GENOM ve EVRİMİ. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

GENOM ve EVRİMİ Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1. Genlerin Haritalanması 1.1.Genlere ait Farklı Şekilde Fiziksel Haritalar oluşturulabilir. Yapılan çalışmalar ve gelişen yeni teknolojiler ile genler farklı hızlarda taranabilir ve farklı gen haritaları oluşturulabilir. Bir canlıya ait genlerin tamamına Genom adı verilir. Genomun dizilenmesi ile o canlıya ait genlerin düzenlerine dair fiziksel haritalar yapılabilir. Bu fiziksel haritalar, restrüksiyon endonükleazlar yardımıyla Restrüksiyon haritaları veya kromozomların işaretlenmesiyle oluşturulan Kromozom haritaları şeklinde olabilir. Bu şekilde ortaya çıkan geniş bilginin işlenmesi, çalışılması, depolanması ve kullanılması için bilgisayarlardan yardım alınır. Bu durum ortaya Bioinformatik bilim dalının çıkmasını sağlamıştır. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.2. İnsan Genom Projesi 1990 Yılında başlatılan İnsan Genom Projesi dizileme teknolojisinin gelişmesini teşvik etmiştir. Bu sayede daha hızlı ve ucuz dizileme teknolojileri açığa çıkmıştır. Bu proje 6 ülkede 20 büyük dizileme merkezinde çalışılmış ve 2003 yılında büyük bir kısmı tamamlanmıştır. Kromozomlar analiz edilmeye çalışılmıştır. 1. Kromozoma ait elde edilen bilgiler araştırıcılar tarafından Neredeyse tamamlandı açıklamasıyla 2006 da yayınlanmıştır. İnsan genomunun yaklaşık 3 milyar baz-biriminden oluştuğu belirlenmiştir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Bu projenin avantajlarından biri J. Craig Venter tarafından 1998 yılında Tüm-Genomu Rastgele Tarama Yaklaşımı (whole-genome shotgun approach) yönteminin geliştirilmiş olmasıdır. Bu yaklaşım, DNA parçalarının rastgele küçük parçalara kesilmesi ve klonlanmasına dayalı bir uygulamadır. Günümüz de bu yöntem farklı genom çalışmalarında kullanılan önemli bir yöntemdir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Bu yöntemde (Şekil 21.2); 1.Adımda; bir kromozomu oluşturan DNA restrüksiyon endonükleazlar yardımıyla 400-1000 baz çifti olacak uzunluklarda kesilir. 2. Adımda bu parçalar klonlanır ve 3. adımda dizilenir. 4. ve Son adımda ise bilgisayarlarda bu diziler çakıştırılarak tamamlanır. 13 yılda bu çalışma için 100 Milyon Dolar harcanmıştır. Bu işlemin diğer canlı genomlarına uygulanması ile ortaya çıkan bilgilerin toplamına Metagenomiks (Metagenomics) adı verilmiştir. Bunları düzenleyen bilgisayar programları geliştirilmiş, 2012 yılında bunlara mikroorganizma türleride Mirobiom (Mcrobiom) adı ile eklenmiştir. Programın esasında insan ve tüm canlılarda yer alan ve/veya belirlenmiş baz dizileri arasındaki benzerlikler taranabilmektedir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.2.1 Biyoinformatik Araçlar Yukarıda anlatılan ve/veya benzer yöntemler ile elde edilen veriler farklı bilgisayar data banklarında depolanmakta ve çalışmalarda kullanılabilmektedir. Bunlar arasında en çok bilinenleri; National Library of Medicine and the National Institutes of Health (NIH) in oluşturduğu National Center for Biotechnology Information (NCBI) ve onun website (www.ncbi.nlm.nih.gov) yer almaktadır (Şekil 21.3). Benzer web sitelerine Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı (European Molecular Biology Laboratory) Japonya DNA Veri bankası (DNA Data Bank of Japan) ve BGI (Pekin Genom Enstitüsü, Beijing Genome Institute) Shenzhen, Çinde rastlamak mümkündür. Bunlarda NCBI ile bir arada çalışırlar.

NCBI veri bankası bir GenBankasıdır. 2013 Temmuz ayında veri tabınında 165 Milyon Genomik DNA fragment dizisi ve 153 Milyar baz birimi yer aldığı bildirilmiştir. NCBI veri tabanındaki bu veriler BLAST adı verilen bir program yardımıyla çalışılmaktadır. BLAST programı, siteyi ziyaret eden araştırıcılara, elde ettiği DNA parçasını, farklı canlılarda ve/veya aynı canlının farklı türlerindeki DNA dizileri ve protein dizileri ile karşılaştırmasını farklılıklarını, benzer başka parçalar bulunup bulunmadığını öğrenmesini sağlayabilecek bir yapıya sahiptir. İki araştırma merkezi Rutgers Universitesi ve Kalifornia Üniversitesi (University of California, San Diego), bu veri bankasından elde edilen sonuçları değerlendirerek 3boyutlu protein modellemesi yapabilen bir programla zenginleştirmişlerdir.

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Günümüzde Genom analizine yönelik bir diğer yaklaşım ise Genlerin ve Gen ekspresyonlarının sistemler düzeyinde belirlemesi çalışmalarıdır. Bu proje 2003 yılında başlamıştır. Adına ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) denilmektedir. Sistem biyologları tarafından yapılan bu araştırmalarda; Tanımlanan proteinlere ait genler, tanımlanmayan genler, RNA kodladığı düşünülen genler, gen ekspresyonun düzenlenmesinde yer alan enhancerlar ve promotorlar, histon proteinleri ne ait veriler bilgisayarlara yüklenir. Yeni tanımlanan yada görevi tam bilinmeyen DNA parçalarına ait veriler ve bunların gen ekspresyonunda izledikleri yollar elde var olan bilgiler; bilgisayarlar yardımıyla değerlendirilmeye çalışılır (Şekil 21.4). Bunlardan yola çıkılarak proteinlerin yapı ve görevlerine ait bilgilere ulaşılmaya çalışılmaktadır. Bu da Proteomiks (Proteomics ) kavramını ve konusunu gündeme getirmiştir.

Sistem biyolojisi çalışmalarının Tıbbi alanlara uygulanmasıyla insan genom çipleri oluşturulmuştur (Şekil 21.5). Bu çiplerin sağlık alanında erken teşhis için kullanılması düşünülmektedir. Bu amaçla genetik mutasyonları belirlenmiş 3 kanser (Akciğer Kanseri, Ovaryum Kanseri ve Beyinde gelişen Glioblastoma) vakası esas alınarak Amerikan Ulusal Kanser Enstitüsü ve NIH insan genom çipini geliştirmişlerdir. Henüz 2010 dan beri ön deneme aşamasında olan çipler kullanılmakta ve geliştirilmesi düşünülmektedir.

1.3. Genomların Çeşitliliği, Gen Sayısı ve Gen Yoğunluğu (Tablo 21.1 ve 2) 2013 Nisan ayında 9600 genomdan 4300 den fazla genomun dizilenmesi tamamlanmıştır. Bunlar arasında 4000 tane bakteri, 186 archeal genom ve 183 ökaryotik (vertebratlar, invertebratlar, protistler, fungilerve bitkiler) genom yer alır. 370 civarında metagenom geliştirilmiştir. Bu sayede genomların genişliği ve çeşitliliğine dair bilgiler elde edilmeye çalışılmaktadır. Buna ek olarak gen sayıları ve yoğunluklarına dair farklılıkları da anlamaya ve öğrenmeye çalışmaktayız

1.4.Çok Hücreli ökaryotlarda Kodlanmayan genler ve Gen Aileleri Yapılan çalışmalar DNA nın büyük bir kısmını bilmediğimizi ortaya koydu. Buna göre insan genom projesi sonucunda insan DNA sının ancak %1.5 tan az kısmının proteine çevrilen, trna ve rrna olarak tanımlandığını gösterdi. DNA nın büyük bir kısmını tekrar eden dizilerin oluşturduğu belirlendi (Şekil 21.6). Hem Prokaryotlarda hem de Ökaryotlarda yer alan bu hareketli yapılar Transpozon adını alırlar. Memelilerde Transpozon yapısındaki diziler genomun ortalama %45-50 sini oluşturur. Amfibia ve bitkilerde daha fazla hatta mısır bitkisinde genomun %85i bu hareketli elemanları içerir. Diğer hareketli DNA parçaları yaklaşık 300 baz biriminden oluşan Alu Fragmentleri dir. Bunlarda memeli genomunun yaklaşık %10 nunu oluşturuyor. Transpozonlar, kendini tekrar eden ve hareketli DNA birimlerini içerirler ve temelde 2 çeşittirler. Bunlardan ilki DNA içinde ve DNA yoluyla hareket eden Transpozonlar (Şekil 21.8) İkincisi ise RNA yoluyla hareket eden Retrotronspozonlardır (Şekil 21.9). İnsan genomunda yer alan retrotranspozonlarda Line-1 denilen grup, Alu fragmenleri-parçalarından biraz daha uzundur yaklaşık 6500 baz birimi içerir. Bu grupta İnsan genomunun %17 sini oluşturur. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Genomda görülen diğer kendini tekrarlayan parçalar arasında; 10.000-300.000 baz birimleri içeren basit DNA dizileri (Simple DNA squence) yer alır.... GTTACGTTACGTTACGTTACGTTACGTTAC.. şeklinde, tek bir tipine rastlanmıştır. (GTTAC) Dizisinde arka arkaya gelen kısa tekrar dizileri (=Short Tandem Repeats=STRs) genomdaki ayırıcı bölgeler için en yaygın işaretleyicilerdir ve onların fenotipteki etkileri oldukça kıymetlidir. İnsan genomunun yaklaşık %3 ünü oluşturur. GENLER ve ÇOKLU GEN AİLELERİ Bir gen dizisi yada gen grubu bakteriden, bitkiye ve hayvana kadar bir çak canlı grubunda görülüyorsa bunlara çoklu gen aileleri adı verilir. Canlılarda yer alan kodlanan ya da kodlanmayan düzenleyici genler (intronlar, regülator genler, trna ve rrna genleri vbg) yaklaşık olarak canlı genomunun %6 sını, (insan genomunun yaklaşık %25 ni) oluşturur. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

GENLER ve ÇOKLU GEN AİLELERİ (Devam) Bu aileler de yer alan genler, 2 veya daha çok ortak gen içerir. Bunlar genellikle benzer histon proteinlerini ve rrna birimlerini kodlayan genlerdir (Şekil 21.10a). Milyonlarca Ribozomun yapımında görev alırlar. Bununla beraber aynı olmayıp benzer görevli farklı canlılarda yapan genlerde vardır. Buna en iyi örnekte Globlin genleridir (Şekil 21.10b). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.5.DNA nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve Mutasyonlarının Genom Evrimine Katkısı Hücre bölünmesi sırasında meydana gelen hataların tamamının veya bir kısmının düzeltilememesi ve kopyalarının ortaya çıkması bir hata birikimine yol açabilir. Bu sapma tüm kromozom setlerinin dizisini etkiler ve değiştirebilir. Buna poliploidi adı da verilir. En sık bitkilerde görülür ve onların yeni türler oluşturmasına yardımcı olur. Genomların kromozomal organizasyonlarının değişmesi ve bu değişimlerin karşılaştırılması türler arasında evrimsel ilişkiler hakkında bilgi verir (Şekil 21.11 ve 21.12). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.5.DNA nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve Mutasyonlarının Genom Evrimine Katkısı (Devam) Kısaca kromozomların belirli bir türü içinde, yeniden düzenlemesi, yeni türlerin ortaya çıkmasına katkıda bulunduğu düşünülmektedir (Şekil 21.13). Örneğin Globin genlerine bakıldığında, bu genlerin farklı canlılarda kısmen farklı görevlerde çalışmalarına karşın bir ortak atadan geldiğini gösteren büyük dizi benzerlikleri vardır. Globin geninde, bu farklılıkların hangi evrim basamaklarında olduğu ve hangi aşamalarda α-globin ve β-globin olarak atasal globin den uzaklaştığı bilinmemektedir (Şekil 21.14). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.5.DNA nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve Mutasyonlarının Genom Evrimine Katkısı (Devam) Buna sonradan çoğaltılma aşamasında ve rastgele mutasyonlarla ulaşıldığı düşünülmektedir. Bunun dayanak noktasıda, oksijen bağlayan kısmın hemen hemen mevcut her globin gen tipinde aynı şeklide kodlanması ve oluşmasıdır. Benzer olarak diğer bazı çoklu genlerin kopyaları farklılaşabilir. Örneğin lizozim ve α- laktalbumin proteinlerinin kodlan ve işlevleri de hemen tamamen hücrelerde farklılık gösterebilir (Şekil 21.15). Genler arasındaki ekzonlarının sırası ve işlevide yeniden düzenlenebilir. Buna ekzon karıştırma (Exon Suffling) veya ekzon duplikasyonu (Exon Duplication) adı verilir (Şekil 21.16). Bu durumda evrim içinde, birden fazla kopyası olan genlerin daha sık görülmesine yol açmıştır. Hareketli transpoze elemanların varlığı ve/veya rekombinasyonları, aynı elementin kopyalarının yeni bir dizi kombinasyonu göstermesine yol açabilir. Bunun organizmaya faydası ve/veya zararı genlerin fonksiyonları, ifade ve düzenlenme kalıplarına göre değişebilir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

1.6 Genom Dizilimlerinin Evrime ve Gelişmeye Katkıları Yakın ve uzak akraba geneomlarının karşılaştırılması, geçmişte yaşamış türler ve günümüzde yaşayan türler için değerli, bilgiler kazandırmıştır (Şekil 21.17). Tek nükleotit polimorfizm analizleri (Single Nucleotid Polymorphisms, SNP) ve nükleotid polimorfizmleri ve kopyalama sayısı varyantları (Copy-numbers variants, CNVs) çalışmaları türler arası ilişkilere ve bağlantılara ışık tutmaktadır. Evrimsel gelişim (Evolution Development, Evo-Devo) çalışmalarıyla biyologlar, hayvan ile ilişkili olan homeotik genleri ve diğer bazı genlerin, Gelişmeye etkili dizilerin özgün kutuda (homeoboxs) bölgesinde yer aldığını ve oldukça korunduğunu göstermişlerdir (Şekil 21.19 ve 21.20). Benzer bağlantılı ve benzer dizilerin bitki ve maya genlerde bulunduğu belirlenmiştir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Kaynaklar Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 3, Part:21, p: 436-461 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER