Tıp Fakültesi Dönem 3
advertisement
GELİŞİM GENETİĞİ 1. ZİGOTUN OLUŞUMU 2. BÖLÜNMENİN BAŞLAMASI 3. FARKLILAŞMANIN BAŞLAMASI 4. DOKU-ORGAN OLUŞUMU, ORGANİZMA Prof.Dr. Davut Alptekin Bu dersde; 1-Gelişim nedir? 2-Gelişim esnasında değişikliğe uğrayan kök hücreler, 3-Gelişimi açıklayan hayvan modelleri, 4-Gelişime etki eden genlere örnek, 5-Gelişime katkısı olan apopitozis nedir? ZİGOTUN OLUŞUMU X Kromozomunun İnaktivasyonu KÖK HÜCRELER 1-Totipotent kök hücreler (Blastomer hücreleri) 2-Pluripotent kök hücreler (Blastula evresindeki hücreler) 3-Multipotent kök hücreler (Erişkin kök hücreler) Totipotent Hücreler Erkeğin spermi ile kadının yumurtası birleştiğinde, yani döllenme sonrası oluşan hücre (zigot) tek başına tüm organizmayı meydana getirebilecek genetik bilgiye ve güce sahiptir. Vücuttaki tüm hücrelere dönüşebilecek potansiyele sahip olan bu ilk embriyonel hücreye "totipotent" her şeyi yapabilen anlamında hücre denilmektedir. Döllenmeyi izleyen ilk dört ile beş gün içerisinde tek hücreden meydana gelen tüm hücreler aynı güce sahiptir. Bu hücreler rahim içerisine yerleştirildiğinde her biri tek başına bir organizma, yani insan oluşturabilecek güçtedirler. Anne karnında ilk dört gün içerisinde eğer herhangi bir nedenle bu hücreler birbirinden ayrılırsa, ayrılan her hücre kendi başına büyüyebilir ve ayrı bir insan meydana gelebilir. Genetik şifreleri aynı olan bu kişiler tek yumurta ikizleridir. Tarihte hayatta kalabilen ilk ve tek "Tek yumurta beşizleri", Dionne" kardeşler (Ontario, Kanada, 1934) Pluripotent Hücreler Beşinci günden, yani 6-8 hücre bölünmesinden sonra meydana gelen hücreler "blastosit" denilen küresel bir şekil alırlar. Bu kürenin içerisindeki hücreler vücuttaki tüm hücrelere dönüşebilecek potansiyele sahipler; ancak tek başlarına tüm organizmayı oluşturamamaktadırlar. Yani, döllenmeden 6-7 gün sonra meydana gelen hücrelerden herhangi biri alınıp rahime yerleştirilirse bu hücre artık bir insan embriyosu oluşturamaz. Gerekli ortam sağlandığında bu hücreler bilinen yaklaşık 200 hücre türüne dönüşebilir. Bu nedenle bu hücrelere "pluripotent" hücre denilir. Multipotent Hücreler Anne karnındaki organizmanın daha sonraki gelişim aşamalarında hücreler biraz daha özel görevlere sahip olur ve erişkin kök hücrelerine dönüşürler. Bu erişkin kök hücreleri de belirli hücre çeşitlerini meydana getirir. Örneğin kan kök hücresi kemik iliğinde bulunur ve gerektiğinde beyaz kan hücreleri, kırmızı kan hücreleri ve trombositlere dönüşür. Aynı şekilde deri kök hücreleri de değişik deri hücrelerine dönüşebilir. Biraz daha özelleşmiş olan bu kök hücrelere "multipotent" (çok yetili) hücre denir. GELİŞİM NEDİR? Gelişimi tanımlamak için söylenenlerin en akla yakın olanı, organizmadaki tüm hücreler tarafından gerçekleştirilen farklılaşmış bir duruma erişmedir denilebilir. Ör. Sinir, kas, kan hücreleri farklılaşırken blastula evresindeki hücreler henüz farklılaşmamıştır. Farklılaşma; ilk kez 1934 yılında Thomas H. Morgan ve daha sonra 1950’lerde Edgar ve Ellen Stedman ve Alfred Mirsky tarafından ileri sürülen değişken gen aktivitesi hipotezi olarak adlandırılmıştır. Gelişime Sitoplazmanın Etkisi Yumurta hücresi; sitoplazması heterojen olan ve düzgün yayılmamış tek bir hücredir. Döllenmeyi ve ilk bölünmelerini takiben maternal sitoplazma yeni hücrelerin içerisinde yayılırken bu yavru hücrelerin çekirdekleri kendilerini farklı bir ortamda bulurlar. Bulgular farklı hücre sitoplazmalarının gelişimin belirli noktalarında farklı transkripsiyonlara neden olarak genetik yapı üzerinde etkide bulunduğunu ortaya koymaktadır. Bu nedenle sitoplazmik yerleşim veya her bir embriyonik hücre tarafından taşınan sitoplazmik bileşenler gelişim sürecinde önemli bir düzenleyici rol oynar. Hücre-Hücre Etkileşimi Zigot tarafından sentezlenen erken gen ürünleri daha sonra her hücrenin sitoplazmasını değiştirir. Ortaya çıkan farklı yeni hücresel çevre diğer genlerin aktivasyonuna neden olur ve bu şekilde süreç yeni çevre ve yeni genlerin aktivasyonu ile tekrarlanarak devam eder. Hücre sayısı arttıkça hücreler, hücrehücre etkileşimi ile birbirini etkiler. Bu aşamadan sonra genetik madde üzerine etki eden tüm çevre kapsamına artık her bir hücrenin hem sitoplazması hem de diğer hücrelerden gelen sinyallerde girmektedir. Genom Eşdeğerliği Çok hücreli bir organizmanın her bir somatik hücresinde genetik bilginin tam bir takımının olduğu bilinmekte ve buna genom eşdeğerliği denmektedir. Bu bir organizmanın bütün hücrelerindeki DNA miktarının, o organizmadaki diploit içerik ile denk ve eşit olduğunu gösteren biyokimyasal analizlerle desteklenmiştir. Gerçi yüksek yapılı organizmalarda DNA miktarının yalnızca küçük bir kısmını kodlayıcı genler oluşturmaktadır. Ancak farklı hücreler biraz farklı gen gruplarının çalışmasına izin vermektedirler. Kurbağalarla yapılan çalışmalarda; bir yumurtanın çekirdeğini çıkardıktan sonra, farklılaşmanın çeşitli aşamalarındaki hücrelerin çekirdeklerini alıp çekirdeği olmayan yumurta hücresine aktararak somatik hücre çekirdeğinin gelişim kapasitesi test edilmiştir. Gelişimin blastula evresinden alınan çekirdek aktarıldığında tam ve normal bir erginin gelişmesi mümkün olmuştur. Gastrula ve daha ileri evrelerden alınan çekirdekler aktarıldığında sadece kısmi gelişme gerçekleşmiştir. X Gurdon adlı araştırıcı; Xenopus (kurbağa)’da epitel hücrelerinden alınan çekirdeğin, çekirdeği çıkarılmış yumurtaya aktarıldığında ergin bir kurbağanın gelişmesini sağlalamıştır. Genom Eşdeğerliği Doly yine meme hücresinden alınan bir çekirdeğin yumurta hücresine verilmesi ile oluşmuştur. Bu durumlar farklılaşan hücrelerin gerçekten genomun tam bir takımını taşıdığını göstermektedir. Bu deneyde bir çekirdek aktarımı ile tamamen farklılaşmış somatik bir hücrenin genleri tüm bir organizmanın doğmasına izin verecek şekilde tekrar programlanmıştır. Çarpıcı bir sonuç olmasına rağmen Dolly'nin bu kadar ünlü olmasının nedeni bu değildir. Popüler basının çok ilgilenmesinin nedeni, Dolly'nin genetik olarak somatik hücresinin alındığı koyun ile tamamen benzer olmasından kaynaklanmaktadır. Drosophila melanogaster (Meyve sineği) Drosophila’nın embriyonik gelişimi gen ifadesi üzerinde sitoplazmada bulunan bileşenlerin etkisini göstermektedir. Neden belirli bir hücre, gelişim sırasında özgül genlerini açar ya da kapar sorusu gelişim biyolojisinin merkezi sorusudur. Bu sorunun basit bir cevabı yoktur. Ancak pek çok farklı organizmalarla yapılan çalışmalardan elde edilen bilgiler bir başlama noktası oluşturmuştur. Bu örneklerden Drosophila'nın embriyonik gelişimi, bu alandaki bilgimizin yönünü ve alanımızı yansıtmaktadır. çalışma Drosophila Gelişimi Drosophila ergin olmadan önce, döllenmiş yumurtadan başlayarak beş farklı evre geçirir; embriyo, üç larva aşaması ve pupa oluşum aşaması. Döllenme olayından yaklaşık 10 gün sonra pupadan ergin sinek gelişir. Drosophila yumurtasında dışarıdan pek çok yapı görülür. Bu yapılar, anterior, posterior, dorsal ve ventral bölgelerin şeklini verir. Yumurtanın içerisindeki sitoplazma anneden gelen bir dizi moleküler gradiyent şeklinde düzenlenmiştir. Bu moleküler yapılar, gelişim sırasında çoğalan çekirdeğin embriyonun özgül bölgelerine doğru gitmesinde anahtar rol oynar. Döllenmeden hemen sonra, zigot çekirdeği bir seri bölünme yapar. Dokuz bölünme döngüsünden sonra, yaklaşık 512 çekirdeğin çoğu yumurtanın dış yüzüne doğru hareket eder ve orada daha ileri bölünmeler gerçekleşir (c) ve (d). Bu embriyonik gelişimin sinsityal blastoderm evresidir (Sinsityum birden fazla çekirdeği olan hücredir). Hareket eden çekirdek şimdi anneden gelen proteinleri içeren ve burada yerleşim gösteren sitoplazma ile çevrilidir. Sitoplazmik bileşenlerin etkisi altında çekirdekte bazı genler çalışmaya başlar ve farklı hücreler oluşmaya başlar. Embriyonun posterior kutbunda eşey hücrelerinin oluşumu sitoplazmik bileşenlerin düzenleyici rolünü gösteren bir örnektir. Blastoderm sinsityal oluşumunun ardından, her bir çekirdeğin etrafında hücre zarı oluşmaya başlar ve hücresel blastoderm meydana gelir. Daha sonra embriyo, çeşitli embriyonik genlerin ifadeleri sonucu oluşan ve parasegment adı verilen bir dizi segment şeklinde yapılanmaya başlar. Daha sonraki gelişim aşamasında bu segmentlerden ergin vücut kısımlarının oluşumu gerçekleşir. Ergin Drosophila'nın vücut planı larvanın vücut planını oluşturan organizasyon tarafından tayin edilir ve baş, göğüs ve karın kısımlarından oluşur. Ayrıca, erginlerin pek çok belirgin vücut yapıları larvanın blastoderm yapısı oluşur oluşmaz ortaya çıkan küçük hücre adacıklarından oluşur. İki taraflı 12 çift disk (örneğin göz-anten diski, ayak diski, kanat diski gibi) ve bir eşey organı diski vardır. Hücrenin kaderi, gelişimin erken döneminde belirlenen her embriyonik hücrenin nesiller boyu devamına dayanır ve farklılaşana kadar bu yolu takip eder. Bu kader haritası Drosophila'da olduğu gibi pek çok organizmada gelişimin erken döneminde hücrenin pozisyonunun hangi hücre tipini oluşturacağını belirlediğini göstermektedir Metamorfoz (başkalaşım) sırasında, larvaların vücut parçası parçalanarak küçük hücre kümeleri mitoza girer ve ergin sineğin başını, göğsünü ve karnını oluşturmak üzere farklılaşır. Embriyo oluşumunda Maternal etkili genler ile Zigotik genler Drosophila’da ya da diğer canlılarda embriyo gelişimini kontrol eden genler ya maternal-etkili genler ya da zigotik genlerdir. Maternal etkili genler; ürünleri (mRNA ve proteinler) oogenez sırasında gelişmekte olan yumurta içinde depolanan genlerdir. Bu ürünler yumurta sitoplazmasına düzgün bir şekilde dağılmış olmasına rağmen bazen katmanlar halinde ve bazen yumurtanın belirli bir bölgesinde yoğunlaşırlar. Drosophila'da maternal etkili genler transkripsiyon faktörlerinin, reseptörleri ve translasyonu kontrol eden proteinleri kodlar. Embriyonik gelişim sırasında bu gen ürünleri zigot genlerini geçici veya kalıcı şekilde aktive etmek ya da baskılamak üzere çalışır. Zigotik genler; zigotun kendi gelişimini sağlayan genlerdir ve bu nedenle döllenmeden sonra transkripsiyona uğrarlar. Zigotik genlerde mutasyonlar varsa embriyonun ölmesine neden olur. Oysa maternal etkili genlerdeki mutasyonlar ölüm yerine kısır bireyler oluştururlar. Çünkü annede mutasyon varsa yeni oluşan embriyoda yabanil tip sitoplazma olmaz ve bu durum ortaya çıkar. Ön-arka ekseni kontrol eden maternal etkili genler üç sınıfta toplanır. Bunlar; anterior, posterior ve terminal genlerdir. Embriyonun anterior kısmının gelişimi için gerekli olan genlerden en önemlisi bicoid'tir. Oogenez sırasında ve embriyonik gelişimin ilk saatlerinde, bicoid mRNA'sı yumurtanın anterior kutbunda küçük bir alanda yerleşir ve sentezlenen bicoid proteini anterior-posterior ekseni boyunca yumurtanın posterior bölgesinde yoğunluğun en az olduğu bir gradiyent oluşturacak şekilde dağılım gösterir. Yumurtanın gelişim profilinde bu tabakalanma çok kritik bir rol oynar. Bicoid proteini bir transkripsiyon faktörüdür. Bicoid proteini gelişim sırasında aktif hale geçen ilk zigot genlerinden olan ve embriyonun anterior kısmındaki çekirdekte bulunan hunchback genini kontrol eder. Bu geni uyararak hunchback proteininin salgılanmasını gerçekleştirir. Ortamda ne kadar fazla bicoid proteini varsa hunchback proteininin salgılanması da o oranda artar. Döllenmeden hemen sonra posterior genlerden nanos mRNA’sı nanos proteinlerini oluşturuken, gelişen embriyonun posterior yapısının oluşumunu kontrol eder ve bicoid proteinin görevinden daha farklı davranırlar. Anterior genlerin aksine posterior genler maternal genlerin transkriptleri üzerinde negatif bir etki göstererek çalışırlar. Nanos proteinleri embriyonun posteiror bölgesinde bulunabilecek herhangi bir hunchback mRNA'sının translasyonunu önlemek üzere hareket ederler ve karın bölgesini oluşturan genlerin uyarılmasını sağlarlar. Hunchback proteini baş ve göğüs oluşumunu sağlayan genlerin transkripsiyona uğramasını uyarırken, karın bölgesini oluşturan genlerin aktivitesini ise baskılar. Nanos proteini ise posterior kısımda karın bölgesini oluşturacak olan genleri uyarırken, baş ve göğüs kısmını oluşturacak olan genleri baskılar. Terminal genler; anterior-posterior eksenin oluşumunu kontrol eden üçüncü takım genlerini oluşturur. Bu genlerdeki mutasyonlar, embriyonun anterior ve posterior kutbundan gelişecek olan yapıların oluşmamasına neden olur. C. elegans'ın Gelişimine Genel Bakış Caenorhabditis elegans, gelişimin genetik kontrolü üzerine yapılan çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip çalışmalar için bu organizmanın iki avantajı vardır. (1) Bu organizmanın genetiği çok iyi bilinmektedir. (2) Erginlerinde bireyler arasında farklılık göstermeyen, belli bir gelişim yolunu takip eden oldukça az sayıda hücre bulunur. Ergin C. elegans yaklaşık 1 mm uzunluğundadır ve 959 somatik hücreden (ve yaklaşık 2000 eşey hücreden) oluşur. Döllenmiş yumurtadan ergin oluşumuna kadar giden yol belirlenmiştir. Döllenen yumurtadan 2 gün içinde gelişir. Hayat döngüsü, bir embriyonik aşama, dört larva aşaması (L1-L4) ve ergin aşaması gibi dönemleri içerir. Diploit kromozom sayısı 12'dir (iki X kromozomu ve beş çift otozomal kromozom) ve haploit genomda yaklaşık 15.000 adet gen olduğu tahmin edilmektedir. Erginler çift cinsiyetlidir; kendi kendini döllerler yani hermafroditler. Mutajen maddelerle muamele edilerek, hızla, yüzlerce homozigot mutant suşlardan oluşan bir stok oluşturulabilir ve bu mutantların haritaları çıkarılıp arşivlenebilir. Programlanmış hücre ölümü ve C. elegans Canlı bünyesinde geri dönüşümü olmayan bir hücresel olay vardır, o da hücre ölümüdür. Kromozom yoğunlaşması ve hücreyi ölüme götüren hücre membranının şişmesi gibi çok tipik bir seri olayların gerçekleştiği hücrelerde programlanmış hücre ölümü veya apopitoz normal bir olaydır. Gelişim sırasında bu programlanmış hücre intiharı, doku ve organların şeklini ve özelliğini almasına yardım eder. Örneğin omurgalılarda ayak ve el parmaklarının oluşması için parmaklar arasındaki hücrelerin ölmesi gibi. Bu hücre olayı en iyi şekilde, gelişimi apopitoza dayanmakta olan C. elegans'ta gösterilmiştir. C. elegans‘ın gelişimi sırasında pek çok hücrenin ölümü yani 1090 hücreden 131'inde olduğu gibi hep aynı şekilde olur. Gelişim sırasında belirli bir hücrenin öldüğü zaman hep aynıdır ve ölen hücreler daima aynı tiptedirler. C. elegans'ta gelişim sırasında ölen bütün hücrelerin aynı genetik yolu kullandıkları gösterilmiştir. İki genin, ced-3 ve ced-4 genlerinin ifadesi hücre ölümü için gereklidir. Bu genlerden herhangi birini baskılayan mutasyonlar, normalde ölmesi gereken hücrelerin yaşamasına neden olmaktadır. ced-3 ve ced-4 genlerinin ifadesi, ced-9 geni tarafından kontrol edilmektedir. açık Ced 3 ve Ced 4 Baskılanır ve hücre yaşar kapalı Ced 3 ve Ced 4 Baskılanmaz ise hücre ölür Ced 9 İşlev kazandıran, yani ced-9 geninin devamlı veya aşırı ifade olmasına neden olan mutasyonlar gelişim sırasında hücre ölümünü engellemektedir. Tersine, işlev kaybettiren yani ced-9 genini baskılayan mutasyonlar, embriyonik ölümlere neden olmaktadır. Bu gözlemlere bakarak, ced-9 geninin yaşayan hücrelerde ced-3 ve ced-4 ifadesini önlediği sonucuna varmak mümkündür. Yani ced 9 geni aktif ise hücre yaşar, mutantlı ise hücre ölür.
