Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

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

*Evrimsel açıdan genlerin çoğaltılmasının önemi ilk defa Haldane (1932) ve Muller (1935 ) tarafından önerildi ve tanımlandı. *Evrimsel açıdan bir genin yenilenmesi çoğalması aşamasında veya devamındaki süreçlerde ortaya çıkan farklı mutasyonlarla gerçekleşir. *Bir gen çoğaltması ilk defa Bridges (1936) tarafından Drosophila da Bar cisimciği benzeri, Bar yerleşimlerinde gözlemlenmiş ve tanımlanmıştır. *Bu keşfe rağmen, bulunan diğer birkaç gen örneği için, biyokimyasal ve moleküler biyolojik tekniklerde bazı gelişmelerin olması gerekmiştir.

*1950'lerde protein dizilenmesi yöntemlerinde olan gelişmeler sayesinde uzun vadeli evrimsel süreçlerin çalışması mümkün olmuştur. *Ancak 1950'lerin sonlarında hemoglobin için α ve β zincirlerinin bulunması ve tanımlanması mümkün olmuştur (Itano 1957; Rhinesmith ve ark. 1958; Braunitzer ve ark. 1961). *Bu bulgudan sonra yapılan sitolojik çalışmalarda evrim sırasında gen çoğaltılması çoğunlukla kanıt olarak kullanılmaya başlanmıştır. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Bu ve benzeri çalışmalarda çeşitli gen verileri kullanılmıştır. *Ohno (1970) buna zıt bir görüş ortaya sürmüştür. *Buna göre Gen çoğaltma tekniği bize aslında sadece oluşabilecek yeni bir geni verebilir fikri idi, bu fikrin doruluğunu günümüzde yapılan çalışmalar ile ancak anlamamıza rağmen, bu görüş o zamanda oldukça geçerli oldu. *Bölünmüş genlerin keşfi Gilbert (1978) tarafından yapıldı. *Buna göre rekombinasyonda DNA üzerinde yer alan exonların (gen veya gen parçalarının) arasında intronların varlığı tespit edildi. *Genler arasında yer alan, bu gen parçalar, ekzonların yer değiştirdiği belirlendi (Exon exchange). *Bu mekanizmanın özelliklen ökaryotik canlıların evrimsel değişiminde ve gelişiminde önemli bir rol oynadığı fikri kabul edildi. *Elbette burada ökaryotik genlerin evrimsel gelişiminde intronlarında rolleri de göz ardı edilmemelidir.

*Gen Çoğaltılmasının Çeşitleri *Gen çoğaltılması; bir DNA segmentinin kopya sayısında bir artış meydana getirilmesi olarak tanımlanır. *Gen çoğaltılmasını farklı şekilleri vardır. *Bunlar genellikle genomik bölgenin büyüklüğüne göre sınıflandırılırlar. *Buna göre duplikasyon çeşitleri: (1) Kısmi veya iç gen çoğaltılması, (2) Genin tamamının çoğaltılması, (3) Kısmi kromozomal çoğaltım, (4) Kromozomun tamamının çoğaltılması (5) Poliploidi veya genom çoğaltılması olarak tanımlanır. *Bunlardan ilk dört tanesi haploit bir kromozomda bölgesel olarak çoğaltımdır ve çok da etkili değildir.

*Gen Çoğaltılmasının Çeşitleri (devam) *Ohno (1970) genomun çoğaltılmasını irdelemiş ve bölgesel çoğaltılmalardan daha önemli olduğunu idda etmiştir. *Görüşüne göre bölgesel çoğaltımda aynı gen içindeki parçalarda değişiklik olmakta ve sadece bir dengesizliğe yol açmaktadır. *Bu durumun genomun çoğaltılması kadar etkin olamayacağı görüşünü ortaya atmıştır. *Bununla karşın, günümüzde bölgesel duplikasyonların evrimde çok önemli bir rol oynadığı bilinmektedir.

*Gen çoğaltılmasından sorumlu moleküler mekanizma eşit olmayan bir krosignoverla ya da çaprazlama üzerinden gerçekleşir (Şekil 1.15). *Bu aşamada gerçekleşen krosingover miktarının farklığının nedenlerine bakarsak; 1.Karşılıklı gelen kromozomlar üzerindeki sekansların, bir kromozom üzerinde ardışık şekilde kopyalanmış bir bölge meydana getirmesi, 2.Buna karşın diğer kromozomda yer alan tamamlayıcı bölgelerde silinmeler, kaymalar olması ve 3.Bu kaymaların boyutuna bağlı olarak ortaya çıkan farklılıklar diyebiliriz. *Eşit olmayan bu geçişlerde, tekrar dizilerinin varlığı ve büyüklüğü de önemlidir. *Bir DNA sekansında yer alan ardışık dizilerin kopyalanması işlemi bir kere başladığında giderek hızlanan basamakları içeren bir işlemdir. *Böylece eşit olmayan bu çoğaltım devam eder.

Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*ÖZETLE; *Uzun DNA ipliklerinin kopyalanması, genom boyutunun evriminde en önemli faktörlerden biri olarak kabul edilir. *Özellikle, tüm genomun çoğaltılmasında (veya büyük bir bölümünün çoğaltılmasında Ör: bir kromozomun tamamının çoğaltılması gibi) bir anda genom boyutunun artmasında önemli bir neden olabilir. *Farklı organizmalar için bu şekilde genom çoğaltma olayları tespit edilmiştir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Domainler ve Ekzonlar *Bir domain (birim), bir protein içinde belli bir yeri olan, iyi tanımlanmış bir bölgedir. *Bu bölge; ya proteinlerin alt birimlerini bağlayan ve fonksiyonun gerçekleştiren bölgelerdir; ya da kararlı, sabit bir yapısı olan, bağımsız katlanabilen, tüm parçaları ayırt edilebilen, kompakt olarak katlanmış bir yapı birimidir. *Domainler eskiden fonksiyonel birim olarak adlandırılırlardı. * Sonrasında yapısal domain (birim) veya modül adını aldılar (Gō ve Nosaka 1987). *Domainlerin fonksiyonel bir etki sınırlarının tanımlanması genellikle zordur. *Bunun nedeni aynı anda bir çok durumda işlevleri olması ve bu işlevleri yapılarında bulunan polipeptit bağları ile bağlı amino asit birimleri vasıtasıyla yapmalarıdır.

*Domainler ve Ekzonlar (Devam) *Diğer yandan, bu yapısal modüller aynı zamanda oluşturdukları proteinde yer alan doğrusal amino asit dizilerinin birlikte oluşturduğu bir yapıdır (Ör: bir modül amino asitlerin sürekli bir dizilimini içerir). *Bu ayrım önemlidir. *Olası evrimsel mekanizmalar göz önüne alındığında, multidomain içeren proteinlerin meydana gelmiş olabileceği sonucuna varılır. *Eğer fonksiyonel bir domain nin, bir modüle karşılık geldiğini kabul edersek, çoğaltılması ile fonksiyonel birimlerin, segmentlerinin sayısı artması beklenir.

*Bunun aksine, eğer oluşan fonksiyonel birimler, amino asitlerin dağılmasını tetiklediyse, farklı modüllerin oluştuğu ve bunlar arasında fonksiyonel işlevselliklerin oluştuğu düşünülebilir. * Çoğaltılmış fonksiyonel modül iş yapamıyor da olabilirler. *Bu elbette fonksiyonel grup oluşumu için istenmeyen bir durumdur. *Gerçekten de bir çok proteinin çekirdeğinde bulunan tekrarlar ya yapısal modüllere ya da tek bir fonksiyonel modüle karşılık gelirler (Barker ve ark 1978). Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Proteinlerde modüllerin kimlikleri genellikle Gō dağılımı adını alan grafiksel bir yöntem kullanılarak tanımlanır (Gō 1981). *Bu yöntemde, bir proteine ait amino asit birimleri, iki eksen üzerinde, iki boyutlu olarak arka arkaya sıralanmış matris yapısındadır. *Bu dizilim bize proteinin üçüncül yapısını verir. *Elde edilen veriler ışığında, iki eksen arasındaki mesafenin uygun olması durumunda, artı işareti (+) matrise girilir. *Bu şekilde belirlenen değerler elde edilmiş değerlerden daha büyük olur (Şekil 6.1). *Küresel proteinler için kullanılan değer genellikle küresel proteini oluşturan kürenin yarıçapıdır ve ideal durumda R olarak belirtilir. * İdeal durumlarda, domainler boş, örtüşmeyen, sağa açılı üçgenler, hipotenüsler üzerinde Gō dağılımı yardımıyla artı işaretleri ile tanımlanır (Şekil 6.1a ).

*Daha az ideal olan durumlarda, birbirleri ile örtüşen ve aralarında mesafeler olan boş üçgenler (Şekil 6.1b ) şeklinde tanımlanır. *Gerçekte bu durum çok daha karmaşık ve kompleks istatistiksel yöntemler kullanılarak belirlenir. *Modüller arasındaki bağlantıları tanımlamak ise çok daha karmaşık bir işlemdir. *Şekil 6.1c de insan hemoglobininin β alt-birimi için oluşturulmuş bir Gō dağılım grafiği görülmektedir. Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Teorik olarak, yapısal domainler arasında birkaç olası ilişki tahmin edilebilir ve böylece genlerdeki ekzonların düzenlenmesine dair yorumlar yapılabilir (Şekil 6.2). *Gō (1981) birçok küresel proteinin, iç bölgesinde, farklı modüler bölümlerin bulunduğunu belirlemiştir. *Böylece genlerde yer alan ekzonların varlığı ve bağlantısı kesin olmasa da gösterilmiştir (Şekil 6.2a ve b). *Sadece birkaç durumda, tek bir modülün tek bir ekzonu kodladığı bulunmuştur (Şekil 6.2d). *Arasında tam bir uyumsuzluk olan modüller içeren proteinlerle yapılan çalışmalarda genlerde bölünen ekzonlarla ilgili çalışmalara rastlanmamıştır (Şekil 6.2e). *Yine çoğu çalışmada bir ekzonun birden fazla modülde (genellikle komşu modüllerde) görev alması veya kodlanması hakkında yapılmıştır (Şekil 6.2c).

*Vertebrat (omurgalı) hemoglobinlerinde yer alan α ve β zincirlerine bakarsak, bunların dört alt birimden oluştuğunu görürüz. *Aslında üç ekzon ve bir komşu dizi etkisiyle kodlanır. *Gō (1981 ) ekzonlar arasında bir birleşme meydana geldiğinde, bunun merkezi bir intron kaybına sebebiyet verdiğini öne sürmüştür. *Gerçekten de bitkilerde görülen homolog globulin genlerine (leghemoglobins) bakıldığında, birleşmelerin tahmini noktalarına eklenmiş intron bölgelerine rastlanmıştır. *Ve omurgalı globin genlerine benzer yapılar belirlenmiştir (Landsman ve ark. 1986). Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Benzer bir intron eklenmesi nematod (yassı kurt) Pseudoterranova decipiens in globin genleri arasında bulundu (Dixon ve ark. 1991). *İlginç bir şekilde, serbest yaşayan ve globin geni kodlayan nematod (yuvarlak kurtlar) Caenorhabditis elegans ın globulin genleri arasında yer alan bir intron bölgesine benzeyen merkezi bir intron bölgesine de leghemoglobinlerde rastlanmıştır (Kloek ve ark konumunda 1993). *Bu nedenle, evrim sırasında globin gen ailesinin ata genini oluşturduğu düşünülen dört ekzon arasındaki intron kayıpları ve eklenmeleri, genetik yelpazeyi oluşturduğu ve globulin gen çeşitlerini ortaya çıkardığı düşünülmektedir (Şekil 6.3). Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

*Olguların çoğunda, protein düzeyinde etki gösteren artış, aslında DNA seviyesinde oluşan bir dizi ekzon çoğaltılmasıdır. *Bu nedenle, ekzonların çoğaltılması, genin çoğaltılması için temeldir. *Ökaryotik genleri genellikle birden çok ekzon ve introndan oluşur (Bölüm 1) ve birbirine komşu ekzonlar genellikle aynı veya birbirine çok benzerdir. *Dahası, günümüz organizmaların çoğunda var olan proteinler içinde, amino asit dizi tekrarları görülür ve bu tekrarlar genellikle oluşturdukları proteinler içinde fonksiyonel ve/veya yapısal bölgeleri etkilerler (Barker ve ark. 1978). *Bu gözlemler birçok proteinleri tanımlayan özel genler olduğunu ve bunların kendilerini çoğalttıklarını göstermektedir.

*Bu durum aynı zamanda proteinlerin işlevsel kararlılıklarını arttırmak ve aktif bölgelerini çoğaltmak için sayılarını arttırabildiklerini de göstermektedir. *Protein ve DNA düzeyinde oluşan bu kendi içinde çoğaltılması durumu, gereksiz DNA segmentleri oluşmasına neden olabilir. *Aynı zamanda böyle bölgeler, yeni fonksiyonlar geliştirmek için bir gen oluşumuna da neden olabilir. *Bu durumda, günümüz yaşayan organizmaları oluşturan/yapısında bulunan birçok karmaşık gen, bu şekilde içsel olarak çoğaltılmış küçük, basit, ilkel genlerden evrimleşmiş ve bunu takiben değişime uğramış olabilirler (Li 1983).

*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