Mendel genetiği ve prensipleri Dr. Umut Fahrioglu, Phd MSc Genetik tüm veyaganizmalarda variasyon ve kalıtsallıkla ilgilenir. Genotip ile fenotip arasındaki ilişkiye bakar ve genetik materyalin bir nesilden diğerine geçişini anlamaya çalışır. Tıbbi genetik insanlar arasındaki genetik farklılıkları ve bu farklılıkların tıp ve araştırma için olan önemini araştırır. 1
Giriş Mendel Avusturyalı bir rahipti. Bu önemli çalışmasını manastırın bahçesindeki 115 x 23 ayaklık bir bölgede yaptı. 1856-1864 yılları arasında binlerce eşleşme gerçekleştirdi. Yaptıklarıyla ilgili çok muazzam notlar tuttu. Yaptığı çalışma1866 da yayınlandı. 34 yıl kimse kaale almadı. Çalışmanın başlığı çok iyi değildi. Kromozom kalıtshepsiığı çok iyi anlaşılmış değildi. 1900 de, Mendel in çalışması bir birinden bağımsız çalışan 3 botanist tarafından tekrar keşfedildi. Hugo de Vries of Holland Carl Cveyarens of Germany Erich von Tschermak of Austria Mendel bezelye bitkisini deney veyaganizması olarak seçti. Bezelye avantajlı bir seşimdi: 1. farklı tür ve çeşitleri vardı 2. Yapısı kolay eşleme yapılmasına uygundu ebeveyn seçimi kolayca yapılabilirdi. Parental jenerasyon Remove anthers from menekşe flower. menekşe beyaz Anthers Transfer pollen from anthers of beyaz flower to the stigma of a menekşe flower. eşleşme-pollinated flower produces tohumlar. Plant the tohumlar. Firstjenerasyon offspring 2
Mendel çalışmak için 7 tane safkan özelliği seçti Bir veyaganizmanın mveyafolojik özelliklerine «karakteristikleri» Özellik (trait) bir karakteristiğin farklı özelliklerini tarif eder. Göz rengi bir karakteristiktir, mavi göz de özellik Nesillerdir ayni özelliği üreten türlere safkan denildi. CHARACTER Boy Çiçek rengi Çiçek pozisyonu Uzun Menekşe VARIANTS Cüce Beyaz CHARACTER Tohum rengi Tohum şekli Zarf rengi Zarf şekli VARIANTS Sarı Yeşil Yuvarlak Buruşuk Yeşil Sarı düzgün Boğumlu Aksihepsi Terminal 1. Fveya each of seven characters, Mendel eşleşme-fertilized two different true-breeding lines. Keep in mind that each eşleşme involved two plants that differed in regard to only one of the seven characters studied. The illustveyaann at the right shows one eşleşme between a uzun and cüce plant. This is chepsied a P (parental) eşleşme. Experimental level P plants x uzun cüce Conceptual level TT x tt 2. Collect many tohumlar. The following spring, plant the tohumlar and hepsiow the plants to grow. These are the plants of the F 1 jenerasyon. Note: The P eşleşme produces tohumlar that are part of the F 1 jenerasyon. F 1 tohumlar hepsi Tt F 1 plants Tt hepsi uzun Selffertilization 3. hepsiow the F 1 jenerasyon plants to self-fertilize. This produces tohumlar that are part of the F 2 jenerasyon. Selffertilization F 2 tohumlar TT + 2 Tt + tt 4. Collect the tohumlar and plant them the following spring to obtain the F 2 jenerasyon plants. F 2 plants 5. Analyze the characteristics found in each jenerasyon. uzun uzun cüce uzun 3
Monuhibris eşleşmelerden veyaanlar P eşleşme F 1 jenerasyon F 2 jenerasyon veyaan uzun X cüce sap yuvarlak X buruşuk tohumlar sarı X yeşil tohumlar menekşe X beyaz flowers aksial X terminal flowers düz X boğumlu zarflar yeşil X zarflar sarı hepsi uzun hepsi yuvarlak 787 uzun, 277 cüce 5,474 yuvarlak, 1,850 buruşuk hepsi sarı 6,022 sarı, 2,001 yeşil hepsi menekşe hepsi aksial 705 menekşe, 224 beyaz 651 aksial, 207 terminal hepsi düz 882 düz, 229 boğumlu hepsi yeşil 428 yeşil, 152 sarı 2.84:1 2.96:1 3.01:1 3.15:1 3.14:1 2.95:1 2.82:1 Veriyi analiz Tüm yedi karakteristik de çalışıldı 1. F 1 jenerasyon ebeveyn özelliklerinden sadece birini gösterdi 2. F 2 jenerasyonu ebeveyn özelliklerini 3:1 veyaanında gösterdi 4
1. Bir bezelye bitkisinde her karakteristik için iki faktör bulunur. Biri anneden biri de babadan. 2. Bu iki faktör bir biri ile ayni de olabilir farklı da olabilir. 3. Bu iki faktör bir birinden farklı ise ve ayni bitkide bulunuyveyas: Bir faktör dominant (baskın) tır ve etkisi görülür Diğeri resesif (çekinik) tir ve etkisi görülmez 4. Gamet üretiminde, karakteristiklerin eşlenmiş faktörleri, rast gele ayrılırlar ve dolayısı ile üretilen gametlerin bir yarısı bir faktörü diğer yarısı da diğer faktörü alır. Bu Mendel in Segregasyon Kanunudur. Ama önce bazı terminolojilerden bahsedelim: Mendelin faktörlerine genler denir. Alleller ayni genin farklı versiyonlarıdır. İki tane ayni allele sahip kişiye homozigot denir. İki tane farklı allele sahip kişiye heterozigot denir. Hemizigot bir genin tek bir kopyası olduğu anlmanına gelir. Genotip kişinin allelik yapısına denir. Fenotip Kişinin dışa yansıyan görünüşüne denir. 5
uzun cüce x P jenerasyon TT tt Segregation Gametes T T t t eşleşme-fertilization uzun F 1 jenerasyon (hepsi uzun) Tt Segregation Gametes T t T t Self- F 2 jenerasyon fertilization Genotypes: (1 : 2 : 1) TT Tt Tt tt Phenotypes: (3 : 1) uzun uzun uzun cüce 6
Punnett Kareleri Punnett karesi basit genetik eşleşmelerin sonuçlarını tahmin etmeye yardımcı olan bir araçtır. İngiliz genetikçi, Reginald Punnett tarafından önerildi. Punnett karesi kullanımını heterozigot uzun bitkilerin eşleşmesi örnek olarak kullanarak yapacayız. Punnett Kareleri 1. Her iki ebeveynin de genotiplerini yaz. Erkek ebevyn= Tt Dişi Ebevyn= Tt 2. her ebevynin üretebileceği gametleri yaz. Erkek gameteler: T veya t Dişi gameteler: T veya t 7
Dişi gameteler Dişi gameteler 18.02.2015 3. Boş bir Punnett karesi hazırla Erkek gameteler T t T t 4. Punnett Karesini gametlerin allellerini kullanarak bir sonraki neslin olası genotipleri ile doldur Erkek gametes T t T TT Tt t Tt tt 8
5. Genotiplerin ve fenotiplerin relatif oranlarını belirler Genotipik oran TT : Tt : tt 1 : 2 : 1 Fenotipik oran uzun : cüce 3 : 1 Mendel in Deneyleri Mendel ayrıca dihibrid eşleşmeler de gerçekleştirdi İki farklı karakteristikte farklılık gösteren bitkileri eşleştirdi Örneğin: Karakteristik 1 = tohum yapısı (yuvarlak vs. buruşuk) Karakteristik 2 = tohum rengi (sarı vs. yeşil) Bu karakteristikler için iki olası kalıtım şekli vardır. 9
P jenerasyon RRYY rryy RRYY rryy Haploid gametes RY x ry RY x ry F 1 jenerasyon RrYy RrYy Haploid gametes 1 / RY 1 2 / ry Haploid gametes 1 2 / RY 1 4 / Ry 1 4 / 4 ry 1 / 4 ry (a) HYPOTHESIS: Bağımlı assortment (b) HYPOTHESIS: Bağımsız assortment TY eşleşme: TtYy x TtYy Ty ty ty TY TTYY TTYy TtYY TtYy uzun, sarı uzun, sarı uzun, sarı uzun, sarı Ty TTYy TTyy TtYy Ttyy uzun, sarı uzun, yeşil uzun, sarı uzun, yeşil ty TtYY TtYy ttyy ttyy uzun, sarı uzun, sarı cüce, sarı cüce, sarı ty TtYy uzun, sarı Ttyy uzun, yeşil ttyy cüce, sarı ttyy cüce, yeşil Genotipler: 1 TTYY : 2 TTYy : 4 TtYy : 2 TtYY : Fenotipeler: 9 uzun sarı tohumlu bitkiler 1 TTyy : 2 Ttyy 3 uzun yeşil tohumlu bitkiler 1 ttyy : 2 ttyy 1 ttyy 3 cüce 1 cüce sarı tohumlu yeşil tohumlu bitkiler bitkiler 10
Modern Genetik Modern genetikçilerçoğunluklar genlerin moleküler ifadesi ve ortaya çıkavak özelliklerin buna bağlı olarak nasıl olacağı ile ilgilenirler. Şu yaklaşımı izlerler: İlgilendikleri genin bozuk bir kopyasını taşıyan bir kişi bulmaya çalışırlar. Bu bozuk kopyanın organizanın fenotipini nasıl etkileyeceğini araştırırlar. Modern Genetik Genlerin bozuk kopyaları loss-of-function (fonksiyon kaybı) allelleridir Bilmeden Mendel çalışmalarında 7 tane lossof function alleli kullandı Loss-of-function allellerinin resesif kalıtımları vardır. 11
Pedigri Analizi İnsanlar üzerinde çalışma yaparken Mendelin bezelyelerde yaptığı gibi parental eşleşmeyi kontrol etmek etik değildir. Bunun yerinde aile ağaçlarından veya pedigrilerde olan bilgilerden yararlanmamız lazım. İnsan özelliklerinin/hastalıklarının kalıtımını analiz etmek için pedigri analizi kullanılır. Feerkek I -1 I-2 Male Sex unknown veya not specified Miscarriage Deceased individual II-1 II-2 II-3 II-4 II -5 Unaffected individual Affected individual Presumed heterozygote (the dot notation indicates sex-linked traits) III-1 III-2 III-3 III-4 III-5 III-6 III-7 Consanguineous mating (between related individuals) (a) Human pedigree showing cystic fibrosis Fraternal (dizygotic) twins Identical (monozygotic) twins (b) Symbols used in a human pedigree 12
I -1 I-2 II -1 II -2 II -3 III -4 II -5 III -1 III -2 III -3 III -4 III -5 III -6 III -7 (a) Human pedigree showing cystic fibrosis Pedigri Analizi İnsan özelliklerinin/hastalıklarının kalıtımını analiz etmek için pedigri analizi kullanılır. Hastalıkta rol alan genler iki şekilde var olabilirler Normal allel Hastalık semptompları verenmutant allel that causes disease symptoms Basit bir Mendel kalıtım şekli izleyen hastalıklar Dominant Resesif olabilirler 13
Resesif kalıtım şekilleri iki önemli öngörüde bulunurlar: 1. 2 normal heterozigot kişinin çocuklarının yaklaşık %25 i hasta olacak 2. 2 hasta kişinin çocuklarının %100 ü hasta olacaktır. Dominant (baskın) kalıtım şekli şunları öngörür: Hasta kişi mutant geni en az bir ebevynden almıştır. Alternafi olarak, hastalık gamet oluşumu esnasında oluşan yeni bir mutasyon nedeniyle ortaya çıkmış da olabilir. Kistik Fibrozis(CF) İnsanlarda çekinik (resesif) bir hastalıktır About 3% of Caucasians are carriers Bu hastalığa neden olan gen kistik fibrozis transmembran konduktans regülatörü (CFTR) isimli bir protein üretmektedir. CFTR protein, hücre zarındaki iyon taşımacılığını kontrol eder. Mutant allel CFTR proteinin işlevini değiştirir ve iyon dengesizliğine neden olur. Bu da pankreas, bağırsaklar, ter bezleri ve akciğerlerde problemelere neden olur. 14
Statistics, probability and genetics Kalıtım kuralları genetik eşleşmelerin sonuçlarını tahminde kullanılabilir. Örneğin: Hayvan ve bitki üreticiler yaptıkları eşeleştirmelerden ortaya çıkacak ürünlerin ne olacağını kontrol etmek isteyebilirler. Ebeveynler çocuklarının özelliklerini kontrol etmke isteyebilirler: Bu özellikler belli başlı genetik hastalıkların olduğu ailelerde önelidir. Tabii ki gelecekte ne olacağını kesin olarak belirlemek mümkün değildir. Ama genetik danışmanlar ailelere hasta bir çokcuk sahibi olabilme olasılıkları konusunda yardımcı olabilirler. Bu ailenin çocuk yapıp yapmama konusundaki kararlarını etkileyebilir. Olasılık Bir olayın olasılığı o olayın gelecekte olma şansıdır: Olasılık = Bir olasyın olma sayısı Toplan olay sayısı Örneğin yazı ve tura: P tura = 1 tura (1 tura + 1 yazı) = 1/2 = 50% 15
Olasılık hesaplarının hassasiyet derecesi örnek nüfüsün büyüklüğüne bağlıdır. Beklenen ile gerçek arasında sapmalar olabilir. Bu random örnekleme hatalarına bağlıdır Random örnekleme hataları büyük örnekler için küçük küçük örnekler için büyüktür. Örneğin Bir bozuk para 10 kez atılırsa %70 yazı %30 tura çıkması normaldır Ama bir bozuk para 1000 kez atılırsa Yazı çıkma olasılığı Beklenen %50 ye çok yakın olacaktır. Olasılık hesapları genetik eşlemelerin sonuçlarını tahminde de kullanılmıştır Olasılığı hesaplamak için 3 tane statistik kuralı kullanılmıştır Toplama kuralı Çarpma kuralı Binom dağılım denklemi 16
Toplama kuralı İki veya daha fazla bir birinden bağımsız olaylardan birinin olma olasılığı ayrı ayrı olasılıklarının toplamıdır. Şu örneğe bakalım Kulağı etkileyen gen De = Normal allel de = Düşük kulaklar Kuyruğu etkileyen gen Ct = Normal allel ct = Buruşuk kuyruk Eğer iki heterozigot fare eşleştirilmişse (Dede Ctct) Beklenen olası yavru oranları şöyledir 9 adet normal kulakve normal kuyruk 3 adet normal kuyruk ve buruşuk kuyruk 3 adet düşük kulak ve normal kuyruk 1 adet düşük kulak ve buruşuk kuyruk Bu dört fenotip bir birinden bağımsız olaylardır Düşük kulaklı ve normal kuyruklu bir fare ayni zamanda normal kulak ve buruşuk kuyruğa sahip olamaz Soru: Yukardaki eşlemeden oluşacak yavruların normal kulak ve normal kuyruğa veya düşük kulak ve buruşuk kuyruğa sahip olma olasılığı nedir? 17
Toplama kuralını uygularsak: Birinci adım: bahsedilen olasılıkların ayrı ayrı olma hesaplaması yapılır P (normal kulak ve normal kuyruk) = 9 (9 + 3 + 3 + 1) = 9/16 P (düşük kulak ve buruşuk kuyru = 1 (9 + 3 + 3 + 1) = 1/16 İkinci adım: Ayrı ayrı olasılıkları topla 9/16 + 1/16 = 10/16 10/16 ayrıca 0.625 olarak da yazılabilir. dolayısıyla yavruların %62.5 i normal kulak ve normal kuyruğa veya düşük kulak ve buruşuk kuyruğa sahip olacağı beklenmektedir. Çarpma kuralı İki veya daha fazla bağımsız olayın olam olasılığı bu olayların olma olasılıklarının çarpımına eşittir. Note Bağımsız olaylarda bir olayın olması diğerinin olma olasığını değiştirmez. 18
Konjenital analgezi hastalığını ele alalım İnsanlarda çekinik bir hastalıktır Bu kişilerde çok aşırı hisler acı olarak algılanmaz İki allel vardır P = normal allel p = Conjenital analgezi Soru İki heterozigot kişi çocuk sahibi olmak istiyorlar: Bu çiftin ilk 3 çocuğunun da konjenital analgezi olma olasılığı nedir? Çarpma kuralını uygulama Birinci basamak: tek tek olay olasılıklarını hesapla Bu Punnett karesi ile yapılabilir P (congenital analgesia) = 1/4 İkinci basamak: Olasılıkları çarp 1/4 X 1/4 X 1/4 = 1/64 1/64 ayrıca 0.016 olarak da yazılabilir. Dolayısıyla %1.6 ilk 3 çocuğunda hasta olma şansı var. 19
Binom dağılım denklemi Sıralanmamış farklı olayların tüm olasılıklarının hesabını yapar. P = n! x! (n x)! px q n x burda P = sıralanmamış olayların olma olasılığıdır n = toplam olay sayısı x = bir kategorideki olay sayısı p = x olayının olasılığı q = diğer kategorideki olayın olma olasılığı Note: p + q = 1 The symbol! denotes a factveyaial n! is the product of hepsi integers from n down to 1 4! = 4 X 3 X 2 X 1 = 24 An exception is 0! = 1 Question Two heterozygous brown-eyed (Bb) individuals have five children What is the probability that two of the couple s five children will have blue eyes? 20
Birinci basamak: ayarı ayrı riskler hesaplanır Bu Punnett karesi ile yapılabilir P (blue eyes) = p = 1/4 P (brown eyes) = q = 3/4 İkinci basamak: Olay sayılarını hesapla n = toplam çocuk sayısı = 5 x = mavi gözlü çocuk sayısı = 2 Üçüncü basamak: değerleri dekleme yerleştir P = P = n! x! (n x)! px q n x 5! 2! (5 2)! (1/4)2 (3/4) 5 2 P = 5 X 4 X 3 X 2 X 1 (2 X 1) (3 X 2 X 1) (1/16) (27/64) P = 0.26 veya 26% Dolayısıyla heterozigot bir çiftin beş çocuğundan 3 tanesinin kahverengi gözlü 2 tanesinin mavi gözlü olma olasılığı %26 dır. 21