GENETİĞİN SİTOLOJİK TEMELLERİ
HÜCRE Doğadaki canlılar tek veya çok hücreden meydana gelirler. Kalıtsal madde (genetik materyal) içerir. Bireyin kendine özgü karakterlerini belirler. Genetik olayların temeli kalıtsal maddenin hücre içerisindeki işlevlerine dayanır.
Canlılar (hücre yapılarında görülen farklılıklara göre) 1) prokaryotlar (prokaryotes) (pro: önce, karyon: nukleus) 2) ökaryotlar (eukaryotes) (eu: gerçek, karyon: nukleus). Bunların dışında, 1) virüsler 2) viroidler
Prokaryotlar Sitoplazmada zarla çevrili organel yok. Kalıtsal maddenin sitoplazmada bulunduğu bölge nukleoid. Ökaryotlar Sitoplazmada nukleus ve diğer organeller var. kalıtsal madde nukleus, mitokondri ve kloroplast
Tipik bir bitki hücresi kesitinden yapısının şematik gösterilmesi. (De Robertis'den).
Nukleus ve Kalıtsal Madde Nukleus (çekirdek) Kromatin Bölünme halinde olmayan hücrelerin nukleusundaki (interfaz) kalıtsal madde Kromonema DNA nın özel bazı proteinler ve bir miktar RNA ile birlikte oluşturduğu kromatin iplikçikleri Heterokromatin ökromatin Özel boyalarla ışık mikroskobu altında tanecikli, ağsı bir yapı halinde gözlenen kromatinin koyu renkli boyanmış olan bölgeleri, daha açık renkli boyanmış bölgeleri
Kromozomlar kromozom (kromo: renkli, soma: cisim) yoğunlaşmış ve biçimlenmiş kromatin materyali kromatin iplikçikleri hücre bölünmesi kromozomlar Kromozom iki kromatid (kardeş kromatid) Kardeş kromatidler birbirlerine sentromer ile bağlı
Genel bir kromozom şekli. B, birincil boğum; SB, ikincil boğum; S, satellit; St, sentromer.
Bazı türlerin vücut hücrelerindeki kromozom sayıları Tür Kromozom sayıları Omurgalı hayvanlar Homo sapiens 46 Pan troglodytes (Şempanze) 48 Macaca mulatta (Rhesus maymunu 42 Bos taurus (Sığır) 60 Canis familiaris (Köpek) 78 Felis domesticus (Kedi) 38 Equus caballus (At) 64 Mus musculus (Fare) 40 Rattus norvegicus (Sıçan) 42 Oryctolagus cuniculus (Tavşan) 44 Rana pipiens (Kurbağa) 26 Omurgasız hayvanlar Bombyx mori (İpek böceği) 56 Drosophila melanogaster (Sirke sineği) 8 Musca domestica (Karasinek) 12 Apis mellifera (Balarısı) 32 Caenorhabditis elegans 12 Bitkiler Arabidopsis thaliana 10 Allium cepa (Soğan) 16 Hordeum vulgare (Arpa) 14 Triticum aestivum (Buğday) 42 Zea mays (Mısır) 20 Gossypium hirsutum (Pamuk) 52 Lycopersicon esculentum (Domates) 24 Nicotiana tabacum (Tütün) 48 Phaseolus vulgaris (Fasulye) 22 Pisum sativum (Bezelye) 14 Vicia faba (Bakla) 12 Basit yapılı ökaryotlar Saccharomyces cerevisiae* (Bira mayası, ekmek mayası) 16 (veya 32) Aspergillus nidulans * 8 Neurospora crassa* 7 Chlamydomonas reinhardtii* 16 18 * hücrelerinde haploid sayıda kromozom taşıyan organizmalar Ascaris megalocephala univalens Myrmecia pilosula 2 kr Ophioglossum reticulatum 1260 kr
Değişik türlerde kromozomların sayı, büyüklük ve biçimleri (karyotipler). (a) Drosophila montana, (b) D. Melanogaster, (c) D. Colorata, (d) Crepis capillaris, (e) Esox lucius, (f), Gallus domesticus (Bilge'den).
Haploid kromozom sayısı (takım, n) Eşey hücrelerinde taşınan kromozom sayısı Bir kromozom takımı Diploid kromozom sayısı (2n) Vücut hücrelerinde taşınan kromozom sayısı İki kromozom takımı Homolog kromozom Vücut hücrelerinde her bir kromozom çeşidinden iki tane Birbiriyle yapısal olarak aynı Biri anadan diğeri babadan gelir
Otozomlar Hücrede daima birer çift bulunan, yapı ve biçimleri aynı olan kromozomlardır Gonozomlar (eşey kromozomları) Canlının eşeyine göre biçimleri aynı veya farklı olabilen kromozomlar İnsan 2n=46 nın 44 ü (22 çifti) otozom, geri kalan bir çift gonozomdur. kadınlarda iki X kromozomu ( = 44+XX) erkeklerde bir X ve bir Y kromozomu ( = 44+XY)
Kromozomların biçimini sentromerin bulunduğu yer olan birincil boğum belirler Metasentrik Sentromeri ortada olanlar Submetasentrik Bir uca daha yakın olanlar Akrosentrik Bir uca çok yakın olanlar Telosentrik Tam uçta (telomerde) olanlara denir.
Kromozomların farklı uzunluktaki kısımları: kısa (p) ve uzun (q) kol Örn., insanın 5. kromozomunun kısa kolu: 5p Kromozomların boyutu türlere göre çok değişir (1-400 m). Drosophila'da 3,5 m, insanda 5 m, mısırda 8 14 m dir. Kromozomların çapları genellikle 0,2 2 m.
Karyotip Bir bireyin tüm kromozomlarının sayı, biçim ve büyüklüğü İdiogram Bir karyotipteki kromozomların özellikleri göz önüne alınarak hazırlanan standart şemalar
İnsanda bir erkek bireyin, (a) karyotipi, (b) idiogramı (De Robertis den).
İnsanda kromozom grupları Grup Kromozomlar Boy Biçim A 1 3 Büyük ~ Metasentrik B 4 5 Büyük Submetasentrik C 6 12 (ve X) Orta Submetasentrik D 13 15 Orta Akrosentrik E 16 18 Orta-Küçük Submetasentrik F 19 20 Küçük ~ Metasentrik G 21 22 (ve Y) Çok küçük Akrosentrik
İnsanda G bantlama yöntemiyle karyotip analizi (Goodenough ve Levine'den).
Geç profazda 350, erken profazda en az 2.000 bant
HÜCRE BÖLÜNMELERİ Hücre çevrimi (döngüsü): Meydana gelen bir hücrenin yeniden bölünerek yavru hücreler vermek üzere geçirdiği süreç Hücre çevriminde iki bölünme arasındaki evrenin tümü interfaz (metabolik evre) S, sentez evresi Her kromozomun yapı ve genetik özellikleri bakımından birbirinin tamamen aynı olan iki kopyası (kardeş kromatidler) oluşur G1 özellikle kalıtsal madde sentezine hazırlık olarak yoğun metabolik aktiviteler G2 hücre bölünmesine hazırlık olarak yoğun metabolik aktiviteler
Hücre çevriminin evreleri.
Mitoz Bölünme Bir ana hücreden, onunla ve birbirleriyle aynı sayıda kromozom taşıyan iki yavru hücrenin meydana gelmesi Karyokinez Bir nukleusdan her biri eşit sayıda kromozoma sahip iki yavru nukleus 4 farklı evre (profaz, metafaz, anafaz, telofaz) Sitokinez sitoplazma bölünmesi
Karyokinez Profaz Kromatin yapısı kromozomlara dönüşür Her kromozom iki kromatidden oluşur Nukleoluslar ve nukleus zarı yok olur Hücrede bir iğ aygıtı oluşmaya başlar
Metafaz Kromozomlar hücrenin orta kısmına (metafaz veya ekvator düzlemi) rastgele dizilirler Kromozomlar metafazda en kısa ve kalın biçimlerini alırlar Kromozomlar sentromerlerinden aynı anda yarılır ve kromatidler ayrılmaya başlar
Anafaz Kardeş kromatidler ayrılır ve farklı kutuplara doğru çekilir Bunlar birer kromozomdur (yavru kromozom) Telofaz Kromozom grupları kutuplara erişir Profazdaki olaylar ters yönde gelişir Kromatin oluşur Kutuptlarda iki yavru nukleus meydana gelir.
Sitokinez Sitoplazmanın bölünmesi Ana hücrenin sitoplazması iki kısma ayrılır ve iki yavru hücrenin plazma zarlarıyla çevrilirler Bitki hücrelerinde, iğ aygıtı metafaz düzleminde yan çeperlere doğru genişler (fragmoplast). Yavru nukleusların yakınında iğ iplikleri kaybolur, ekvator düzleminde pektin birikimiyle hücre düzlemi (orta lamel) oluşur Hayvan hücrelerinde, esnek dış tabaka metafaz düzleminde içeri doğru boğumlanır
(I) 2n = 4 kromozomlu bir hücrede mitoz bölünme şeması, (a) erken profaz, (b) geç profaz, (c) metafaz, (d) anafaz, (e) telofaz, (f) yavru hücreler. (II) Allium cepa da (soğan) mitoz bölünmenin evreleri (Lints den).
Mitozun Genetik Önemi İnterfazda iki katına yükselmiş olan kalıtsal madde yavru hücrelere eşit biçimde paylaştırılır Basit yapılı, ökaryotlarda (protozoanlar, bazı algler ve bazı mantarlar) eşeysiz çoğalma Çok hücreli organizmalarda, döllenme ile meydana gelen zigottan çok hücreli birey oluşumu
Mayoz Bölünme indirgeyici (redüksiyon) bölünme Mayoz meioun (azaltma) kromozom sayısının yarıya indirgenmesine yol açan bölünme I. mayoz bölünme (indirgeyici bölünme) kromozom sayısı yarıya iner I. Profaz I. Metafaz I. Anafaz I. Telofaz II. mayoz bölünme (eşitleyici bölünme) normal mitoz bölünme II. Profaz II. Metafaz II. Anafaz II. Telofaz
I. Mayoz Bölünme I. Profaz Leptonema (leptoten aşaması) Zigonema (zigoten aşaması) Kromozomlar ince uzun iplikler halinde belirir. Kardeş kromatidler henüz belirgin değil. Homolog kromozomlar yan yana gelirler ve birbiri etrafında sarılırlar (sinapsis). Eşleşen iki kromozom çifti bivalent (veya, tetrad) dır.
Pakinema (pakiten aşaması) Her kromozomdaki iki kardeş kromatid belirginleşir. Bivalentlerde kardeş olmayan kromatidler arasındaki kesişme (kiazma) noktalarında enine kırılmalar olur ve kopan parçalar yer değiştirir (krosingover).
Diplonema (diploten aşaması) Homolog kromozomlar ayrılmaya başlar. Kromozomlar sadece kiazma noktalarında bağlıdırlar. Diakinez Homolog kromozomlar birbirini iter kiazmalar uçlara kayar. (terminalizasyon) Bivalentler nukleus zarına doğru hareket ederler Nukleus zarı ve nukleoluslar kaybolur.
I. Metafaz I. Anafaz Homolog kromozom çiftleri metafaz düzleminde yerleşir. Farklı bivalentlerin metafaz düzlemindeki diziliş düzeni tamamen gelişigüzeldir. Homolog kromozomlar zıt kutuplara doğru çekilmeye başlar.
I. Telofaz. Kutuplarda nukleus zarının oluşumu ile yavru nukleuslar oluşur. Her kromozomda iki kromatid bulunur. İnterkinez (interfaz) I. mayozu bir sitokinez II. mayoz bölünme izler.
II. Profaz Kromozomlar yeniden belirgin hale geçmeye başlarlar. Kardeş kromatidler genellikle birbirinden ayrı dururlar. II. Metafaz İki ayrı nukleusa ait kromozomlar hücrede meydana gelen iki iğin ekvator düzleminde dizilirler.
II. Anafaz Sentromerlerin yarılmasıyla yavru kromozomlar zıt kutuplara II. Telofaz Yavru nukleuslar Sitokinez Dört yavru hücre (gon) Yavru hücreler eşey hücreler (gametler) ya da sporlar
2n = 4 kromozomlu bir hücrede mayoz bölünme şeması. (a) leptonema; b, zigonema; c, pakinema; d, diplonema; e, I. metafaz; f, I. anafaz; g, I. telofaz; h, interkinez; i, II. profaz; j, II. metafaz; k, II. anafaz; l, II.telofaz (Lints den);
Lilium regale de mayoz bölünmenin aşamaları (Snustad ve Simmons dan)
Mayozun Genetik Önemi Kromozom sayısının döller boyunca sabit kalmasını sağlar. Diploid sayıda kromozom taşıyan canlılarda eşey hücrelerini verecek olan ana hücrelerde meydana gelen mayoz sonucu eşey hücreleri haploid sayıda kromozom taşır. Genetik çeşitliliğe yol açar. Bölünme sırasında kromozomlar ya da kromozom parçaları yeni gruplanmalar yapar (genetik rekombinasyon, yeni bileşim) İki genetik olay (krosingover ve I. Metafazda Bivalentlerin Ekvator Düzlemindeki Yerleşim Düzenlerinin Bağımsız Olması) sağlar.
(1) Krosingover (çapraz geçiş, karşılıklı geçiş) Mayoz bölünmenin I. profazının pakiten evresinde eşleşme halindeki homolog kromozomların kardeş olmayan kromatidleri arasında parça değişmesi olayıdır. Kardeş olmayan kromatidlerin, kiazma noktalarında kırılmalar olur ve kopan parçalar diğer kromatidin eş parçası ile karşılıklı olarak yer değiştirir.
2n = 2 kromozomlu bir hücrede, iki kromatid arasında tek bir yerde krosingover meydana gelişi: (a) ana hücre, (b) zigonema, (c) pakinemada krosingover, (d) I. mayoz sonucu oluşan iki hücre, (e) II. mayoz sonucu oluşan dört hücre. İkisinde ana hücredeki homolog kromozomlardan birer tanesi yapılarını korur, diğer ikisinde bazı bölgeleri değişmiş kromozomlar (rekombinant kromozomlar) Daha önce o kromozomlarda bulunmayan genler bir araya gelir.
Homolog kromozomların kromatidleri arasında sadece iki kiazma bulunduğu durumda; a, iki kromatid; b, dört kromatid; c ve d, üç kromatidin krosingovere katılması (Bilge'den)
Kardeş olmayan iki kromatid arasında birden fazla sayıda kiazma oluşabilir Aynı mayoz bölünme sırasında kiazma oluşumları bir bivalentteki iki, üç veya dört kromatid için söz konusu olabilir. Bu hücrelerin birleşmesiyle oluşan diploid zigot ve onun gelişimiyle oluşan bireyin genetik yapısı ana ve babasından tamamen farklı olabilir. Rekombinasyonların ve buna bağlı olarak doğadaki çeşitlilik
(2) I. Metafazda Bivalentlerin Ekvator Düzlemindeki Yerleşim Düzenlerinin Bağımsız Olması I. Metafazda farklı homolog çiftlerin ekvator düzleminde yerleşim düzenleri tamamen gelişigüzel ve bağımsız Birbirinin homoloğu olmayan kromozomların I. anafazda kutuplara çekilmeleri ve eşey hücrelerine dağılımları birbirinden bağımsız
2n = 4 kromozomlu bir hücrede farklı bivalentlerin I. metafazda ekvator plağındaki yerleşim düzenlerine göre yavru hücrelerde değişik kromozomların bulunması
2n=23 olan insanda mayozun I. metafazındaki olası kromozom dizilimleri 2 22 4.000.000 Mayoz sonucu bir eşey hücresinin herhangi bir özel bir kromozom bileşimini taşıma olasılığı (1/2) 23 1/8.000.000 Erkek ve dişi eşey hücrelerinin rastgele karşılaşması sonucu aynı genotipte zigot meydana gelme olasılığı 1/64 x l0 12 Populasyonlarda eşeyli üreme sırasında meydana gelen çeşitliliğin temel nedenlerinden biri kromozomların bağımsız olarak ayrışma özelliği
Diploid bir organizmanın yaşamı boyunca geçirdiği mayoz bölünmelerin I. metafazında kromozomlarının farklı biçimlerde diziliş olasılığı 2 n-1 Bir eşey hücresinin her bir kromozom çiftine ait homolog kromozomların birini (örneğin anadan geleni) alma olasılığı ½ ise, bir eşey hücresinin herhangi bir genotipe sahip olma (örneğin, anadan gelen tüm kromozomları taşıma) olasılığı (1/2) n Mayoz sırasında homolog kromozomların bağımsız ayrışımı ile birlikte her kromozom çifti arasında birden fazla krosingover meydana gelebilmesi çeşitliliği daha da artırır.
EŞEYLİ ÜREYEN ORGANİZMALARIN YAŞAM ÇEVRİMLERİNDE MİTOZ ve MAYOZ BÖLÜNMELER Bir hücreden gelişip olgunlaşıp yeni bir organizmanın meydana gelmesi Ökaryotik organizmaların çoğalmasında genelde eşeyli üreme baskındır. Eşeyli üremede, bir erkek ve bir dişi eşey hücresi birleşerek nukleusları kaynaşır (döllenme) ve sonuçta bir döllenmiş yumurta (zigot) meydana gelir. Basit yapılı ökaryotlarda ve daha ender olarak çok hücreli organizmalarda mitoz bölünme ile eşeysiz üreme de meydana gelmektedir.
Genetik çalışmalarda sıklıkla kullanılan bazı ökaryotik organizmalar. (a) Saccharomyces cerevisiae, (b) Neurospora crassa, (c) Chlamydomonas reindthardtii, (d) Arabidopsis thaliana, (e) Pisum sativum, (f) Zea mays, (g) Drosophila melanogaster, (h) Caenorabditis elegans, (i) Mus musculus. (Russell dan)
Gelişmişlik düzeyleri farklı organizma gruplarının yaşam çevrimlerinde haploid ve diploid kromozomlu evrelerin karşılaştırmalı şeması. (a) basit yapılı organizmalar, (b) karayosunları ve eğrelti otları, (c) gelişmiş bitki ve hayvanlar.
Gelişmiş Bitkilerde Yaşam Çevrimi Gelişmiş bitkilerde diploid sporofit döl önem kazanmış Bazı türlerde erkek ve dişi sporofitler ayrı, bazılarında ise aynı bitkide. Çiçekli bitkilerde haploid yapı (gametofit) çok indirgenmiş durumdadır (mikroskobik)
Zea mays (mısır) Esas yapı sporofit Bu yapıdaki bazı hücrelerde (sporosit) mayoz ile haploid sporlar oluşur (sporogenez). Sporlar mikrospor ( ) veya megaspordur ( ). Zea mays da yaşam çevrimi (Goodenough ve Levine den yararlanarak).
Mikrosporogenez Stamen 1 Polen ana hücresi 4 Polen M Vegetatif nukleus M Sperm nukleusu Sperm nukleusu Generatif nukleus Generatif nukleus İndirgenmiş erkek gametofit Lilium martagon'da (a) polen, (b) çimlenmiş polen, (c) embriyo kesesi (v, vegetatif nukleus; g, generatif nukleus; sp, sperm nukleusları;
Megasporogenez Pistil Megaspor (embriyo k) anahücre 4 Megaspor 1 megaspor 3 tanesi atılır (gon atolması) 3M 8 haploid nukleuslu embriyo k. İndirgenmiş dişi gametofit a: antipodlar; k: kutup nukleusları; s: sinergitler; y: yumurta nukleusu
Döllenme Polen dişi organın stigmasına tutunduğunda çimlenir ve polen tüpü oluşturur. Sperm nukleusu Diploid endosprem nukleusu Triploid endosperm Sperm nukleusu Yumurta nukleusu Diploid zigot genetik açıdan ilginç yönü, kromozom sayısı farklı iki ayrı doku tipi meydana gelir.
Gelişmiş Hayvanlarda Yaşam Çevrimi Sporofitteki diploid bir ana hücreden hücreleri mayoz bölünme haploid eşey Gametofit tek bir hücreye indirgenmiştir. Gelişmiş hayvanların hepsinde erkek ve dişi birey farklıdır. Memelilerde eşey hücresi oluşumu (gametogenez) erkeklerde sperm, dişilerde yumurta hücresinin (ovum) hücrelerinin
Spermatogenez Testislerde spermatogonium (farklılaşmamış diploid hücreler) önce ardışık mitoz bölünmelerle çoğalırlar; meydana gelen yavru hücreler büyüyüp gelişerek diploid birincil spermatositler haline geçerler. Her birincil spermatosit mayoz bölünme geçirerek, I. bölünme sonunda ikincil spermatositleri, II. bölünme sonunda da spermatidleri verir. Haploid spermatidler de farklılaşarak erkek eşey hücreleri olan hareketli spermleri meydana getirirler (spermiogenez)
Memelilerde spermatogenez ve oogenez şeması
Oogenez Ovaryumlardaki (yumurtalık) ana hücreler (oogonium) ardışık mitoz bölünmeler geçirir; yavru hücreler gelişerek diploid birincil oositleri verirler. Birincil oositlerin geçirdiği mayoz sırasında metafaz plağı hücrenin bir tarafına daha yakın oluştuğu ve sitoplazma eşit olmayan biçimde bölündüğü için, I. bölünmeyle biri daha büyük (ikincil oosit) diğeri daha küçük (birincil kutup cismi) iki hücre meydana gelir. Aynı nedenle II. bölünme sonrasında da oluşan dört hücreden birisi diğerlerine göre büyüktür. Ootid adı verilen büyük hücrenin farklılaşmasıyla dişi eşey hücresi olan yumurta hücresi (ovum) meydana gelir; küçük olanlar (ikincil kutup cisimleri) ise bozularak kaybolurlar
Erkek Mayozda oluşan dört gonun hepsi eşey hücresi halinde olgunlaşır Fetustaki testislerde ana hücreler (germ hücreleri) gelişimin erken aşamasında (~7. haftada) çok sayıda mitoz geçirirler ve spermatogonium taslakları spermatogonium olmaları ancak ergenlik çağında başlar. Dişi Mayozda oluşan dört gonun sadece biri eşey hücresi Gelişimin ~11-12. haftadan başlayarak ovaryum taslaklarındaki ana hücreler (oogoniumlar) 20 kadar mitoz geçirip birincil oositleri meydana getirirler. 5. ayda sayıları 4 7 milyona ulaşan birincil oositlerde mayoz genellikle I. profazın diploten aşamasında durur.
Erkek Yaklaşık her 16 günde bir yeniden mitoz bölünmeler geçirerek birincil spermatositleri verir. Çok sayıdaki birincil spermatosit de hemen mayoz bölünmeye girerek sürekli biçimde ve çok sayıda (günde milyonlarca) sperm üretir Bir erkeğin örneğin 35 yaşına gelene kadar testislerinde 500 550 kadar mitoz bölünmenin meydana gelir Dişi Yenidoğanda gelişimini sürdürmüş olan birincil oosit sayısı 2 4 milyon Ergenlik çağında, aylık periyotta (sayısı 400.000 e indirgenmiş) oositlerden biri ya da birkaçı bölünmeye devam eder ve yumurta gelişimi mayoz II. profaz veya II. metafaza kadar ilerler. Mayozun tamamlanması ancak yumurta döllendiğinde fallop tüplerinde olur
Dölenme Zigot (2n) Birey (2n) Bu oluşum, bazı türlerde (örneğin insan) doğrudan bireyi vermeye yöneliktir. Bazı hayvanlarda ise (örneğin Drosophila) birkaç olgunlaşma evresi bulunur.
Drosophila melanogaster (Meyve sineği, sirke sineği) Yaklaşık 2-3 mm boyundadır. Yaşam çevrimi, 25 o C da yaklaşık 10 gün Döllenmiş yumurta Embriyo Birinci larva segmentli, hareketli ve hızlı besin tü. instar (deri değ.) İkinci larva kitinli deriyi değiştirir Üçüncü larva daha yavaş hareket eder Pupa boyu kısalır, hareketsiz kalır, kütikül tabakası kalınlaşır (5. gün) Ergin (10. gün)
Drosophila melanogaster de yaşam çevrimi (Goodenough ve Levine den).
Drosophila melanogaster in gelişim evreleri (Snustad ve Simmons dan).