Kodon optimizasyonu neden yapılır ve avantajı nedir?
Canlı hücreler, DNA ve mRNA’da kodlanmış genetik bilgiyi proteinlere dönüştürmek için “genetik kod” adı verilen dizi dizi bilgilerini kullanır. Kod, protein sentezi sırasında bir peptidin uzayan zincirine hangi amino asidin eklenmesi gerektiğini belirten kodonlar adı verilen nükleotid üçlülerinden oluşur (Şekil 1).
Şekil 1. Kodonlar nükleotid üçlülerinden oluşur.
64 farklı kodon vardır. Bunlardan 61’i 20 standart amino asidi kodlarken, diğer 3’ü durdurma kodonları olarak işlev görmektedir. Tek bir amino asit birden fazla kodon tarafından kodlanabilmektedir. Arginin ve lösin gibi bazı yaygın amino asitler 6 kodon tarafından kodlanmaktadır (Şekil 2).
Şekil 2. 64 farklı kodon vardır.
Farklı organizmalar, aynı amino asit için belirli kodonları diğerlerine göre daha fazla kullanmayı tercih eder. Yani bir tür seçicilik vardır denilebilir. Bazı türlerin belirli kodonlardan neredeyse tamamen uzak durduğu bilinmektedir. Örnek olarak P. patens sistein amino asiti için UGC kodononunu kullanırken S. cerevisiae sistein amino asiti için UGU kodonunu kullanmayı tercih eder. Glutamin için S. pombe CAA kodonunu tercih ederken H. sapiens CAG kodonunu tercih etmektedir (Şekil 3).
Şekil 3. Farklı organizmalar, aynı amino asit için belirli kodonları diğerlerine göre daha fazla kullanmayı tercih eder.
Neden bu tür seçicilik var ve bunların protein ekspresyonu üzerindeki etkileri moleküler evrim ve biyoteknoloji alanlarında hala tartışma konusudur ancak bu kodon farklılıkları gen ifadesini önemli ölçüde etkileyebilir. Bu nedenle, ekspresyon çalışmaları yaparken kodon optimizasyonunu dikkate almak çok önemlidir.
Protein ifadesinin başarısına çok sayıda faktör katkıda bulunurken, kodon optimizasyonu, özellikle proteinler heterolog bir sistemde ifade edilecekse çok kritik bir rol oynar. Yani insana ait bir proteini bir bakteri hücresinde eksprese etmek isterseniz burada insana ait proteinin dizisinin kodon optimizasyonunu o bakteriye göre yapmanız gerekir. Örnek olarak, bir insan geni E. coli‘de ifade edilecekse, tercihen bakteri tarafından kullanılan kodonların seçilmesi, protein ifadesinin başarısını artırabilir. Genom mühendisliğinde kullanılan CRISPR çalışmalarında da bakterilerin savunma sistemi kullanılmaktadır ve bu sistem insan hücrelerinde kullanıldığında oradaki Cas9 gibi proteinlere de kodon optimizasyonu yapılmaktadır.
Yapılan çalışmalar ayrıca, trasnlasyon açısından verimli kodonların uzama oranını, translasyon doğruluğunu veya her ikisini de artırabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, kodon yanlılığı ile gen ekspresyonu arasında hiç korelasyon olmadığını veya zayıf bir ilişki olduğunu gösteren çalışmaların da olması dikkat çekicidir. Bu bulgular, tüm sistemlerde kodon kullanımının etkisi hakkında kapsamlı bir bilgiye sahip olmadığımızı göstermektedir. Alternatif stratejiler, farklı organizmalarda ve farklı ifade türlerinde farklı başarı seviyelerine sahip olabilir.
Kaynakça: