ÜNİTE 4:VİRÜS VE BAKTERİ GENETİĞİ En küçük virüsler yaklaşık 20nm çapında dırlar ve bir ribozom dan daha küçüktürler. Virüsler bir hücre yapısı olarak kabul edilmezler çünkü normal hücreler kristalize olamazlar ama virüslerin kristal oluşturma yetenekleri vardır. Virüslerde genetik madde virüs çeşidine göre değişir genelde DNA ve RNA virüsleri olmak üzere iki gruba ayrılırlar.genomları az sayıda gen içerir örneğin yüzlerce gen içeren virüslerin yanın da en küçük virüs sadece dört gen içerir. kapsidin dışında viral membran vardır.bu membranın üzerinde de çeşitli glikoprotein ler bulunmaktadır. Bakteriler içinde çoğalan birçok bakteride çok değişik kapsidler bulunmaktadır.bu tip virüslere bakteriyofaj denir.ilk çalışılan bakteriyofajlar E.coli yi enfekte eden fajlardı.günümüzde birçok faj çeşidi bilinmektedir.virüslerde metabolik aktivite görünmez dolayısıyla çoğalabilmek için enfekte edebilecekleri bir hücre bulmaları gerekir.yüzey uygunluklarına göre virüsler hücreler içine girerek onların metabolizmaları yardımıyla çoğalırlar bu da içinde yaşadıkları hücrenin ölümüne sebep olur.aşağıda görüldüğü gibi virüs hücre içine girer ve üreme devri gerçekleş tirir.virüs DNA sı bakteri DNA sını kontrol altına alarak on baskılar ve virüsün genomu çalışır. Virüs yapısı kabuk tarafından çevrelenir buna kapsid denir. Kapsid değişik şekillerde olabilir ve kapsomer adı verilen protein alt birimlerinden oluşmuştur. Bazı virüslerde örneğin influenza virüsünde Virüsün genom yapısı bir protein
Virüs çoğalması ; Litik ve lizojenik devir Virüsler bir hücreyi enfekte eder ve konak hücre virüslerin çoğalmasıyla birlikte ölürse buna litik devir adı verilir.bu devirle virüs sayısı artarken bakteri sayısı zamanla azalır.bazı bakteriler virüs istilasına karşı çeşitli enzimlere sahiptirler bunlar restriction nucleases adını alırlar. Bakteri DNA sı kendi enzimlerine karşı korunmak için çeşitli önlemler alır.virüslerde bu enzimlere karşı zamanla direnç kazanırlar.böylece parazit ve konakçı arasında devamlı bir evrimsel ilişki ortaya çıkar. Litik bakteri içine giren faj DNA sı bakteri genomuna entegre olur ve virülans bir özellik göstermez bu faja profaj adı verilir.bakteri bölünüp çoğaldıkça bu genom içinde bulunan virüs DNA sı da çoğalır.bu mekanizma virüse bakterileri öldürmeden çoğalma imkanı tanır.bu devirler esnasında bazen profaj aktifleşerek litik devrenin tekrar oluşmasını sağlar. devrenin aksine lizojenik devirde bakteri hücresi ölmeyerek bakteriyi enfekte eden faj DNA sı ile birlikte çoğalır.ilımlı bazı fajlar bakteriyi enfekte ettikten sonra içinde çoğalırlar bakteri parçalanır ve fajlar serbest kalır ama bazen
Hayvan hücresi virüsleri Bütün hayvansal virüsler insanlarda ve diğer hayvanlarda hastalık meydana getirirler.bu virüsler nükleik asit çeşidine göre incelenebilecekleri gibi bir membran kılıfa sahip olup olmamaklarına göre de ayrılabilirler.hayvansal virüsler bir yağ tabakası ve glikoproteinlerden oluşmuş bir membrana sahiptirler.konak hücreye bu özgül glikoproteinler yardımıyla bağlanırlar daha sonra genetik maddelerini (RNA) hücreye enfekte ederler.rna mrna yı oluşturarak hücrenin endoplazmik retikulumlarını kullanarak yeni virüsler için gerekli kapsid ve glikoproteinlerin üretilmesinde kullanılır.ya da RNA kendisini çoğaltarak yeni virüsler için genom hazırlanmasında kullanılır. Sentezlenen bütün parçalar enfekte hücre zarında birleşerek yeni vürüsler hücreden dışarı çıkartılır. Hayvansal virüsler RNA içerdikleri gibi DNA molekülüde içerebilirler. Bazı virüsler ve birçok bitki virüsünde genetik materyal RNA dır.retrovirüsler de genetik materyal olarak RNA içerirler.sahip oldukları revers transkriptaz enzimi sayesinde RNA üzerinden DNA sentezi sağlarlar.sentezlenen DNA hücrenin DNA sına entegre olur ve provirüs adını alır.daha sonra genlerin etkisiyle sentezlenen mrna lar yardımıyla virüs proteinleri üretilir ve yeni virüsler oluşturulur. HIV virüsü (AIDS) bir retrovirüsdür.
Virüs çeşitleri ve hastalıkları AIDS nedeni olan HIV virüsü 1980 lerin başların da görülmeye başlanmıştır.1976 dan itibaren ise öldürücü ebola virüsü orta Afrika da ortaya çıkmıştır.virüslere karşı tam bir başarılı tedavi oluşamamasının sebebi hızlı bir biçimde genetik değişiklik geçirmeleridir.virüsler aynı zamanda kanser nedenidir.bazı virüs grupları canlılarda virüs tümörleri meydana getirirler.hepatit B virüsü karaciğer kanserinin nedenidir.bütün kanser virüslerinde virüslerin genetik materyali konak hücrenin DNA sı ile birleşerek onu kontrol altına alır.bitki virüsleri ise bitkilerin büyümesini engellerler ve bitkilerden az mahsül alınmasına neden olurlar.virüsler bitkiler ya dışarıdan bir böcek yardımıyla alınabileceği gibi üreme yoluyla da bir önceki canlıdan geçebilir.virüs bitki hücresinde çoğaldıktan sonra sitoplazmik bağlantılar yardımıyla başka hücrelere bulaşabilir.viroidsiler ve prionlar virüslerden daha basit enfeksiyon ajanlarıdır.viroidler protein kılıf içermeyen birkaç yüz nükleotit den meydana gelmiş bitki hücrelerini enfekte eden tek zincir dairesel RNA molekülleridir.virüs ve viroidler de bir yönetici molekül varken prion adını alan yapılar da ise genom yoktur bunlar protein molekülleridir. Bazı çeşitleri insan da önemli beyin hastalıkları meydan getirir.deli dana hastalığı bunlardan biridir. Prion adını alan protein molekülleri normal protein molekülleri ile temas ederse onları şekillerini değiştirerek onları da prion haline dönüştürmektedir. Virüsler canlı ile cansız maddeler arasında bir geçiş niteliğinde olan yapılardır.canlılara benzerler bir yönetici molekülleri vardır oysa tek başlarına yaşam ve üreme yetenekleri de yoktur. Virüsler nasıl ve nerden orjin almışlardır? Araştırmacılar virüslerin hücresel yapılardan eski canlı olmadıklarını ilk hücreler evrimleştikten sonra hücrelerin kendi genomların dan oluştuğunda hemfikirdirler.virüs yapılarını oluşturmaya iki aday yapı plazmidler ve transpozonlardır.bunlar bir genomdan başka bir genoma hareket eden mobil yapılardır.plazmidler bakterilerde kromozomdan ayrı bulunan küçük dairesel nükleotitlerken transpozonlar bir genomdan diğerine geçebilen DNA segmentleridir.
BAKTERİ GENETİĞİ Bakterilerin hızlı üremeleri onların çevre değişikliklerine daha iyi uyum yapmalarını sağlar.çift zincir bir dairesel DNA molekülüne sahiptirler.üzerinde en çok çalışılan E.Coli bakterisi DNA sı 4,6 milyon baz çifti bulunur.yaklaşık 4300 genden meydana gelmiştir.bakterilerde bir çekirdek zarı yoktur.merkezde yoğunlaşan bu genom dan ayrıca bakterilerde plazmid adı verilen az sayıda gen içeren dairesel bir DNA molekülü bulunur. E.Coli her 20 dakika içerisinde bir defa bölünür ve kısa sürede milyonlarca bakteri oluşur.yüksek oranda mutasyon geçirme olasılıkları vardır bu da bakterilerin çevreye uygun özellik kazanmalarına sebep olur.aşağıdaki şekilde bir bakteri bölünmesi sırasında kendini eşleyen bakteri kromozomu gösterilmiştir. sentezleyebilir.mutantlardan biri triptofanı sentezleyemezken diğeri ise arjinin adlı amino asiti sentezleyemez bu iki mutant döl aynı ortamda yaşarlar ve üretilirlerse her iki amino asiti de sentezleyebilecek soylar üretirler bu da bize bakteriler arasında bir genetik rekombinasyon olduğunu göstermektedir. Transformasyon Bakteriler çevrelendikleri ortamdan DNA alarak genetik rekombinasyonlar oluşturuyorsa bu transformasyon adını alır. Örneğin zararsız Streptococcus pneumonia bakterilerinin ölü zararlı hemcinslerinden besi ortamında DNA parçaları alarak onlarında zararlı hale gelmeleri transformasyona bir örnek teşkil eder.özellik sağlayan yabancı gen genoma dahil olur ve özelliğini ortaya çıkarır. Bakterilerde genetik rekombinasyonlar Genetik rekombinasyonlar bakterilerde yeni türler oluşumunu sağlar. Mutasyonlar sonucu meydana gelen farklılıklar iki bakteri arasında gen birleşmeleri meydana gelerek birbirlerine aktarılır.bakterilerde genetik rekombinasyonlar saptanabilir.iki mutant E.Coli bakterisi gerekli amino asitleri besi yeri ortamında sentezleyecek enzimlere sahip değildir oysa orijinal E.Coli bakterisi ise gerekli amino asitleri Transdüksiyon Bir konak bakteriden diğerine bir faj yardımıyla genetik bilgi taşınıyorsa buna transdüksiyon adı verilir.genel ve özel olmak üzere iki tip transdüksiyon vardır.genel transdüksiyonda faj DNA sı bir bakteriye girdiğinde onun genomunun parçalanmasına ve jaf DNA sının çoğalmasına neden olur.bakteri içinde faj DNA ları çoğalırken bakteri genomundan bir parçada faj DNA sı ile birleşebilir.fajlar bakterinin parçalanması ile serbest kalıp başka bakterilere saldırırken bakteri geni taşıyan faj bu geni başka bir bakteriye aktarabilir.böylece bakteri bu genin farklı bir alleline sahip olabilir ve rekombinant bir canlı olarak kabul edilir.
Genel olarak bakterilerde transdüksiyon bu şekilde oluşur. Oysa özel transdüksiyon da ılımlı fajlar bakteri DNA sı ile birlikte bulunurlar.fakat bazen fajlar aktifleşir ve bakteri genomundan ayrılır ama bu sırada bir bakteri genini de faj DNA sına katabilir.bu faj serbest kaldıktan sonra başka bir bakteriyi (aynı tür) enfekte ederken bu geni de ona aktarabilir.böylece rekombinant bir bakteri oluşmuş olur. Konjugasyon ve Plazmidler Konjugasyon iki bakteri arasında sitoplazmik köprü kurularak gerçekleştirilen DNA transferidir.kromozomunun bir bölümünü ya da plazmidini aktaran bakteriye F + hücreleri bu parçaya F faktörü adı verilir.alıcı hücreler ise F - ile sembolize edilir.plazmidler bakteri kromozomundan ayrı dairesel DNA molekülleridir. Konjugasyonda aktarılan plazmidler yaklaşık 25 gene sahiptirler. Önce bakteriler arasında bir temas sağlanır ve aralarında seks pilileri denen tüpler uzanır.tutunma ve yapışma yüzeyi sağlarken daha sonra DNA aktarımını gerçekleştirirler.f + hücresinden plazmidin kopyalanan kısmı F - hücresine geçer. (A)Böylece bu hücrelerde F + hale gelirler.bazen F plazmidi bakteri kromozomuna entegre olur böylece hücre Hfr olarak adlandırılır.(b)hfr hücreleri ile F - hücreleri arasında da konjugasyon oluşabilir.(c) Hfr bakterisinde bulunan ve kopyalanan bazı genler F - bakterisine geçebilir. Daha sonra bu genler F - hücresinin genomuna katılarak rekombinant bir bakterinin oluşmasını sağlar. Günümüzde R plazmidleri adı verilen bazı oluşumların çeşitli antibiyotiklere karşı dirençten sorumlu oldukları bilinmektedir. Bu genlerinde aktarılarak rekombinant bakteriler oluşturması hastalıklara karşı savaşmayı zorlaştırmaktadır.
Transpozonlar Transpozonlar bir genom içinde yer değiştirebilen genetik parçalardır.bakteri kromozomu içinden bir plazmide geçebildiği gibi plazmidler arasında da geçişler olabilir.bu geçişler sırasında orijinal yerini kaybedip yeni bir yer kazanabildikleri gibi bazı transpozonlar ojinal bölgede asıl geni bırakıp kopyalandıktan sonra genom içinde yerlerini değiştirirler.bakterilerde genetik rekombinasyonlar oluşturan konjugasyon, transdüksiyon ve transformasyon belli bir düzen içinde,homolog bölgelerde meydana gelirken transpozonlarda böyle bir düzene rastlanmaz herhangi bir yere genetik bilgi eklenebilir. Tekrarlayan dizi Transpozaz geni Tekrar Basit transpozon Bakterilerde araya eklenme biçiminde transpozonlar hareket eder.basit transpozonlarda DNA üzerinde tekrarlayan sıraların arasında transpozaz geni bulunur.tekrarlayan diziler yaklaşık 20-40 nükleotit uzunluğundadır. Geçişme sırasında gen etkisiyle sentezlenen enzim tekrarlanan dizilere bağlanır ve transpozon ordan çıkarılıp hedeflenen bölgeye bağlanır. Bileşik transpozonlar ise daha karmaşıktırlar. Basit transpozonların arasında fazladan gen ihtiva ederler.örneğin antibiyotik direnç genleri iki ek sıra arasında bulunabilir. Ek dizi Antibiyotik direnç Ek dizi geni Bileşik transpozonların bakteriye çevre uyumunda katkısı yüksektir.hücre bölünmesi ve konjugasyon yardımıyla kısa bir sürede ek özelliğe sahip plazmidlerin bakteri populasyonundaki sayıları artar ve rekombinant bakteriler çoğalmış olur. Transpozonlar sadece bakterilerde görülmez ökaryotlarda da bunlara rastlanır. BAKTERİLERDE GEN İFADESİNİN DÜZENLENİŞİ Bakteriler metabolizmalarını çevredeki değişikliklere göre düzenlerler.bunu yapabilmeleri için gen,enzim ve ürün ilişkisi gereklidir.örneğin E.Coli hücresinde triptofan sentezi çeşitli basamaklarda kontrol edilir. E.Coli nin metabolik ürünü olan triptofan çok fazla sentezlenirse triptofan gen ifadesini baskılar ve enzimler sentezlenmez (a) ya da ilk enzim aktivitesini baskılar.(geri besleme inhibisyonu) (b).aşağıdaki şekilde engelleme kırmızı işaretiyle gösterilmiştir.
Böylece eğer triptofan miktarı hücre içinde çoğalırsa boşuna sentezlenmesi engellenmiş olur.gen ifadesinin kontrolu 1961 yılında Jacob ve Monod un çalışmalarıyla operon modeli içinde açıklanmıştır.ilk örneğimiz triptofan sentezinin kontrolüne aittir. Operon Modeli E.Coli bakterisi triptofan amino asitini öncü bir maddeden birkaç basamak içerisinde sentez ettirir.polipeptid zincirini kodlayan beş gen bakteri kromozomu üzerinde bulunup enzimlerin sentezlerinden sorumludurlar.bir promotor bölge genlerin önünde bulunup mrna sentezini sağlar. Promotor bölgede RNA polimeraz enzimi ve operator adı verilen bir anahtar bölge bulunur. Operatörün önünde triptofanın sentezinde sorumlu 5 gen sıralanır ve trp operon adını alırlar.operatör açık olduğunda RNA polimeraz promotora bağlanır genleri transkribe etmeye başlar ve mrna sentezlenir. alır ve regülatörün ürettiği baskılayıcı ile birleşir ve baskılayıcı aktif hale gelerek operatöre bağlanır.rna polimeraz bu durumda çalışmaz ve genler transkripte uğramaz bu durumda genler kapalıdır.bur da son ürüne bağlı bir inhibisyon yani engelleme vardır. Laktoz Operonu E.Coli karbon kaynağı olarak laktozun parçalanması sonucu açığa çıkan glukozu kullanmaktadır.z,y ve A yapısal genlerinden,z geni B- Galaktozidaz,Y geni permeaz ve A geni Transasetilaz enzimlerini Baskılayıcı(Repressor) protein ise operonun kapalı durumunu temsil eder.regülatör gen bu baskılayıcıyı üretir eğer ortamda hiç triptofan yoksa bakteri ihtiyaç duyduğu bu maddeyi üretmek için genlerden mrna sentezini sağlar ve biyokimyasal dizi reaksiyonları sonucu triptofan üretilir.ama ortamda triptofan varsa bu madde korepressör adını sentezlemektedir.eğer E.Coli hücreleri laktozun olmadığı fakat glukozun olduğu bir ortama konursa,regülatör gen tarafından sentezlenen represör proteini operatöre bağlanır.çünkü ortamda indüktör madde yani laktoz yoktur. Eğer E.Coli hücresi yalnız laktoz bulunan bir ortama alınırsa indüktör molekül(laktoz) represör protein üzerindeki indüktör bağlanma bölgesine bağlanarak indüktör-represör kompleksini oluşturur ve böylece repressör proteini inaktifleştirir.inaktif repressör proteinide DNA nın operatör bölgesine bağlanmaz veya bağlanmış ise oradan ayrılır.bunun sonucu serbest kalan RNA polimeraz yapısal genlere geçerek onların tarnskripsiyonunu başlatır.gerekli enzimler sentezlenince E.Coli ortamdaki laktozu parçalayarak glukozu kullanır.
Şimdiye kadar verilen örnekler negatif denetleme örnekleri olup operatöre bağlanan represörün transkripsiyonu durdurması prensibine dayanmaktadır.denetleme indükleyici ile represörün aktivasyonları etkilemesinden kaynaklanmaktadır..pozitif denetlemede ise belli bir protein operonu aktif hale geçirmek için doğrudan DNA ya bağlanır. Ortamda glikoz ile birlikte laktozda olabilir.laktozun parçalanması ortamda glikoz varken enerjinin rasyonel kullanılması açısından mantıklı değildir.böyle durumlarda hücre glukozu tercih etmektedir.birinci durumda ortamda laktoz var glukoz azsa camp düzenleyici protein olan CRP ile (camp reseptör protein) bağlanıp onu aktive eder.bu CRP bağlanan yüzeye bağlanarak RNA polimerazın laktoz genlerini transkripte etmesini sağlar ve ortamın glukoz yoğunluğu artar.burda CRP molekülü genlerin ifadesini arttırmaktadır yani pozitif düzenleme vardır. Eğer ortamda Laktoz ve Glukoz birlikte bulunursa o zaman camp seviyesi düşer CRP bağlanmaz ve laktoz parçalanmaz hücre ortamda hazır olan glukozu kullanır.