Computational investigation of telomeres and telomerases
Telomerlerin ve telomerazların hesapsal yöntemlerle incelenmesi
- Tez No: 842002
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BALTA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoloji, Genetik, Kimya, Biology, Genetics, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Telomerler, ökaryotik hücre kromozomlarının her iki ucunda bulunan ve bu ökaryotlarda 5'-(TxGy)n-3' dizilimi tarzında tekrarlar içeren, özelleşmiş, heterokromatin yapıdaki DNA dizileridir. Telomer zinciri, tamamlayıcı zincirinden daha uzundur ve 3' ucunda birkaç yüz nükleotid uzunluğunda tek zincirli bir DNA parçası bulunmaktadır. Telomer tekrar sayısı olan n, 20 ile 100 arasında değişebilir. Art arda gelen bu telomerik tekrarların, hücredeki doğrusal (lineer) DNA'nın sentezini 5'3' yönünde gerçekleştiren DNA polimerazların, bu sentezi yapamamasından dolayı her replikasyon döngüsünde 50 ile 200 bazını kaybettiği bilinmektedir. Buna bağlı olarak da zamanla hücre bölünmesi sona ererek hücre yaşlılık evresine (senesens) girmektedir. Bunun yanı sıra, telomerlerin kısalması hücrelerin apoptozise geçmesini de indükleyen bir etmendir. Dolayısıyla hücre ve organizma yaşlanmasındaki temel sebebin bu telomerik kısalmaların olduğu fikri kabul edilmiş bir gerçektir. DNA replikasyonuna bağımlı telomer kısalması, hücresel yaşlanmada hücre bölünmesinin ve sinyalizasyonunu bir sayaç gibi saymakta ve dolayısıyla ökaryotlarda somatik hücrelerin maksimum replikasyon kapasitesinin belirlenmesinde bir mitotik saat görevi görmektedir. Öne sürülen bu fikrin diğer tarafından bakıldığı takdirde, bugüne kadar incelenen ölümsüz hücrelerde, hücre bölünmesinden sonra net bir şekilde telomer kısalması veya sekans kaybı da görülmemiştir. Telomeraz enzimleri ribonükleoprotein yapısında olan bir ters (revers) transkriptaz enzimi olup, ökaryotlarda hücre replikasyonu esnasında açılan DNA heliksinin 3' ucundaki tek zincirli telomer bölgesine telomer tekrar sekanslarının eklenmesinden sorumlu enzimlerdir. Telomeraz ters transkriptazlar, örneğin insanlarda 5'-TTAGGG-3' tekrarlarını replikasyon bitiminde telomerlerin sonuna ekleyerek, kromozom uçlarında oluşan kayıpları dengeler. Böylece telomeraz enzimi sayesinde, her hücre bölünmesinde meydana gelen telomer kaybı telafi edilerek hücrenin yaşam süresi uzatılmaktadır. Telomeraz, çalışabilmesi için kromozomal DNA'nın bir zincirindeki 3' ucuna gereksinim duymakta ve bu uca komplementer olacak şekilde bir RNA kalıbı barındırmaktadır. Telomerazlar iki esansiyel bileşenden oluşmaktadır: Birincisi özelleşmiş bir polimeraz enzimi olan telomeraz revers transkriptaz (TERT) bileşeni, diğeri hedef DNA zincirini uzatmak için şablon olarak kullanacağı DNA'ya eşlenik olan telomeraz RNA kalıbıdır (TR). Telomeraz enziminin bu iki bileşeninden başka işlev görmesinde yardımcı olan protein kompleksleri de telomerazın mikroçevresinde bulunmaktadır ancak bu iki bileşen enzimin in vitro'da görev yapmasına yeterlidir. DNA zincirinde 5 ila 8 nükleotidten oluşan telomerik bölgeler kromozom uçlarında yüzlerce kez tekrarlanmasına rağmen, uzatılacak olan DNA'nın telomeraz RNA'sına hizalanması ve ardından telomer bölgesinin uzatılma döngüsünün başlaması ve enzimin normal fonksiyonunu gösterebilmesi için, RNA kalıbının telomer DNA tekrar bölgesinden 1.5-2 kat daha uzun olması gerekmektedir. Bu yüzden telomeraz RNA kalıbı bu telomerik tekrarın genelde yalnızca 1.5-2 katı kadar uzunluğunda olmaktadır. Bu da telomeraz revers transkriptaz enziminin bu RNA kalıbını tekrarlı bir şekilde yüzlerce kez nasıl kullanabildiği sorusunu ortaya çıkarmaktadır. Kalıbın sonuna gelindikten sonra ya DNA bulunduğu bölgeden tamamen ayrılacak ya da enzim kompleksindeki RNA kalıbı başa sarılacak (translokasyon) ve enzim kendisini bir sonraki döngüye hazırlayacaktır. Telomeraz enziminin bu özelliği de, onu aynı aileye mensup olduğu polimerazlardan farklı kılan bir özelliğidir. Telomeraz RNA'sının bu translokasyonuna dair literatürde iki farklı model önerilmektedir. Birincisi, DNA'yı bir telomer döngüsü kadar uzatan RNA kalıbının bu proses sonunda DNA'dan ayrılması, translokasyon ile bir tekrar döngüsü kadar yer değiştirmesi ve DNA ile yeniden birleşmesini içeren tek aşamalı modeldir. İkinci model ise, RNA primerinin translokasyonunun iki aşamalı olduğunu öneren, her bir adımda RNA-DNA dupleksinin yarısının translokasyonu ile açıklayan modeldir. Bu tez kapsamında, Tribolium castaneum organizmasından kristalize edilmiş telomeraz enzimi model olarak kullanılarak, translokasyon mekanizmaları incelenmiştir. Tekrar sentezinin farklı aşamalarını göstermek için replika-değişimi moleküler dinamik (REMD) simülasyonları yapılmış ve bu yapılan simülasyonlar sırasıyla sentezin başlangıç aşamasını, sentez esnasındaki ara aşamayı ve tekrar sentezinin son aşamasını kapsamıştır. Her aşamada DNA, aktif bölgede bir tekrar ve iki yukarı akış tekrarı (3' ucuyla ilişkili olarak ikinci ve üçüncü yukarı akış tekrarları olarak isimlendirilmiştir) olmak üzere 15 nükleotitten oluşmaktadır. RNA dizisi hem şablon hem de hizalama bölgelerini kapsamıştır. T. castaneum'da tam bir telomerik RNA dizisinin mevcut olmaması nedeniyle, hizalama bölgesi için dört nükleotidden oluşan bir dizi seçilmiştir ve seçilen nükleotitler, telomeraz RNA'sındaki TRE bölgesine karşılık gelmesi için RNA'nın 3' ucuna eklenmiştir. Yapılan replika-değişimi moleküler dinamik (REMD) simülasyonları, aktif bölgede halihazırda oluşmuş olan Watson-Crick etkileşimlerine ek olarak, kalıp olarak kullanılan RNA'nın, DNA'nın upstream bölgeleriyle, çoğunlukla 3' ucuna göre ikinci sırada olan telomerik DNA döngüsü ile baz çiftleri oluşturabileceğini göstermiştir. Tam bir telomer döngüsü sentezinin sonunda dG10-P442 ve dG11-N446 arasında hidrojen bağları oluşmakta, ardından aktif bölgede baz çiftleri birer birer ayrışmakta ve RNA bazları, akış yukarı DNA tekrarındaki komplementer DNA bazı ile yeniden birleşmektedir. Bu mekanizma, kalıp translokasyonu sırasında DNA-RNA ayrılmasından dolayı kaybedilecek olan etkileşimleri kısmen telafi eder. Oluşan bu akış yukarı DNA-RNA etkileşimlerinin, uzayan telomer zincirine dahil edilmek üzere doğru dNTP'nin seçimine de katkıda bulunuyor olduğu düşünülmektedir. Bu çalışmanın diğer bir kısmında yapılan hesaplamalarda ise, simülasyonlardan elde edilen bilgilere göre kuantum mekaniği/moleküler mekanik (QM/MM) hibrit sistemleri kullanılarak, çeşitli başlangıç yapıları seçilmiş, enerjileri hem kuantum mekaniği hem de moleküler mekanik yöntemlerini içeren hibrit metodlar ile hesaplanarak reaksiyon geometrileri optimize edilmiştir. Reaksiyondan çıkan ürünleri temsil etmesi için de reaktan yapılarının optimizasyonlarından elde edilen DNA-dNTP yapıları değiştirilerek, pirofosfat (PPi) içeren yapılara dönüştürülmüştür. Böylece incelenen reaksiyonlardaki enerji değişimleri hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda enzimin doğada nasıl bir mekanizma ile çalıştığı, in silico yöntemler ile aydınlatılmaya çalışılmıştır. Yapılan QM/MM hesaplamalarında, polimerizasyon reaksiyonunda reaktan ve ürünler arasında 9.8 kcal/mol'lük bir enerji farkı bulunmuştur. Bu reaksiyonun geçiş halinin QM/MM yöntemleri ile hesaplanmasındaki zorluklardan dolayı da, reaksiyonda kırılan ve oluşan bağların enerjilerinin bir eksen üzerinde taranması yoluna gidilmiştir.
Özet (Çeviri)
Telomeres are specialized, heterochromatin DNA sequences that are found at both ends of eukaryotic cell chromosomes and contain repeats in the form of 5'-(TxGy)n-3' sequences in the eukaryotes. The telomere chain is longer than the complementary chain and has a single-stranded DNA segment several hundred nucleotides long at its 3' end. The number of telomere repeats, n, can range from 20 to 100. It is known that these successive telomeric repeats, lose 50 to 200 bases in each replication cycle, due to the inability of DNA polymerases to duplicate the segments found at the 3' ends of the original strands. Accordingly, over time, the cell enters a senescence stage. In addition, shortening of telomeres is a factor that induces apoptosis of cells. Therefore, the idea that these telomeric shortenings are the main cause of cell and organism aging is an accepted fact. DNA replication-dependent telomere shortening counts as a counter of cell division and signaling in cellular senescence and thus acts as a mitotic clock in determining the maximum replication capacity of somatic cells in eukaryotes. Telomerase is a reverse transcriptase enzyme with ribonucleoprotein structure and is responsible for adding these telomere repeat sequences to the single stranded telomere region at the 3' end of the DNA helix that is opened during cell replication in eukaryotes. Telomerase reverse transcriptases, for example, in humans add 5'-TTAGGG-3' repeats to the end of telomeres at the end of replication, compensating for loss of chromosome ends. Thus, with the help of the telomerase enzyme, the telomere loss that occurs in each cell division is compensated and the life span of the cell is extended. Telomerase requires the 3' end of a strand of chromosomal DNA to function and contains an RNA template complementary to this end. Telomerase-mediated telomere elongation involves two types of translocation: duplex translocation during each repeat synthesis and template translocation at the end of repeat synthesis. In this study, the mechanisms of these translocations were investigated using replica exchange molecular dynamics simulations (REMD). These three REMD simulations were part of a different phase of a repeat synthesis: the initial stage, an intermediate stage, and the completion of repeat synthesis. In each scenario, the DNA comprised 15 nucleotides, a one repeat in the active site, and two upstream repeats (referred to as the second and third upstream repeats in relation to the 3'-end). The RNA sequence encompassed both templating and alignment regions. Due to the unavailability of the complete telomeric RNA sequence in T. castaneum, a sequence of four nucleotides was arbitrarily chosen for the alignment region, and randomly selected nucleotides were appended to the 3'-end of RNA to emulate a TRE region. Our replica exchange molecular dynamics simulations (REMD) revealed that, apart from the typical Watson-Crick interactions in the active site, the RNA template can also form base pairs with regions upstream of the DNA, primarily with the second upstream DNA repeat relative to the 3' end. Towards the end of repeat synthesis, specific hydrogen bonds between dG10-P442 and dG11-N446 are established. This initiates the dissociation of base pairs within the active site, with the RNA bases reannealing with their complementary counterparts on the upstream DNA repeat. Meanwhile, RNA is translocated. This mechanism compensates for the interactions lost during DNA-RNA separation during template translocation, as each dissociated base pair is replaced by a new one. Additionally, the interactions between upstream DNA and RNA appear to contribute to the selection of the correct deoxyribonucleotide triphosphate (dNTP) for incorporation into the growing telomere chain. Also, there is still limited understanding regarding the specific molecular mechanisms involved in DNA polymerization by telomerase. The first part of this thesis addresses to this issue by using the QM/MM calculations.
Benzer Tezler
- Computational investigation of urban heat island mitigation scenarios in educational buildings
Eğitim binalarında kentsel ısı adası hafifletme senaryolarının hesaplamalı incelenmesi
GÜLİN YAZICIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
MimarlıkOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK GÜRSEL DİNO
DOÇ. DR. ÇAĞLA MERAL AKGÜL
- Computational investigation of protein dynamics based on energy dissipation
Proteın dinamiği üzerine enerji dağılımına dayalı hesapsal araştırma
ELİF NAZ BİNGÖL
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
BiyomühendislikMarmara ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. PEMRA ÖZBEK SARICA
- Tanin-prolin etkileşimlerinin model sistemler üzerinde hesapsal olarak incelenmesi
Computational investigation of tannin-proline interactions on model systems
TİMUÇİN GÜNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
BiyokimyaEge ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİGEN ZİHNİOĞLU
PROF. DR. CENK SELÇUKİ
- Kompozitlerin kullanıldığı ekstrüzyon esaslı eklemeli imalatta ürün özelliklerinin etkisinin hesaplamalı olarak incelenmesi
Computational investigation of composite properties fabricated by extrusion based additive manufacturing
ABAS ABASOV
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR POYRAZ
- Computational investigation of function of membrane proteins: Amt/rh ammonium transporters and secy translocon
Membran proteinlerinin fonksiyonlarının hesaplamalı incelenmesi: Amt/rh amonyum taşıyıcıları ve secy translokonu
SEFER BADAY