Bakterilerde horoizontal gen transferi
advertisement
BAKTERİLERDE HORİZONTAL GEN TRANSFERİ VE İNSERSİYONA UĞRAYAN DİZİLER BAKTERİLERDE HORİZONTAL GEN TRANSFERİ Prokaryotlarda genetik madde değiş tokuşu için üç tip mekanizma vardır: 1. Transformasyon 2. Transdüksiyon 3. Konjugasyon TRANSFORMASYON Transformasyon serbest DNA’nın alıcı bir hücreye katılması ve genetik değişiklik ortaya çıkarması işlemidir. Prokaryotların DNA’ları hücrede büyük tek bir molekül olarak bulunduğu için,hücre hafifçe lizize uğratıldığında,DNA dışarı çıkar.Tek bir hücre genellikle bir veya birkaç DNA parçasını içine alır.Bundan dolayı tek bir transformasyon olayında bir hücreye ait genlerin sadece küçük bir oranı bir başka hücreye geçebilir. MOLEKÜLER BİYOLOJİ TARİHİNDE TRANSFORMASYONUN YERİ Bakterilerdeki transformasyonun ilk kanıtları ingiliz bilim adamı Frederick Griffith tarafından elde edilmiştir. Avery ve çalışma arkadaşları, transformasyonun fare yerine test tüplerinde de yürütülebildiğini göstermişler ve ısıtılarak öldürülmüş hücreleri içeren özütün transformasyonu indüklediğini belirlemişlerdir. KOMPETANS DNA alabilen ve transforme olabilen hücrelere kompetant denir ve bu özellik genetik kontrol altındadır. Doğal olarak transforme olabilen pek çok bakterideki kompetans,kontrol edilebilen ve DNA’nın alınmasında ve işlenmesinde özel proteinlerin rol aldığı bir işlemdir. Kompetansa özgü bu proteinler,zarla ilişkili bir DNA bağlanma proteinini,bir hücre duvarı otolizinini ve çeşitli nükleazları kapsar. Yüksek verimli doğal transformasyon yaptığı bilinen sadece birkaç bakteri vardır.Diğer yandan,prokaryotların çoğu doğal koşullar altında ya zayıf kompetanttır ya da hiç değildir. TRANSFORMASYONDA DNA’NIN ALINIŞI Transformasyon sırasında kompetant bakteri DNA molekülüne geri dönüşümlü olarak bağlanmakta fakat kısa bir süre sonra bağlanma geri dönüşümsüz hale gelmektedir. DNA transformasyonu çalışmalarında,her 100300 DNA parçasından sadece bir tanesi üzerinde çalışılan genetik işareti taşır. Bu nedenle en uygun koşullar altında bile bir popülasyonun bütün hücrelerini istenen bir markör için transforme etmek imkansızdır. Çok sayıda bakterinin kendi doğal ortamlarında kompetant olabildiklerinin gösterilmesi gerçeği,transformasyonun sadece laboratuvarda yapılan bir olgu olmadığını,aynı zamanda doğada yatay gen transferinde de önemli bir rol oynadığını göstermektedir. TRANSFORMASYON YAPAN DNA’NIN ENTEGRASYONU Transformasyon yapacak olan DNA hücre yüzeyine bir DNA-bağlanma proteini ile bağlanır. Bundan sonra organizmaya göre ya çift zincirli DNA olduğu gibi alınır ya da zincirlerden biri nükleaz ile parçalanır ve geri kalan zincir içeri alınır. Hücre içine alınan DNA molekülü kompetansspesifik bir proteine bağlanır.Bu protein,DNA molekülünü kromozoma ulaşıncaya kadar nükleaz saldırılarından korur. Kromozoma ulaşınca görevi RecA proteini devralır. DNA molekülü alıcı hücre genomuna rekombinasyon ile entegre olur. Bu heterodupleks DNA molekülünün replikasyonu sırasında ,bir atasal ve bir de rekombinant DNA molekülü oluşur. TRANSFEKSİYON Bakterileri transforme etmede kullanılan DNA molekülü, başka bir bakteriden değil de bir bakteri virüsünden elde edilir.Bu işlem transfeksiyon olarak adlandırılır. TRANSDÜKSİYON Transdüksiyonda,bir hücreden diğerine DNA aktarımı bakteri virüsleri aracılığıyla gerçekleşir. Konak genlerinin transferi iki şekilde olur. İlki genelleşmiş transdüksiyon olup,bu olayda konak genomunun herhangi bir bölgesinden gelen DNA,olgun virüslerin DNA’sının bir kısmını oluşturacak şekilde virüs genomuna katılır. İkincisi olan özelleşmiş transdüksiyon ise sadece bazı ılımlı virüslerde görülür.Özelleşmiş transdüksiyonda,konak kromozomunun belirli bir bölgesinden gelen DNA,genellikle bazı virüs genlerini yerinden ederek,doğrudan virüs genomuna entegre olur. GENELLEŞMİŞ TRANSDÜKSİYON Bir bakteri hücresi bir faj ile enfekte olduğunda,fajın litik döngüsü ile ilgili olaylar başlatılabilir. Fakat,litik enfeksiyon sırasında viral DNA’ları bakteriyofaj içine paketlemekle görevli enzimler bazen kazara konak DNA’sını paketleyebilir. Oluşan bu virion transdüksiyon parçacığı olarak adlandırılır. Hücrenin lizizi durumunda,bu parçacıklar normal virionlar ile birlikte salınırlar.Dolayısıyla,normal virionlar ile transdüksiyon parçacıkları lizatta bir karışım halinde bulunur. Bu tip bir lizat,bir alıcı hücre populasyonunu enfekte etmekte kullanılırsa,hücrelerin çoğu normal virüs ile enfekte olacaklar,ancak populasyonun küçük bir kısmı transdüksiyon parçacıklarını alacaktır. Böylece, transdüksiyon parçacıkları bir önceki konak hücreden paketlenen DNA’yı aktaracaktır. Virüsler için temel gereklilik,konak DNA’sını kabul eden ve konak genomu tamamen parçalanmadan önce DNA paketlenmesini gerçekleştirebilen bir DNA paketleme mekanizmasına sahip olmaktır. Konağı enfekte eden faj miktarını düşük olması durumunda,transdüksiyonun saptanması çok daha kolaydır;çünkü bu durumda bir konak hücre sadece bir tek faj ile enfekte edilmektedir. LAMDA FAJI VE ÖZELLEŞMİŞ TRANSDÜKSİYON Bir hücre lamda fajı ile lizojenik hale geldiğinde,faj genomu konak DNA’sına özgül bir bölgede entegre olur. Viral DNA’nın eklenmesinden sonra,viral DNA replikasyonu artık konak bakteri kromozomunun kontrolü altındadır. İndüksiyon söz konusu olduğunda,viral DNA,konak DNA’sından entegrasyonunun tersine bir işlemle ayrılır. Lizojenik hücrenin indüklenmesi durumunda,lamda DNA’sı genellikle bir bütün olarak kesilerek ayrılır. Fakat,zaman zaman faj genomunun yanlış yerden kesilip ayrılması da söz konusudur. Bu gibi durumlarda,bitişikte olan bazı bakteriyal genler faj DNA’sı ile birlikte kesilirken,bazı faj genleri de geride bırakılabilir. Bu faj bir sonraki enfeksiyonda olgun fajlar oluşturamaz.Fakat yardımcı faj olarak adlandırılan canlı bir virion,hasarlı fajda eksik olan fonksiyonları tamamlayabilir. λdgal ve yardımcı faj hücreyi birlikte enfekte ettiklerinde,lizatta yüksek sayıdaki normal lamda virionlarının yanı sıra birkaç tane de λdgal partikülü bulunur. FAJ DÖNÜŞÜMÜ Normal ılımlı bir faj bir hücreyi lizojenik hale getirerek,faj DNA’sı profaj durumuna dönüştüğünde,bu hücre aynı tür fajların yeni enfeksiyonlarına karşı bağışıklık kazanır.Kazanılan bu bağışıklık fenotipte bir değişiklik olarak düşünülebilir. Fakat lizojenik hücrede sıklıkla faj bağışıklığı ile ilgili olmayan diğer fenotipik değişikliklerde gözlenebilmektedir.Normal ılımlı bir fajın oluşturduğu lizojenizasyon sonucu meydana gelen bu tip değişiklikler faj dönüşümü olarak adlandırılır. KONJUGASYON Hücreden hücreye plazmit aktarımının ana mekanizması konjugasyondur ve bu fonksiyon bazı plazmitlerin kendisi tarafından kodlanır. Konjugasyon işlemi,belirli tipte bir konjugatif plazmit taşıyan bir verici hücreyi ve bu plazmiti taşımayan bir alıcı hücreyi içerir.Konjugasyonu kontrol eden genler plazmitin tra bölgesinde bulunur.tra bölgesinde bulunan genlerin çoğu eşlerin çiftleşmesinde ve bir hücre yüzey yapısı olan eşey piluslarının sentezlenmesinde rol oynar.Sadece verici hücreler bu eşey piluslarını üretirler. Piluslar,alıcı hücredeki bir reseptör ile özgünlükle temas kurmakta ve daha sonra kısalarak iki hücreyi birbirine yaklaştırmaktadır.Daha sonra,verici ve alıcı hücreler arasındaki temas kararlı hale dönüşmekte ve DNA bir hücreden diğerine aktarılmaktadır. KONJUGASYON SIRASINDA DNA AKTARIMININ MEKANİZMASI Konjugasyon hücrelerarası temas ile tetiklenir ve bu anda halkasal plazmit DNA’sının bir zincirinde bir kırık meydana gelir ve bu zincir alıcı hücreye aktarılır. İşlemi başlatmak için gerekli olan TraI kesme enzimi F plazmitinin tra operonu tarafından kodlanır.Bu protein aynı zamanda helikaz aktivitesine sahip olduğu için,aktarılan zincirin çözülmesinde de görev alır. Bu aktarım sırasında,verici hücreden ayrılan zincirin yerine dönen çember mekanizması ile yeni DNA sentezlenirken,alıcı hücrede de komplemanter DNA zinciri sentezlenir. Plazmit genleri bir alıcı hücrede ifade edilmeye başlandığı zaman,alıcı hücre de verici hücreye dönüşür ve diğer alıcı hücrelere plazmit aktarımı yapabilir.Bu yöntemle populasyonlar arasında hızla yayılan konjugatif plazmitler bu yönüyle bir bulaşıcı ajan gibi davranır.Bu bulaşıcı nitelik ekolojik olarak oldukça önemlidir. Bir kromozomdaki genlerin düzeni daima aynı olmak zorunda değildir;çünkü bazı genler hareket etme yeteneğine sahiptir. Genomda bir genin bir yerden başka bir yere hareket etmesine transpozisyon adı verilir ve bu işlem evrimde ve genetik analizlerde oldukça önem taşır. Transpozisyon, transpozon elementleri olarak adlandırılan özel genetik öğelerin bulunmasına bağlıdır. Transpozisyon ilk olarak mısır bitkisinde keşfedilmiştir. TRANSPOZONLAR VE HAREKETLİ ELEMANLAR Bakterilerde üç çeşit transpozon elementi bulunur: 1. İnsersiyon Dizileri 2. Transpozonlar 3. Özel Virüsler Bu elementlerin önemli iki ortak özelliği vardır: 1. Bunların her ikiside transpozisyon için gerekli olan transpozaz adlı bir enzimi kodlayan genleri taşır. 2. Bunların her ikisi de DNA’larının uçlarında kısa ters terminal tekrarlar içerir. Bu tekrarlar uzunluk olarak,basit IS elementlerinde 20 bç’den az olabileceği gibi,bazı transpozonlarda 1 kbç’den fazla olabilmekte ve her farklı IS’nin terminal tekrarları kendine özgü baz çifti sayısına sahip olabilmektedir. İnsersiyon dizileri transpozon elementlerinin en basit grubudur ve yeni yerlerine hareketlerini sağlayan genler dışında herhangi bir gen taşımazlar. İnsersiyon dizileri genomun özgül bölgelerine entegre olabilen,yaklaşık 1000 bç uzunluğundaki kısa DNA parçalarıdır. İnsersiyon dizileri kromozomal DNA’da,plazmitlerde ve bazı bakteriyofajlarda bulunur. Transpozonlar insersiyon dizilerinden daha büyük olup,diğer genleri de taşırlar. Bunlara ek olarak,konjugatif transpozonlar vardır ve bunlar bakteri türleri arasında konjugasyon yolu ile hareket edebilen transpozonlardır. TRANSPOZİSYONUN MEKANİZMASI İki tip transpozisyon mekanizması bilinmektedir: 1. Konservatif 2. Replikatif Konservatif transpozisyonda,transpozon elementi kromozomdaki bir bölgeden koparak çıkar ve yeni bir bölgeye tekrar girer.Bu nedenle konservatif transpozonlar bir tane kopya sayısına sahiptir. Buna karşılık,replikatif transpozisyonda yeni bir kopya sentezlenmekte ve bu kopya kromozom üzerinde başka bir yere girmektedir. Konservatif transpozisyonda,verici bölge kesilir ve tek zincirli bölgeler replikasyon onarımı ile doldurulur.Bu işlem,hedef bölgedeki transpozonun uçlarında direkt tekrarların oluşması ile sonuçlanır. Replikatif transpozisyonda,replikasyon onarımı transpozon elementi hem orijinal yerine ve hem de hedef bölgeye hala bağlıyken meydana gelir. Bu durum birleşik bir yapının oluşması ile sonuçlanır. Transpozisyon aslında bir rekombinasyon işlemidir.Ancak,bu rekombinasyon homolog diziler arasında meydana gelmez veya hücrenin genel rekombinasyon sistemi kullanılmaz.Transpozisyon,genel rekombinasyonda rol alan RecA proteinlerini değil transpozazı kullanmaktadır. İNTEGRONLAR İntegronlar diğer kaynaklardan gelen genleri yakalayıp ifade edebilen transpozonlardır. İntegronlar rastgele insersiyon yapmazlar ve insersiyon bölgesi konusunda oldukça seçicidirler.Bunlar sıklıkla plazmitlere insersiyon yaparlar. İntegronlar yönlendirilmiş rekombinasyon için gerekli olan integraz proteinini kodlayan bir gen içerirler. KAYNAKÇA BROCK BİOLOGYOF MİCROORGANİSMS MOLEKÜLER BİOLOGY OF THE GENE MOLEKÜLER BİYOLOJİ https://www.google.com.tr/search?q=MISIR&source=ln ms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwip6fD7oMXJAhWq9 HIKHUZNBDEQ_AUIBygB#imgrc=lEZslJ99YbIHHM%3A https://www.google.com.tr/search?q=bacillus&espv=2 &biw=1242&bih=590&source=lnms&tbm=isch&sa=X& ved=0ahUKEwinyYeek8_JAhXGCiwKHXwJDdMQ_AUIBigB &dpr=1.1#imgdii=jZPI2DmqVb8oXM%3A%3BjZPI2Dmq Vb8oXM%3A%3BjBztqmXeos2npM%3A&imgrc=jZPI2Dm qVb8oXM%3A HAZIRLAYAN : Ayşe CEBECİ
