Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

Transkript

1 * Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

2 *Domain Çoğalması ve Gen Uzaması *Ökaryotlarda modern genler üzerine yapılan bir araştırma gösteriyor ki, içsel duplikasyonlar evrim boyunca sık sık meydana gelmiştir. *Gen boyutu; bu artışta ya da gen uzamasında, basit olan genlerden, kompleks olan genlere evrimde en önemli adımlardan biridir. *Teorik olarak, genler, uzama ile aynı zamanda oluşan başka olayları da içerir. *Örneğin bir mutasyonla oluşan bir değişim, belki bir kodonu durdurma kodonu haline dönüştürebillir ve oluşan ürünü etkiler. *Veya kodonun aşırı uzaması yada kısalmasına sebebiyet verebilir (Bölüm 1).

3 *Benzer şekilde, DNA ya da ekzon içine yabancı bir DNA bölümü eklenebilir ya da bir parça kopabilir. *Bu tür moleküler düzeyde ki değişiklikler, büyük olasılıkla DNA ve/veya ekzonun işlevini bozacaktır. *Bu bölgelerden elde edilen ürün hemen hemen rastgele oluşacaktır. *Çünkü DNA dizisini değiştirecek, ekzonu, dolayısıyla geni ve oluşacak amino asit dizisini değiştirecektir. *Gerçekten de, vakaların büyük çoğunluğun da, bu tür moleküler değişikliklerin patolojik belirtileri olduğu tespit edilmiştir. *Örneğin, α hemoglobin anormalliklerin de Constant Spring ve Icaria adı verilen mutasyonlar gözlenir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

4 *Bu mutasyonlarda glutamin ve lisin stop kodona dönüşür. *Bu nedenle α zincirlerinin yaklaşık 30 birimli olmasına yol açar ve bozar (Weatherall ve Clegg 1979). *Bir yapısal zıtlığın oluşması çokta sorun değildir, bununla beraber eğer bu oluşan yapının aktif bölümü çoğaltılırsa sorun daha önemli olur. *Böyle bir durum örneğin üretilen proteinin işlevini değiştirebilir, geliştirebilir ve böylece aktif alanlarının sayısında artışa (kantitatif bir değişim) yol açabilir. *Bunun sonucunda daha hızlı ve verimli bir şekilde ya da karşılıklı, sinerjitik fonksiyonları gerçekleştirmek için yeni özelliklere sahip olabilir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

5 *Böylece gene yeni bir işlev (niteliksel bir değişim) kazandırabilir. * Böyle bir örnek olan gliseraldehid-3- fosfat dehidrojenaz dinükleotit (GAPDH) ve alkol dehidrojenaz (ADH) bağlayıcı bölgelerinde rastlanmıştır. *Birçok canlı türünde, bu bağlama bölgeleri, iki domainden oluşmaktadır (Şekil 6.4). *Bu alanların her biri, üç homolog β katlanmış alt birimden oluşur. *Bunlar N -terminal bölgede βa, βb ve βc, C -terminal bölgede βd, βe ve βf olarak bilinir. *Bu alt birimler beş ekzon ile tanımlanır.

6 *Üç tane ekzon N-terminali için ve iki ekzon ise C -terminal alanı için görev alır. *Her bir bağlayıcı koenzim sadece bir mononükleotidi etkiler ve bağlayabilir. *Bu iki ayrı mono nükleotit bağlayabildiği anlamına gelmez sadece bir tane dinükleotit bağlayabildiği anlamına gelir. *Bu nedenle farklı bir moleküleri tanır ama kendini çoğaltamaz. *Yani kendini çoğaltabilen aktif bir bölge, kendini çoğaltamaz hale gelir.

7 Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

8 *İkinci olasılık yeni bir fonksiyonun ortaya çıkmasıdır. *Böylece üretilen, kendini çoğaltabilen kopyalar, kısmi gen çoğalmasına neden olur. *Burada oluşan ve çoğaltılan ata genden farklılaşmış, sapmış gen dizileri olduğu için, sonuçta her biri farklı bir işlevi yerine getirebilir. *Örneğin immünoglobulin genleri buna örnek verilebilir. *Değişken ve sabit bölgeler muhtemelen ortak bir ilkel etki ile elde edilmiştir. *Zamanla bu farklı özellikleri kazanmıştır (Leder 1982). *Bu nedenle, ortak moleküler ataya rağmen, immünoglobülinlerin değişken bölgeleri, antijenleri bağlayan, sırasında daimi olmayan antijenik fonksiyonlara aracılık eden bölgelere sahip olmasını sağlamıştır. *Birçok karmaşık genler bu şekilde ortaya çıkmış olabilir.

9 *İçsel çoğaltılması için herhangi bir aktif site içermeyen yapıya sahip olması onun için yararlı bile olabilir. *Örneğin, yapısal bir etki alanı içeren bir protein çoğaltma aşamasında farklı bir proteinin uzaması, kararlılığı, korunması ya da aktif parçalarının aktivitesine etkiyerek dolaylı olarak önemli rol oynayabilir. *Örneğin, PEST - polipeptidleri adını alan proteinlerin işlevleri böyledir. *Bunlar prolin (P), glutamik asit (E), serin (S) ve treonin (T) açısından zengin olan ökaryotik hücreler içinde bu amino asitlerin hızlı bir şekilde degredasyonu ile görevli bir protein yapısıdır (Rogers ve ark. 1986).

10 *Bazı özel durumlarda nükleer faktörler varlığında PEST etkisi artar. *Bu şekilde PEST açıkça çok daha hızlı ve çabuk bir şekilde ayrıştırılmaları gerçekleştirir. *Böyle bir düzenleme ve fonksiyonu olduğu Chevaillier 1993 tarafından ileri sürülmüştür. *Ayrıca bu süreç boyunca normal fonksiyonunu gerçekleştirebilir ve yinelenen durumlarda görevini karıştırmaz ve etkilenmez. *Genom içinde belirsiz bir süre muhafaza edilebilir ve zamanı geldiğinde yeni işlevler oluşturmak için hammadde olarak hizmet verebilir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

11 *Gen Ailelerinin Oluşumu ve Yeni Fonksiyonlar Kazanması *Tam bir geni çoğaltılması demek birbirine tamamen eş iki kopyanın üretilmesi demektir. *Bunun nasıl olacağı duruma göre değişir. Prensip olarak üç olasılık vardır. *Organizma özgün işlevini koruyarak aynı protein veya RNA dan çok sayıda üretebilir. *Diğer olasılık, bu genin üretimi aşamasında zararlı bir mutasyon oluşur ve gen işlevsiz hale ve/veya psödogen haline dönüşebilir. *Üçüncü olasılıkta ise gen çoğaltılması aşamasında yeni bir organizasyon oluşur ve böylece yeni bir gen ortaya çıkabilir.

12 *Bu durum ortaya çıktığında iki genden biri hala orjinal işlevini ve halini koruyorsa zamanla özgün bir görevine ek bir işlev kazanabilir veya tamamen farklı bir görev yerine getirebilir. *Tekrarlanan genler iki tipe ayrılabilir. *Bunlar değişen (variant) ve değişmeyen (invariant) genlerdir. *Değişmeyen genlerin dizileri veya tekrarlayan dizileri neredeyse birbirinin aynısıdır. *Birçok durumda, aynı tekrar dizilerini taşırlar. *Çünkü bu genlerin sentezlediği ürününün sentezi ve artan miktarı arasındaki korelasyon, bu organizmanın normal fonksiyonunu yerine getirebilmesi için gereklidir.

13 *Bu tekrarlara doz tekrarları adı verilir. *Doz tekrarlarına, metabolik olarak ihtiyaç duyulan belirli RNA ların ya da proteinlerin büyük miktarlarda üretimi aşamasında oldukça sık rastlanır (Ohno, 1970). *Örneğin, Mayaların yer alan asit monofosfataz lokusunun kendini çoğaltması, enzimin iki katı miktarda üretilmesini sağlar. *Fosfatın sınırlayıcı olduğun durumlarda, bu sayede fosfat daha verimli bir şekilde kullanılabilir ( Hensche 1975). *Gen duplikasyonunu en iyi temsil eden örnek temsili örnekleri hücresel döngü için gerekli olan rrna ve trna ların, bunlarla bağlantılı histon proteinlerinin üretilmesidir. *Hücre döngüsü ve kromozom oluşumunda görev aldıkları için özellikle hücre bölünmesinin S fazında büyük miktarda üretilirler (Elgin ve Weintraub 1975).

14 *Bununla birlikte, ökaryotlarda genetik içeriği bilinen, bununla beraber görevi ve fonksiyonu olmayan (bilinmeyen) değişmeyen tekrarlar bilinmektedir. *Değişen tekrarlar ise genellikle bir gende bir kopya olarak bulunur. *Birbirine benzer diziler içermelerine karşın, bu sekanslar arasında az ya çok farklılıklar içerirler. *İlginç bir şekilde, değişen tekrarlar yardımıyla, bazen belirgin farklı işlevleri gerçekleştirebilirsiniz. *Örneğin, Trombin proteini, kan pıhtılaşması sürecinde fibrinojen yapıların oluşmasını sağlarken, tripsin enzimi ise sindirimde görevlidir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

15 *Geçmişte bu genler arasında tam bir benzerlik olduğu gösterilmiştir. *Benzer şekilde, laktalbümin bazı alt-birimleri laktoz gibi bir şekeri parçalarken ve lizozim bakteri hücre duvarlarında yer alan polisakkarit bileşenleri parçalar. *Genlerin fonksiyonlarında görülen farklılaşmalar genellikle bulundukları bölge ile kaç adet bulunduğu ile alakalıdır. *Ancak, birçok durumda, yeni bir fonksiyon ortaya çıkması için o genin çok az sayıda tekrarının olması ve çoğaltılması yetmektedir. *Örneğin, laktat dehidrojenaz yapısında yer alan 317 amino asitten sadece birinin değişmesi ile malat dehidrogenaz haline değiştirilebilir (Wilks et al. 1988).

16 *Bir gene ait belirli tekrar dizilerini içeren tüm genlerin oluşturduğu genoma, bir gen ya da çoklu gen aileleri adı verilir. *Fonksiyonel olan veya olmayan bir gen ailesinin üyeleri, aynı kromozom üzerinde, ya da farklı bir kromozomlar üzerinde birbirine yakın yerlerde bulunabilirler. *Aynı gen ailesine ait bir gen tamamen farklı kromozomda veya lokusta tek başına yer alıyorsa buna orphon adı verilir. *Çoğaltılan genler birbirinden çok farklı fonksiyon ya da sıralara sahip olunca, bu geni artık aynı gen ailesinde tutmamak gerekir. *Başka bir aile olarak alınır veya ayrı tutulur. *Bu durumda birbiri ile ilintili genler ortaya çıkar. *Bunlar için süper aile terimi ortaya atılmıştır.

17 *Dayhoff (1978) tarafından kullanılmaya başlayan bu terim, uzaktan akraba olan yakından ilişkili proteinleri tanımlamak için kullanılır. *Buna göre, amino asit düzeyinde birbirine en az % 50 ve üstünde benzerlik gösteren proteinler bir ailenin üyeleri olarak kabul edilirken, % 50 den az benzerlik gösteren proteinler aynı süper ailenin üyeleri olarak kabul edilir. *Örneğin, α ve β globinler iki ayrı gen ailesinde sınıflandırılırlar. *Bununla beraber, miyoglobin proteini ile beraber düşünüldüğünde globin süper ailesinin üyelerini oluştururlar.

18 *Bununla birlikte, bu iki terim, daima Dayhoff kriterlerine uygun olarak kullanılamaz. *Örneğin, insan ve sazan α globin zincirleri sadece % 46 sekans benzerliği sergilerler. *Belirlenen sınırın altında kalmasına rağmen benzer görevleri ve yapıları nedeni ile sınırda da olsa aynı gen ailesi içinde yer alırlar. *Bu nedenle, aile ve süper aile sınıflandırılması proteinlerin sadece sekans benzerliği göre belirlenir diye kabul etsek de, aynı zamanda benzer işlevi yerine getirmeleri, doku özgünlükleri ve homolojileri de yardımcı veriler olarak göz önüne alınmaktadır.

19 *Gen çoğaltılması ile ilgili bir diğer önemli özellikte elbette bu kadar uzun gen yapılarının yani bir genin iki veya daha fazla kopyasının birbirlerine yakın bulunmasıdır. *Bu durum gen çoğaltılması sürecini oldukça hızlandırır ve çok sayıda kopya üretimine yardımcı bir faktördür. *Gen çoğaltılmasını irdelemede bir diğer pratik çözüm, elde edilen gen kopyalarının işlevleri ve fonksiyonlarını incelemektir. *Elde edilen kopyalarda oluşan sonraki değişiklikler, genin sonraki işlevini etkilese de ortak bir atadan gelmiş olabileceğini düşündürür. *Böyle genlerin homolog bölgeleride bulunur. *En azından işlevleri açısından homologturlar.

20 *Son yıllarda çığ gibi artan DNA sekans verileri bize canlılar arasında şaşırtıcı sayıda beklenmedik benzerlikleri bize göstermiştir. *Daha önce birbiriyle ilişkili olduğu bilinmeyen proteinler ortaya çıkarılmıştır (Tablo 6.2). *Bu duruma bir örnek vermek gerekirse, tripsin ve kemotripsini verebiliriz. *Bu iki yapı yaklaşık 1,5 milyar yıl önce birbirinden ayrılmıştır. *Farklı fonksiyonlar ve özellikler kazanmış sindirim enzimleridir. *Aralarındaki fark ise tripsin in polipeptit zincirinde arginin ve lisin birimleri yer alırken kemotripsin de fenilalanin, triptofan ve tirozin birimlerinin yer almasıdır (Barker ve Dayhoff 1980).

21 *Özetle, gen ailelerinin içindeki genlerin sayısı değişir. *Bazı genler bu genomun içinde birkaç kez tekrarlanır. *Bazılarında bu tekrar sayısı yüzlerce olabilir. *Altta yer alan tablo bunu göstermektedir.

22 *KULLANILAN KAYNAKLAR * 1 Fundamentals of Molecular Evolution (2000) Dan Graur and Wen-Hsiung Li Sinauer Associates, Inc.,Publishers. Sunderland, MA, USA. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER