C H A P T E R 2 Genler ve Genomlar Yrd. Doç Dr. Aslı Sade Memişoğlu PowerPoint Lecture by: Melissa Rowland-Goldsmith Chapman University
Chapter Contents 2.1 Hücre yapısı 2.2 Yaşamın molekülü 2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar 2.4 RNA ve Protein Sentezi 2.5 Mutasyonlar: Sebep ve sonuçları 2.6 Epigenom
2.1 Hücre yapısı Tüm hücreler aşağıdaki yapılara sahiptir: Hücre zarı Hücre içeriğini saran çift katmanlı lipid tabaka. Sitoplazma çekirdek ve hücre zarı arasında, hücrenin içeriği. Organeller Hücrenin belirli işlevler için özelleşmiş yapıları
2.1 Hücre yapısı Ökaryot ve prokaryot hücreler arasındaki farklar Hücre tipi Gerçek bakteriler, arkeabakteriler Insert table 2.1 Protista, mantar, bitki, hayvan hücreleri Büyüklük Yapı Çekirdek yok; DNA sitoplazmada. Organel yok DNA zarla çevrili çekirdek içinde. Pekçok organel
2.1 Hücre yapısı Prokaryotik hücreler Hücre duvarı Hücre zarı Ribozomlar Nükleoid (kromozom) Kapsül
2.1 Hücre yapısı Eukaryotik hücreler Bitki hücresi Hayvan hücresi Insert figure 2.2
2.1 Hücre yapısı Hücre zarı: sıvı- mozaik, dinamik, karmaşık çift katmanlı fosfolipid tabaka İşlev: hücre tutunması, hücre-hücre iletişimi, hücre şekli, hücre içine ve dışına molekül taşınması, seçici geçirgen Sitozol: sitoplazmayı oluşturan, besince zengin, jele benzer sıvı Organel: Kimyasal tepkimelerin ve hücresel süreçlerin gerçekleştiği bölmeler Her organelde belirli tepkimeler gerçekleşir Hücre içindeki tepkimelerin koordinasyonunu sağlar
2.2 Yaşamın molekülü DNA nın kalıtılan genetik materyal olduğuna dair kanıtlar 1869 Friedrich Miescher: "nüklein" Proteazlar tarafından parçalanamadığı görüldü Buna göre kalıtım materyali protein olablir miydi? Nükleinlerin asit özelliği gösterdiği keşfedildi: «nükleik asit» olarak adı değiştirildi DNA ve RNA
2.2 Yaşamın molekülü DNA nın kalıtım materyali olduğuna dair kanıtlar 1928 Frederick Griffith 2 bakteri suşu (Streptococcus pneumoniae) Virütik hastalığa yol açan S hücreleri ve zararsız R hücreleri S hücrelerinin kapsülü var R hücrelerinde kapsül yok Farelere: a) S hücreleri; b) R hücreleri; c) ısı ile öldürülmüş S hücreleri veya d) ısı ile öldürülmüş S hücreleri ile canlı R hücrelerinin karışımı verilmiş ve farelerin yaşayıp yaşamadığı gözlenmiştir
Canlı S hücreleri Canlı R hücreleri Isı ile öldürülmüş S hücreleri Isı ile öldürülmüş S hücreleri ve canlı R hücreleri Fare ölür S hücreleri farenin bağışıklığından kapsül sayesinde korunur Fare sağlıklı Kapsül içermeyen mutant R hücreleri zararsız Fare sağlıklı Isı verilmiş S hücreleri zararsız Fare ölür Ölü S hücreleri ve canlı R hücrelerinin karışımı öldürücü Kapsülü oluşturan makromoleküller nelerdir? Neden R hücrelerne değil de S hücrelerine ısı verilmiştir? D de görülen dönüşümü tartışınız Canlı S hücreleri ölü farenin kanında bulunur
2.2 Yaşamın molekülü Transformasyon (dönüşüm): Yabancı DNA nın başka bir bakteri tarafından alınması Isı uygulaması S hücrelerinin kapsülünü parçalayıp DNA nın açığa çıkmasına sebep olur Canlı R hücreleri S hücre DNA sını almış ve dönüşüm geçirerek öldürücü olmuştur Moleküler biyologlar farklı genleri bakteriye klonlama amacıyla aktarmak için transformasyonu rutin olarak kullanırlar
2.2 Yaşamın molekülü DNA yapısı DNA nın yapıtaşı nükleotitdir Her nükleotit Pentoz (5-karbon) şeker - deoksiriboz Fosfat molekülü Azotlu baz dan oluşur Azotlu bazlar nükleotitin değişebilen bileşenidir Adenin (A), timin (T), guanin (G), sitozin (C)
2.2 The Molecule of Life Deoksiriboz ve riboz arasındaki fark?
2.2.1 DNA yapısı Rosalind Franklin ve Maurice Wilkens sarmal yapıyı kanıtlayan x-ışını kristalografisini kullandılar James Watson ve Francis Crick bu veriyi; ve Chargaff baz eşleşmesi kurallarını kullanarak DNA nın yapısını ortaya çıkardılar «Nükleik asitlerin moleküler yapısı: Deoksiriboz nükleik asit için bir yapı» Nature dergisinde 25 Nisan 1953 de yayınlandı
2.2.1 DNA yapısı Nükleotitler uzun DNA molekülleri oluşturacak şekilde birleşirler ve her DNA molekülü birbiri üzerine sarmal oluşturacak şekilde dolanan iki zincirden oluşur Bir zincirdeki nükleotitler birbirlerine fosfodiester bağı ile bağlıdır Fosfodiester bağı iki nükleotitin hangi bileşenleri arasında olur? Her zincirin polaritesi vardır 5' ucu ve 3' ucu
5 ucu 3-5 fosfodiester bağı 3 ucu 2012 Pearson Education, Inc. Figure 10.10a
2.2.1 DNA yapısı İki DNA zinciri hidrojen bağları ile bir arada tutulur Tamamlayıcı bazlar arasında hidrojen bağı olur Adenin (A) timinle (T) Guanin (G) sitozinle (C) İki zincir antiparaleldir (birbirine zıt yönde)
2.2 The Molecule of Life Belkemiğini şeker ve fosfat oluşturur
2.2.2 Gen nedir? Hücrelere belirli bir protein veya RNA sentezlemesi için talimat sunan nükleotit dizileridir Ortalama 1000 4000 nucleotit uzunluğundadır Genler, hücrelerin, dokuların ve organların nasıl görüneceğini belirler *Her gen protein kodlamaz trna, rrna
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Kromozom yapısı Kromozomlar DNA nın paketlenmiş hali Kromatin DNA ve bağlanma proteinlerinin oluşturduğu iplikçikler Hücre bölünmediği zamanlarda DNA nın bulunduğu şekil Hücre bölünmesi sırasında DNA kendi üzerine katlanarak kromozomları oluşturur Neden DNA nın bu şekilde katlanması gerekir?
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Çoğu insan hücresi 23 kromozom çifti bulundurur (anne ve babadan) toplam 46 kromozom Homolog çiftler Otozomlar 1-22 arasındaki kromozomlar Eşey kromozomları 23. kromozmlar X ve Y kromozomları Gametler (eşey hücreleri) 23 adet kromozom bulundururlar (haploid, n) Vücuttaki diğer tüm hücreler somatik hücredir
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Ökaryot kromozomlarının özellikleri Bir kromozom, kardeş kromatit denilen 2 adet çubuk biçimli yapıdan oluşur DNA eşlenmesi sırasında oluşan birbirlerinin tam kopyası Hücre bölünmesi sırasında kardeş kromatitler ayrılır Her kromozomun bir adet sentromeri bulunur Birbirine dolanmış DNA ve protein bölgesi kardeş kromatitleri bir arada tutar ayrıca iğ ipliklerine bağlanmayı sağlar Sentromer her kromatiti p ve q kollarına ayırır Kromozomların her kolu tekrarlı nükleotit dizileri içeren telomer ile biter kromozomları çekirdek zarfına bağlar Telomerler kromatitlerdeki genlerin bütünlüğünü korur
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Kromozom organizasyonu Telomer p-kolu Kromozom Kromatit Kromatit Hücre İkili sarmal Gen Sentromer Çekirdek q-kolu Nükleozomlar Telomer Histonlar Yaşlanma sırasında telomerler kısalı, bunun sonucu ne olabilir?
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Karyotip- Kromozom sayısı ve temel yapısını incelemek için kullanılan yöntem Hücreler mikroskop lamına yayılır, belirli kimyasallarla muamele edilerek kromozomlar ortaya çıkarılır ve boyanır Boyanma şekli ve boyuta göre kromozomlar eşleştirilir Trizomi 21 (Down sendromu) durumunda bu karyotip nasıl görünürdü?
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar DNA eşlenmesi Somatik hücreler mitoz ile bölünürler Her yeni hücre ana hücre DNA sının aynısını alır Bunun için mitozdan önce DNA eşlenmelidir
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar DNA eşlenmesi Eşey hücreleri mayoz ile bölünür ata hücre 4 adet yavru hücre oluşturur Burada yavru hücrelerdeki DNA ata hücrenin tıpatıp aynısı değildir Kromozom sayısı yarıya düşer
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Yarı korunumlu eşlenme DNA eşlenmesi bittiğinde her ikili sarmal bir eski bir de yeni DNA zinciri içerir Atasal DNA Ayrıldıktan sonra her atasal DNA kalıp olarak görev yapar 2 adet yeni DNA molekülü Atasal zincir Yeni sentezlenen zincirler Atasal zincir
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar DNA eşlenmesi adımları 1. DNA sarmalının açılması Helikaz enzimi iki zincirin bazları arasındaki hidrojen bağlarını kırar ve ikili sarmalı fermuar gibi açar Bu açılma eşlenme (replikasyon) başlangıç noktalarında oluşur 2. Primer adı verilen 10-15 nükleott uzunluğunda RNA moleküllerinin eklenmesi Normalde DNA sentezini gerçekleştiren DNA polimeraz enzimi sıfırdan sentez başlatamaz Bu sebeple önce eklenen RNA molekülleri DNA polimerazın bağlanmasını sağlar
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar 3. DNA nın kopyalanması DNA polymeraz enzimi RNA primerlerine bağlanır Kalıp DNA zincirlerinin tamamlayıcı zincirlerini oluşturmak için ortamdaki nükleotitleri kullanır Her zaman tek bir yönde çalışır 5' den 3' yönünde
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Eşlenme ilerledikçe iki zincirden sadece biri kesintisiz senteze kalıp oluşturabilir kesintisiz zincir Diğer zincir kesintili olarak sentezlenir kesintili zincir Çünkü sentez sadece 5-3 yönünde olabilir kalıp DNA buna göre 3-5 yönünde okunur fakat çatal aynı yönde ilerler bir zincir tersten okunuyor gibi düşünülebilir Kesintili zincirin her parçasına Okazaki parçaları adı verilir. Her parçada bir RNA primeri bulunur Sonrasında DNA polimeraz I bu primerleri keser ve DNA parçaları ligaz enzimi tarafından birleştirilir
Başlangıç RNA primeri Dna sentezi 2012 Pearson Education, Inc. Figure 11.11
Kesintili zincir Kesintisiz zincir 2012 Pearson Education, Inc. Figure 11.12
2.3 Kromozom yapısı, DNA eşlenmesi ve genomlar Genom Bir organizmanın hücresindeki tüm DNA DNA yaşam için bilgileri genler halinde barındırır İnsan genomu 3 milyar baz DNA arasına dağılmış 20,000 genden oluşur! Genomik neyi çalışır? 20032te sona eren insan genom projesinin amacı neydi?
2.4 RNA ve Protein Sentezi Transkripsyon genler DNA şifresinden RNA şifresine dönüştürülür Translasyon RNA şifresi (genlerin birebir kopyası) genetik koda göre protein olarak okunur Hücre özellikleri RNA ve protein sentezi ile, DNA bir hücrenin tüm özelliklerini kontrol eder
2.4 RNA ve Protein Sentezi Transkripsiyon Sadece kromozomların gen içeren bölgelerinde gerçekleşir RNA polimeraz DNA yı açar ve bir DNA zincirini RNA olarak kopyalar Önce promotor bölgesine bağlanır Konsensus (değişmeyen) nükleotit dizisi Transkripsiyon faktörleri (TF) Dna üzerinde belirli bölgelere bağlanan proteinlerdir işlevleri RNA polimerazın promotor bölgesini bulmasına yardım etmektir TF ler transkripsiyonu hızlandırabilir (Red Bull gibi) veya transkripsiyonu durdurabilir (Tylenol gibi) Belirli DNA dizileri (artırıcılar) de transkripsiyon hızını değiştirmek üzere görev yapar
2.4.1 Transkripsiyon RNA polimeraz, promotoru tanıyıp bağlandıktan sonra DNA kalıp zincirinin başlangıç noktasındaki ilk nükleotide komplementer olan nükleotiti ekler. RNA polimerizasyonu, bir sonraki komplementer ribonükleotidin girmesi ve bir öncekine fosfodiester bağı ile bağlanması şeklinde meydana gelir. Bu işlem 5-3 yönüne doğru devam eder.
2.4 RNA ve Protein Sentezi
2.4 RNA ve Protein Sentezi mrna transkripsiyona uğrayan tek RNA çeşidi değildir. Transkripsiyonla oluşan diğer 2 RNA çeşidi nedir? Bu iki RNA tipi protein kodlar mı? Protein kodlamayan yeni bir çeşit RNA: mikrorna
2.4.2 mrna işlenmesi Çekirdekte oluşan RNA molekülü ön-mrna olarak adlandırılır Bu mrna sitoplazmaya geçmeden önce belirli işlemlerden geçer: Bu işlemlere transkripsiyon sonrası değişiklik (posttranskripsiyonel modifikasyon) denir 1. 5 ucuna 7-metil guanozin şapka yapısı takılır. 1. muhtemelen molekülün 5 ucunu nükleazlara karşı korumaktadır. 2. mrna sonuna poly-a kuyruk takılır 1. 250 civarında adenin nükleotit mrna yı nükleazlara karşı korur 3. Kes-yapıştır işlemi: 1. Ökaryot genlerinde proteine dönüşmeyen bölgeler bulunur = intron. Bu bölgeler ön-mrna dan kesilerek çıkarılır ve esas protein kodlayan bölgeler (ekzon) tekrar birleştirilir
2.4.3 Genetik şifre mrna nasıl okunur? Genetik şifre tüm organizmalar tarafından kullanılan, genetiğin evrensel dili Kodon olarak adlandırılan üçlü nükleotit birimleri halinda okunur Her kodon bir amino asit kodlar Bir amino asit birden fazla kodon tarafından kodlanabilir 64 adet kodon vardır (4 3 ) ve 20 amino asit genetik kodun dejenere oluşu Başlangıç kodonu (AUG) Metiyonin amino asitini şifreler ve translasyon başlangıç noktasıdır Bitiş kodonları UGA, UAA, UAG bir amino asit kodlamazlar ve translasyonun bitişini gösterirler.
2.4 RNA ve Protein Sentezi mrna nın translasyonu, amino asitlerin polipeptid zincirlerine biyolojik polimerizasyonudur. trna, mrna daki özel üçlü kodonlar ile doğru amino asitler arasındaki adaptör moleküldür Ribozoma bağlanan mrna da belli bir amino asite ait özgül bir kodon bulunur. Özgül bir trna molekülünün nükleotid dizileri arasında ise; Kodonla baz eşleşmesi yapabilen ve Antikodon olarak adlandırılan, Kodona komplementer üçlü ribonükleotid dizileri vardır.
Ribozomlar, biri büyük biri küçük olmak üzere iki alt birimden oluşur. Bu alt birimler, rrna ve çeşitli ribozomal proteinler içerir. Küçük alt birimin rolü: mrna daki kodonların deşifre edilmesi. Büyük alt birimin rolü: Peptid bağının sentezlenmesidir.
2.4.4 translasyon adımları
https://www.yo utube.com/wat ch?v=kmruzd YAmEI
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü Gen ifadesi bir hücre tarafından mrna üretimidir Bir organizmanın tüm hücreleri aynı genomu içerir. Eğer aynı genoma sahiplerse pankreas hücreleri akciğer hücrelerinden nasıl farklı olur? Her gen aynı anda açılmaz (mrna üretilmez) bazılarının üretimi artırılırken diğerleri susturulur Gen düzenlenmesi (regülasyon) farklı sinyallere göre genlerin açılıp kapatılmasıdır Gen düzenlenmesinin çeşitli seviyeleri vardır
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü Transkripsiyonun düzenlenmesi Belirli bir genden üretilen mrna miktarının kontrol edilmesi, genin açılıp kapanması gibi işlev görür Promotor bölge, bir genin öncesinde (yukarısında) bulunan bir DNA bölgesidir. Promotor bölgede belirli diziler bulunur. TATA kutusu ve CAAT kutusu RNA polimeraz transkripsiyon faktörleri olmadan promotor bölgesine bağlanamaz Artırıcı DNA bölgeleri bir genin çok uzağında bulunup, onlara bağlanan düzenleyici proteinler sayesinde gen ifadesinde rol alırlar.
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü
https://www.youtube.com/watch?v=53i wxfts9by
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü RNA girişimi Genin RNA ile susturulma yöntemi Kısa girişimli RNA (sirna) 22 nükleotitlik çift zincirli kodlamayan RNA mrna ya bağlanarak translasyonu engeller Mikro RNA diğer bir tür kodlama yapmayan küçük RNA molekülü mirna ya mrna ya bağlanarak ya da mrna nın parçalanmasını sağlayarak translasyonu engeller Belirli bir hastalık için bu RNA tipleri kullanılabilir mi?
2.4.5 Gen ifadesi kontrolü
2.4.6 Epigenom Epigenom DNA dizilerinde mutasyon dışında oluşan değişikliklerdir Epigenomdaki değişiklikler hem DNA hem de histonlar üzerinde olabilir Bazı epigenetik değişimler kalıtılır, diğerleri ise nesilden nesile değişir Bazıları tekrar eski haline dönebilir, bazıları ise uzun süre kalır Bu değişimler hücre tipleri arasında ve hasta veya normal dokuda farklılık gösterir Diyet ve çevre epigenomu etkiler Gelişim sırasında gen ifade kontrollerinde görev alır
De-asetillenme Asetillenme
2.4.6 Epigenom http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/twins/ Neden tek yumurta ikizlerinin yaşları ilerledikçe farklılıklar ortaya çıkar