hücrede bir gene ait mRNA kopya sayısı 5'ten 10'a, sonra 20'ye çıkarılıyor; üretilen protein miktarı da her adımda yaklaşık iki katına çıkıyor. Buradan çıkan yorum "protein miktarı mRNA kopya sayısıyla artar" olur. Tersi de doğrudur: mRNA kısa ömürlüdür ve parçalanır. Gen okunmayı bıraktığında birkaç saat içinde kopyalar tükenir ve üretim durur. Hücre, DNA'ya dokunmadan protein üretimini bu yolla açıp kapatır.

Okuma Çerçevesi: Bir Harf Kayınca

Ribozom mRNA'yı başlama kodonundan itibaren boşluksuz, üçer üçer okur. Türkçe bir cümleyle deneyelim: ALİ BAL YER. Üç harfli sözcükler, tıpkı kodonlar gibi.

• Bir harfin değişmesi: ALİ BAL → ALİ DAL YER. Tek sözcük bozuldu, gerisi yerinde.
• Bir harf eklenmesi: AKL İBA LYE R… Ekleme noktasından sonrası anlamsız.
• Bir harf eksilmesi: LİB ALY ER… Yine her şey kaydı.

Genlerde de aynısı olur. Tek bazın değişmesi en çok bir amino asidi değiştirir. Tek bazın eklenmesi ya da eksilmesi ise sonraki bütün kodonları kaydırır (çerçeve kayması); amino asit dizisi baştan sona değişir ve çoğu zaman erken bir dur kodonu çıkar. Buna karşılık 3 bazlık bir ekleme çerçeveyi bozmaz, yalnız bir amino asit ekler.

Genetik şifrenin iki özelliği bu tabloyu tamamlar. Artıklık: 64 kodon 20 amino aside karşılık geldiğinden özellikle üçüncü harfteki değişimler çoğu kez amino asidi değiştirmez. Evrensellik: aynı kodon hemen bütün canlılarda aynı amino asidi belirtir; hem ortak kökene kanıttır hem de türler arası gen aktarımını olanaklı kılar.

Çözümlü Örnek

120 amino asitten oluşan bir polipeptit için mRNA'da en az kaç nükleotit gerekir?

$120 \times 3 = 360$ nükleotit. Ters yönde: 600 nükleotitlik kodlayıcı dizi $600 / 3 = 200$ amino asit belirler. "En az" denmesinin nedeni, gerçek mRNA'nın dur kodonu ve kodlanmayan uç bölgeler de taşımasıdır.

Mini soru: 360 nükleotitlik dizinin 10. nükleotitinden sonra bir baz eklenirse kaç amino asit etkilenmeden kalır? İlk 9 nükleotit, yani 3 kodon sağlamdır; 4. kodondan itibaren çerçeve kayar. Cevap 3.

Gen Aktarımının Adımları

Genetik mühendisliği bir yöntem alanıdır: genleri bulur, keser, taşır. Biyoteknoloji ise bu yöntemleri ürün ve hizmete çeviren uygulama alanıdır. İnsülin örneğinde adımlar şöyledir:

1. Geni elde et: İnsülin geni insan DNA'sından ya da mRNA'dan geriye doğru kopyalanarak elde edilir.
2. Kes: Kesici (restriksiyon) enzim belirli bir diziyi tanır. Örneğin EcoRI $\mathrm{GAATTC}$ dizisini tanır ve G ile A arasından keser; uçlarda tek zincirli "yapışkan" parçalar kalır.
3. Taşıyıcıyı aç: Bakterinin halkasal küçük DNA'sı olan plazmit aynı enzimle kesilir; uçları gene uyar.
4. Yapıştır: Ligaz enzimi geni plazmite bağlar. Oluşan yapıya rekombinant DNA denir.
5. Aktar: Rekombinant plazmit bakteriye sokulur.
6. Seç: Plazmitte antibiyotik direnç geni de vardır; antibiyotikli ortamda yalnız plazmiti alan bakteriler yaşar.
7. Üret: Seçilen bakteri tanklarda çoğaltılır. Yaklaşık 20 dakikada bir bölünen bakteriyle gen de her bölünmede çoğalır.

Neden 1. adımda doğrudan insan geni değil de mRNA kopyası? Ökaryot genlerinde protein bilgisi taşımayan ara bölgeler (intronlar) bulunur ve bakteri bunları ayıklayamaz. Olgun mRNA'dan geriye kopyalanan DNA'da bu bölgeler yoktur.

Aynı yol büyüme hormonu ve bazı aşıların üretiminde de kullanılır. Haritayı ise genom dizileme verir: 2003'te tamamlanan İnsan Genom Projesi yaklaşık 3 milyar baz çiftini okudu ve protein kodlayan gen sayısının 20 bin dolayında olduğunu gösterdi.

Sık Yapılan Hata

Transkripsiyonu replikasyonla karıştırmak. Replikasyon DNA'nın kendini eşlemesidir ve bütün DNA kopyalanır. Transkripsiyonda yalnız gereken gen, tek zincirinden, RNA'ya yazılır.

Kodon ile antikodonun yerini karıştırmak. Kodon mRNA'da, antikodon tRNA'dadır.

Her baz değişiminin proteini bozacağını sanmak. Artıklık yüzünden birçoğu etkisizdir; buna karşın tek baz eklemesi, tek baz değişiminden çok daha yıkıcıdır.

AYT ipucu: Soruda "okuma çerçevesi", "ekleme" ya da "eksilme" geçiyorsa etki noktadan sonraki bütün kodonlara yayılır; "yer değiştirme" deniyorsa en çok bir kodon etkilenir.

Sık sorulanlar