T.C. FIRAT ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİYOLOJİ BÖLÜMÜ DNA nın Keşfinin 50. yılının ardından GENOM PROJELERİ YÜKSEK LİSANS SEMİNERİ HAZIRLAYAN: Dilek SADAK DANIŞMAN : Yrd. Doç. Dr. Dilek TURGUT-BALIK
1. GİRİŞ
DNA nın üç boyutlu çift sarmal yapısının James Watson, Francis Crick ve onlar kadar tanınmamış iki bilim adamı Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins ile çalışma arkadaşlarınca keşfinin üzerinden yarım yüzyılı aşan bir süre geçmiştir.
2003 de DNA nın keşfinin 50. yılı kutlanmıştır.
"Deoksiribonükleikasit (D.N.A) tuzu için bir yapı önermek isteriz. Bu yapının biyolojik önemde yeni özellikleri vardır". Watson ve Crick Nature'daki makalelerine böyle başlamışlardır. "Kendini kopyalayabilmek" kalıtsal malzemede "bilgi depolamak" gibi olmazsa olmaz özelliklerden birisidir.
Genetik malzemenin yapısı bir kez bulunduktan sonra bilim adamları üzerinde çalışabilecekleri bir modelde hızla ilerlemişlerdir. Bilim adamları genetik mekanizmanın temellerini çözdükten sonra ilgilerini onun üzerinde oynayabilecekleri yöntemlere çevirmişlerdir: Gen aktarımı, gen mühendisliği, genetik kopyalama, genom projesi son on yıl içinde zihinlere yerleşen terimler olmuştur.
Dr. Martin Kemp "Tarih bazı süper görüntüleri gerçek kullanım alanlarından başka alanlarda da hayatımıza sokmuştur. Bu görüntülerden ilki 1503 yılında Leonardo da Vinci tarafından yapılan Mona Lisa tablosudur demiştir. Tarihte hiçbir molekül yapısı DNA molekülünün ulaştığı üne ulaşamamıştır.
1950 sonlarından itibaren DNA molekül yapısı sembol olarak Salvador Dali'ye ilham kaynağı olmuş ve sanatçı "Kelebekler Vadisi" adlı tablosunu yapmıştır.
Mark Curtis DNA molekül yapısı için alternatif yeni bir yapı şekli ortaya atmış ve bu yapıyı "Milenyum Koleksiyonu" olarak pul üzerine bastırmıştır.
26 Şubat-2 Mart 2003 tarihleri arasında "Cold Spring Horbour Laboratory" da "The Biology of DNA" adlı bir toplantı düzenlenmiş ve katılımcılardan hatıra defterine DNA molekül yapısından esinlenerek imza atmaları istenmiştir.
2. GENOMİK İN TARİHÇESİ
Rat ve tavuk genomları tamamlandı projeler devam etmektedir
3. GENOMİK İN GELİŞİMİNDEKİ MAJOR VE MİNOR TEMALAR
Genomik çalışmalar sonrası ortaya çıkan ve ileriki dönemlerde incelenmesi gerektiği düşünülen bilgiler 3 major ve bunları kesen 6 minor temaya ayrılmıştır.
MAJOR TEMALAR
Biyolojiye Yönelik Genomik Bu alandaki çalışmalar kısaca genomun yapısının ve fonksiyonunun tespiti olarak açıklanabilir. İnsan ve seçilen bazı organizmaların genom dizisinin belirlenmesi biyoloji ve biyolojik ilaçlar için temel bilgiyi teşkil eder.
Organizma (genel isim) Ekmek Mayası Organizma (özel isim) Saccharomyces cerevisiae Taksonomi Fungus Projenin Durumu Tamamlandı Pirinç Oryza sativa Bitki Tamamlandı Rat Rattus norvegicus Memeli Tamamlandı Şempanze Pan troglodytes Memeli Devam ediyor Fare Mus musculus Memeli Devam ediyor İnsan Homo sapiens Memeli Tamamlandı Plasmodium Plasmodium Plasmodium falciparum Plasmodium vivax Parazit Parazit Tamamlandı Tamamlandı Plasmodium P. yoelii yoelii Parazit Tamamlandı
Plasmodium Genom Projeleri Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından açıklanan rakamlara göre dünya nüfusunun yüzde 40'ını tehdit eden sıtmaya her yıl dünyada 300-500 milyon kişi yakalanmakta ve yaklaşık 3 milyon insan bu hastalıktan ölmektedir. Plasmodium ların var olan ilaçlara karşı direnç göstermeye başlaması bilim adamlarını alternatif mücadele yöntemleri geliştirmeye zorlamaktadır.
İnsanı infekte eden P. falciparum un en ölümcül tür olması bu organizmanın önemini artırmaktadır. P. falciparum, genom dizisi açıklanan ilk ökaryotik parazittir ve genom dizisinin tamamı 2002 de yayınlanmıştır. İnsanı infekte eden ve hem dünyada hem de Türkiye de en yaygın Plasmodium türü olan P. vivax 'ın genom projesi 2004 de bitirilmiştir.
Şempanze Genom Projesi İnsan şempanze DNA karşılaştırması iki canlı arasındaki farklılıkların beklenenden daha karmaşık olduğunu ortaya çıkarmıştır. Şempanzenin 22. kromozomu ile bunun insanda karşılığı olan 21. kromozomun dizilimi karşılaştırılmış, önemli farklılıkları ortaya koymuştur.
Şempanzenin 22. kromozomunun %1.44'ünün, SNP (Single nucleotide polymorphisms) den meydana geldiği; 68.000'e yakın bölgede de indels (insersiyon ve delesyon) lere sahip olduğu anlaşılmıştır.
Sağlığa Yönelik Genomik Sağlığa yönelik genomik genom bazlı bilgilerin sağlığa uygulanması olarak nitelendirilebilir.
Genetik olan ve olmayan etkilerin tam olarak anlaşılması sonucu hastalıklara uygulanan tedavi yöntemleri değişecek, korunma yolları geliştirilebilecektir. Genomik bilginin tedavi alanında kullanılabilmesi amaçlı mekanizmalar geliştirilmesine imkan tanıyacaktır. Bu mekanizmalarla bireysel gengen ve gen-çevre etkileşimi açıklanıp vücut ilaç direnci anlaşılabilecek ve bireye özgü ilaç teknolojisi olarak bilinen farmakogenetik bilimlerinin gelişmesine neden olacaktır.
Genetik yapının bilinmesi sağlıklı yaşamı şu yollarla etkileyebilir: Birey sahip olduğu genetik riskleri bileceğinden çevresel faktörlerden ne derece etkileneceğini tahmin edebilir. Kişiye özgü tedaviden yararlanılabilir. Sağlık harcamaları düşer.
Fare ve Sıçan Genom Projeleri İnsanlar ve şempanzelerden sonra fareler ve sıçanlar gen haritası tamamlanan diğer memelilerdir. İlaç araştırmalarında fare ve sıçanlar, insanlar üzerinde yapılacak klinik deneyler öncesinde ilaçların etkinliğini ve yan etkilerini belirlemede kullanılmaktadırlar.
Fare genom haritasının taslağı 2002 yılında açıklanmıştır. 2,75 milyar baz çiftine sahip sıçan genomu, yaklaşık 3 milyar baz çiftine sahip insan genomundan daha küçük 2,6 milyar baz çiftinden oluşan fare genomundan ise daha büyüktür.
Topluma Yönelik Genomik Toplum açısından bu çalışmalar; ırk ve etnik grupların tespiti, toplum kökenlerinin araştırılması, kriminal davaların çözümlenmesinin kolaylaşması, sahip olunan genetik kodun davranışlara etkisinin çözümlenmesi amaçlı kullanılacaktır.
Genomik çalışmalar olabildiğince topluma yararlı yönde olmalı, toplum sağlığını ve varlığını tehdit edecek yönde kullanılmamalıdır.
İnsan Genom Projesi
Projenin temel amacı; İnsan kromozomlarının fiziksel haritasını çıkarmak, İnsan DNA sında bulunan yaklaşık üç milyar baz çiftinin dizilimini ve bunları oluşturan genlerin yerini tespit etmek, Genlerin daha ileri biyolojik araştırmalar için ulaşılabilir kılınmasını sağlamak,
Diğer organizmaların da genom dizilerini belirleyerek insanınki ile karşılaştırmak, Bunun gerçekleştirilmesi için yeni teknikler geliştirmek, Elde edilecek bilgileri tarım, sağlık, çevre, enerji gibi alanlarda değerlendirmek, Proje sonucunda ortaya çıkabilecek ahlaki, sosyal ve yasal unsurları belirlemektir.
İnsan Genom Projesi nin ilk çalışmalarında iki yol izlenmiştir: İnsan ve fare genomları haritalanarak genetik hastalıklar üzerinde çalışılmış ve genom taslağı oluşturulurken bu bilgiler kullanılmıştır. Küçük ve basit organizmaların genomu kullanılarak yeni metodlar geliştirilmiş ve insan genomunun açıklanmasında yardımcı bilgi olarak kullanılmıştır.
Resmi olarak 1990 yılında başlayan projenin gelişim sürecinde; Kasım 1990 da bir milyarıncı baza ulaşılması kutlanmıştır. Haziran 2000 de İnsan Genom Haritası nın %90 nından fazlasının tamamlandığını açıklamıştır.
Şubat 2001 de International Human Genome Sequencing Corsortium (IHGSC) ve Celera Genomics Şirketi nin her birinin ayrı ayrı yayınladığı raporlar insan genomunun ilk ayrıntılı taslak dizisini ortaya koymuştur: Celera Genomics insan genlerinin toplamının 26-29 bin civarında olduğunu rapor etmiştir. Konsorsiyum insan genomunda 20-25 bin protein kodlayan genin bulunduğunu, geçerli genom dizisinin 2.851.330.913 nükleotid kapsadığını rapor etmiştir.
Raporda ökromatik genomu %99 oranında doğru ve 100.000 bazda 1 hata oranı içerebileceği belirtilmiştir. Ökromatik genom yaklaşık 2.88 Gb tır. İnsan genomunun tamamı yaklaşık olarak 3.08 Gb tır. Geriye kalan 0.20 Gb lık kısım heterokromatik genomdur ve henüz tespit edilmemiştir.
İnsan genom katalogunda 19.438 i bilinen gen, 2.188 i ise tahmin edilen gen olmak üzere 22.287 gen lokusu bulunmaktadır. Gen lokusları, lokus başına yaklaşık 10.4 ekson, transkript başına ise yaklaşık 9.1 ekson olmak üzere toplam 231.667 eksona sahiptir.
Bu dizilerin tespitinden sonra; İnsan genomunun sistematik olarak çalışması, Genlerin tanımlanması, Proteinlerin yapılarının tanımlanması, Yer değiştirebilen elementlerin araştırılması Polimorfizmin dağılımının belirlenmesi, Genetik rekombinasyon ve fiziksel mesafe arasındaki ilişkinin anlaşılması mümkün olmuştur.
İnsan Genom Projesi nin sağlayacağı düşünülen faydalar; İnsan genomundaki bireysel farklılıkların bulunması, Genetik hastalıkların erken safhada tespiti, Farklı canlı gurupları arasında genomun nükleotid diziliminin karşılaştırılması,
Farmakolojide yararlanılması Mikrobiyal genomikte yararlanılması, Biyoarkeoloji ve insan göçleri konusunda yapılan çalışmalara faydası, Hayvancılık, ziraat ve bio-endüstri sahasında yapacağı katkılar,
İnsan Genom Projesi nin ortaya çıkaracağı muhtemel zararlar; Genetik bilgilerin kişiye kalması ve gizliliği konusunda tehlike beklentisi, Genetik üstünlükler kazandırılmasına yönelik kaygılar, Gen tedavisi ile ilgili kaygılar, Genetik testlerle ilgili moral kaygıları, Ticari konularla ilgili kaygılar vardır.
İnsan Genom Projesi ile ilgili cevap bekleyen sorular: Bir kişiye ait özel bilgilere kimler sahip olacak ve kimler kontrol edebilecek? Genetik programımızın gizliliği ne ölçüde korunabilecek? Ferdi genetik farklılıkların deşifre edilmesinin fert ve aile üzerindeki psikolojik tesirleri nasıl azaltılabilecek?
Hiçbir tedavi imkanının olmadığı hastalıklar için de genetik test yapılması ve kişinin önceden bu hastalığını bilmesi doğru bir yaklaşım olacak mı? Gelecekte genetik hastalıkları tedavide ve önlemede kullanılabilecek gen tedavisinin uygulama kriterleri neler olacak? Gen tedavisini kullanarak genetik bakımdan iyileşme sağlandığını söylemek (yaşı uzatmak, zekayı, güzelliği geliştirmek gibi) etik açıdan kabul edilebilir mi? Bu işi yaparken çok daha kötü neticeler ortaya çıkarsa bunun sorumluluğunu kim taşıyacak?
MİNOR TEMALAR
Kaynaklar Genomik çalışmaların en temel kaynağı öncellikle insan, diğer memeliler ve insan çalışmaları öncesi üzerinde durulan omurgasız canlıların genom dizisidir. Vektörler, protein çipleri, oluşturulan veri tabanları genomik çalışmalara kaynak olmuştur.
Kullanılan Teknoloji Gelişimi Tüm genomik çalışma ve gelişmeler önceleri Sanger dizileme tekniği, sonra otomatik dizileme ve PCR teknolojisinin gelişimiyle hız kazanmıştır.
Tahmin ve Hipotez Oluşturulması Tahmin ve hipotez oluşturulması, problemlerin çözümü, problemlere yeni yaklaşımlar getirilmesi ve çevre-genetik etkileşimlerinin çözülmesi amaçlı olacaktır.
Bilim İnsanı Yetiştirme Bilimsel, tıbbi, sosyal alanlarda araştırma yapacak bilim adamları karşılaşacakları biyolojik sistemleri anlayıp bu bilgiyi insanlık yararına kullanabilecek şekilde yetiştirilmelidir.
Etik, Yasal ve Sosyal Uygulama Tüm alanlardaki genom çalışmalar etik kurallara uygun olarak yapılmalıdır. Gerekli düzenlemelerin oluşturulması için ELSI (Ethical, Legal and Social Issues) adı verilen biyoetik araştırma programı kurulmuştur. Genetik bilgilerin ulaşılması ve kullanılması, bunların yanı sıra veritabanlarında, doku ve örnek arşivlerinin de korunması bakımından uygun politikaların geliştirilmesi gerekmektedir
Eğitim Sağlık personelinin genomik araştırma sonuçlarını verimli kullanabilmeleri, toplumun kendilerine uygulanan tedavileri anlayıp verimli kullanabilmesi amacıyla konuyla ilgili olarak bilgilendirilmelidir.
4.TÜRKİYE VE GENOM PROJELERİ
Türkiye Ulusal Genom Projesi oluşturmamış ülkeler arasında yer almaktadır. Ülkemizin moleküler biyoloji konusunda yetişmiş insan gücü, yeterli düzeydedir. İnsan, hayvan, bitki ve mikroorganizma genom projeleri, yaşantımıza yön veren etkinliklere dönüşmüşlerdir. Ulusal Genom Araştırmaları Projesi adı altında geliştirilecek bir programla yaygın bir alana dağılan genom uygulamaları, bağımsız ama çok katılımlı bir bilim ve teknoloji projesi altında birleştirilmedir.
5. SONUÇ
Sonuç olarak diyebiliriz ki; genomik araştırmaların geleceğine bakılınca, olabileceklerin hem mutluluk verici hem de korkutucu yanları olduğu görülmektedir. Bugün genom projesi tamamlanmış, hayvanlarda klonlama modelleri oluşturulmuş ve hatta insan embriyosu klonlanmıştır. Gelecekte yapılması gerekenler ise genom projesi temeli üzerine kaynakları, eğitimi ve teknolojiyi kullanarak yeni katlar çıkmak ve bunların tümünü insanlık yararına kullanmaktır.