Mutasyonların proteine etkisi

Okşan küçük kardeşi Özhan'la telefonda bir şifre oyunu oynuyor: her kelime üç harfli olacak, boşluk bırakılmayacak, okuyan harfleri baştan başlayıp üçer üçer ayıracak. Özhan'ın ilk mesajı «SENONUBİRKEZGÖR». Okşan, kardeşinin aceleyle yazdığını bildiği için bir kural koyuyor: «Bir harfi yanlış yazarsan dert değil, nasılsa yalnız o kelime bozulur.» Az sonra iki mesaj daha düşüyor. Birincisinde tek harf değişmiş, «SENONUBİRKAZGÖR» yazıyor; cümle hâlâ okunuyor, yalnız «kez» «kaz» olmuş. İkincisinde ilk kelimenin son harfi düşmüş: «SEONUBİRKEZGÖR». Okşan üçer üçer ayırınca karşısına SEO, NUB, İRK, EZG çıkıyor, sonda iki harf açıkta kalıyor. İki hata da tek harflik; biri bir kelimeye dokundu, öteki ilk kelimeden sonrasını dağıttı. Hücre de bir geni üçer harf okuyorsa, DNA'daki tek bir harf değişikliği proteinin ne kadarını bozar?

• Kalıp zincirdeki bir baz değişikliğini mRNA'ya ve amino asit dizisine aktarır, sonucunu kodon tablosuyla bulursun.
• Baz değişimlerini sessiz, yanlış anlamlı ve anlamsız diye sınıflandırır, polipeptidin uzunluğuna etkilerini karşılaştırırsın.
• Tek bazlık ve üç bazlık eklenme ile silinmenin okuma çerçevesine etkisini ayırt edersin.
• Bir mutasyonun etkisinin gendeki yerine ve kalıtılabilirliğinin hücre türüne bağlı olduğunu örneklerle açıklarsın.

Üçer üçer okunan metinde tek harf

TYT'deki «Mutasyon ve modifikasyon» dersi mutasyonu kalıtım maddesinde kalıcı bir değişiklik olarak tanıttı; mutajenleri, kromozomun yapı ve sayı değişikliklerini ve modifikasyondan ayrımını orada bıraktık. Bu ders tek bir soruya odaklanıyor: bir gendeki birkaç nükleotitlik değişiklik, o genin yaptırdığı proteine nasıl yansır? Gen içindeki bu küçük değişikliklere gen mutasyonu, yalnız tek bir nükleotide dokunanlara nokta mutasyonu denir. Kaynaklarından biri, «DNA eşlenmesi» dersinde gördüğümüz eşlenme hatalarıdır; DNA polimerazın düzeltme okuması bu hataların çoğunu yakalar, gözden kaçan az sayıdaki hata kalıcı olabilir.

Okşan'ın oyunu, ribozomun yaptığı işin kaba bir modelidir. mRNA'nın başlama kodonundan itibaren boşluksuz üçlüler hâlinde okunduğunu ve bu bölünüşün adının okuma çerçevesi olduğunu «Gen ve genetik kod» anlattı; bir amino asidin çoğu zaman birden çok kodonla belirlenmesi, yani dejenerelik de oradan tanıdık. Mutasyonların sonuçlarını bu iki özellik belirler.

Değişiklik proteine hangi yoldan ulaşır?

Mutasyon DNA'da olur; protein ise doğrudan DNA'dan değil, onun kopyası olan mRNA'dan yapılır. Bu yüzden her değişikliği iki adımda izleriz: kalıp zincirdeki değişiklik «Transkripsiyon» dersindeki tamamlayıcılık kuralıyla mRNA'ya geçer, mRNA'daki değişen kodon da «Translasyon» dersindeki gibi okunur. Örnek olarak altı amino asitlik küçük, varsayımsal bir polipeptidin genini alalım:

Son kodon UGA durdurma kodonudur ve karşılığında amino asit yoktur. Kalıcılaşmış bir mutasyonda değişiklik iki zincire de yerleşmiştir; eşlenmeden sonra yeni baz karşısında kendi eşiyle durur, yani değişen aslında bir baz çiftidir. Hesapta kalıp zincirdeki yeni bazın tamamlayıcısını mRNA'ya yazmak yeterlidir.

Baz değişimi: aynı yer, üç farklı sonuç

Bir nükleotidin yerine başka bir nükleotidin geçmesine baz değişimi (substitüsyon) denir. Toplam baz sayısı değişmez, okuma çerçevesi korunur; yalnız bir kodon farklılaşır. O kodonun neye dönüştüğüne göre üç sonuç vardır.

Sessiz mutasyon (silent). GCU kodonu GCC olursa yine alanin okunur, polipeptit hiç değişmez. Dejenerelik bu sonucu mümkün kılar; aynı amino asidi belirleyen kodonlar çoğu zaman üçüncü bazda ayrıldığı için sessiz değişimler en sık bu konumda görülür.

Yanlış anlamlı mutasyon (missense). GGA kodonu AGA olursa glisin yerine arjinin gelir. Polipeptidin uzunluğu aynıdır, ama bir amino asidi farklıdır. Bu farkın önemi, yeni amino asidin proteinin katlanmasını ve işlevini ne kadar bozduğuna bağlıdır.

Anlamsız mutasyon (nonsense). UAC kodonu UAA olursa tirozin yerine durdurma kodonu gelir. Ribozom orada durur; polipeptit yalnız metiyonin ve alaninden oluşur. Erken kesilen bir polipeptit çoğunlukla işlevini yapamaz. Tersine, durdurma kodonu bir amino asit kodonuna dönüşürse ribozom durmaz ve polipeptit normalinden uzun olabilir.

Okşan'ın «kez» yerine «kaz» yazması bir yanlış anlamlı değişikliğe benzer: cümle okunur ama anlamı değişir. Harf değiştiği hâlde aynı kelime kalsaydı, bu sessiz mutasyon olurdu.

Orak hücre anemisi: tek amino asidin bedeli

İnsandaki en bilinen yanlış anlamlı mutasyon, hemoglobinin beta zincirini yaptıran gendedir. Bu gende tek bir baz değişir; mRNA'da glutamik asidi belirleyen GAG kodonu GUG olur ve beta zincirinin altıncı amino asidi olan glutamik asidin yerine valin geçer. Zincirin öteki amino asitleri aynı kalır. Değişen hemoglobin molekülleri oksijen az olduğunda birbirine yapışarak uzun lifler oluşturur; alyuvar bükülerek orak biçimini alır. Tek bir baz çiftinin değişmesi, kanın oksijen taşıyan hücresinin biçimini değiştirebilir.

Eklenme ve silinme: okuma çerçevesinin kayması

Gene bir nükleotidin eklenmesi (insersiyon) ya da genden bir nükleotidin çıkması (delesyon) etkisi bakımından baz değişiminden ayrılır. Örnek genimizde başlama kodonundan hemen sonra bir A eklendiğinde mRNA 5'-AUG AGC UUA CGG AAA UGA-3' biçiminde okunur ve polipeptit metiyonin – serin – lösin – arjinin – lizin olur. Metiyoninden sonraki bütün kodonlar değişti; yeni çerçevede bir UGA erkenden ortaya çıktığı için polipeptit de kısaldı. Okşan'ın düşen harfi, bu çerçeve kaymasının (frameshift) tıpkısıdır: hatadan önceki kısım sağlam kalır, sonrası anlamsızlaşır.

Buradan iki sonuç çıkar. Birincisi, tek bazlık eklenme ya da silinme genin başına ne kadar yakınsa, değişen amino asit sayısı o kadar fazla olur. İkincisi, kayan çerçeve çoğu zaman kısa sürede bir durdurma kodonuna rastlar; bazen de olağan durdurma kodonu çerçeveden çıkar ve okuma daha uzun sürer.

Üç baz: çerçeve yerinde kalırsa

Eklenen ya da silinen baz sayısı üç ya da üçün katıysa çerçeve korunur. Örnek genden UAC kodonu tümüyle silindiğinde polipeptit metiyonin – alanin – glisin – asparajin – aspartik asit olur: tirozin eksilmiştir, öteki amino asitler yerindedir. Üç baz bir kodonun tam sınırına denk gelmezse komşu bir amino asit de değişebilir, ama ondan sonraki dizi yine bozulmaz. Bu yüzden üç bazlık bir değişiklik, aynı yerdeki tek bazlık değişiklikten çoğunlukla daha az zarar verir.

Etkiyi belirleyen yer

Aynı türden bir mutasyon her yerde aynı sonucu doğurmaz. Değişiklik DNA'nın protein kodlamayan bir bölgesindeyse polipeptidin dizisi çoğunlukla değişmez; ancak genin ne zaman ve ne kadar okunacağını düzenleyen bölgelerde ortaya çıkarsa proteinin miktarı etkilenebilir. Kodlayan bölgede bile sonuç, değişen amino asidin proteindeki görevine bağlıdır. Bir enzimin aktif bölgesindeki tek amino asit değişimi işlevi ortadan kaldırabilirken, molekülün yüzeyinde görevi olmayan bir noktadaki değişim fark edilmeyebilir.

Kimin hücresinde, kime geçer?

TYT dersindeki ayrım burada da geçerlidir: vücut (somatik) hücresinde ortaya çıkan mutasyon yalnız o bireyde, o hücrenin soyundan gelen hücrelerde bulunur; üreme hücresinde ya da onu oluşturan hücrelerde ortaya çıkan mutasyon ise döllenmeyle yavruya geçebilir. Kalıtılabilirlik mutasyonun büyüklüğüne değil, hangi hücrede olduğuna bağlıdır: sessiz bir mutasyon bile yumurtada ise yavruya taşınır.

Zarar, nötr etki ve yeni aleller

Mutasyonların önemli bir kısmı proteini değiştirmediği ya da işlevi bozmadığı için belirgin bir etki göstermez; proteini bozanların çoğu zararlıdır. Az bir kısmı ise taşıyıcısına belirli bir çevrede üstünlük sağlayabilir. Üreme hücrelerinde ortaya çıkan mutasyonlar yeni alellerin kaynağıdır; doğal seçilim hangi alelin popülasyonda yaygınlaşacağını belirler. Canlı ihtiyacı olan mutasyonu kendisi seçip oluşturamaz: mutasyon yönsüz ortaya çıkar, yön seçilimden gelir.

Bu derste DNA'daki değişiklik, hücrenin isteğinden bağımsız olarak, kendiliğinden ya da bir mutajenin etkisiyle ortaya çıkan bir olaydı. Bir sonraki derste insanın DNA'ya bilerek el attığı yöntemleri tanıyacağız: farklı kaynaklardan gelen DNA parçalarını kesip birleştirerek rekombinant DNA kurmayı ve küçük bir DNA bölgesini tüpte çok sayıda kopyaya çoğaltan PCR'ı.

Örnek 1 — Kalıp zincirden amino aside

Soru: Kalıp zincirinde 3'-TAC GTT ACC CGA ATT-5' dizisi bulunan küçük bir gen düşünelim. Kalıp zincirdeki ACC üçlüsünün son bazı T olursa polipeptit nasıl değişir? (Kodon kesiti: AUG metiyonin, CAA glutamin, UGG triptofan, GCU alanin; UAA, UGA durdurma.)

• A) Triptofan yerine glutamin gelir.
• B) Değişmez, değişiklik sessizdir.
• C) Polipeptit metiyonin ve glutaminden ibaret kalır.
• D) Polipeptide bir triptofan daha eklenir.
• E) Metiyoninden sonraki bütün amino asitler değişir.

Çözüm: Normal mRNA tamamlayıcılıkla 5'-AUG CAA UGG GCU UAA-3' olur; polipeptit metiyonin – glutamin – triptofan – alanindir. ACC üçlüsü ACT olunca karşılığındaki kodon UGG yerine UGA olur, bu bir durdurma kodonudur. Ribozom üçüncü kodonda durur; geriye iki amino asit kalır. Toplam baz sayısı değişmediği için E'deki çerçeve kayması söz konusu değildir. Cevap: C.

Örnek 2 — Sınıflandırma

Soru: Bir mRNA'daki CUU kodonu CUA'ya dönüşüyor. CUU ve CUA kodonlarının ikisi de lösini belirliyor. Bu mutasyon hangi türdendir?

• A) Anlamsız mutasyon
• B) Yanlış anlamlı mutasyon
• C) Çerçeve kayması
• D) Sessiz mutasyon
• E) Kromozom yapı mutasyonu

Çözüm: Bir baz başkasıyla yer değiştirmiş, kodon farklılaşmış, ama okunan amino asit yine lösindir. Dejenerelik sayesinde polipeptit değişmez. Durdurma kodonu oluşmadığı için A, amino asit değişmediği için B yanlıştır. Cevap: D.

Örnek 3 — Bir baz mı, üç baz mı?

Soru: 5'-AUG GCU UAC GGA AAU GAC UGA-3' mRNA'sını veren bir gende, birinci kişide AUG'den hemen sonra bir A eklenmiş, ikinci kişide aynı yere CCC üçlüsü eklenmiştir. İki kişinin polipeptidi için hangisi doğrudur? (Kodon kesiti: AGC serin, UUA lösin, CGG arjinin, AAA lizin, CCC prolin, GCU alanin, UAC tirozin, GGA glisin, AAU asparajin, GAC aspartik asit, UGA durdurma.)

• A) Birincide metiyoninden sonraki dizi tümüyle değişir ve polipeptit kısalır; ikincide alaninden önce bir prolin eklenir, gerisi aynı kalır.
• B) İkisinde de bütün dizi değişir.
• C) Birincide yalnız bir amino asit eklenir; ikincide çerçeve kayar.
• D) İkisinde de polipeptit değişmez.
• E) Birincide bir amino asit değişir; ikincide polipeptit kısalır.

Çözüm: Tek A eklenince dizi AUG AGC UUA CGG AAA UGA biçiminde okunur: metiyonin – serin – lösin – arjinin – lizin, ardından durdurma. Normal polipeptidin altı amino asidine karşılık beş amino asit vardır ve ikinciden sonrası tümüyle farklıdır. CCC eklenince çerçeve korunur; AUG CCC GCU … diye okunur ve metiyoninden sonra fazladan bir prolin gelir. C seçeneği iki durumu ters eşleştiriyor. Cevap: A.

Örnek 4 — Etki ve kalıtım

Soru: Bir kişinin bağırsak hücrelerinden birinde bir enzim geninin başında çerçeve kayması, yumurtalığındaki bir yumurta ana hücresinde ise aynı gende sessiz bir mutasyon ortaya çıkıyor. Hangisi doğrudur?

• A) Çerçeve kayması etkisi büyük olduğu için çocuklarına geçer.
• B) Sessiz mutasyon polipeptidi değiştirdiği için çocuklarına geçer.
• C) İki mutasyon da çocuklarına geçer.
• D) İki mutasyon da yalnız bu kişide kalır.
• E) Polipeptidi değiştiren yalnız bağırsaktaki mutasyondur; çocuklarına geçebilecek olan ise yalnız sessiz mutasyondur.

Çözüm: Etkinin büyüklüğü ile kalıtılabilirlik ayrı sorulardır. Bağırsak hücresi vücut hücresidir; oradaki değişiklik o hücrenin soyunda kalır. Yumurta ana hücresindeki değişiklik yumurtaya ve döllenmeyle yavruya geçebilir, ama sessiz olduğu için enzimin amino asit dizisini değiştirmez. Cevap: E.

• Her baz değişiminin amino asidi değiştirdiğini sanmak. Dejenerelik yüzünden yeni kodon aynı amino asidi belirleyebilir; bu sessiz mutasyondur.
• Kalıp zincirdeki değişikliği mRNA'ya olduğu gibi kopyalamak. mRNA kalıp zincirin tamamlayıcısıdır; kalıpta T yerine A geldiyse mRNA'da A yerine U yazılır.
• Tek baz eklenmesini «bir amino asit fazla» diye okumak. Tek baz çerçeveyi kaydırır ve sonraki kodonların hepsini değiştirir; bir amino asit eklenmesi üç bazlık eklenmenin sonucudur.
• Anlamsız mutasyonu «yanlış amino asit» sanmak. Anlamsız mutasyonda yeni amino asit gelmez; kodon durdurma kodonuna döner ve polipeptit orada biter.
• Etkisi büyük mutasyonun kalıtılacağını düşünmek. Döle geçişi belirleyen, mutasyonun hangi hücrede olduğudur.