Konu 4 Ökaryotlarda Kromozom Haritalaması

Transkript

1 PowerPoint Lecture Presentation for Concepts of Genetics Ninth Edition Klug, Cummings, Spencer, Palladino Lectures by David Kass with contributions from John C. Osterman. Konu 4 Ökaryotlarda Kromozom Haritalaması Aslı Sade Memişoğlu Copyright Copyright 2009 Pearson 2009 Pearson Education, Education, Inc. Inc.

2 Konular 1 Aynı kromozomdaki bağlı genler birlikte kalıtılır 2 Parça değişimi ve gen mesafeleri 3 Gen sıralanışı çoklu parça değişimleri ile anlaşılır 4 İki gen arasındaki uzaklık arttıkça haritadaki kesinlik azalır 5 Drosophila gen haritası 6 Lod skor analizi ve somatik hücre hibridizasyonu 7 Günümüzde gen haritaları 8 Parça değişimi ve mitoz 9 Kardeş kromatitler arasında parça değişimi 10 Mendel bağlı genlerle karşılaşmış mıydı?

3 1 Aynı kromozomdaki bağlı genler birlikte kalıtılır 1900 lü yılların başında genetikçiler, belirli genlerin Mendel in bağımsız açılım kuralına göre aktarılmadığını, bu genlerin sanki birbirine bağlıymışçasına ayrıldığını ortaya koymuştur. Ayrıntılı çalışmalarla, bu genlerin, aynı kromozomların bölümleri olduğu, bunların gerçekte tek bir birim olarak aktarıldığı gösterilmiştir.

4 1 Kromozomlar üzerinde çok sayıda genin bulunduğunu artık biliyoruz. Aynı kromozom üzerinde bulunan genler bağlı (link) genlerdir. Bu genler genetik çaprazlarda bağlantı (linkaj) gösterirler.

5 1 Mayoz sırasında aktarım birimi genler değil kromozomlardır. Bu nedenle bağlantılı genler, bağımsız açılım konusunda özgür değildir. Birinci mayotik profaz sırasında homologlar eşleştiğinde kromozom bölümlerinin karşılıklı değiş-tokuşu gerçekleşir = Parça değişimi = rekombinasyon

6 1 Bir kromozom üzerindeki herhangi iki bölge arasındaki parça değişimi oranı, aralarındaki uzaklık ile doğru orantılıdır. Buna bölgeler arası uzaklık (inter locus distance) adı verilir. İki gen bölgesi arasındaki uzaklık ne kadar fazla ise, krossing-over ile birbirlerinden ayrı düşme olasılıkları o kadar fazladır. Bu ilişki, genlerin kromozom üzerindeki göreceli yerleşimlerini belirten kromozom haritalarının oluşturulmasına temel teşkil eder.

7 1.1 Parça değişimi Mayoz ile genlerin gametlere dağılımı konusunda üç farklı ihtimal söz konusudur: 1. Bağımsız açılım: İki gen, iki farklı homolog kromozom çifti üzerindedir. 2. Bağlılık: İki gen, tek bir homolog kromozom üzerindedir - Krossing-over yoktur. 3. Linkaj+Krossing-over: İki gen, tek bir homolog kromozom üzerindedir - Kardeş olmayan kromatitler arasında değiş-tokuş gerçekleşir.

8 1.1.a Bağımsız açılım Her biri bir gen çifti içeren iki çift kromozomun bağımsız açılım sonuçları. Burada bağlılık görülmemektedir. Genetik olarak dört farklı gamet eşit oranda oluşur. Bunların her biri, iki genin allellerinin farklı bir kombinasyonunu içerir.

9 1.1.b Bağlılık Yandaki şekilde genler aynı homolog kromozom üzerinde bulunmaktadır (bağlı). Eğer iki gen arasında parça değişimi olmaz ise sadece iki farklı gamet oluşur. Her bir gamet, homologların birinde ya da diğerinde bulunan allelleri alır.

10 1.1.c Bağlılık + parça değişimi Bağlı iki gen arasındaki parça değişimi. Bu değişim, tetratta bulunan dört kromatitin, kardeş olmayan iki kromatiti arasındadır. Bu değiş-tokuş, rekombinant ya da parça değişimli gametler denilen iki yeni allel kombinasyonu oluşturur.

11 1.2 Bağlantı oranı Bağlı iki gen arasında oluşan parça değişimi frekansı, bu iki genin kromozom üzerindeki uzaklıklarıyla doğru orantılıdır. Rastgele seçilmiş iki gen birbirine ne kadar yakın ise, parça değişimi ile ayrılma ihtimali o kadar düşüktür. Bu durumda oluşacak atasal gametlerin oranı daha yüksek, rekombinant gametlerin oranı daha düşük olacaktır. Bu iki gen birbirine ne kadar uzak ise, ayrılma ihtimali o kadar yüksektir. Bu durumda oluşacak atasal gametlerin oranı daha düşük, rekombinant gametlerin oranı daha yüksek olacaktır. Bağlı iki gen arasındaki uzaklık çok fazla olduğunda, rekombinant gametlerin sayısı % 50 ye ulaşır. Ama bu oranı geçemez!!!

12 1.2 Eğer % 50 oranında rekombinant oluşmuş ise dört tipin (ikisi atasal, ikisi rekombinant) 1:1:1:1 oranı ile sonuçlanır. Bu durumda bağlantılı iki genin aktarımı, bağlantılı olmayan genlerin aktarımından ayırt edilemeyecektir.

13 1.2 Bağlantı oranı Bağlantı oranına bağlı olarak meydana gelen bireylerin fenotipine göz atmak için aşağıdaki çaprazlamayı birlikte yapalım. Bunun için Drosophila melanogaster de birbirine yakından bağlı çekinik mutant allellerden kahverengi (brown, bw) göz ve kalın (heavy, hv) kanat damarları arasındaki çaprazı göz önüne alalım.

14 F1 neslini oluşturan sineklerin tümü her iki gen çifti için de heterozigottur ve kırmızı göz ve ince damarın baskın özelliklerini gösterir (bw + bw/hv + hv).

15 İki gen için 1:2:1 oranı tam bağlantı durumlarında görülür

16 1:1 oranında kahverengiince ve kırmızı-kalın sinekler oluşur. Bu özellikleri kontrol eden genler tam bağlı olmasa ya da ayrı kromozomlar üzerinde bulunsaydı test çaprazı sonucunda dört fenotip oluşacaktı.

17 2 Parça değişimi ve gen mesafeleri X-bağlantısını ilk bulan araştırmacı Morgan dır. A çaprazında mutant sarı vücutlu (yellow, y) ve beyaz gözlü (white, w) dişilerle yabanıl tip erkekleri (gri vücutlu ve kırmızı gözlü) çaprazlamıştır.

18 2.1 Morgan F1 dişileri yabanıl tip iken, F1 erkekleri her iki mutant özelliği de ifade etmekteydi. F2 de toplam yavru bireylerin % 98.7 si atasal, % 1.3 ü ise rekombinant tipler idi. Genler F1 sineklerinde gamet oluşumu sırasında sanki birbirinden ayrılıyor gibiydi.

19 2.1 Morgan ve parça değişimi B çaprazında Morgan, beyaz göz (w) ve minyatür kanat (m) mutasyonlarını kullanmıştır. Morgan ww/mm dişi bireyler ile w+/m+ erkek bireyleri çaprazladığında F2 bireylerinin % 62.8 i atasal iken, % 37.2 si rekombinant fenotipe sahip idi.

20 2.1 Morgan ve parça değişimi Morgan bu sonuçlar ile birlikte iki soru ile karşılaştı: Gen ayrılmasının kaynağı neydi? Görünüşteki ayrılmanın frekansı niçin çalışılan genlere bağlı olarak değişti?

21 2.1 Morgan ve parça değişimi 1. soruya yanıt: Homolog kromozomların mayozda karşılıklı dizilerek kiyazmalar oluşturdukları biliniyordu. Morgan, bu kiyazmaların genetik değiş-tokuş açısından önemli olduğunu öne sürdü. Bağlantılı genlerin kromozom boyunca doğrusal olarak var oldukları taktirde, herhangi iki gen arasında, değişebilen bir oranda parça alışverişi olabileceği sonucuna vardı.

22 2.1 Morgan ve parça değişimi 2. Soruya yanıt: Kromozomda birbirine yakın iki gen arasında kiyazma oluşması nispeten zordur. İki gen birbirine ne kadar yakın ise aralarında oluşacak genetik alış-veriş o oranda azalır.

23 2.2 Sturtevant ve haritalama Alfred H. Sturtevant, Morgan ın öğrencisidir. Hocasının önermesine bağlı olarak genlerin kromozom üzerindeki dizisinin saptanabileceği fikrini ilk kavrayan kişidir. Thomas H. Morgan. Alfred H. Sturtevant.

24 2.2 Sturtevant ve haritalama Sturtevant önce Morgan tarafından çalışılan sarı, beyaz ve minyatür mutant genleri arasındaki rekombinasyon verilerini topladı. Bu üç genin her bir çifti arasındaki parça değişimi frekanslarının aşağıdaki gibi olduğunu hesapladı: 1) sarı-beyaz % 0.5 2) beyaz-minyatür % ) sarı-minyatür % 35.4

25 2.2 Sturtevant ve haritalama Buna bağlı olarak Sturtevant bu genlerin kromozom üzerindeki sırasının sarı-beyaz-minyatür şeklinde olabileceğini öne sürdü. Parça değişimi frekansı = iki gen arasındaki uzaklığın göstergesi 1 harita birimi = %1 parça değişimi = 1 santimorgan (cm) Göreceli bir birim: kesin uzaklıklar değil!!!

26 2.3 Tek parça değişimi İki lokus, kromozom boyunca ne kadar yakınsa, aralarında tek parça değişimi gerçekleşme olasılığı o kadar azdır. Bağlantılı iki lokus arasındaki uzaklık ne kadar fazla ise, aralarında oluşacak rastgele bir parça değişimi olayının olasılığı o kadar yüksektir.

27 ve oluşan 4 gametin 2 sinde allellerde rekombinasyon oluşur Figure 5.5

28 Rekombinasyon frekansı neden maksimum % 50 dir? Homolog kromozomlar arasında parça değişimi olasılığı %100 ise Parça değişimi olduğunda, tetradın diğer iki kromatiti bu değiş-tokuşa katılmayacaktır. Böylece oluşan gametler en fazla %50 rekombinant olabilir Figure 5.6

29 3 Çoklu parça değişimi Tek bir tetradda, kardeş olmayan kromatitler arasında iki, üç ya da daha çok değiş-tokuş mümkündür. A-B ya da B-C genleri arasında gerçekleşen bir değiş-tokuş olasılığı, bunları ayıran fiziksel uzaklıklarla ilgilidir.

30 3 Iki bağımsız olayın birlikte olmasının matematiksel olasılığı, her bir olasılığın çarpımına eşittir. A-B arasında parça değişimi gerçekleşme olasılığının % 20 (p=0.20) ve B-C arasında % 30 (p=0.30) olduğunu varsayalım. Bu iki olayın aynı anda gerçekleşme olasılığı 0.20 x 0.30 = 0.06 veya % 6 dır.

31 3 Çoklu parça değişimi Tek parça değişimleri iki bağlantılı gen arasındaki uzaklığı belirlemek için kullanılır Çift parça değişimi ise 3 bağlantılı genin kromozom üzerindeki sıralanışını ve bunlar arasındaki uzaklığı belirlemek için kullanılır

32 3.1 Üç noktalı haritalama Bunun için Drosophila da X e bağlı kalıtılan üç mutant gen ele alınacaktır: Beyaz göz rengi (w) Ekinus göz şekli (ec) Sarı vücut rengi (y) Çaprazlamaya başlamadan önce genlerin kromozom üzerindeki sırasını bilmemiz imkansızdır. Bu nedenle gen sırasının başlangıçta y-w-ec olduğunu varsayalım.

33 3.1 Üç noktalı haritalama P neslinde yabanıl tip allellerin üçü için de hemizigot olan erkekler, üç mutant allel için homozigot olan dişilerle çaprazlanır. F1 neslinde her üç allel açısından hemizigot erkekler ile, heterozigot dişiler (y + y/w + w/ec + ec) oluşur.

34 3.1 F2 neslinde parça değişimi açısından dört olası durum vardır 1) Parça değişimi olmaması durumu 2) y-w arasında tek parça değişimi 3) w-ec arasında tek parça değişimi 4) y-w arasında ve w-ec arasında çift parça değişimi

35 Figure 5.8

36 3.1 Her zaman en yüksek orana sahip olan, parça değişimi olmayandır ve en düşük orana sahip olan, çift parça değişimi (DCO) olandır!!!

37 3.1 Metot I: 3 genden birisi diğerlerinin ortasındadır. Allellerin dizilişleri ve oluşturdukları DCO bulunur ve uyumlu olan seçilir. Metot II: Heterezgot ebeveynin homologlarındaki allel düzenlenmesi incelenir daha sonra DCO ile karşılaştırılır.

38 4 İki genin mesafesi arttıkça haritalama kesinliğini kaybeder

39 Figure 5.13

40 5 Drosophila Genleri büyük ölçüde haritalanmıştır Drosophila, mısır ve fare gibi organizmalarda çok sayıda mutant keşfedilmiş ve deneysel çaprazlar kolaylıkla yapılmıştır. Böylelikle bu organizmaların kromozomlarının kapsamlı bir haritası çıkarılmıştır.

41 Figure 5.14

42 6 Lod skor analizi Kendi türümüz, kapsamlı bağlantı analizi için deneysel organizmalarla yapılan çalışmalar gibi bir veri kaynağı olarak kullanılamaz. Etik olarak ve Fazla sayıda yavru oluşmadığından Dolayısıyla insanlarda en eski bağlantılı gen çalışmaları soyağacı analizlerine dayanmak zorunda idi. Kapsamlı soyağaçları varsa, iki özelliğin birlikte dağılım gösterebileceği gerçeğine dayanarak incelenen genlerin bağlantılı olduğu gösterilebilir.

43 6.1 Somatik hücre hibridizasyonu Kültürdeki iki hücrenin tek bir hibrit hücre oluşturacak şekilde birleşebileceği gerçeğine dayanmaktadır. George Barsky başlangıçta iki adet fare hücresi kullanmıştır. Daha sonra farklı organizmalardan alınan hücrelerin de birleşebileceği anlaşılmıştır.

44 6.1 Somatik hücre hibridizasyonu Birleşme gerçekleştiğinde ortak bir sitoplazma içinde iki çekirdek içeren heterokaryon adı verilen bir başlangıç hücre tipi oluşur. Uygun teknikler kullanarak insan ve fare hücrelerini birleştirmek olasıdır. Birleşen hücrelerin çekirdekleri de birleştikten sonra sinkaryon adı verilen yapı oluşur.

45 6.1 Somatik hücre hibridizasyonu Hibrid hücre birçok nesil boyunca çoğalırken zamanla iki türe ait kromozomlardan birisi giderek kaybolur. Insan-fare hibridinde insan kromozomları giderek kaybolur ve sonunda sadece fare kromozomları ve birkaç tane insan kromozomu kalır. Bu durum, insan genlerinin üzerinde bulundukları kromozomların tayin edilmesini kolaylaştırır.

46 6.1 Somatik hücre hibridizasyonu Örn; eğer insan geninin özgül bir ürünü, üç insan kromozomu içeren bir sinkaryon içinde sentezleniyorsa, bu üründen sorumlu gen, hibrid hücre içinde kalan üç insan kromozomundan birisi üzerinde bulunmalıdır. Bu yöntemle hangi genin hangi kromozom üzerinde bulunduğunu tespit etmek mümkündür Eğer her birinde bir insan kromozomu bulunan 23 adet sinkaryon seçilirse, bir ürünün varlığı ve yokluğu ile karşılaştırmalarla hangi genin hangi kromozom üzerinde olduğu anlaşılır

47 Hibrit hücre ler Hücrelerde bulunan insan kromozomları Görülen gen ürünleri Figure 5.15

48

49 7 Günümüzde haritalama DNA belirteçleri ve veri tabanları Bu konudaki ilerleme, rekombinant DNA ve genomik çalışmaları sırasında kullanılan DNA belirteçlerinin (marker) bulunuşu ile kaydedilmiştir. Her belirtecin dizisi ve kromozomdaki yeri bilinmektedir. birçok nesil içeren soyağaçlarında izlenebilmekte ve böylece bunlarla bağlantılı olarak kalıtılan genler soyağaçlarında tespit edilerek yerleri belirlenmektedir.

50 7.1 DNA belirteçleri Söz konusu belirteçler arasında: Mikrosatellitler Minisatellitler RFLP ler (restriction fragment length polymorphisms) Kistik fibroz geninin yeri, bu şekilde tespit edilmiştir

51 7.2 Veritabanları İnsan genom projesinin amacı; Önce insan genomunun DNA dizisini elde etmek Daha sonra da bilgisayar analizi ile genlerin yerlerini saptamaktır. Günümüzde bu veriler çeşitli web sayfalarında bulunmaktadır.

52 7.2 Veritabanları Artık, tamamlanmış birçok veritabanının sonuçlarını kullanarak, kromozomda herhangi bir genin kesin yerini, baz mesafesi olarak saptamak mümkündür. Bu şekilde elde edilen haritalara fiziksel harita adı verilmektedir. Rekombinasyon frekansı kullanarak göreceli oluşturulan haritalar genetik haritalardır

53 8 Parça değişimi ve mitoz! Birçok organizmada homologlar mitoz sırasında normal olarak eş oluşturmaz. Bu durum, mitozda rekombinasyon (parça değişimi) olamayacağı fikrini doğurur. Ancak Drosophila da mitoz sırasında da sinaps oluşabileceği gözlemlenmiştir.

54 9 Mendel gen bağlantısına rastladı mı? Bazı gözlemciler Mendel in bezelyelerle yapmış olduğu klasik deneylerinde son derece şanslı olduğunu söyler. Mendel, çaprazlarının hiçbirinde yedi mutant karakterin hiçbiri arasında belirgin bir bağlantıya rastlamamıştır. Ancak gerçekte çalıştığı üç genin kromozom 4 te, iki genin kromozom 1 de ve birer genin de kromozom 5 ve 7 üzerinde yer aldığı bilinmektedir. Mendel muhtemelen iki genin birlikte dağılım göstereceği uygun bir çaprazı yapmamıştır. Ayrıca genlerin kromozomlar üzerindeki mesafeleri ile parça değişimi geçirme olasılıkları arasındaki ilişkiyi de unutmamak gerekir.