Genom organizasyonu Ismail Bezirganoglu

Transkript

1 Genom organizasyonu Ismail Bezirganoglu

2 TANIM: Canlıların oldukça uzun olan genomik DNA ları bir hücrenin içine sığabilmek için son derece karmaşık şekilde katlanmak zorundadır.. Genom DNA Yapısal proteinlerle ilişki içindedir ve kromozom şeklinde paketlenirler. genler bir organizmadan diğerine geçmektedirler ve genomda bir yerden başka bir yere taşınan ve replike olabilen hareketli genetik elemanlar mevcuttur. Aynı zamanda genetik bilgi, replikasyon, rekombinasyon, transkripsiyon, tamir ve kromozom ayrılması gibi önemli yaşamsal süreçlerde görev alan DNA bağlanıcı faktörler için kolayca ulaşılabilir olmalıdır. Böylece yapısal proteinler ve DNA arasındaki etkileşim, birbirinin zıddı olan katlanma açılma fonksiyonları arasındaki değişimi sağlayabilecek kadar esnek olmalıdır.

3 Genom organizasyonu organizmalar arasında çeşitlilik gösterir Prokaryotlar: Ökaryotlar: Arkeler: 16S RİBOZOMAL RNA dizilerini karşılaştırmışlardır. Arkelerin bakterilerden daha fazla, ökaryotlara daha yakın akraba olduklarını ortaya koymuşlardır. Genomu DNA olan virüs lerde prokaryot ve ökaryotlarla birlikte ele alınmaktadır. Hücresel yapıya sahip değiller bu yüzden organizma olarak kabul edilmezler fakat genomları vardır bu yüzden evrim geçirirler. Virüsler dizileri üst üste çakışan genlerin de dahil olduğu, tipik olarak genlerle dolu olan ve nisbeten daha küçük olan genomlara sahiptirler.

4 Prokaryotların genomları ise kompakt olup virüslere göre genleri arasında daha büyük bölgeler vardır ve çok az çakışan genlere sahiptirler. Prokaryot genlerin çoğu operon olarak adlandırılan ve birlikte transkribe edilen grublar şeklinde organize olmuşlardır. Ökaryotların genom boyutları ise muazam derecede çeşitlilik göstermekte olup bu genomların bazıları prokaryotlarınki kadar küçükken, bazıları ise kat kat büyüktür. kendine özgü gen yapısı paylaşırlar. Ökaryotik bir genin protein kodlayan dizi kısımları parçaları olan ekzonlar, splaysing sırasında uzaklaştırılan çok sayıdaki protein kodlamayan intron adlı bölgelerce birbirinden ayrılmışlardır. Genler arasındaki uzun bölgelerin ve intronların varlığından dolayı ökaryotik genomlar, prokaryotik genomlara göre daha az kompaktırlar.

5 Bu sebepten genomler kabaca iki gruba ayrılabilir Virüsler, arkeler, bakteriler (genellikle < 10 Mb) ve çoğu tek hücreli ökaryotun (genellikle <20 Mb) sahip olduğu küçük genomlar. Nükleotid dizilimlerinin çoğunu protein kodlayan ve RNA kodlayan dizilimler oluşturmaktadır. Çok hücrelilerin ve bazı tek hücreli ökaryotların (genellikle > 100 Mb) sahip olduğu büyük genomlar. Nükleotid dizilimlerinin çoğu kodlayıcı değildir. Tüm organizmalarca paylaşılan ortak özelliklerinden biride çok uzun bir molekül olan DNA nın oldukça küçük hacimlere paketlenmesi ihtiyacıdır.

6 Ökaryotik genomun paketlenmesi Ökaryotlarda genom terimi yerine genellikle genomik DNA, kromozomal DNA veya çekirdek DNA sı terimleri kullanılır. Ökaryotlarda genomik DNA çekirdek zarı ile kuşatılmış şekilde hücre çekirdeği içerisinde bulunur. Ökaryotik hücreler 2 metreye ulaşabilen devasa boyuttaki DNA yı çapı 10 mikrondan küçük olan küresel bir çekirdeğe sığdırmak zorundadırlar. Bu durum ise yaklaşık ile kat arasında bir paketlenme oranına denk gelmekedir. Ökaryotik organizmaların genomlarını oluşturan kromozomların sayılarında da inanılmaz bir çeşitlilik vardır.

7 Örneğin kelebek:200 üzerinde kromozom sayısı, kanguru 12, insanda 46 kromozom bulunmaktadır. Yılan dili eğrelti otu 1260 Karınca dişiler 2 kromozom sayısına sahip iken erkekler sadece haploid bir kromozom taşırlar. Kromozomlar sayıları açısından çeşitlilik göstermekle birlikte benzer şekilde paketlenirler. Her DNA molekülü histon proteinleri etrafında sarılarak nükleozomları oluştururlar. Daha sonra bunlar tam bir kromozomu oluşturmak üzere kompleks bir aşamalı yolla yoğunlaşırlar.

8 Histonlar küçük, pozitif yüklü proteinlerdir Kırmızı kan hücresi prekürsörlerinin çekirdeklerinden küçük bazik proteinler izole etmiştir. Bu proteinleri histon olarak adlandırmıştır. Başka bir laboratuvarda kromatinin temel paketlenme biriminin nükleozom olduğu ve bunun da histon proteinlerinden oluştuğu 1970 i bulmuştur. Bu keşif elektron mikroskobu ve biyokimyasal çalışmaların kombinasyonuyla mümkün olmuştur. Başka amaçlarla gerçekleştirilen nükleaz deneyleri ise kromatin içindeki DNA nın birbirinden 180 baz çiftlik büyüklüklere ayrılan fragmentlere parçalandığını ortaya çıkarmıştır.

9 Günümüzde ise bu fragment boyutunun tek bir nükleozom veya mononükleozom ile ilişkili DNA yı temsil ettiği bilinmektedir. Bu deneyde kromatin ve çıplak DNA, düşük derişimdeki mikrokokal nükleaz ile muamele edilmiş ve daha sonra proteinler uzaklaştırılarak, DNA fragmentlerinin ayırımı agaroz jelde gerçekleştirilmiştir. Kromatin örneklerinde görülen merdiven şeklindeki bantlar birbirlerinden DNA nın tek bir nükleozomal tekrar uzunluğu ile (180 baz çiftinin katları) ayrılırlar. Merdiven şekli gözlenmesinin nedeni ise mikrokokal nükleaz ile muamele edilmiş kromatinin kismi parçalanmasıdır. Daha uzun süreli kesim ise linker DNA nın tamamen kırılmasına ve nükleozomal nüve partiküllerinin oluşumuna ve 146 baz çiftlik tek bir fragmentinin oluşumuna sebep olabilir. Çıplak DNA nın kesilmesi sonucu oluşan fragmentler ise, DNA nın tamamının korumasız olması ve enzim etkisine açık olması nedeniyle çok farklı uzunluklarda olacak ve jeldeki görüntüleri bir sürüntü şeklinde olacaktır.

10 Daha sonraki çalışmalar iki ana histon tipinin varlığını ortaya koymuştur. Nüve (kor) histonlar ve linker histonlar. Son derece iyi korunmuş nüve histonlar daltonluk (Da) bir molekül ağırlığa sahiptir. Çok daha fazla değişken olan linker histonlar ise Da daha büyük molekül ağırlıkları ile birazcık daha büyük moleküllerdir. Ökaryotların çok büyük bir bölümü genomları histonlar ile paketlenmiş olsalarda bu kurala uymayan istisnalarda vardır. örnek Dinoflagettalar. Bu ökaryotik algler, DNA larının büyük bir bölümünü histonlardan tamamen farklı olanu bazik proteinlerle paketlerler. Bu proteinler, DNA kütlesinin sadece %10una karşılık gelir. Halbuki diğer ökaryotlarda histonlar DNA ile 1:1 oranındadır. Diğer istisna gametogenez sırasında memelilerde gözlenir. Sperm DNA nın büyük kısmı histonlar yerine protaminler olarak bilinen bazik proteinler ile etkileşerek kompakt hale getirilirler.

11 Nükleozomlar kromatinlerin temel paketleme birimleridir 1975 yılında ökaryotik genomlara ait elektron mikroskop görüntüleri tesbih görünüşündeki tekrarlana bir motife sahip düzenli büyüklükteki partiküllerin varlığını açıkca göstermiştir. Kromatinin tesbih görünümlü zincir yapısı ise düşük tuz derişimi uygulamasından sonra elektron mikroskobu ile nm lik fibril şeklinde görüntülenebilir. Boncuklar paketlenmenin ilk aşamasını temsil eder. Her bir boncuk nüve histon oktameri etrafında sarılı DNA dan oluşmaktadır. zincir ise çift sarmal DNA yı temsil eder. Paketlenmenin bu aşamasında linker histonlar gerekli değildir.

12 Nüve histonlar nükleozom içerisinde H2A, H2B, H3 ve H4 nüve histonlarının her birisinden ikişer adet olmak üzere bir oktamer oluşturacak şekilde bulunur. Nüve histon oktameri bir makara gibi görev yapar; negatif yüklü DNA molekülü pozitif yüklü histonların etrafında yaklaşık iki tur atarak dolanır. Hem prokaryot hemde ökaryot hücrelerdeki bütün DNA lar süper sarmal bir vaziyette bulunmaktadırlar. DNA nın nükleozom etrafına sarılmasına ise 1,67 döngüyle sınırlanmakta ve bu sarılma sola süper sarmal döngüsüyle gerçekleşmektedir. Yeni bir model ise nükleozomal DNA konformasyonunun, çıplak DNA nınkinden başka bakımlardanda farklılıklar gösterdiğini ileri sürmektedir. Çift sarmal nükleozom nüvesinin etrafında sıkıca kıvrılmakta ve ortalama 1-2bp lik gerilmektedir.

13 Bu da her bir dönüşde 10,5 bp içeren çıplak ile karşılaştırıldığında nükleozoma sarılı DNA nın her bir dönüşde 10,17 bp içermesine sebep olmaktadır. Nükleozom terimi gerçekte oldukça gelişigüzel kullanılmasına rağmen aslında bu terim özel olarak nüve histon oktamerini, linker histonu ve yaklaşık 180 bp lik DNA nın üçünü birden adlandırmak için kullanılır. Linker histon H1 veya H5 ve H1 alternatif formlar ise DNA nın nükleozoma girdiği ve çıktığı yerlerde nüve histon oktamerleri arasında bulunur. Linker histon etkili bir şekilde DNA nın iki dönüşünü mühürleyerek birarada tutar. Nüve histon oktameri içerisinde, çiftler halinde dört nüve histonu bulunur. Iki adet H3/H4 dimeri bir tetramer oluşturmak üzere birleşirken, iki adet H2A/H2B dimerleri ise DNA nın varlığında, H3/H4 tetramerinin her bir ucuna bağlanır.

14 Yüksek tuz derişimi ile histonların DNA dan uzaklaştırılması ise DNA ve nüve histonlar arasındaki ana etkileşimin tabiatının elektrostatik olduğunu göstermektedir. Ilaveten nükleozom için gerekli olan dimerlerin ve tetramerin ara yüzeyinde çok sayıda hidrofobik etkileşim ve hidrojen bağı da bulunmaktadır. Nüve histonların dördü de karboksil (C) uçlarının sonunda, diğer histonlar ve DNA ile etkileşim kurdukları birer bölgeye sahiptirler. Bu bölge histon katlanma domaini olarak adlandırılmaktadır. histon katlanma domaini tokalaşan iki insanın ellerinin birbirine kenetlenmesi gibi histon monomerlerinin bir araya gelmesini sağlar. Bu yapıdan dolayı, dimerlerin tokalaşan el motifi oluşturduğu söylenir. Dört nüve histonunun amino (N) uçlarında da yüklü kuyrukları olup, bu kuyruklar ise çoğunlukla lizin kalıntılarını bulundururlar.

15 Bu yüklü kuyruklar, metilasyon ve asetilasyon da dahil olmak üzere, histon proteinlerinin post translasyonal modifikasyonlarının gerçekleştiği bölgelerdir. Gen regülasyonu ve kromozom organizasyonunda önemli rolleri olan histon varyantlarıda vardır. nüve histonlar arasında en çok varyanta sahip olan H2A iken histon H4 ün hiç varyantı bulunmamaktadır. Ana H3 varyantlarindan biri olan sentromerik H3 (CenH3) kromozom ayrılmasında kritik rol oynamaktadır.

16 Üst düzey kromozom yapısı 30 nm fibril Nükleazla sindirim sonucu çekirdekten serbest bırakılan kromatin düşük tuz derişiminde ipe dizilmiş boncuk tanelerine benzer tesbihimsi bir yapı oluşturmaktadırlar. Tuz ilave edildiğinde veya in situ koşullarda gözlendiğinde nükleozomal diziler yaklaşık 30 nm çapında kompakt bir fibril oluştururlar. Izolasyon esnasında oldukça kırılgan olan kromatinin yapısı çok az anlaşılabilmiştir. Öne sürülen modeller oldukça düzenli sarmal solenoidden, nükleozomların zigzag şeklinde kümelenmesine kadar değişkenlik gösterir. Klasik solenoid modeli uzun yıllar önce kabul edilmiş olup bir heliks döngüsünde ardışık olarak sıralanmış altı nükleozomu içerir.

17 Bununla birlikte fizyolojik tuz derişimlerinde solenoidler gözlenmez. Son zamanlarda elektron mikroskobu, biyokimyasal analizler ve X ışını çalışmaları sırasında kromatinin korunması için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Güncel çalışmalar en azından transkripsiyonel olarak aktif hücrelerde nükleozomların solenoid oluşturmadığını öne sürer. Bunun yerine büklümleşen veya süper-sarmallaşan zigzag kurdela yapısına bürünürler. 30 nm fibril yapısı muhtemelen, replikasyon, transkripsiyon ve rekombinasyon gibi bir çok çekirdek işleminde kalıp görevi görmektedir. Daha üst seviyelere yoğunlaşma bu fibrillerin küçük hacimli çekirdeğin içine sığmasını sağlamaktadır.

18 Daha üst düzeydeki DNA paketleri, ilmek domainleri içerir 30 nm fibril sonrasında henüz tam olarak anlaşılamamış olan daha üst seviyedeki yoğunlaşmalara maruz kalır. bu ilmeklerin yapısı hakkındaki detaylı bilgiler, ışık mikroskobunda dahi görülebilen amfibi oositlerin özel tüp fırçası kromozomları ile gerçekleştirilen çalışmalarından edinilmiştir. Istisnai bir durum olmasına rağmen bu sıradışı kromozomların interfazsafhasında görülen ilmek domainlerini temsil ettiği düşünülür. Ilmeklenmiş domainler ise kb lık DNA dan oluşurlar. Ilmeklerin uzunluğu iseyaklaşık 0.25μm dir. Bu ilmekler DNA nın çekirdek iskeletine bağlı proteinlere bağlanmasıyla oluşturulmuş olabilir. Hücre döngüsünün interfaz safhasında, paketlenme oranı katıdır. tipik bir insan kromozomundaki kromatin iplik ilmekler şeklinde yoğunlaştırılsa dahi çekirdeğin etrafını defalarca dolanacak kadar uzundur.

19 Nucleosome Structures Histone octamer 2 H2A 2 H2B 2 H3 2 H4

20 X-ray diffraction analyses of crystals Structure of a nucleosome core particle

21 Structural Organization of the Core Histones

22 The Assembly of the Core Histones

23 Notice the long tails of the octamer

24 The bending of DNA in a nucleosome 1. Flexibility of DNAs: A-T riched minor groove inside and G-C riched groove outside 2. DNA bound protein can also help

25 Zigzag model of the 30-nm chromatin fiber

26 Irregularities in the 30-nm fiber Flexible linker, DNA binding proteins Structural modulators: H1 histone, ATP-driven Chromatin remodeling machine, covalent modification of histone tails

27 The function of Histone H1

28 The function of Histone tails

29 Chromatin Remodeling

30 Cyclic Diagram for nucleosome formation and disruption

31 Covalent Modification of core histone tails Acetylation of lysines Mythylation of lysines Phosphorylation of serines Histone acetyl transferase (HAT) Histone deacetylase (HDAC)

32 Chromatin Packing Condensin plays important roles

33 Tamamen yoğunlaşmış kromatin: metafaz kromozomları Kromatinin daha ileri düzeyde yoğunlaşması için belli bir kaç ATP hidrolize edici enzim ve kondensin kompleksi gereklidir. kondensin 5 alt üniteden oluşmuş halka şekilli büyük bir protein kompleksi olup metafaz kromozomlarının içinde en bol bulunan yapısal bileşenlerdir. Her bir kromozomda tek DNA molekülü yani çift zincirli sarmal DNA vardır. tipik bir insanın kromozomu 100 Mb lık DNA içerir. proteinlerle birleşik halde bulunan bu büyük DNA üniteleri çeşitli boyalarla boyanabilir ve mitoz ve mayoz sırasında ışık mikroskobu altında görüntülenebilir. Tamamıyla yoğunlaşmış bir metafaz kromozomu sentromer denen bölgelerde birbirine tutunan iki kardeş kromatitden oluşur.

34 Sentromer: mitoz sırasında kromozomları iğ ipliklerine bağlar ve kardeş kromatidlerin yeni oluşan hücrelere doğru şekilde ayırımını temin eder. Kompaktlaşma aşamalarının bu en üst seviyelerinde ise paketlenme oranı çıplak DNA ya kıyasla katdır. Sentromer hücre bölünmesi esnasında kardeş kromatidlerin ayrılmasında bağlanma bölgesini oluşturur. Prokaryotlar bölündüğünde kromozomlar genellikle DNA replikasyonu yapmaktayken ayrılır. ökaryotik hücreler bunu farklı yapar. Ilk olarak DNA replike ediir; sonrada hücreler mitoz bölünme sürecini geçirirler. Mitoz sırasında kromozomlar önceden bahsedildiği şekilde yoğunlaşırlar, metafaz plağında toplanırlar, yönlenirler, mikrotübüllere tutunurlar ve kromatidler ayrılırlar. Mitoz kromozom üzerindeki sentromer adlı özel bölgede oluşan kinetokor ile mümkün hale gelmektedir.

35 Kardeş kromatidler anafaz sırasında kutuplara ayrıldıktan sonra sentromerdeki kinetokor, kromatidlerin hızlıca kutuplara hareket etmek için kullandıkları iğ ipliklerini yakalar. Sentromer DNA sı özellikle kromozomun özgün bir bölgesinde konumlanmıştır ve 0,1-4 Mb lik bir bölgeyi kapsayan çok sayıda tekrar eden DNA dizisinden oluşur. Sentromerler CenH3 isimli sentromere özgü bir histon H3 varyantı veya H3 yerine CENP-A varyantı bulunan özel bir nükleozom içerir. CenH3 özellikle sentromerlerde lokalize olmuştur ve sentromer fonsiyonu için zorunludur. CenH3 ün zorunlu olduğu iki şekilde gösterilmektedir. Birincisi günümüze kadar analiz edilen tüm ökaryotlarda, CenH3 ün delesyonu öldürücüdür. Ikincisi, CenH3 kusuru olan hücreler kinetokor proteinlerini yerleştırmede başarısız olmakta ve kromozomların ayrılmasında eksiklikler göstermektedirler.

36 Kinetokorlar yapısal olarak çeşitlilik gösteren makromoleküler yapılardır. Organizmaya bağlı olarak birlikte bir düzine proteinden oluşanı olduğu gibi yüzden fazla farklı protein bileşeninden oluşanlarıda vardır. Nasıl oluştukları ise uzun süredir cevap bekleyen bir bilmecedir. CenH3 bu bilmeceyi çözmede anahtar rol oynayabileceği görülmektedir. Histon varyantı tam bir kinetokor oluşumuna yol açan kompleks bir etkileşim ağını tetikliyor gibi görünmektedir. Bu süreçte CenH3 içeren nükleozomların kinetokorların temelini oluşturmak üzere biraraya geldikleri ve aynı zamanda H3 içeren nükelozomları da dışladıkları düşünülmektedir. Son veriler CenH3/H4 tetramerinin H3/H4 tetramerinden daha kompakt ve rijit olduğunu göstermektedir.

37 Bu rijit temel yapı, muhtemelen mitoz sırasında mikrotübülün çekme kuvvetlerine karşı koymada yardımcı olmaktadır. CenH3 nükleozomlarının tam olarak nasıl bir yapıya sahip olduğu aktif bir araştırma konusudur. Hücre bölünmesi ve üremesi sırasında gerçekleşen kromozom ayrılması olaylarında sentromerlerin rolünün ne kadar kritik olduğu açıktır. Pratik olarak kromozomlar sıklıkla sentromerlerin konumuna göre sınıflandırılırlar. Metasentrik kromozomların sentromeri ortadadır. Akrosentrik kromozomlarda ise snetromer bir uca daha yakın konumlanmıştır. Telosentrik kromozomlarda ise sentromer en uçta bulunmaktadır. Sentromere ek olarak her kromozom ayrıca bir veya çok sayıda replikasyon orjini ve her bir uçda birer telomerde içermelidir.

38 Telomerler kromozomların uçlarını örten özelleşmiş yapılar olup kromozomların birbirlerine uç-uca eklenmesini önlerler. Otozomlar ve eşey kromozomları kromozomlar eşey kromozomları ve otozomal kromozomlar olarakda sınıflandırılır. Eşey kromozomları bir embriyoyu bir erkek yada dişi olmaya yönelten gelişimsel olayları aktive eden genetik bilgiyi barındırmaktadırlar. Kromozomların sayı, boyut ve şekilleri türe özgü bir takım diğer bir ifade ile karyotip ortaya koymaktadır.

39 Genetik materyalin organizasyonu ve ifadesi DNA nın kompakt bir hale gelmesi, hücre bölünmesi ve üremesi için gereklidir. Ökaryotik gen ifadesi en az üç ana seviyede düzenlenir. Birincisi transkripsiyonu düzenlemek için DNA daki düzenleyici elementlere DNA bağlanıcı proteinlerin bağlandıkları DNA dizisi seviyesidir. Ikincisi kromatin seviyesidir: DNA nın nüve histon oktameri etrafında sarılması linker DNA dizilerine kiyasla, DNA nın bu kısımlarına ulaşmayı inhibe eden bir mekanizma olarak kabul edilmektedir. Bu durum bir kromozom içindeki segmentlerin farklı transkripsiyonel durumlar arasında açılıp kapanmasına izin vermektedir.

40 Yoğunlaşmış ve transkripsiyonu baskılayan kromatin heterokromatin olarak adlandırılırken daha açık olan ve gen aktivasyonuna imkan tanıyan kromatin ise ökromatin olarak adlandırılır. Transkripsiyon sırasında kromatin yapısının nasıl değiştiğine dair ilk bulgular Drosophilada gerçekleştirilen araştırmalardan edinilmiştir. Sirke sineğindeki bazı özelleşmiş hücreler hücre bölünmesi olmaksızın ardarda birçok DNA replikasyonu geçirerek dev politen kromozomları oluştururlar. Politen kromozomlar birbirine tutunmuş (sinaps) durumda çok sayıda kardeş kromatidden oluşur. Büyük boyutları sebebiyle ışık mikroskobu alında rahatlıkla görülebilir. Kromozomlar genlerin pozisyonlarını, kromozomların yeniden düzenlenmesini ve delesyonları tanımlamada kullanılabilen karakteristik açık ve koyu bant motiflerine sahiptirler.

41 Koyu bantlaşmalar inaktif heterokromatinin karşılığı iken, açık renkli bantlaşmalar, daha yüksek transkripsiyonel aktivite gösteren bölgelerde bulunurlar. Kromozomların bantlaşma motifleri transkripsiyonel olarak aktif ökromatinin ve genel kromatin yapısının harika bir şekilde görüntülenmesine olanak tanımaktadır. Kromozom kabarcıkları politen kromozomun daha az kompaktlaşmış bölgeleri olup buralarda RNA transkripsiyonu gerçekleşmektedir. Genlerin çok sayıda kopyasının bulunması yüksek seviyede bir gen ifadesine imkan tanımaktadır. Kromatinin çözülmüş ve yoğunlaşmamış kısmı, DNA nın histonlar etrafına dolanmasında meydana gelen değişikliklerin sonucudur. Örneğin düzenleyici bölgelerdeki nükleozom pozisyonlarındaki değişmeler gen ifadesini doğrudan etkiler.

42 Nükleozomların pozisyonları kısmen DNA dizilerine olan ilginin farklılaşmasıyla belirlenir. Fakat nükleozomlar diğer protein faktörleri ile işbirliği yaparak veya yarışarak yerlerini değiştirirler veya yeniden toplanabilirler. Sonuç olarak nükleozom yeniden modelleme kompleksleri tarafından aktif olarak taşınabilir veya yer değiştirebilir. Gen ifadesi kontrolünün üçüncü seviyesi, bütün kromozom seviyesindedir. Bu seviye kromozomların çekirdek boşluğu içerisindeki pozisyonlanmalarını ve özgül kromozomal lokusların çekirdek içerisindeki uzaysal organizasyonlarını içermekte olup bunların her ikisininde gen ifadesini etkilediği bilinmektedir. Deneysel bulgular bireysel interfaz kromozomlarının, çekirdek içerisinde belli alanlarda veya bölgelerde yoğunlaşarak gen ifadesini teşvik ettiği veya baskıladığı izlenimini uyandırmaktadır.

43 4.4 ökaryotik genomun büyük bölümü kodlayıcı değildir C değeri ifadesi haploid bir çekirdek içerisinde bulunan DNA miktarı için kullanılır. C harfi ise sabit (constant) manasına gelip, belirli bir genotipe karakteristik olan DNA miktarını temsil etmektedir. Genomik DNA nın çoğunluğu genomdaki pozisyonlarını sıkça değiştirmeye meyilli olan transposable elementlerin veya sıçrayan genlerin replikayonuyla oluşan çok sayıdaki tekrardan oluştuğunun keşfedilmesinden sonra bu paradoks kısmende olsa çözülmüştür. Örnek olarak insanı ele alalım. insan genomunun %40 ından daha azı genlerden ve intronlar ve pseudogenler gibi genlerle ilişkili dizilerden oluşmaktadır.

44 Pseudogenler normal genlere oldukça benzeyen, fakat az miktardada olsa değiştirilmiş olan DNA dizileri olduklarından, artık ifadeleri gerçekleştirilmeyen dizilerdir. Insan genomunun büyük bir kısmını genler arası DNA temsil eder. Genomun intergenik bölgeleri, genellikle seleksiyon baskısı altında değildirler ve bu bölgelerdeki mutasyonlar genellikle muhafaza edilirler ve gelecek nesillere aktarılırlar. Intergenik DNA eşsiz veya düşük kopya sayılı dizilerden ibarettir ve orta dereceden oldukça yüksek derecele kadar değişen tekrarlı diziler içerir. Genomun tekrarlardan oluşan kısmından bağımsız olarak tekrarlı diziler iki ana sınıfa ayrılırlar. 1) Serpiştirilmiş elementler 2) ardışık (tandem) tekrarlı diziler

45 Serpiştirilmiş elementler temelde transposable elementlerdir Serpiştirilmiş elementler genom boyunca yayılmış olup temelde transposable elementlerin dejenere kopyalarından oluşan tekrarlardır. Transpozisyon esnasında element sıklıkla orjinal kopyayı geri bırakarak genomda yeni bir pozisyona atlar. Böylece bu diziler çoğalır ve genomda birikir. Insanda transposable elementlerin hareketi oldukça nadirdir fakat yinede uzun evrim süresi boyunca bu elementler genomun %32 sini oluşturacak şekilde yayılmışlardır. Tekrarlar biraraya kümelenmemişlerdir fakat genom içinde çok sayıda bölgeye dağılmışlardır.

46 Serpiştirilmiş tekrarlayan DNA elementleri, uzunluklarına göre iki alt kategoriye ayrılmaktadır 500bp den az diziler SINE ler olarak adlandırılırlar. 500bp ve daha uzun dizilimler ise LİNE ler olarak adlandırılırlar. Transposable elementler kendilerini genlerin yakınlarına sokarak, hızla yeni düzenleyici dizilimlere neden olma potansiyelide dahil olmak üzere gen regülasyonu üzerinde bir çok farklı etkiye sebep olurlar. Ek olarak tekrarlayan tabiatları nedeniye transposable elementler dizi aracılı kromozomal yeniden düzenlemeyi desteklemektedir.

47 Ardışık tekrarlı diziler, değişken sayıdaki tekrarlar halinde tanzim edilirler Insan genomunun yaklaşık olarak % 10 unu oluşturmaktadırlar ve uzunlukları esas alınarak üç alt sınıfa ayrılırlar.. Atellitler tekrar uzunlukları birden birkaç bine kadar olan çok tekrarlı DNA lardır. Kladırma kuvveti yoğunlukları farklı olduğundan yoğunluk santifügrasyonu esnasında DNA kümesinden ayrılırlar. Bu diziler tipik olarak kromozomların heterokromatik bölgeleri olan sentromerlerin ve telomerlerin yakınlarında büyük kümeler halinde organize olmuşlardır. Ayrıca Y kromozomu üzerindede bol miktarda bulunurlar. Tekrarın uzunluğuna bağlı olarak bu daha kısa ardışık tekrarlı diziler ise ya minisatellit yada kısa ardışık tekrarlar (STR) olarak sınıflandırılırlar.

48 Aynı zamanda değişken sayılı ardışık tekrar (VNTR) lokuslarıda olarak bilinen minisatellitler, uzunluk olarak 15 den 50 bp ne kadardğişen dizilim motiflerine sahiptirler. Ardışık tekrarların toplam uzunluğu ise 50 bp ile 20 kb arasındadır. Mikrosatellit olarak da adlandırılan kısa ardışık tekrarlar ise çok daha kısadırlar. Her bir tekrar birimi 2bp den 6bp ye kadardır ve bu tekrarların oluşturduğu toplam uzunluk bp arasındadır. En yaygın STR dizilimleri dinükleotid tekrarlarıdır.

49 4.5 ökaryotik genomlarda lateral (yatay) gen transferi Transposable elementler yer değiştirme kabiliyeti açısından yalnız değillerdir. Yatay gen transferinin özel bir durumu endosimbiyontlar ve konakları arasında gerçekleşebilir. Organel genomları endosimbiyont bir kökeni yansıtır Ökaryotik hücrelerin organel genomları bunların daha önceleri bağımsız serbest yaşayan hücreler olduklarına işaret etmektedir. Bunlar ökaryotlarla endosimbiyotik ortaklığa girmiş organizmaların prokaryotik genom kalıntılarıdır. Mitokondriler ve kloroplastlar sırasıyla α proteobakteriler benzeri ve siyanobakteri benzeri prokaryotik bakteriyel endosimbiyontlardan tekamül etmişlerdir.

50 Hem mitokondriler hemde kloroplastlar kendi genetik bilgilerini içerirler. Bu organellerin genomları herzaman olmasada genelde halkasaldır. halkasal formdaki mitokondri ve kloroplast genomları dikkate değer şekilde bakteriyel genomlara benzemektedirler. bu benzerlik 30 yıldan fazla bir süre dir biyolojinin ana konularından biri haline gelmiş olan endosimbiyont hipotezini nin gelişimine yol açmıştır. Organel genomları çekirdek genomundan bağımsız olarak kalıtılırlar ve bu kalıtılma uniparental bir modda olup özelliklerin geçişi sadece anneden yeni döle doğru olmaktadır. Organeller sadece maternal gametten aktarılır. paternal gameten değil.

51 Kloroplast DNA sı (cpdna) yüksek yapili bitkilerde bazı protozoonlarda ve alglerde bulunmaktadırlar. cpdna fotosentezde görev alan enzimleri kodlar Organel başına kopyası olan, kb büyüklüğünde olabilen, halkasal, çift zincirli DNA molekülü olduğudur. Son çalışmalar gerçekte çoğu cpdna nın lineer olduğunu ve çok az bir kısmının halkasal formda olduğunu ortaya koymaktadır. cpdna nın şekli ne olursa olsun cpdna da ökaryotik DNA ların karasteristik özelliği olan asosiye proteinler bulunmaz. Aynı organizmanın çekirdek DNA sı ile kıyaslandığında farklı bir bouyant yoğunluğuna ve baz kompozisyonuna sahiptir. Bu farklılıklar genomun endosimbiyont kökenini yansıtmaktadır.

52 Mitokondriyal DNA (mtdna) bitkiler, hayvanlar, funguslar ve protistlerde bulunmaktadirlar. Tüm ökaryotların ya mitokondriye sahip oldukları yada en azından geçmişte sahip olmuş olduklarını göstermektedir. Muhtemeldir ki tüm yaşayan ökaryotların ortak atası bir endosimbiyont taşıyordu. Örnek uzun süre mitokondrisi olmayan ökaryotlara örnek olarak gösterilen parazitik bir protozoon olan Giardia lamblia nın şimdilerde mitozom olarak adlandırılan mitokondri kalıntılarına sahip olduğu bilinmektedirler.

53 Mitozomlar ATP üretiminde yer almamalarına karşın, mitokondriler gibi demir-kükürt kompleksleri inşa ederler. Bazı funguslar ve protozoonlar ise, ATP üretmek için hidrogenozom olarak adlandırılan zarla-çevrili bir organel kullanırlar. Araştırmacılar günümüzde hidrogenozom ve mitokondrilerin aynı endosimbiyonttan kökenlendiğini düşünmektedirler. mtdna, ATP için gerekli olan enzimleri kodlar. mtdna genellikle halkasal ve çift zincirli bir DNA molekülü olup histonlarla paketlenmemiştir. Maya ve diğer düşük yapılı ökaryotlarda olduğu gibi mtdna nın lineer olduğu birkaç istisnada vardır. Boyutu organizmalar arasında büyük farklılık vardır hayvanlarda bp bitkilerde 100kb-2,5Mb kadar değişmektedir. mtdna sayısı organel başına birden çok olup Euglena protozoonundaki gibi 30 kopyaya kadar çıkabilmektedir.

54 Interkompartmental (kompartmanlar arası) DNA transferi Endosimbiyotik gen transferi olarakda bilinmektedir. Modern mitokondriyal ve kloroplast genomları bu organellerin fonksiyonel olabilmeleri için ihtiyaç duydukları binlerce proteinden en fazla yüzünü veya buna yakın sayıdakini kodlamaktadırlar. Bu organel genomları kodladıkları protein sayıları, mitokondrilerde 3 den 67 ye kadar değişirken, kloroplastlarda ise 15ten 209 a kadar değişmektedir. Bu organellerin proteinlerini çoğunluğu konağın çekirdek genomu tarafından kodlanır. bu proteinler daha sonra özel protein taşıyıcı aygıtlar ile organellere taşınırlar. orjinal olarak endosimbiyonttan konağın çekirdeğine bir genin transferinin her zaman transfer edilen genin ürünün endosimbiyonta dönüşü ile ilişkili olduğu düşünülmüştür.

55 Transfer olan bir çok genin hücrenin başka yerlerdeki fonksiyonlarla gerekli proteinleri kodlamak üzere daha da fazla tekamül ettiği şimdi çok açıktır.

56 Prokaryotik ve viral genom organizasyonu Bakteriyel genom organizasyonu: E. coli genomu boyutu olarak kb dır ve serbest 5 veya 3 ucu olmayan çift zincirli halkasal bir DNA molekülüdür. Kromozomal DNA nükleoid adı verilen yoğunlaşmış ovalimsi bir yapı şeklinde organize olmuştur. PLAZMİD DNA: bakterilerde, bazı mantarlada ve bazı yüksek bitkilerde bulunan küçük, çift zincirli halkasal ve lineer DNA molekülleridir. Kendini eşleme Antibiyotiğe direnç geni Rekombinant DNA teknolojisi

57 Arkeal genom organizasyonu Vial genom organizasyonu Prokaryotik virüsler Memeli DNA virüsleri

58 Transponovatelné elementy TEs = úseky DNA, které se mohou přemisťovat (přeskakovat) z jedné pozice hostitelského genomu do jiné (transpozice) Dle způsobu transpozice: Class I = Retrotranspozony Class II = DNA transpozony