GENOM ve EVRİMİ

GENOM ve EVRİMİ
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1. Genlerin Haritalanması
1.1.Genlere ait Farklı Şekilde Fiziksel Haritalar oluşturulabilir.
 Yapılan çalışmalar ve gelişen yeni teknolojiler ile genler farklı hızlarda
taranabilir ve farklı gen haritaları oluşturulabilir.
 Bir canlıya ait genlerin tamamına Genom adı verilir.
 Genomun dizilenmesi ile o canlıya ait genlerin düzenlerine dair fiziksel
haritalar yapılabilir.
 Bu
fiziksel
haritalar,
restrüksiyon
endonükleazlar
yardımıyla
“Restrüksiyon haritaları” veya kromozomların işaretlenmesiyle oluşturulan
Kromozom haritaları” şeklinde olabilir.
 Bu şekilde ortaya çıkan geniş bilginin işlenmesi, çalışılması, depolanması
ve kullanılması için bilgisayarlardan yardım alınır.
 Bu durum ortaya Bioinformatik bilim dalının çıkmasını sağlamıştır.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.2. İnsan Genom Projesi
 1990
Yılında
başlatılan
“İnsan
Genom
Projesi”
dizileme
teknolojisinin gelişmesini teşvik etmiştir.
 Bu sayede daha hızlı ve ucuz dizileme teknolojileri açığa çıkmıştır.
 Bu proje 6 ülkede 20 büyük dizileme merkezinde çalışılmış ve 2003
yılında büyük bir kısmı tamamlanmıştır. Kromozomlar analiz
edilmeye çalışılmıştır.
 1. Kromozoma ait elde edilen bilgiler araştırıcılar tarafından
“Neredeyse tamamlandı” açıklamasıyla 2006’da yayınlanmıştır.
 İnsan genomunun yaklaşık 3 milyar baz-biriminden oluştuğu
belirlenmiştir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
 Bu projenin avantajlarından biri J. Craig Venter
tarafından 1998 yılında Tüm-Genomu Rastgele
Tarama Yaklaşımı (whole-genome shotgun
approach) yönteminin geliştirilmiş olmasıdır.
 Bu yaklaşım, DNA parçalarının rastgele küçük
parçalara kesilmesi ve klonlanmasına dayalı bir
uygulamadır.
 Günümüz de bu yöntem farklı genom çalışmalarında
kullanılan önemli bir yöntemdir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Bu yöntemde (Şekil 21.2);

1.Adımda; bir kromozomu oluşturan DNA restrüksiyon
endonükleazlar yardımıyla 400-1000 baz çifti olacak uzunluklarda
kesilir.

2. Adımda bu parçalar klonlanır ve

3. adımda dizilenir.

4. ve Son adımda ise bilgisayarlarda bu diziler çakıştırılarak
tamamlanır.

13 yılda bu çalışma için 100 Milyon Dolar harcanmıştır.

Bu işlemin diğer canlı genomlarına uygulanması ile ortaya çıkan
bilgilerin toplamına Metagenomiks (Metagenomics) adı
verilmiştir.

Bunları düzenleyen bilgisayar programları geliştirilmiş, 2012
yılında bunlara mikroorganizma türleride Mirobiom (Mcrobiom)
adı ile eklenmiştir.

Programın esasında insan ve tüm canlılarda yer alan ve/veya
belirlenmiş baz dizileri arasındaki benzerlikler taranabilmektedir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.2.1 Biyoinformatik Araçlar
 Yukarıda anlatılan ve/veya benzer yöntemler ile elde edilen veriler farklı
bilgisayar data banklarında depolanmakta ve çalışmalarda
kullanılabilmektedir.
 Bunlar arasında en çok bilinenleri;
 National Library of Medicine and the National Institutes of Health
(NIH)’in oluşturduğu National Center for Biotechnology Information (NCBI)
ve onun website (www.ncbi.nlm.nih.gov) yer almaktadır (Şekil 21.3).
 Benzer web sitelerine Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı (European
Molecular Biology Laboratory) Japonya DNA Veri bankası (DNA Data Bank
of Japan) ve BGI (Pekin Genom Enstitüsü, Beijing Genome Institute)
Shenzhen, Çinde rastlamak mümkündür. Bunlarda NCBI ile bir arada
çalışırlar.
 NCBI veri bankası bir GenBankasıdır. 2013 Temmuz ayında veri tabınında 165
Milyon Genomik DNA fragment dizisi ve 153 Milyar baz birimi yer aldığı
bildirilmiştir.
 NCBI veri tabanındaki bu veriler BLAST adı verilen bir program yardımıyla
çalışılmaktadır.
 BLAST programı, siteyi ziyaret eden araştırıcılara, elde ettiği DNA parçasını,
farklı canlılarda ve/veya aynı canlının farklı türlerindeki DNA dizileri ve protein
dizileri ile karşılaştırmasını farklılıklarını, benzer başka parçalar bulunup
bulunmadığını öğrenmesini sağlayabilecek bir yapıya sahiptir.
 İki araştırma merkezi Rutgers Universitesi ve Kalifornia Üniversitesi
(University of California, San Diego), bu veri bankasından elde edilen sonuçları
değerlendirerek 3boyutlu protein modellemesi yapabilen bir programla
zenginleştirmişlerdir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
 Günümüzde Genom analizine yönelik bir diğer yaklaşım ise Genlerin ve Gen
ekspresyonlarının sistemler düzeyinde belirlemesi çalışmalarıdır.
 Bu proje 2003 yılında başlamıştır. Adına ENCODE (Encyclopedia of DNA
Elements) denilmektedir. Sistem biyologları tarafından yapılan bu araştırmalarda;
 Tanımlanan proteinlere ait genler, tanımlanmayan genler, RNA kodladığı
düşünülen genler, gen ekspresyonun düzenlenmesinde yer alan enhancerlar ve
promotorlar, histon proteinleri’ne ait veriler bilgisayarlara yüklenir.
 Yeni tanımlanan yada görevi tam bilinmeyen DNA parçalarına ait veriler ve
bunların gen ekspresyonunda izledikleri yollar elde var olan bilgiler; bilgisayarlar
yardımıyla değerlendirilmeye çalışılır (Şekil 21.4).
 Bunlardan yola çıkılarak proteinlerin yapı ve görevlerine ait bilgilere ulaşılmaya
çalışılmaktadır. Bu da Proteomiks (Proteomics ) kavramını ve konusunu gündeme
getirmiştir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
 Sistem biyolojisi çalışmalarının Tıbbi alanlara
uygulanmasıyla insan genom çipleri
oluşturulmuştur (Şekil 21.5).
 Bu çiplerin sağlık alanında erken teşhis için
kullanılması düşünülmektedir.
 Bu amaçla genetik mutasyonları belirlenmiş 3
kanser (Akciğer Kanseri, Ovaryum Kanseri ve
Beyinde gelişen Glioblastoma) vakası esas
alınarak Amerikan Ulusal Kanser Enstitüsü ve
NIH insan genom çipini geliştirmişlerdir. Henüz
2010’dan beri ön deneme aşamasında olan çipler
kullanılmakta ve geliştirilmesi düşünülmektedir.
1.3. Genomların Çeşitliliği, Gen Sayısı ve
Gen Yoğunluğu (Tablo 21.1 ve 2)
 2013 Nisan ayında 9600 genomdan 4300’den
fazla genomun dizilenmesi tamamlanmıştır.
 Bunlar arasında 4000 tane bakteri, 186
archeal genom ve 183 ökaryotik (vertebratlar,
invertebratlar, protistler, fungilerve bitkiler)
genom yer alır.
 370 civarında metagenom geliştirilmiştir.
 Bu sayede genomların genişliği ve
çeşitliliğine dair bilgiler elde edilmeye
çalışılmaktadır.
 Buna ek olarak gen sayıları ve
yoğunluklarına dair farklılıkları da anlamaya ve
öğrenmeye çalışmaktayız
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.4.Çok Hücreli ökaryotlarda Kodlanmayan genler ve Gen Aileleri
 Yapılan çalışmalar DNA’nın büyük bir kısmını bilmediğimizi ortaya koydu.
 Buna göre insan genom projesi sonucunda insan DNA’sının ancak %1.5’tan az kısmının proteine
çevrilen, tRNA ve rRNA olarak tanımlandığını gösterdi.
 DNA’nın büyük bir kısmını tekrar eden dizilerin oluşturduğu belirlendi (Şekil 21.6).
 Hem Prokaryotlarda hem de Ökaryotlarda yer alan bu hareketli yapılar Transpozon adını alırlar.
Memelilerde Transpozon yapısındaki diziler genomun ortalama %45-50’sini oluşturur. Amfibia ve
bitkilerde daha fazla hatta mısır bitkisinde genomun %85i bu hareketli elemanları içerir.
 Diğer hareketli DNA parçaları yaklaşık 300 baz biriminden oluşan Alu Fragmentleri’dir. Bunlarda
memeli genomunun yaklaşık %10’nunu oluşturuyor.
 Transpozonlar, kendini tekrar eden ve hareketli DNA birimlerini içerirler ve temelde 2 çeşittirler.
 Bunlardan ilki DNA içinde ve DNA yoluyla hareket eden Transpozonlar (Şekil 21.8)
 İkincisi ise RNA yoluyla hareket eden Retrotronspozonlardır (Şekil 21.9). İnsan genomunda
yer alan retrotranspozonlarda Line-1 denilen grup, Alu fragmenleri-parçalarından biraz daha
uzundur yaklaşık 6500 baz birimi içerir. Bu grupta İnsan genomunun %17 sini oluşturur.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
•Genomda görülen diğer kendini tekrarlayan parçalar arasında;
• 10.000-300.000 baz birimleri içeren basit DNA dizileri (Simple DNA squence) yer
alır. . . . GTTACGTTACGTTACGTTACGTTACGTTAC . . şeklinde, tek bir tipine
rastlanmıştır.
•(GTTAC) Dizisinde arka arkaya gelen kısa tekrar dizileri (=Short Tandem
Repeats=STRs) genomdaki ayırıcı bölgeler için en yaygın işaretleyicilerdir ve onların
fenotipteki etkileri oldukça kıymetlidir. İnsan genomunun yaklaşık %3’ünü oluşturur.
GENLER ve ÇOKLU GEN AİLELERİ
•Bir gen dizisi yada gen grubu bakteriden, bitkiye ve hayvana kadar bir çak canlı
grubunda görülüyorsa bunlara çoklu gen aileleri adı verilir.
•Canlılarda
yer alan kodlanan ya da kodlanmayan düzenleyici genler (intronlar,
regülator genler, tRNA ve rRNA genleri vbg) yaklaşık olarak canlı genomunun %6’sını,
(insan genomunun yaklaşık %25’ni) oluşturur.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
GENLER ve ÇOKLU GEN AİLELERİ
(Devam)
•Bu aileler de yer alan genler, 2 veya daha
çok ortak gen içerir. Bunlar genellikle
benzer histon proteinlerini ve rRNA
birimlerini kodlayan genlerdir (Şekil
21.10a).
Milyonlarca
Ribozomun
yapımında görev alırlar.
•Bununla beraber aynı olmayıp benzer
görevli farklı canlılarda yapan genlerde
vardır. Buna en iyi örnekte Globlin
genleridir (Şekil 21.10b).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.5.DNA’nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve
Mutasyonlarının Genom Evrimine Katkısı
 Hücre bölünmesi
sırasında meydana gelen hataların tamamının veya bir
kısmının düzeltilememesi ve kopyalarının ortaya çıkması bir hata birikimine
yol açabilir.
 Bu sapma tüm kromozom setlerinin dizisini etkiler ve değiştirebilir. Buna
poliploidi
adı da verilir. En sık bitkilerde görülür ve onların yeni türler
oluşturmasına yardımcı olur.
 Genomların kromozomal organizasyonlarının değişmesi ve bu değişimlerin
karşılaştırılması türler arasında evrimsel ilişkiler hakkında bilgi verir (Şekil
21.11 ve 21.12).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.5.DNA’nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve
Mutasyonlarının Genom Evrimine Katkısı (Devam)
 Kısaca kromozomların belirli bir türü içinde, yeniden düzenlemesi, yeni
türlerin ortaya çıkmasına katkıda bulunduğu düşünülmektedir (Şekil 21.13).
 Örneğin Globin genlerine bakıldığında , bu genlerin farklı canlılarda kısmen
farklı görevlerde çalışmalarına karşın bir ortak atadan geldiğini gösteren büyük
dizi benzerlikleri vardır.
 Globin geninde,
bu farklılıkların hangi evrim basamaklarında olduğu ve
hangi aşamalarda α-globin ve β-globin olarak atasal globin’den uzaklaştığı
bilinmemektedir (Şekil 21.14).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.5.DNA’nın Duplikasyonunun (Eşlenme), Yeniden Düzenlenmesinin ve Mutasyonlarının
Genom Evrimine Katkısı (Devam)
 Buna sonradan çoğaltılma aşamasında ve rastgele mutasyonlarla ulaşıldığı düşünülmektedir.
Bunun dayanak noktasıda, oksijen bağlayan kısmın hemen hemen mevcut her globin gen tipinde
aynı şeklide kodlanması ve oluşmasıdır.
 Benzer olarak diğer bazı çoklu genlerin kopyaları
farklılaşabilir. Örneğin
lizozim ve α-
laktalbumin proteinlerinin kodlan ve işlevleri de hemen tamamen hücrelerde farklılık gösterebilir
(Şekil 21.15).
 Genler arasındaki ekzonlarının sırası ve işlevide yeniden düzenlenebilir. Buna ekzon karıştırma
(Exon Suffling) veya ekzon duplikasyonu (Exon Duplication) adı verilir (Şekil 21.16).
 Bu durumda evrim içinde, birden fazla kopyası olan genlerin daha sık görülmesine yol açmıştır.
 Hareketli transpoze elemanların varlığı ve/veya rekombinasyonları, aynı elementin kopyalarının
yeni bir dizi kombinasyonu göstermesine yol açabilir. Bunun organizmaya faydası ve/veya zararı
genlerin fonksiyonları, ifade ve düzenlenme kalıplarına göre değişebilir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
1.6 Genom Dizilimlerinin Evrime ve Gelişmeye Katkıları
•Yakın ve uzak akraba geneomlarının karşılaştırılması , geçmişte yaşamış türler ve
günümüzde yaşayan türler için değerli, bilgiler kazandırmıştır (Şekil 21.17).
•Tek nükleotit polimorfizm analizleri (Single Nucleotid Polymorphisms, SNP) ve
nükleotid polimorfizmleri ve kopyalama sayısı varyantları (Copy-numbers variants,
CNVs) çalışmaları türler arası ilişkilere ve bağlantılara ışık tutmaktadır.
• Evrimsel gelişim (Evolution –Development, Evo-Devo) çalışmalarıyla biyologlar,
hayvan ile ilişkili olan homeotik genleri ve diğer bazı genlerin, Gelişmeye etkili
dizilerin özgün kutuda (homeoboxs) bölgesinde yer aldığını ve oldukça korunduğunu
göstermişlerdir (Şekil 21.19 ve 21.20).
•Benzer bağlantılı ve benzer dizilerin bitki ve maya genlerde bulunduğu belirlenmiştir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Kaynaklar
 Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell,
Jane B. Reece, Unit 3, Part:21, p: 436-461 Pearson
Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco,
CA 94111.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER