Prof. Dr. Turgut Ulutin

Transkript

1 TIBBİ BİYOLOJİ YE GİRİŞİŞ Prof. Dr. Turgut Ulutin

2 HÜCRE BİLİMİB Hücre, yaşam için gerekli tüm biyolojik olayların yapıldığı canlının en küçük birimidir. Buna en iyi örnek, tek bir hücre olarak yaşamını sürdüren tek hücreli organizmalardır. En ilkel yapılı hücre, prokaryotik hücredir örneğin, bakteri ve mavi-yeşil alglerde olduğu gibi. Prokaryot hücrelerde nukleus zarı bulunmaz, o nedenle kalıtsal materyal DNA, hücre sitoplazmasında serbest olarak bulunur. Gelişmiş hücrelerde görülen bazı organeller bunlarda yoktur.

3 İleri yapı gösteren hücreler ise ökaryotik hücreler olup bunlarda DNA materyali nukleus zarı ile çevrelenmiştir. Çok değişik organelleri mevcuttur. Prokaryotlar dışında kalan tüm canlılara ait hücreler ökaryot hücre tipindedir.

4 Hücrenin varlığı ilk kez 1665 yılında Robert Hooke tarafından anlaşılmıştır. R. Hooke, kendi yaptığı mikroskopta şişe mantarı hücrelerini çevre ve boşluk halinde görmüş, bu boşluklara hücre (cellula) adını vermiştir. Daha sonra canlı bitki dokularından da kesitler alıp incelemiş, çeperin iç kısmının sıvı ile dolu olduğunu görmüş, ancak bu sıvının canlı olduğunu ve önemini anlayamamıştır. Robert Hooke un ortaya attığı hücre teorisi basit de olsa çok önemlidir. Bundan sonra gelen bilim adamlarının katkısıyla bu konuda daha ayrıntılı bilgiler ortaya çıkmıştır.

5 1831 de Robert Brown (İngiliz botanikçi) nukleus u keşfetmiş, 1839 da Purkinje (Alman fizyolog) çeperin iç kısmını dolduran maddeye protoplazma adını vermiştir de Schleiden (botanikçi) ve 1839 da Schwann (zoolog) zamanlarına kadar olan bilgileri değerlendirerek hücre teorisini kurmuşlardır de Remak, 1880 de Fleming hücre bölünmesini (amitoz ve mitoz) incelemişlerdir. Çalışmalar ilerledikçe, protoplazmanın homojen olmadığı anlaşılarak 1862 de Kölliker (Alman biyolog) sitoplazma ve nukleus terimleriyle protoplazmayı daha da ayırmış ve nukleusun etrafını çeviren protoplazma kısmına sitoplazma adını vermiştir.

6 Mikroskobun daha da geliştirilmesiyle bazı hücre organelleri keşfedilmiş, 1887 de Boveri, sentrozomu; 1897 de Benda, mitondriyi; 1898 de Golgi, Golgi kompleksini; 1899 da Garnier, Endoplazmik Retikulumu (E.R.); 1905 de Farmer ve Moore, mayoz bölünmeyi açıkladılar. Bu arada 1944 de Avery ve Mc Carty, bunları takiben Griffts, Streptococcus pneumonia ile çalışarak genetik etkileşimin DNA tarafından yapıldığını açıkladılar de Watson ve Crick DNA nın çift sarmal yapısını açıklayarak Moleküler Biyolojinin temelini kurdular.

7 Kromozom, DNA ve Gen Hücre Nukleus Kromozomlar Gen Protein

8 DNA çift sarmalı Şeker Fosfat omurga Bazlar Baz çifti Adenin (A) Timin (T) Sitozin (C) Guanin (G)

9 17. yüzyılda Leeuwenhoek tarafından yapılan ilk basit mikroskoptan, değişik ve gittikçe gelişen ışık mikroskopları yapılmış ve nihayet 1942 lerden itibaren elektron mikroskobu keşfedilmiş ve geliştirilmiştir yıllarında itibaren elektron mikroskobunun yardımıyla hücre organellerinin ultrastrüktürleri üzerindeki yoğun araştırmalar sonucu hücre bilimi çok daha ileri bir seviyeye ulaşmıştır ve bu konuda çalışmalar devam etmektedir. Görüldüğü gibi hücre hakkındaki yeni bilgilerin elde edilmesi mikroskobun gelişimine paralel bir yol izlemiştir.

10 Bütün yaşayan canlılarda genetik direktifler DNA moleküllerinde depolanmıştır. Aynı kimyasal kodla yazılmış olan bu direktifler kimyasal yapı taşlarından oluşur ve organizmanın mevcut bilgilerini sonraki nesillere aktarmada ve üremede işlev görürler. Böylece her hücre uzun DNA polimer zincirlerindeki 4 set monomerden (nukleotidlerden) yapılmıştır.

11 Her hücrede DNA tarafından verilen direktifler transkribe edilerek RNA ya dönüştürürler. Daha sonra RNA moleküllerince taşınan mesajlar bir diğer kimyasal form olan proteinlere translate edilir.

12 Biyolojik organisazyonun seviyeleri : Atomlar Moleküller Subcellular organeller Hücreler Dokular* Organlar* Organ sistemleri* Organizma: Tek bir hücre yada kompleks multiselüler organizma. * Organisazyon seviyesi tüm organizmalarda bulunmaz.

13 Hücre: yaşamın temel ünitesi Yaşamın tüm etkinliklerini gerçekleştirebilen en temel yapı seviyesi Tüm organizmalar hücrelerden oluşmuştur. Virüsler: canlı organizma olarak nitelendirilmezler. Tek hücreli yada çok hücreli

14 Hücrenin büyüklb klüğü İnsan ovum 200 mikron Balık yumurtası 5 mm Tavuk yumurtası 30 mm Beyin hücrelerinin en küçüğü 4-5 mikron

15 Hücre sayısı,, rengi, kıvamk vamı İnsanda Kan hücreleri hariç MSS, retina, lens kristali hücre sayısı sabittir ve sonradan çoğalmaz Hücreler çoğunlukla renksizdir, pigmentli hücreler hariç Hücrelerin kıvamları hücre çeşidine göre değişir Beyin hücreleri- derinin stratum corneum hücreleri

16 PROKARYOTİK K ve ÖKARYOTİK HÜCRELER KARAKTERİSTİK PROKARYOTİK ÖKARYOTİK Nukleus Yok Var Tipik bir hücrenin çapı 1 µm µm Hücre iskeleti Yok Var Sitoplazmik organeller DNA içeriği (baz çiftleri) Kromozomlar Yok Var 1x10 6 5x10 6 1,5x10 7 5x10 9 Tek sirküler DNA molekülü Çoklu lineer DNA molekülleri

17 1859 Charles Darwin Türlerin Kökeni

18 1865 Gregor Mendel Bezelyelerin kalıtımı

19 1869 Friedrich Miescher DNA yı ilk defa izole etti

20 1879 Walter Filemming Mitozu gözlemledi ve tanımladı

21 1902 Sutton Kalıtımın Kromozom teorisi

22 İlk defa Gen kelimesi kullanıldı 1909

23 Meyve sineği çalışmaları 1911

24 1941 Bir gen Bir enzim

25 DNA nın X-ray difraksiyonu 1943

26 1944 Avery & Mc Leod Genetik bilginin temeli olarak DNA

27 Barbara Mc Clintoc transpozonlar

28 1952 Hershey-Chase Deneyi Genler DNA lardan oluşur

29 Watson Crick 1953

30 Klinisyenler İçin Moleküler ler Genetik Kursu Temel Moleküler ler Genetik Kavramlar İnsan Genetiği Tıbbi Genetik Sitogenetik Moleküler Genetik Popülasyon Genetiği Klinik Genetik

31 Kromozom sayısı

32 1956 Arthur Cornberg ve arkadaşları DNA Polimeraz enzimini izole ettiler

33 1958 semikonservatif DNA

34 1959 Kromozom anomalileri tanımlandı (Down S)

35 m-rna bilgi taşıyor 1961

36 İlk kalıtsal metabolik hastalık (PKU)

37 Genetik kod 1966

38 1968 İlk restriksiyon enzimi (Hind III)

39 İlk Rekombinant DNA 1972

40 İlk hayvan geni klonlandı 1973

41 Southern Blot 1- Total DNA 2- RE ile kesim 3- Farklı büyüklükte DNA fragmanları 4- Jel elektroforezinde büyüklüğüne göre ayrım 5- Membrana transfer, denaturasyon 6- İşaretli DNA probu ile inkübasyon, tanımlama

42 DNA dizilemesi

43 Bu yöntemde öncelikle dizisi belirlenecek DNA parçası plazmid DNA ya klonlanır. DNA sentezi bir primer ile başlatılır. Sentez şeker alt biriminde C3 pozisyonunda her zaman bulunan OH grubu yerine H atomu içeren bir nukleotidin (dideoksi nukleotid) eklenmesi ile durdurulur. Böylece hepsi dideoksi nukleotid ile sonlanan yeni oluşmuş bir seri DNA fragmanı ortaya çıkar. Dört ayrı baz için yapılan işlemlerde bazlardan biri radyoaktif olarak işaretlenmiştir. Oluşan fragmanlar PAGE ile büyüklüklerine göre ayrılır ve otoradyografi ile görüntülenirler. Sanger

44 Bu yöntem, DNA nın baza spesifik kesimine dayanmaktadır. Dizi analizi yapılacak olan DNA parçası, reaksiyon karışımlarında dört bazın her biri için kimyasal işlemlerle parçalara bölünerek analiz edilir. Bu işlemde dizi analizi yapılacak olan DNA parçası radyoaktif olarak işaretlenir. Sonra denaturasyon yoluyla başlama materyali olan tek iplikli DNA materyali oluşturulur. DNA nın kesimi baza spesifik kimyasal değişim ile sağlanır. DNA nın dizisi jel elektroforezini takiben okunur. Maxam-Gilbert

45 1976 İlk gen mühendisliği şirketi olan GENENTECH kuruldu

46 İntronların keşfi 1977

47 İlk transgenik transgenik hayvan

48 Gen bankas Gen bankası datası oluşturuldu 1982

49 1983 İlk genetik hastalık haritalandı Huntington Hastalığı (krz. 4p16.3)

50 Amplifikasyon yoluyla bir DNA segmentinin birçok kopyası oluşturulabilir. Önce amplifiye edilecek DNA segmenti denature edilir. Oluşan tek iplik yeni sentezlenecek DNA için kalıp işlevi görür. Sentezde primer olarak sentetik oligonukleotidler kullanılır. Her duplikasyon döngüsü kesin zamanlamalı ve farklı sıcaklıklar gerektiren üç ardışık reaksiyondan oluşur. İlk olarak, amplifiye edilecek DNA parçası tek ipliklere ayrılır. Sonra soğutularak oligonukleotidler ile hibridize edilir (primer bağlanması). Daha sonra yeni DNA nın oluşabilmesi için DNA Polimeraz ve 4-deoksiribonukleotid trifosfat ile inkübe edilir. Her devirde DNA iki katına çıkar. 1983

51 Pozisyonel klonlama 1986

52 RFLP Bir DNA segmentinin yaklaşık her 100 baz çiftindeki nukleotid dizisi bireylerde değişiklik gösterir (DNA polimorfizmi). Sonuç olarak; her kromozom üzerinde bulunan bir restriksiyon enzimi tanıma dizisi diğerinde bulunmayabilir. Bu durumda, restriksiyon fragman büyüklükleri bu bölge için farklıdır (Restriksiyon Fragment Uzunluk Polimorfizmi RFLP). Analiz sonucunda aranan fragmanın görülmesi mutasyonun varlığını gösterecektir.

53 1987 YAC:(maya yapay kromozomu): Çoğalan maya hücrelerinde replikasyonu sağlamak amacıyla yabancı bir DNA katılmış maya kromozomudur. YAC lar 1000kb a kadar büyük DNA fargmanlarını inkorpore edebilirler. YAC lar kompleks genomların analizinde klonlama ve haritalama amacıyla kullanılırlar.

54 1989 Mikrosatellitler Yeni genetik markerler

55 1989 STS (Sekans( etiketli bölgeb lge): Dizisi bilinen, kısa (~500bp) bir DNA bölgesidir. PCR ile çoğaltılabilir ve harita için başlangıç nesnesi olarak kullanılabilir. Çakışan fragmanlar üzerindeki konumları ve dizileri tanınır. Böylece, ilişkilendirilmiş DNA dizilerinden bir segment oluşturulur.

56 1990 İnsan Genom Projesi başladı

57 Bakteriyel Artifisiyel Kromozom (BAC) lar kullanılmaya başlandı

58 Nesil İnsan Genom Haritası olarak adlandırılan düşük rezolusyonlu mikrosatellit gen haritaları yapıldı

59 EST ler, fragmanlar ve genler 1991

60 1994 İlk genetik modifikasyona uğrayan gıda olan FLAVR SAVR domatesin satışına izin verildi Mikrop Genom Projesi

61 1995 Fiziksel harita, bir gen lokusunun konumunu ve aynı kromozom üzerindeki diğer genlerle olan uzaklığını, kromozom üzerindeki belirli konumlara göre baz çifti olarak gerçek değerlerle verir. Genetik harita, gen lokusunun göreli konumunu, rekombinasyon birimi yada santimorgan (cm) olarak ifade edilen rekombinasyon frekansına göre belirtir. Bir cm, %1 rekombinasyon frekansına denktir.

62 1995 Fiziksel harita, bir gen lokusunun konumunu ve aynı kromozom üzerindeki diğer genlerle olan uzaklığını, kromozom üzerindeki belirli konumlara göre baz çifti olarak gerçek değerlerle verir. Genetik harita, gen lokusunun göreli konumunu, rekombinasyon birimi yada santimorgan (cm) olarak ifade edilen rekombinasyon frekansına göre belirtir. Bir cm, %1 rekombinasyon frekansına denktir.

63 1996 Fare genetik haritası tamamlandı Maya genomu dizilendi Arkea genomu dizilendi

64 geni ifade eden EST insan gen haritası oluşturuldu İnsan DNA sının dizilenmesine başlandı

65 E. Coli genomu dizilendi 1997

66 1998 CELERA GENOMİCS şirketi dizileme planını açıkladı Genetik Testler ile ilgili olarak SACGT komitesi kuruldu

67 1998 İnsan genomunda gen bulunduğu açıklandı HGP nin 2003 yılında tamamlanacağı açıklandı SNP insiyatifi başladı

68 Full-scale dizilemeye başlandı 22. Kromozomun dizilenmesi tamamlandı

69 Meyve sineği genomu dizilendi 2000

70 21. Kromozomun dizilenmesi tamamlandı

71 20. kromozom Diabet, Obezite ve katarakt ile ilişkili bulundu. 2001

72 3. kromozom dizilendi. 2002

73 Mayıs s 2002: Amerika Enerji Departmanı 5 yıl için Postgenomik araştırmalara 103 milyar $ ayrıldığını duyurdu.

74 DNA nın keşfinin 50. yılı kutlandı. 2003

75 Ocak 2003: 14. kromozom dizilendi. Bu kromozomdaki 14 gen immun yanıtla ilişkili olarak; 60 gen ise Alzheimer, Lösemi ve ovaryum kanseriyle ilişkili olarak bulundu.

76 Nisan 2003: Environmental Genome Project in ilk fazı tamamlandı

77 Mart 2004: 13. ve 19. kromozom dizilendi.

78 İlk veriler İnsan genomu 3,164,700,000 nukleotidden oluşmaktadır. Bir gen ortalama 3,000 nukleotidden oluşur. Ancak bu sayı çok değişkendir. En büyük gen olarak bilinen distrofin geni, 2,4 milyon baz içerir. Toplam gen sayısı 29,000-36,000 arasındadır. Nükleotid dizilerinin %99 u bütün insanlarda aynıdır.

79 İlk lk veriler Bu güne kadar insanda 1,5 milyon kadar tek nukleotid değişikliği bölgesi saptanmıştır. Tanımlanmış genlerin %50 den fazlasının işlevleri henüz bilinmemektedir. Genomun yaklaşık %2 si proteinleri kodlamaktadır. Proteinleri kodlamayan dizi tekrarları, genomun büyük bölümünü oluşturur.

80 İlk lk veriler En fazla geni 1. Kromozom (2,968) ve en az geni Y kromozomu (231) içermektedir. Aynı gen alternatif mrna kesilmeleri ve kimyasal değişikliklere bağlı olarak değişik proteinleri kodlayabilir. İnsan, bitki, sinek ve kurtçuklarla ortak protein ailelerine sahiptir; ancak, gen aileleri (özellikle gelişme ve bağışıklıktan sorumlu olanları) insanda daha geniştir.

81 İnsan Genomu Projesi nin Beklenen Getirileri Moleküler ler TıpT -Tanı yöntemlerinin geliştirilmesi - Hastalıklara genetik yatkınlığın belirlenmesi -Genetik yapıya özgü ilaçlar geliştirilmesi - Gen tedavisi yöntemlerinin geliştirilmesi Bakteri Genetiği - Hastalık yapıcı bakterilerin (patojenlerin) kolay ve hızlı saptanması

82 İnsan Genomu Projesi nin Beklenen Getirileri Çevre evre ve Enerji - Yeni enerji kaynaklarının geliştirilmesi - Çevre kirleticilerin saptanması ve kontrolü - Biyolojik ve kimyasal ajanlara karşı korunma yöntemlerinin geliştirilmesi - Zehirli atıkların güvenli şekilde etkisiz hale getirilmesi Risk Değerlendirmesi erlendirmesi - Radyasyon ve toksik ajanların kanserojen ve diğer zararlı etkilerinin, mekanizmalarıyla birlikte aydınlatılması

83 İnsan Genomu Projesi nin Beklenen Getirileri Biyoarkeoloji,, Antropoloji, Evrim ve Tarih - Evrimin moleküler düzeyde gösterilmesi -Değişik toplumların göç yollarının ve akrabalıklarının araştırılması - Y kromozom mutasyonlarının incelenmesiyle erkek dağılımının ve göçlerin araştırılması

84 İnsan Genomu Projesi nin Beklenen Getirileri DNA Tanımlama -Adli tıpta suçluların belirlenmesi -Kan bağlarının saptanması - Çevre kirletici bakteri ve benzeri organizmaların saptanması - Organ nakillerinde doku uyumunun kesin şekilde saptanması -Soy ağaçlarının geliştirilmesi

85 İnsan Genomu Projesi nin Beklenen Getirileri Tarım, Hayvancılık k ve Biyoişlem -Kuraklığa, zararlılara, hastalıklara dirençli bitkilerin geliştirilmesi - Daha sağlıklı ve kaliteli çiftlik hayvanlarının geliştirilmesi - Besin değeri yüksek ürünlerin geliştirilmesi - Biyopestisitlerin üretilmesi - Yenebilir aşılar üretilmesi (meyve ve sebze içinde) - Çevre temizlemede kullanılacak ağır metal toplayıcı bitkiler geliştirilmesi

86 Kuşkular Genetik alanındaki ndaki gelişmeler ve insan Genomu Projesi, yanıtlanmas tlanması gereken soruları da beraberinde getirmekte. Sosyal, yasal ve etik açıdan a toplumun kaygılar larını dile getiren sorular kısaca k şöyle sıralanabilir: s

87 Kuşkular Genetik Bilginin Özelliği i ve Gizliliği - Genetik bilgiye kim sahip olacak ve kontrol edecek? - Genetik bilgilerin gizliliği tıbbi gizlilikten farklı mı? Genetik bilginin kullanılmas lması - Bireye ait genetik bilgilere kim ulaşabilecek ve bu bilgileri nasıl kullanacak? Üremeyle ilgili Konular -Sağlık personeli, aileleri risk ve sınırlamalar konusunda bilgilendiriyor mu? - Yeni yardımcı üreme tekniklerinin getirdiği yeni sosyal sorunlar neler?

88 Kuşkular Klinik Konular -Sağlık profesyonelleri, yeni genetik açılımlar konusunda nasıl bir eğitime tabi olacak? - Toplum nasıl bilgilendirilecek? - Genetik testlerin kesinliği, güvenilirliği ve yararı nasıl değerlendirilecek? (Bu konularda ilk ulaşabilecek? - Toplumlar ve bireyler arasında yeni bir eşitsizlik kaynağı mı olacak?

89 Kuşkular Karmaşı şık k hastalıklar kların n (kalp, diyabet, Alzheimer vb) ilgili genetik testleriyle ilgili belirsizlikler - Tedavisi henüz olmayan hastalıkların erken tanı sı yapıldığında ne olacak? - Çocuklar ileri yaşlarda ortaya çıkabilecek hastalıklar için kontrol edilebilecekler mi? - Genler davranışları düzenliyorsa, kontrol olanağı var mı?

90 Kuşkular Kavramsal ve Felsefi Yaklaşı şımlar -Tıbbi tedavi ve süperleştirme arasındaki çizgi nasıl belirlenebilir? Sağlık k ve Çevre AçılımlarA mları - Genetik değişikliğe uğratılmış gıdalar ve diğer ürünler insanlar için tümüyle güvenli mi? - Bu teknolojiler gelişmekte olan ülkelerin ekonomilerini ve dışa bağımlılığını nasıl etkilenecek? Patent Hakları ve Ticarileştirme - DNA dizilerinin patentlenmesi sağlık hizmetlerini, ürün geliştirmeyi ve bilgileri ulaşmayı engelleyecek mi?