Bakteriler her ne kadar basit canlılar olarak düşünülse de işler gen ifadesinin kontrolüne gelince oldukça karmaşıklaşıyor. İnsanların bağırsaklarında yaşayan bakterilerden yoğurt mayalamada kullanılan bakterilere kadar akla gelebilecek her bakterinin yaşamını devam ettirmek için ihtiyaç duyduğu proteinleri üretmede kullandıkları bir kontrol mekanizması vardır. Çünkü her proteine her daim ihtiyaç yoktur. Bu nedenle gerekli olmayan proteinlerin üretilmemesi ve ihtiyaç duyulan proteinlerin üretiminin hızlanması, gerek zaman gerek de enerji kaybının önlenmesinde oldukça önemlidir. Bu yazıda protein üretiminin veya gen ifadesinin bakterilerde nasıl sağlandığına yer vereceğiz.

Bakterilerde Gen İfadesi Nasıl Düzenlenir?

Tüm canlılarda olduğu gibi bakteriler de genetik bilgilerini DNA’da taşırlar. DNA’daki genetik bilgiyi kullanarak mRNA adı verilen bir molekül üretirler. Daha sonra mRNA’daki bilgiyi kullanarak ihtiyaç duydukları proteinleri üretirler. DNA’daki genetik bilginin önce mRNA’ya daha sonra proteine dönüştürülmesi, gen ifadesi olarak bilinir. Bakterilerde gen ifadesini kontrol eden belirli düzenleyici moleküller vardır.

Düzenleyici moleküller, DNA'da ifadesi yapılacak genin yakınındaki bir bölgeye bağlanırlar. Bu moleküllerin amacı DNA’daki şifrenin mRNA’ya dönüşmesini sağlayacak enzimi (RNA polimeraz) ihtiyaç durumuna göre çalıştırmak veya engellemektir.

Bakterilerde birbiriyle ilişkili genlerin büyük bir kısmı, birbirinin ardı sıra konumlanmıştır. Bu genler tek bir başlatıcıdan (RNA polimeraz bağlanma bölgesinden) gen ifadesine uğrarlar. İşte tek bir başlatıcıdan kontrol edilen DNA kümesine operon denmektedir. Operonlar bakterilerde oldukça yaygın görülürken insanlarda nadir bulunan bir yapıdır. Operonların görevi, bakterinin aynı anda ihtiyaç duyduğu gen dizilerinin verimli bir şekilde ifade edilmesini sağlamaktır. Günlük hayatta genleri bir trene benzetecek olursak genlerin başlatıcı bölgesini lokomotif olarak düşünebiliriz. Üstelik bir trende hem yolcu hem de yük vagonları bulunabilir. Bu durumda arka arkaya dizilmiş sıralı yük vagonları, operon olarak düşünülebilir.

Operonlarda hem kodlanabilen hem de düzenleyici DNA dizileri vardır. Düzenleyici diziler, operon bölgesindeki kodlanabilen dizilerin gen ifadesini düzenlerler. Bu diziler, gen ifadesini olumlu ya da olumsuz yönde düzenleyecek olan moleküllerin DNA'ya bağlanmasını sağlarlar. Olumlu etkileyen moleküller aktifleştirici, olumsuz etkileyenler ise baskılayıcı protein olarak adlandırılır.

Baskılayıcı Proteinler: Gen ifadesinde baskılayıcı olarak görev alan düzenleyicilerdir. Bir baskılayıcı protein DNA’ya bağlandığında operondaki gen ifadesi azalır. Çünkü RNA polimeraz DNA'da hareket edemez hale gelecektir.

Aktifleştirici Proteinler: Gen ifadesinde aktifleştirici olarak görev alan düzenleyicilerdir. Bir aktifleştirici protein DNA'ya bağlandığında operondaki gen ifadesi artar. Çünkü aktifleştirici protein, RNA polimerazın başlatıcı bölgeye bağlanmasını kolaylaştırmaktadır.

Operonlar İndüklenebilir ve Baskılanabilir

Bazı operonlar normalde kapalıdırlar ancak küçük bir molekül tarafından açık hale getirilebilmektedir. Buna operon indüklenmesi denmektedir. Kilitli bir kapının anahtarla açılması gibi kapalı operonlar da açılabilirler. İndüklenebilir operonlara örnek olarak lac operonu verilebilir. Lac operonu, laktoz adı verilen şekerin metabolizmasında görev alan enzimleri kodlayan bir operondur. Bu operon normalde kapalıdır ancak laktoz şekerinin varlığında açılmaktadır.

Bazı operonlar ise normalde açıktırlar ancak gene küçük moleküller tarafından kapalı hale getirilmektedirler. Buna operon baskılanması denmektedir. Baskılanabilir operonlara örnek olarak trp operonu verilebilir. Trp operonu triptofan adı verilen bir amino asidin üretilmesini sağlayan enzimleri kodlayan bir operondur. Bu operon normalde açık haldedir yani ifade edilebilir ancak triptofan sayısı hücrede arttıkça bu operon baskılanır.

Yazının bundan sonraki kısmında lac ve trp operonunun çalışma şekillerine yer vereceğiz.

Lac Operonu Nasıl Çalışır?

Lac operonunun çalışma şeklini anlayabilmek için insanların bağırsağında yaşayan bir bakteriden örnek verelim. E. coli bakterisi insanların bağırsağında yaşar ve lac operonu bulundurur.

Eğer E. coli bakterisi laktozun noksan olduğu bir ortamda bulunuyorsa bu bakterinin laktoz kullanmasına gerek yoktur. Bu nedenle laktoz kullanımı (metabolizması) için gerekli mRNA'nın üretimi baskılanır. Bu sayede gereksiz yere bir protein üretiminin önüne geçilmiş olur. Bu durumu şu şekilde örneklendirebiliriz: Makarnayı sürekli kendi hazırladığınız makarna sosuyla yiyen biri olduğunuzu düşünün. Makarna hazırlamadığınız bir gün, makarna sosu hazırlar mıydınız? Cevabınız muhtemelen “hayır” olacaktır çünkü makarna olmadan makarna sosunun bir anlam ifade etmeyeceğini biliyorsunuz. Bu nedenle gereksiz yere yorulmamak ve zaman kaybını önlemek için makarna olmayan bir günde sos yapmazsınız. E. coli bakterisi de lac metabolizması için kullanılan enzimlerin gereksiz olduğu şartlarda, ilgili operon bölgesini baskılar. Eğer Ortamda laktoz mevcut değilse lac baskılayıcı proteini DNA’ya bağlanır. Bu bağlanma sonucunda RNA polimeraz enzimi başlatıcı bölgeye bağlanamaz ve haliyle gen ifadesi de gerçekleşemez. Ancak ortamda laktoz mevcut ise bu sefer laktoz lac baskılayıcı proteinine bağlanır ve baskılayıcı protein DNA’dan ayrılır. Bunun sonucunda artık RNA polimerazın başlatıcı bölgeye bağlanması için herhangi bir engel kalmamış olur ve lac operonunun gen ifadesi başlamış olur.

E. coli bakterisi hem laktozun hem de laktoza alternatif olarak görülen glikozun bulunduğu bir ortamda ise E. coli bakterisi bu şartlar altında glikozu kullanmayı tercih eder. Çünkü glikoz diğer şekerlere nazaran merkezi bir moleküldür. Hücrenin laktoz kullanmayı tercih ettiği koşul ise laktozun oldukça yoğun ve glikozun çok az olduğu şartlardır. Bu durumu da şöyle görselleştirebiliriz: Süt kullanılarak yapılan bir tatlı hazırlamak istediğinizi düşünün. Evinizde süt var, ayrıca alternatif olarak kullanabileceğiniz yoğurt da var. Bu durumda yoğurt mu kullanırdınız yoksa süt mü? Büyük ihtimalle süt kullanmak isteyeceksiniz çünkü tarifin orijinali süt kullanılarak hazırlanıyor. Bu koşullarda süt glikozu, yoğurt da laktozu temsil ediyor. Laktoz olsa bile glikozun tercih edilmesi, bu şekilde düşünülebilir. Ancak elbette süt miktarı çok azken ve yoğurt da yetecek kadar fazlayken süt yerine yoğurt kullanmayı tercih edebilirsiniz. Bu da miktarına göre hangi molekülün kullanılacağına karar verme noktasında bir örnektir. Sonuç olarak bakterinin bulunduğu ortamda laktozla beraber glikoz da mevcut ise lac operonundaki gen ifadesi sıklığı oldukça düşüktür çünkü bakteri laktoz yerine glikoz kullanmayı tercih edecektir.

Ortamda glikoz mevcut değilse ve bakterideki glikoz miktarı giderek azalıyorsa bakteriler buna tepki olarak siklik adenozin monofosfat (cAMP) adı verilen bir molekül üretirler. Bakteri hücresinde cAMP miktarı arttıkça DNA’da özel bir bölgeye bağlanır ve ardından RNA polimeraz ile etkileşime girerek gen ifadesinin sıklığını artırmış olurlar. Nihai sonuç olarak ise lac operonunun ifadesi hızlanmış olur.

Trp Operonu Nasıl Çalışır?

E. coli gibi bağırsaklarımızda yaşayan faydalı bakterilerin yaşamak için kullandıkları amino asitlerden biri de triptofandır. Triptofanın içinde bulunduğu gen dizisine trp operonu denmektedir. Trp operonu, trp baskılayıcısı tarafından kontrol edilmektedir. Triptofan sentezi ayrıca atenüasyon (gen ifadesinde sonlandırılma süreci) adı verilen bir mekanizma ile de kontrol edilmektedir.

Trp operonunun gen ifadesi, bakteri sitoplazmasındaki triptofan amino asidi sayısına göre belirlenir. Triptofan miktarı fazla olduğu zaman trp operonunun ifadesi, trp baskılayıcısı tarafından baskılanır. Ancak düşük seviyede olsa da bir süre boyunca gen ifadesi gerçekleşmeye devam etmektedir. Bu sürece gen ifadesinde sonlandırılma süreci (atenüasyon) denmektedir.

Bakterinin bulunduğu ortamda triptofan miktarı yeterliyse aynı amino asidi yeniden üretme ihtiyacı hissetmez ve trp baskılayıcısı operona bağlanarak operonu kapatır. Bunun sonucunda triptofan sentezi gerçekleşmez.

Triptofan miktarı yeterli değilse bu operon açık hale gelir. Bunun sonucunda operondaki genler ifade edilir yani daha fazla triptofan amino asidi üretilmiş olur.

Trp baskılayıcısı tarafından gerçekleştirilen gen kontrolü gibi atenüasyon da bir düzenleme mekanizmasıdır. Bu mekanizma, triptofan amino asidi miktarı fazlayken trp operonunun ifadesinin azalmasını sağlayan bir mekanizmadır. Atenüasyon süreci şu şekilde işler: Triptofan miktarı fazlayken RNA polimeraz enzimi, olması gerektiğinden daha önce görevini bitirir. Bu yönüyle atenüasyon, trp baskılayıcısından farklılık göstermektedir. Çünkü trp baskılayıcı gen ifadesinin başlamasını engellerken, atenüasyon bu sürecin tamamlanmasını engellemektedir. Atenüasyon sonucunda operondan kısa bir mRNA sentezlenmiş olur. Bu da triptofan sentezi için yeterli değildir. Bu sayede triptofan miktarı fazlayken hücrede daha fazla triptofan sentezi engellenmiş olmaktadır. Bu duruma günlük hayattan örnek verecek olursak bir okulda her gün yemek yapan bir aşçıyı hayal edebilirsiniz. Bu aşçı her gün olduğu gibi yemek yapmaya başlamışken o gün dışarıdan okula hazır yemek getirildiğini öğreniyor ve bu durumda yemek hazırlıklarını yarıda kesiyor. Sonuç olarak o gün aşçının elinden yemek çıkmamış oluyor ve okuldaki kişiler var olan yiyecekleri yiyorlar. Bu sayede, yemeğin zaten var olduğu bir gün fazladan yemek yapılmamış oluyor ve aşçı için zaman ve malzemeden tasarruf sağlanıyor.

Bakterilerde gen ifadesi farklı düzenleme mekanizmalarıyla gerçekleşir. Operonların çevresel etmenlere göre açılıp kapanabilir olması, gen kontrolünde kilit bir rol oynamaktadır. Bakteriler bu düzenlemeler sayesinde zaman ve enerji tasarrufu sağlayarak ihtiyaçlarına göre gen ifadesi ve protein sentezi yaparlar.