(Microsoft PowerPoint - Kopyas\375 4 Aral\375k 2006Genom

GENOM DUPLİKASYONLARI
Prof.Dr. Nermin Gözükırmızı
İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
Annual Review of Genetics
2004) Vol. 38: 615-643
DUPLICATION AND DIVERGENCE: The Evolution of New Genes and Old
Ideas
John S. Taylor1 and ­ Jeroen Raes2­
Over 35 years ago, Susumu Ohno stated that gene duplication was the
single most important factor in evolution (97). He reiterated this point a few
years later in proposing that without duplicated genes the creation of
metazoans, vertebrates, and mammals from unicellular organisms would
have been impossible. Such big leaps in evolution, he argued, required the
creation of new gene loci with previously nonexistent functions (98). Bold
statements such as these, combined with his proposal that at least one wholegenome duplication event facilitated the evolution of vertebrates, have made
Ohno an icon in the literature on genome evolution. However, discussion on the
occurrence and consequences of gene and genome duplication events has a
much longer, and often neglected, history. Here we review literature dealing
with the occurence and consequences of gene duplication, begining in 1911.
We document conceptual and technological advances in gene duplication
research from this early research in comparative cytology up to recent
research on whole genomes, "transcriptomes," and "interactomes."
Susumu Ohno and the 2R hypothesis
“It is our contention that the ancestors of reptiles,
birds, and mammals have experienced at least one
tetraploid evolution either at the stage of fish or at
the stage of amphibians” (1970)
“A mammalian ancestor might have gone through
at least one round of tetraploid evolution at the
stage of fish” (1973)
Oluşma sıklığı
Kısa
parçalar
Duplikasyonlar tüm genomik düzeyde oluşabilir.
Domain
(ekson)
Gen
Gen demeti
Segment
Kromozom
Genom
Duplikasyonla eski gende yeni kopya etkisi ile yeni bir işlev
oluşur.
Genom duplikasyonları genom evolüsyonu için önem taşır.
DNA dizisi
Tek nukleotid değişimi, Kısa insersiyon delesyonlar,
inversiyonlar, rekombinasyonlar, domain duplikasyonları, gen
duplikasyonları, gen demeti duplikasyonları, segment
duplikasyonları, kromozom duplikasyonları, genom
duplikasyonları,
Seleksiyon)
Random drift veya nötral mutasyonlar
DNA dizi değişimi
Mutasyon
Fragil X
CpG
adası
5’
Transkripsiyon
Translasyon
(CGG) n
3’
≤ 40 repeats normal
41-60 repeats
Erkek
orta
61-200 repeats
> 200 repeats, methylated
Dişi
1/25
1/16
premutasyon
1/1000
1/350
mutasyon
1/4000
1/8000
İnsan Genomu
1
2
3
http://www.sanger.ac.uk/HGP/ & R.Harding & HMG (2004) p 245
4
6
7
5
8
9
10
16
11
12
13 14
15
104
251
17
18 19 20
72
88
66
21
22
mitochondria
Y
.016
45 48
51
86
118 107 100
148
143
142
176 163 148 140
221
279
X
3.2*109 bp
163
197 198
Myoglobin
α globin
*5.000
β−globin
(chromosome 11)
6*104 bp
*20
Exon 3
Exon 1 Exon 2
3*103 bp
5’ flanking
3’ flanking
*103
DNA:
Protein:
ATTGCCATGTCGATAATTGGACTATTTGGA
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
30 bp
İnsan Genomu
http://www.sanger.ac.uk/HGP/
Gen aileleri
Demetler
α-globin (7), büyüme hormonu (5), Class I HLA ağır zincir (20),….
Dağınık yapılılar
Pyruvate dehydrogenase (2), Aldolase (5), PAX (>12),..
Demetler ve dağınık yapılılar
HOX (38 – 4), Histonlar (61 – 2), Olfactory receptörler (>900 – 25),…
Transposonlar
Strachan and Read (2004) Chapter 9 + Lander et al.(2001)
İnsan genomundaki segmental duplikasyonlar
Bailey et al. Science. 2002 297: 1003-7. Am J Hum Genet. 2003 73: 823-34
Gen Duplikasyonu (örn.
Hemoglobin genleri)
Primatlarda Hemoglobin genleri:
S.cerevisiae’de 55 duplikasyonlu bölge
~ % 50 genom
duplikasyonlu
Wolfe K.H. and Shields D.C. Nature (1997) 387 708-713
Duplike bölgeler genelde yeniden duplike olmazlar.
Duplikasyon
Duplikasyonun
duplikasyonu yok.
Maya’da 55 duplikasyonlu bölgede triplike olmuş bölgeler yok.
Arabidopsis genom duplikasyonları (Genomun %60ı
duplikasyonla oluşmuştur.
Arabidopsis Genome Initiative. Nature 408, 796–815 (2000).
Gen Duplikasyonlarının Kaderi:
• Negatif etkilere karşı işlevi koruma
• Pseudogen (yalancı gen) oluşturarak gen
sessizleşmesi
• Yeni işlevler ve evolüsyon
• İş bölümü ( farklı dokularda ve farklı
zamanlarda gen anlatımı için farklı kontrol
elemanları gerekir, normal işlev için tüm
duplikasyonlar gereklidir)
• Kayıp (delesyon)
Duplikasyonlar nasıl oluşur?
• Homolog olmayan krossing-over
• Homolog olmayan kardeş kromatid
değişimi
• Replikasyon kaymaları
Gen Amplifikasyonu:
• Kromozomun belli bir bölgesinin kopya
sayısının artışı, kanserle yakın ilişkili,
kopya sayısı artan bölge kromozoma bağlı
kalabildiği
gibi
ayrılıp
“DOUBLE
MINUTES” oluşturabilir.
Anöploid
-Bir veya birden fazla kromozomun sayısının değişmesi
- 2n-1 (monosomik), 2n+1 (trisomik), 2n-2 (nullisomik), n+1 (disomik)
Trisomi
Datura(2n+1)
47,XX, 21 +
Down sendromu
Poliploidi: Bir genomun artışı (Avtopoliploid) veya iki
veya
daha
fazla
genomun
kombinasyonu
(Allopoliploid).
Haploid sayı (n=x) – Gametlerdeki kromozom
sayısı, Diploid sayı (2n)
- Monoploid (x)
Kromozom sayısı temel set
-Öploid
Kromozom sayısının tam katlar halinde artışı
-Anöploid
Bir veya birkaçkromozomun sayı değişimi
-Poliploid
Triploid (3x), tetraploid (4x), pentaploid (5x)
Endopoliploid; Somatik poliploid hücreler.
Poliploidi
n= A
B
C:
2n= AA BB CC:
Poliploidi
n= A
B
C:
3n = AAA BBB CCC
Poliploidi kavramı; (Winkler, 1916).
•
•
•
•
•
•
Haploid org.monoploid (=n) (sayı 6 ise)
diploid, 2n = 12
tetraploid, 2n = 24
heksaploid, 2n = 36
oktoploid, 2n = 48
dekaploid, 2n = 60
Tüm bitki türlerinin % 30-70 kadarı
poliploiddir.
Kolşisin (Blakesslee ve Avery, 1937).
Monoploid (x) eldesi:
ANTER VEYA MİKROSPOR KÜLTÜRÜ
Poliploidlerin sınıflandırılması:
• Avtopoliploid: (polisomik poliploid): AAAA veya AAA'A'
– Gerçek avtopoliploid:AAAA
– Irklararası avtopoliploid: AAA'A'
• Allopoliploid (Amfidiploid): (disomik poliploid): AABB
• Avtoallopoliploid: AABBBB
• Segmental allopoliploid: A1A1A2A2
A ve B: homolog olmayan genomlar; A ve A':
homolog genomlar, fakat of aynı türün farklı ırkları;
A1 ve A2 homoeolog (kısmi homolog) genomlar
• Neopoliploid: Yeni oluşmuş poliploid
• Paleopoliploid: Diploidize türler evolüsyoner açıdan en
az bir poliploidleşme geçirmiş.
Monoploidden diploid oluşumu:
Kolşisin – (1937, Blakessle ve Avery) Bir alkaloid,
Crocus’tan elde edilir, iğ oluşumunu engeller,( Oryzalin, tri
fluarin, amiprophos-methyl, N2O’de bu amaçla kullanılabilir).
Avtopoliploid
- Kendiliğinden oluşabilir veya
- Kolşisin ile oluşturulabilir.
Hücre, meyve , çiçek vb büyük
Allopoliploid
- Farklı türlere ait kromozomların biraraya gelişi
Amfidiploid
“doubled diploid”
Genom düzeyinde
gen aktarımı
(genus Brassica)
Ekmeklik
buğday
Allopoliploidler kromozom ikileşmesi (katlanması),
2n gametlerin birleşmesi veya poliploidlerin direkt
hibridizasyonu ile oluşabilirler.
-Somatik poliploidler protoplast füsyonu ile oluşurlar.
Somatic allopoliploid
Poliploidi ziraatte önemlidir.
Hybrid vigor (heterosis): Hibridler her iki ebeveynden daha
iyi özelliklere sahiptir. Poliploidlerde heterozigotluk yüksek
düzeydedir.
Poliploidlerin genel özellikleri:
•
•
•
•
•
•
Büyük yapıdadırlar.
Melezleme sınırları aşılabilmiştir.
Tohumsuz bitkiler geliştirilebilir.
Türler arası melezlerle fertilite sorunu aşılabilir.
Hastalık direnci artmıştır.
Stres toleransı artabilir.
Bazen; Büyüme azalabilir, stres toleransı
etkilenebilir ve verim azalabilir.
Poliploidlerin biyoteknolojideki önemi:
• Yeni türler geliştirme (Raphanobrassica,
Triticale vb.)
• Steril bitkiler geliştirme:
– Belli alanlarda dağılım riskini azaltır.
– GDO’larda gen akımını önler.
• Sekonder
metabolit
önemlidirler.
üretimi
için
de
Poliploid bitkilerin kendi diploid atasal türlere
göre farklılıkları:
•
•
•
•
•
•
•
Büyük hücreler, yüzey/hacim oranında azalma
Kalın, kısa ve geniş yapraklar; büyük tohumlar
Metabolizma ve büyüme gerilemesi
Hücre bölünme sayılarında azalma
Avtopoliploidlerde tohum fertilitesinde azalma
Düşük CO2 değişim oranı ve düşük transpirasyon oranı
Fotosentez, solunum ve elektron transport zincirinde
enzim aktivitelerinde azalma
• Herbisid, patogen, böcek ve abiotik stres koşullarına
daha fazla dayanıklılık
• Radyasyon ve mutageneze direnç
Poliploidlerde kromozom eşleşmesi ve sterilite:
• Allopoliploidler: Genelde bivalent oluşumu –
kalıtım – Mayozda diploidler gibi davranırlar.
Disomik
• Avtopoliploidler: Multivalent oluşumu – Polisomik kalıtım –
indirgenmeler – hatalar – sterilite azalması.
• Segmental allopoliploidler ve avtoallopoliploidler: Karışık
disomik-polisomik kalıtım.
• Tek
sayılı-ploidler
oluşturmazlar.
genelde
steril
ve
tohum
• Triploid muz steril ve tohumsuz fakat triploid elma
bazen tohum oluşturabilir.
Polifiletik köken;
Poliploidlerin çok kökenli
oluşumu
• Birçok poliploid tür multipl kökenlidir, yani polifiletiktir.
• Yeni türler üç Tragopogon sp. (T. dubius, T. porrifolis,
T. pratensis Kuzey America erken 1900ler; iki (T. mirus,
T. miscellus) 1949 (Allotetraploidler).
• En az 12 ve 21 kez oluştukları düşünülüyor.
Homolog/Ortolog/Paralog
• HOMOLOG: Filogenetik olarak ilişkili
diziler.
• ORTOLOG: Farklı türlerdeki ortak atadan
türevlenmiş homolog diziler.
• PARALOG:Bir türün içerisinde gen
duplikasyonları ile oluşmuş homolog diziler.
Ortholog ve Paralog
t
0
1
2
3
Alpha
zinciri
Kurbağa
alpha
Ortholog
İlkel globin
geni
İnsan
alpha
İnsan
Beta
Beta
zinciri
İlk
duplikasyon
Paralog
Kurbağa
beta
İkinci
duplikasyon
(türleşme)
PARANOM: Bir genomdaki duplikasyonlu genlerin
tümüne verilen tanımdır.
Endopoliplidi:Bir organizmadaki farklı ploidi
düzeyleri (Bazı bitki ve hayvanlarda gelişim
değişimlerine yanıttır).
• Endoreduplikasyon veya endomitoz ile oluşur.
• Bazı familyalarda daha sık rastlanır.
• Organ(kotiledon vb. veya doku özgüllüğü (trikom
vb.) gösterebilir.
• Dış ortam koşulları ve bitki hormonları
endoploidiye yol açabilir.
• DNA miktarı ile nukleus ve hücrenin hacmi arasında
bir ilişki bulunur.
• Bitki gelişimi ile ilişkilidir
• 4C-54C’den 24.576C’ye kadar bir yükselme
görülebilir (1C haploid DNA içeriğidir.).
Endopoliplidinin
sık rastlandığı
familyalar(bold)
Arpa doku kültürü kalluslarında endoploidi
2n=14, 4n ve yüksek ploidi
Flow sitofotometri
(sitometri)
• Ploidi/ anöploidi
yerine
• DNA ploidi/DNA
anöploidi
Dev kromozomlar(bir çeşit duplikasyon)
Politen
Lamba fırçası
Polipoidi genetik materyeli etkiler:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dizi eliminasyonu
Kromozomlar arası değişimler
Sitozin metilasyonu
Gen baskılanması
Yeni gen aktivasyonları
Genetik dominantlık
Alt fonksiyonların oluşması
Transpozon aktivasyonu
Transkripsiyon divergensi; transkripsiyon
düzenlenmesi, kromatin modifikasyonu,
RNA aracılığı ile düzenlenmeler vb. olaylarla
• Evolüsyonu etkiler.
Sentetik insan
yapımı poliploidler
yeni araştırma
alanları sağladı.
• Poliploidi bitkiler aleminde (özellikle çiçekli bitkilerde)
çok yaygındır.
• Allopoliploidler klasik tür kavramına yeni katkılar
sağlar.
• Poliploidi bitki genom evolüsyonundaki en önemli
olaylardan biridir.
• Poliploidiyi anlama evolüsyon, ekoloji ve sitogenetiği
anlamada büyük katkılar sağlar.
• Birçok ekonomik önemi olan bitki
poliploiddir.
Poliploidler üstün özellikler sağladığı gibi bazen
sınırlayıcı özellikler de taşır.
• Avtopoliploidler ve sentetik türler arası melezleme ile
allopoliploidler oluşturma biyoteknolojik uygulamalar
için de büyük önem taşır.
• Poliploidlerde gen anlatımında genetik ve epigenetik
mekanizmalar ile bir düzenlenme sağlanır.
Epigenetik
Epigenetik –
DNA dizi değişimlerinin(mutasyon) dışındaki
faktörlerle oluşan, gen anlatımındaki tüm
değişikliklere verilen genel bir tanımlamadır.
Epigenetik değişiklikler kalıtsaldır fakat
potasiyel olarak geri dönüşebilir.
Epigenetik:
•DNA modifikasyonları (sitozin metillenmeleri
vb.)
•Histon kromatin modifikasyonları
•Kromatin yapısına bağlanan çoklu protein
kompleksleri
•Genomik “imprinting”
•Paramutasyon
•RNA interferens ve mikro RNA’lar
•RNA aracılığı ile DNA metilasyonu
•Transgen sessizleşmesi
•Viruslerle gen sessizleşmesi
Hayvansal sistemde poliploidi evolüsyon
sırasında az rastlanır
• Bazı böcekler, balık, amfibi ve reptillerde
rastlanır.
• Poliploidi hayvansal sistemde eşem tayininde
güçlükler, gelişme engellenmesi gibi sonuçlar
doğurur.
• Hayvansal sistemde malign bölünme ve kanser
oluşumu ile poliploidinin ilişkisi vardır.
Human Genome Segmental Duplication Database
http://projects.tcag.ca/humandup/
The website you are viewing, "Yeast Gene Duplications" (YGD) was developed in
1997 to support our first analysis of genome duplication in S. cerevisiae (K.H. Wolfe &
D.C. Shields, Nature 387:708, 1997). The information it presents has not been updated
since 1999.