GELİŞMENİN GENETİK TEMELİ

Transkript

1 GELİŞMENİN GENETİK TEMELİ Birçok çok hücreli canlıda gelişme döllenmiş yumurta ile başlar.bu hücre bölünmelerle devamlı yeni hücreler oluştururken aynı zamanda hücrelerarası farklılaşma oluşur. Hücreler arası sinyaller bu farklılaşma ve hücre göçlerinin temelini meydana getirir. Embriyolojik gelişme hücre bölünmesi, farklılaşma ve büyüme olaylarını kapsar. Büyüme ve gelişme olayları bitki ve hayvanlar arasında bazı farklılıklar içerir. Birincisi hayvanlarda gelişme sırasında hücre hareketi vardır bitkilerde ise yoktur.bitkilerde hücre bölünme ve farklılaşma yeteneğini kaybetmezken hayvan hücreleri belli bir zamana kadar bu özelliklere sahiptir. Gelişme sırasında insanda meydana gelen bozukluklar yarık damak gibi çeşitli hastalıkların ortaya çıkmasına neden olur. Model organizmalarda gelişme Bilim adamları gelişmenin basamaklarını bazı canlılar da daha detaylı olarak izlemişler ve açıklamışlardır.örneğin kurbağa embriyosunun gelişmesini incelemek diğer omurgalılara göre daha kolaydır.gelişme basamaklarını kolay izlemek kısa sürede döl vermek küçük genom model organizmaların özelliğidir.bunlar Drosophila,nematod C.elegans,fare,balık zebrafish ve bitki arabidopsis dir. Genlerin kromozom üzerindeki yerleri ve daha bir çok çalışma Drosophila üzerinde ilk olarak Morgan tarafından yapılmıştır.genomu ise 2000 yılında tamamen belirlenmiştir.nematod olan Caenorhabditis elegans ise normalde toprakta yaşar fakat laboratuarda da kolaylıkla yetiştirilebilir.onunda genomu belirlenmiştir. Ayrıca hermafrodittir.959 somatik hücreden meydana gelmiş saydam yapıda bir canlıdır. Döllenmiş yumurtadan ergin birey oluşumuna kadar giden yol haritalanmıştır. Fare omurgalılar arasında genetik ve gelişim çalışmalarında en çok kullanılan canlıdır.fare genleri değiştirilerek çeşitli transgenik türler ortaya çıkartılmıştır.fakat genomunun büyük ve karışık olması karşılaşılan büyük bir zorluktur.zebrabalığı olan Danio rerio 2-4cm boyunda küçük bir balıktır.embriyo ana canlının dışında gelişir.bu canlınına genomu belirlenmiştir.bitkilerden ise hardal bitki ailesine dahil olan Arabidopsis thaliana üzerinde çalışılmıştır.bu canlının genom içine yabancı DNA sokularak gelişim çalışmaları yapılmıştır. 100 milyon nükleotid çiftinden oluşan küçük genomu tamamen belirlenmiştir.

2 Yukarıdaki şekilde nematod C.elegansın saydam hücrelerinin hangi kök hücrelerinden geliştiği gösterilmektedir.bağırsak hücrelerinin zigotun bölünmelerinden oluşan dört hücreden birinin farklılaşmasıyla oluştuğu anlaşılmıştır. GEN İFADESİNDE FARKLILIKLAR Farklı hücre tipleri aynı genetik bilgiye sahiptir.böyle olmasına rağmen neden hücre farklılaşmasının meydana geldiğini ise anlamak zordur.fakat olası cevap, farklılaşma sırasında genlerin belli bir sıra içinde aktivasyonunda yatmaktadır. Bitkilerde çok potansiyellik(totipotent) Birçok bitkide bütün organizma vücut hücrelerinden oluşur.araştırıcılar bir havuç köklerinden elde ettikleri hücreleri normal kültür ortamına bıraktıklarında somatik hücreler bölünerek çoğalmaya başladılar.çeşitli bitki hormonlarının da bulunduğu uygun ortamlarda bu hücre kütlesi olgun bitkiye farklılaşır.bu totipotent özelliğin birçok bitkide varlığı gösterilebilir.bitkiler organizmanın bütün bir yaşam boyu bu özelliği kullanmasına izin vermelerine rağmen hayvanlarda embriyogenez sonunda bu özellik kaybolur.bu çalışma farklılaşmış ergin hücrelerin zigotta var olan genetik bilginin herhangi birini kaybetmediğini kesin olarak göstermiştir. Hayvanlarda çekirdek transferi Farklılaşmış bir hücreye ait bir çekirdekten yen bir canlı meydana gelebilir mi? Bu soruya cevap bulmak için bazı araştırıcılar çekirdeği çıkarılmış bir kurbağa yumurtasına farklılaşmış bir hücrenin çekirdeğini aşılamışlardır. Eğer aşılanan çekirdek çok erken embriyonik dönemlere ait bir hücreden alınmışsa yeni bir kurbağa embriyosu oluşurken,yumurtaya aşılanan çekirdek çok farklılaşmış bir hücreye aitse bazen bir kurbağa embriyosu oluşturamamaktadır.her iki durumda da farklılaşan hücreler genomun tam bir kopyasını taşımaktadır ve normal gelişim sırasında gelişim ilerledikçe ortaya çıkan ve totipotentliğin ifadesini önleyen sınırlamalar farklılaşan çekirdek üzerinde yer alır. Gelişmenin temel sorusu hücreler arası farklılaşmanın nasıl olduğudur.bütün hücrelerde aynı genom olduğu halde ve hücre bölünmelerinde DNA baz sırası değişmediğine göre hücre farklılaşmaları nasıl olur?bugünkü bilgilerimize göre kromatin yapı çeşitli şekillerde değişmekte hücre farklılaşmaları sırasında, genomun farklı bölümleri ifade olmaktadır. Memeli hücreleri ile çalışan araştırmacılar hücre çekirdeği veya erken embriyon hücrelerinde klonlar oluşturmayı başarmışlardır. Ergin birey hücre çekirdeğinden klonlamaya 1997 yılında gerçekleştirilen dolly bir örnek olarak verilebilir. Koyun meme hücrelerinden alınan örnekler besi ortamında kültürü yapılmış ve G 0 evresinde durdurulmuşlardır.başka bir koyundan alınan yumurta hücrelerinin çekirdekleri uzaklaştırılmış ve kültürü yapılan hücrelerle yumurta hücreleri birleştirilmiş suni şartlar ve uyarıcılar altında bölünme teşvik edilmiştir.embriyo oluştuktan sonra başka bir koynun uterusuna bu embriyo yerleştirilmiş ve büyümüştür.meydana gelen yavrunun genetik yapısı meme hücresi alınan koyunla aynıdır. Bu çalışma bize farklılaşmış hücre çekirdeklerinden

3 de yeni klonların oluşturulabileceğini göstermiştir. farklılaşmamış kök hücreleri içerir.kök hücreleri embriyodan alıp diğer hücrelere farklılaştırmak daha kolay uygulanan bir yoldur.kök hücreler laboratuar şartlarında farklılaşmaya uğratılarak istenen hücreler dönüştürülebilirler. Hayvanlardaki kök hücreler Bir diğer araştırma alanı gelişme sırasında farklılaşma potansiyellerini yitirmeyen kök hücreleridir.bu hücrelerin iki önemli özellikleri vardır.devamlı çoğalarak farklılaşırlar ve özelleşmiş hücreleri oluştururlar.ergin bir canlı vücudunda birçok kök hücre vardır örneğin kemik iliği Hücre farklılaşmasının moleküler temeli Kas hücrelerin saptanması ve farklılaşması bu konuyu açıklamada örnek olarak kullanılacaktır.kas hücreleri embriyonik öncü hücrelerden saptanır ve miyoblast hücresi haline gelir.daha sonrada bu hücreler olgun kas hücreleri haline dönüşür bu saptanma ve farklılaşma nasıl gerçekleşir.öncelikle ana düzenleyici gen olan myod ve onun ürünü olan MyoD proteini çeşitli kas proteinlerini üretmek için aktivatör rolünü oynaması gerekir.bu gen ürünü MyoD ve diğer transkript ürünleri çeşitli genleri uyararak kas hücreleri için gerekli proteinlerin sentezlenmesi sağlanır.myod proteini güçlü bir protein olup farklılaşmış hücreler üzerinde bile yapay yolla eklenirse kas hücrelerine dönüştürülmesi olayları başlatılabilir. Bu protein kas hücrelerine dönüşümde tek başına yeterli olmayıp diğer kas proteinlerinin de varlığına ihtiyaç vardır. Alt sayfada gösterilen şekilde açıklandığı gibi MyoD proteini farklılaşmadan sonra hücre bölünmelerini durdurur.aktin ve Miyozin gibi proteinlerin üretimi sağlanır miyoblastların hücre zarları kaybolur birleşerek çok çekirdekli olgun kas hücrelerine dönüşürler ve kas fibrilleri olarak adlandırılırlar.

4 Bir embriyo da hücreler arasındaki farklılaşmayı üreten nedir?gelişme sırasında şekil oluşumlarını ve hücre farklılaşmalarını hangi sistem kontrol eder?bu sorulara iki kaynaktan cevap verilebilir. Birincisi döllenmemiş yumurta hücresindeki sitoplazmada bulunan çeşitli proteinler ve RNA farklılaşmanın birinci kaynağıdır.yumurta hücresinin sitoplazması homojen bir dağılma göstermez.mrna,proteinler,organeller döllenmemiş bir yumurtada eşit olmayan bir biçimde dağılmışlardır.bu heterojenlik ilerde embriyonun gelişmesi için bir öncülük eder. Bu maddeler sitoplazmik belirleyiciler olarak adlandırılırlar.döllenme ve hücre bölünmesinden sonra zigot da ki farklı dağılımları hücrelerde farklı genlerin çalışmasına neden olur. Diğer farklılaşma kaynağı hücreler arası etkileşimlerdir.embriyonun erken dönemine ait hücrelerin salgıladığı salgılar diğer hücrelerin gen ifadelerinde çeşitli değişimlere neden olurlar. İndüksiyon rolü oynayan bu salgılar hedef hücrenin gen ifadesinde dolayısıyla hücresel şeklinde değişikliklere neden olur.böylece farklı hücreler gelişmeye başlar. Hücrelerarası etkileşimler bu maddelerin difüzyonlarıyla yada hücreler arası yüzey birleşmelerinin olduğu alanlardan gerçekleşir. Bu etkileşimlerin nasıl olduğunu ve gelişmeyi nasıl sağladığını,genetik ve sitoplazmik faktörleri üç model canlı olan Drosophila,C.elegans ve Arabidopsis de inceleyeceğiz.

5 MORFOLOJİK GELİŞİMİN GENETİK VE HÜCRESEL MEKANİZMASI Canlılarda şekilsel oluşum embriyonun erken dönemlerinde başlar.organlar ve dokular şekillenmeden evvel hayvan embriyolarında baş ve kuyruk bölgeleri belirgin hale geçer.şekilsel gelişme en çok meyve sineğin (D.melanogaster) de incelenmiştir.gelişmeyi kontrol eden genler ve onların sentezledikleri proteinler bize insanı da içine alan canlı grubunda gelişmenin ve farklılaşmanın nasıl olduğu konusunda ışık tutmuştur. Drosophila da hayat devri Meyve sineği ve artropodlar da segment sırasından meydana gelen bir modüler yapım söz konusu dur.bu segmentler vücudu baş,thorax ve abdomen adı veren üç bölüme ayırır. Diğer iki taraflı simetriye sahip olan hayvanlar gibi bunlarda da anteriyör-posteriyör yön ve dorsalventral yön vardır.döllenmeden önce yumurtada bulunan sitoplazmik belirleyiciler canlının iki yönlü simetrisinin belirlenmesini sağlarlar.döllenmeden sonra ise pozisyonel oluşum şekillenmeye segmentleri oluşturmaya ve sonuçta ergin bireyde ana bölümlerin oluşması sağlanır. Yumurta hücresi dişi canlının yumurtalığı içinde yardımcı ve folikül hücreleri ile çevrili bir ortamda başlar.döllenmeden sonra mitoz bölünmeler başlar.bur da iki önemli olay vardır.birincisi sitoplazma miktarı değişmez.s ve M fazları çok hızlı meydan gelir ilk on bölünme sonucunda yumurta büyümez.ikincisi bu bölünmeler sırasında sitokinez yani sitoplazma bölünmesi gerçekleşmez ve genç embriyo çok çekirdekli bir hücre şeklini alır.onuncu nükleus bölünmesi sonucunda oluşan çekirdekler embriyonun çevresine giderler.13. bölünme sonunda çekirdeklerin çevrelerinde plazma zarı oluşmaya başlar.temel vücut planları bu zamanda belirlenmeye başlar.daha sonra embriyo çeşitli segmentlerden oluşan bir yapı halini alır ve görülebilir hale geçer.hücreler göç ederek yeni konumlar alırlar,kurtçuk benzeri larva üç aşamalı bir gelişme dönemine girer,ilerde de bir pupa halini alarak kapalı bir durumda metamorfoza başlar.bu başkalaşım sonucu ergin birey oluşur ve vücudu üç ana bölümden meydana gelir. Morfolojik gelişmenin nasıl gerçekleştiği konusunda 1970 ler de yapılan çalışmalar sonucunda genden hangisinin bundan sorumlu olduklarını bulmak büyük bir çaba gerektiriyordu.ayrıca mutant bireylerin ölmesi çoğalamaması gibi sorunlar büyük zorluklardı. Embriyo gelişimini kontrol eden genler ya maternal etkili genler(anneden gelen genler) ya da zigotik genlerdir.maternal etkili genler ürünleri (mrna ve proteinler) oogenez sırasında gelişmekte olan yumurta içinde depolanan genlerdir.bu ürünler yumurta sitoplazmasına düzgün bir şekilde dağılmış olmasına rağmen bazen katmanlar halinde ve bazende yumurtanın belirli bölgesinde yoğunlaşırlar.bu genlerde mutasyon taşıyan sineklerin fenotipi kısır dişiler şeklinde olması beklenir,çünkü çekinik bir mutasyon için homozigot olan dişilerin embriyolarının hiçbiri annelerinden yabanıl tip gen ürününü alamaz ve bu nedenle normal gelişemez.bu gen ürünleri zigot genlerini geçicic veya kalıcı şekilde aktive etmek ya da baskılamak üzere çalışır. Zigotik genler zigotun kendi gelişimini sağlayan genlerdir ve bu nedenle döllenmeden sonra transkripsiyona uğrarlar.bu sınıftaki mutasyonlar embriyonun ölmesine neden

6 olur, çekinik zigot mutasyonu için heterozigot olan iki sineğin çaprazlaması sonucu embriyoların dörtte biri (homozigot) gelişemez. Maternal ve zigotik etkili genler Araştırıcılar embriyonik gelişimin maternal etkili gen ürünlerinin oluşturduğu moleküler katman bir bölge tarafından başlatıldığını öngören bir model ileri sürdüler ayrıca dış anatomik yapılarda bozukluklara neden olan çekinik embriyonik öldürücü mutasyonlara uğratılmış sineklerin binlerce ölü F 2 döllerini incelemişlerdir.ebeveynler ise taşıyıcıdır ve boşluk(gap),çift-kural(pair-rule) ve segment polarite:segment kutupsallığı adı verilen üç gruba ayrılırlar.embriyonun ön-arka ekseni boyunca oluşan moleküler tabakalanma iki zigotik gen seti tarafından kesintiye uğratılır. sınırlarını belirler ve daha sonra çift kural genleri,segmentleri ön ve arka bölgelere ayıran segment polarite genlerini aktive eder.(3)ön ve arka ekseni oluşturan maternal genlerle segmentasyon genlerinin birlikte hareketi her bir segmentin özgüllüğünü belirleyen seçici(selektör) homeotik genlerin hareket sınırını tayin eder. Maternal etki genleri Anteriör Posteriör Terminal (ön)grubu (arka)grubu (uç)grubu Zigotik genler Boşluk genler Çift kural genleri Segment kutupsallığı genleri Seçici genler (selektör) 1.Görüntü taramasında ortaya çıkan ve embriyoyu birçok şeritte veya segmente bölen,her segmentin polaritesini,büyüklüğünü ve sayısını tayin eden ve genlikle segmentasyon genleri olarak isimlendirilen boşluk,çift kural ve segment polarite genleri, 2.Her bir segmentin özelliğini ve gelişimini kaderini belirleyen seçici genler. Gelişim oogenez sırasında yer alan ön ve arka eksenin oluşumundan sorumlu maternal etkili gen ürünlerinin döllenmeden hemen sonra aktif hale geçmesi ile başlar.bu genlerin aktivitesi ön ya da arka yapının oluşması için hücreyi sınırlandırır.bu moleküler tabakadaki gen ürünleri boşluk :gap genlerinin taranskripsiyonuna neden olur ve embriyonun sınırlı sayıda geniş bölgelere bölünmesini sağlar.(1)boşluk (gap) proteinleri ise transkripsiyon faktörleridir ve bunlar ürünleri embriyoyu iki segment büyüklüğündeki bölgelere ayıran çift-kural genlerini(2) aktive eder. Tüm gap genlerinin birleşik hareketi segment Drosophila embriyosunun oluşumu için gerekli ilk genler maternal etkili genlerdir.oogenez sırasında maternal genomdan transkrribe olurlar ve ürünleri mrna olarak veya protein olarak olgunlaşmamış yumurta hücresinde depolanır.bu transkriptler ve proteinler gelişen embriyonun tüm bileteral simetrisinin oluşacağı ilk gelişim basamağında kullanılırlar ve birlikte yumurtayı ön-arka ve sırtkarın ekseni olan embriyoya dönüştürürler.ayrıca maternal etkili genler,zigotik genlerin ilk grubunun ifadesini tetikler ve böylece gelişim işleminin tamamlanması için gerekli olan gen ifadelerinin bir dizi işlemler serisi başlatılır.

7 Homeotik genler Drosophila da segmentlerin sınırları,segmentasyon genlerinin etkisiyle oluşturulurken seçici genler (homeotik genler) aktive olur.bu genlerin etkisi ile anten,ağız kısmı,bacaklar,kanatlar göğüs ve karın gibi her bir vücut segmentinin oluşacağı yapı belirlenir.tüm memelilerde seçici gen yapıları Hox gen kümeleri olarak isimlendirilir.bu genlerde mutasyonlar organların yanlış yerlerde oluşmasına sebep olur. Drosophila da gen çalışma sırası Maternal etkili genler Boşluk genleri Çift kural genleri Segment kutupsallığı genleri Embriodaki seçici genler (Homeotik genler) Diğer genler Sonuç olarak Hox genlerinin ürünleri belirli bir yapıyı belirlemek yerine,embriyodaki pozisyonları belirlemektedir.yani bir Hox proteini kanadı oluştur sinyalini vermek yerine bu 2.göğüs segmentidir demektedir.hox genleri ne zaman ve nerede olduklarını belirleyerek hücrelerin kaderlerini belirlemektedirler. Homeobox genlerinin evrimsel önemi Homeotik genler 180 nükleotid uzunluğunda ve 60 amino asitten meydana gelen protein sentezinden sorumlu genlerdir.birçok hayvanda bu genlerin benzerlerinin görülmesi hayatın erken bir döneminde milyonlarca yıl evvel bu genlerin ortaya çıkıp evrimleştiğini göstermektedir.hatta drosophila ve fare arasındaki homeotik genlerin kromozom üzerindeki yerleri bile birbirine benzerdir.drosophila da bütün genler bir kromozom üzerinde bulunurken homeotik genler 4 kromozom üzerine yerleşmiştir.kromozom üzerindeki renkli bölgeler ergin bireyde hangi bölümlerde gen ifadesinin olduğunu göstermektedir.bu genlerin proteinlerinin rolleri nedir sorusu ise hala tam olarak cevaplandırılamamıştır.bu polipeptidler DNA nın değişik bölümlerine bağlanarak protein sentezlerini yönlendirirler.diğer genlerin gen ifadelerini belli bir koordinasyon içersinde yönlendirerek doku ve organ oluşmasına temel hazırlarlar. Hücrelerarası sinyallerle farklılaşma ve gelişme Bir nematod olan C.elegans hücre sinyalinin ve gelişmedeki indüksiyonun önemini açıklamada bir örnek oluşturur.çok hücreli organizmaların gelişme süresince,hücreler komşu hücrelerdeki transkripsiyon profilini ve gelişim yolunu etkiler, bu etkileşmeler sinyal moleküllerinin üretimi ve alınmasını içerir.ergin C.elegans yaklaşık 1 mm uzunluğundadır ve döllenen yumurtadan 2 gün içinde gelişir.hayat döngüsü bir embriyonik aşama(yaklaşık 16 saat) dört larva aşaması (L1 den L4) ve ergin aşaması gibi dönemleri içerir.diploit kromozom sayısı 12 dir ve haploit genomda yaklaşık adet gen olduğu tahmin edilmektedir.erginler çift cinsiyetlidir;xx kendi kendini dölleyebilen hermafroditler ve XO genotipli erkekler.ergin bir hermafrodit 959 somatik hücreden ve yaklaşık 2000 eşey hücresinden oluşur.

8 Ergin hermafroditler vulva adı verilen gövdenin ortasında yer alan bir açıklıktan yumurtlarlar.vulva larva gelişimi aşamasında oluşur ve bu oluşumda pek çok hücre-hücre etkileşim olayları yer alır. C.elegans gelişiminde iki komşu hücre olan Z1.ppp ve Z4.aaa birbirleri ile öyle etkileşirler ki,biri gonat oluşturacak hücre(vulva=anchor=öncül) oluşurken,diğeri ventral dölyatağı öncülü(uterin) olur.hangisinin ne olacağı ikinci larva aşamasında belirlenir ve bir hücre yüzeyi reseptör proteinini kodlayan lin-12 geni ile kontrol edilir.vulval öncül hücreler 3 kaderle karşı karşıyadır.iç vulva,dış vulva yada epidermis hücrelerini oluşturacaklardır. Öncül hücrelerinin salgıladığı epidermal büyüme faktörü gibi maddeler hücreleri farklılaşması ve bölünmesi için uyarır.öncül hücrelerden birinci uyarıcı maddeyi alıp farklılaşan hücreler içi vulvayı ve bunların salgıladığı uyarıcı maddeleri alıp bölünerek farklılaşan hücreler dış vulvayı öncül hücrelerden uzak bir yerde bulunan hücreler ise epidermisi oluşturur. Programlanmış hücre ölümü Kromozom yoğunlaşması ve hücreyi ölüme götüren hücre membranının şişmesi gibi çok tipik bir seri olayların gerçekleştiği hücrelerde programlanmış hücre ölümü veya apopitoz normal bir olaydır.gelişim sırasında bu programlanmış hücre intiharı,doku ve organların şeklini ve özelliğini almasına yardım eder ; örneğin omurgalılarda ayak ve el parmaklarının oluşması için parmaklar arasındaki hücrelerin ölmesi gibi.c elegans ta gelişme sırasında hermafroditlerde 1090 hücreden 131 inde,erkeklerde 1178 hücreden 147 sinde hücre ölümü gerçekleşir. Programlanmış hücre ölümünün farklı kökenlerden gelişen hücrelerde olmasına rağmen,ölen bütün hücrelerin aynı genetik yolu kullandıklarını göstermiştir. Ced-3 ve Ced-4 genlerinin ifadesi hücre ölümü için gereklidir. Ayrıca bu genler Ced-9 tarafından kontrol edilir.yaşayan hücrelerde Ced-9 geni diğer iki genin ifadesini engeller eğer hücre ölüm sinyalini alırsa Ced-9 inaktif olur ve diğer iki genin ifadesini engellemez ve genlerin ifadesi ile hücre ölümü gerçekleşir.

9 Bitkilerin gelişiminde hücre sinyalleri Çevre sinyalleri,örneğin gün uzunluğu,sıcaklık gibi kök meristeminden gövde meristemine kadar sıradan değişikliklere yol açan uyarıları tetikler.çiçekli bitkilerde bulunan bir meristem şişkinliği üç tabaka hücreden oluşmuştur. Bütün tabakalar çiçek oluşumuna katılarak dört organ çeşidini oluşturur.bunlar; 1.Karpel=Yumurta hücrelerini içerir. 2.Petal=Taç yapraklar 3.Stamen=Polen tozlarını içerir. 4.Sepal=Çanak yaprakları. Normal çiçek gelişiminde üç tane organ gelişimini sağlayan gen çalışır ve bunlar iki bağlı sarmal dizilişli sıra oluşumunu sağlarlar.a geni sadece sepallerin oluşumunu sağlarken A ve B genleri Petallerin B ve C genleri stamenlerin ve C geni ise sadece Karpellerin oluşumunu sağlar.