BAĞLANTI ve REKOMBİNASYON
advertisement
BAĞLANTI ve REKOMBİNASYON • Bağlantı: Çeşitli genlerin aynı kromozomda bulunmalarına ve bunun sonucu olarak da döle birlikte geçme eğilimleri • Bağlantı grubu: Bir kromozom üzerinde yerleşmiş olan tüm genler • Sutton, bir organizmanın taşıdığı kromozom sayısının genlerinin sayısına göre çok az olduğunu işaret etmiş. – Drosophila'da sadece 4 çift kromozom vardır. Her bir kromozomda çok sayıda gen bulunur. • Morgan ve ark. (1911) Drosophila melanogaster çok sayıdaki kalıtsal karakter 4 grup Sitolojik 4 farklı kromozom çifti • Bir organizmadaki bağlantı grupları sayısı, kromozom sayısına eşit – D. melanogaster'in X kromozomunda bulunan genler I., otozomlarda bulunan genler ise sırasıyla II., III. ve IV. bağlantı grupları – Mısır bitkisinde 10 kromozom çiftinin karşılığı olarak 10 bağlantı grubu TAM BAĞLANTI • Bir kromozomda bulunan genler dölden döle her zaman birlikte geçiyorlarsa bu genler arasında tam bağlantının olduğu kabul edilir. – D. melanogaster'de dördüncü kromozomda taşınan genlerin tayin ettiği karakterler birlikte ortaya çıkarlar – kıvrık kanatlı ve kılsız x normal kanatlı ve kıllı • F1 normal kanatlı kıllı x kıvrık kanatlı ve kılsız ½ normal kanatlı ve kıllı, ½ kıvrık kanatlı ve kılsız Drosophila melanogaster’in erkeklerinde tam bağlantı (Bilge’den yararlanarak). • Drosophila'da (Darlington diğ.) spermatogenezi sitolojik – erkeklerde I. mayoz bölünme sırasında kromozomların eşleştiğini fakat homolog kromozomların kromatidleri arasında kiazmaların oluşmadığını gözlemişlerdir. • Bu durum az sayıda bazı türün heterogametik eşeylerinde de (örneğin, dişi ipek böceklerinde) saptanmıştır. • Bağlantı kavramı bir kromozomdaki gen lokuslarına özgüdür. AaBb genotipindeki iki ayrı bireyde bağlantı gösteren alleller AB/ab veya Ab/aB biçiminde olabilir – Drosophila'da kanat uzunluğunu belirleyen gen ile göz rengini belirleyen gen bağlantılıdır. Kanat uzunluğu için normal (vg+) ve körelmiş kanat (vg) allelleri, Göz rengi için de kırmızı (pr+) ve eflatun göz (pr) allelleri İki dominant allelin bir kromozomda iki resesif allelin ise diğer kromozomda bulunmasına cis durumlu bağlantı pr+ vg+/pr vg Bir dominant ve bir resesif allelin bir kromozomda diğerlerinin öbür kromozomda bulunması ise trans durumlu bağlantı pr+vg/pr vg+ TAM OLMAYAN BAĞLANTI ve REKOMBİNASYON • Eşeyli olarak üreyen türlerin büyük çoğunluğunda tam bağlantı çok ender. Tam bağlantı genelde birbirine çok yakın durumdaki genler arasındadır. • Bağlantının tam olmaması nedeniyle bağlantı gruplarının çoğundaki gen çiftleri birbirinden, bağımsız olarak ayrışabilirler bağlantının çözülmesi Drosophila melanogaster’in dişilerinde tam olmayan bağlantı (bağlantının çözülmesi) (Bilge’den yararlanarak). • Morgan (1912) bağlantının aynı kromozomda sıralanan genler arasındaki bir fiziksel ilişki olduğunu, bu ilişkinin mayoz sırasında homolog kromozomlardaki genler arasında meydana gelecek fiziksel bir değiş tokuş ile (krosingover) – Bu görüş, 1931 yılında Stern tarafından Drosophila’da, – Creighton ve McClintock tarafından Zea mays’da • Janssens (1909) tarafından ortaya konulan ve sitolojik olarak gözlenen, kiazmaların homolog kromozomlar arasındaki değiş tokuş yerleri • Mayoz bölünmede eşleşmiş kromozomların kiazmalarında meydana gelen parça değiş tokuşu sonucunda rekombinasyon • Rekombinasyon, bir fiziksel olay olan krosingover sonucunda bağlantılı genlerin ayrılması ve yeni gen birlikteliklerinin oluşumu Krosingover sonucu rekombinasyon • Aynı kromozomda bulunan genler arasındaki bağlantının çözülmesi durumunda, bu genleri heterozigot olarak taşıyan bireyin test çaprazlaması dölünde krosingover geçirmemiş ana-baba tiplerinin yanında krosingover sonucu oluşan ve allelleri ana-babalarındakinden farklı yerleşim düzeninde taşıyan tipler (rekombinant) de çıkar. • Tam olmayan bağlantının sonucunda bağımsız dağılıma göre beklenen fenotip grupları meydana gelir ancak oranlarında sapmalar gözlenir. – AB/ab heterozigotunda A-B (veya a-b) allelleri arasında eğer %20 oranında bağlantı çözülmesi varsa, ana-baba tiplerinin toplam oranı % 80, rekombinantların ki ise % 20 • İki gen bakımından meydana gelen rekombinant tiplerin tüm kombinasyonların toplamına oranına rekombinasyon sıklığı denir. • Aynı kromozomda bulunan değişik genler arasındaki rekombinasyon sıklığı değerleri % 050 • Hiç rekombinasyon olmaması (% 0) iki gen arasındaki tam bağlantının belirtisidir. Aynı kromozomda bulunan iki gen arasında rekombinasyon sıklığının % 50’yi aşamayacağının şematik gösterimi (Russell’dan). BAĞLANTININ SAPTANMASI ve REKOMBİNASYON SIKLIĞININ HESAPLANMASI • Önce her bir allel çiftinin beklendiği gibi ayrışım gösterip göstermediğini saptamak ve sonra da iki allel çiftini bağımsız dağılım bakımından analiz emek. İki nokta (allel) çaprazlaması Diploidlerde, otozomlarda taşınan iki gen arasındaki rekombinasyon sıklığı iki gen bakımından heterozigot F1 bireylerinin çift resesif homozigotlarla geri çaprazlanma sonucunda ortaya çıkan rekombinant bireylerin belirlenmesi ve bunların toplam birey sayısına oranlanmasıyla hesaplanabilir. – AB/ab x ab/ab krosingover sonucunda Ab/ab ve aB/ab rekombinant tipleri – Bir Ab/aB x ab/ab AB/ab ve ab/ab rekombinant tipleri • Eşeye bağlı genlerin rekombinasyon sıklıklarının hesaplanması • Erkek bireylerin heterogametik olduğu türlerde, dölün erkek bireylerindeki farklı fenotip gruplarının saptanması ve oranlarının hesaplanması KROMOZOM HARİTALARI Kromozom haritaları: Bir organizmanın kromozomlarında bulunan genlerin yerleşim düzenlerinin ve aralarındaki uzaklıkları gösteren şemalar Rekombinasyon Haritaları • Rekombinasyon haritaları ya da bağlantı haritaları bağlantı gruplarının saptanması ve bir bağlantı grubunu oluşturan genler arasındaki uzaklıkların bunların arasında meydana gelen krosingover sıklığına göre hesaplanması • Genetik harita • Temel ilke: Morgan (1911) krosingover sıklığı doğrudan genler arasındaki uzaklığa bağlıdır. İki gen arasında krosingover meydana gelme olasılığı genler arasındaki uzaklık arttıkça çoğalır. Genler arasındaki uzaklık ile krosingover sıklığı arasındaki ilişki (“X” işaretleri krosingover yerlerini işaret etmektedir). Mayoz sırasında meydana gelen krosingoverlerin ortalama sayısının hesaplanması. Açıklama metinde (Snustad ve Simmons’dan). Üç nokta (allel) çaprazlaması: Haritalanacak genleri heterozigot olarak taşıyan bireyler test çaprazlaması sonucunda üç gen arasındaki rekombinasyon sıklıkları hesaplanır. A, B ve C genleri aynı bağlantı grubu içindeyse, aynı zamanda A ile B geninin ve B ile C geninin birbirinden ayrılma derecesi biliniyorsa, A ve C genlerinin birbirinden ayrılma derecesi de tahmin edilebilir. Heterozigot normal kanatlı, kıllı ve normal torakslı dişi Drosophila'ların (+ + + / cu ss sr) bu karakterlerin resesiflerini taşıyan erkeklerle (cu ss sr / cu ss sr) çaprazlanma dölü. Gruplar Fenotipler Sayı Oran (%) Tip 1 ve 2 +++ cu ss sr 430 452 88.2 krosingoversiz (ana-baba tipi) 3 ve 4 + ss sr cu + + 45 38 8.3 cu-ss arasında tek krosingover 5 ve 6 + + sr cu ss + 16 17 3,3 ss-sr arasında tek krosingover 7 ve 8 + ss + cu + sr 1 1 0,2 cu-sr arasında çift krosingover Genlerin dizilişi: Buna göre değerler : cu − ss ss − sr cu − sr bu örnekte genler arasındaki uzaklıklara ilişkin gerçek 8.3 + 0.2 = 8.5 3.3 + 0.2 = 3.5 8.3 + 0.2 + 3.3 + 02 = 12.0’dir. Doğrudan genler arasındaki krosingoverlerin ortalama sayılarının hesaplanmasıyla da kolaylıkla doğrulanabilir Krosingoversiz Tek krosingoverli Çift krosingoverli gruplar (1 ve 2) gruplar (3 6) gruplar (7 ve 8) (0) x 88.2 + (1) x 11.6 + (2) x 0.2 = 12.0 Aynı kromozomda bulunan üç gen çifti (Aa, Bb, Cc) bakımından heterozigot bir bireyde, genlerin diziliş sırasındaki farklılıklara göre meydana gelebilecek çift krosingover çeşitleri (Strickberger'den). Drosophila melanogaster'in kısmi rekombinasyon haritasında bazı genlerin yerleşimi. Haritada yabani tipten farklı fenotipler verilmiştir (Goodenough ve Levine, Klug ve Cummings, Strickberger’den yararlanarak). Birlikte Meydana Gelme ve Karışma • Üç nokta çaprazlamalarında, gözlenen çift krosingover sıklıkları genellikle beklenenden de daha düşük olmaktadır. – Örneğin, yukarıdaki sayısal değerlerden giderek, cusr arasında beklenen çift krosingoverlilerin sıklığı (0.085) x (0.035) = 0.002975 (~0.003) olması gerekir; ancak elde edilen çift krosingoverlilerin sıklığı 2 / 1000 = 0.002’dir. • Kromozomun bir bölgesinde meydana gelen bir krosingoverin kendisine yakın bölgelerde başka krosingoverlerin meydana gelmesini, genelde engelleyici biçimde, etkilemesidir. Müller, karışma (“interference” (I)) • İki nokta arasında aynı anda iki krosingoverin meydana geliş derecesi, birlikte meydana gelme (“coincidence” (C)) katsayısı C = 0.002 / 0.003 = 0.66’dır. • Karışmanın engelleyici biçimde olmasına pozitif karışım da denilmektedir. I=1−C I = 1 − 0.66 = 0.34 olur. • Rekombinasyon sıklıklarına dayanan haritalamalarda genler arasındaki gerçek fiziksel uzaklıkların hesaplanmasında hem çift krosingoverlilerin azaltıcı etkisini hem de (pozitif veya negatif) karışmanın dengeleyici etkisini göz önüne alarak gerekli düzeltmelerin yapılması gerekir. Genetik Harita Birimleri • Genetik haritalarda, ölçü olarak % cinsinden rekombinasyon sıklığı alınır ve genler arasındaki uzaklıkları tanımlamakta harita birimi (“map unit”, mu) kullanılır. • 1 harita birimi iki gen arasında %1 oranındaki krosingover sıklığına eşdeğerdir ve kromozom üzerinde %1 oranında rekombinasyon sıklığının gözlendiği doğrusal bir uzak • Bazı genetikçiler genler arasındaki uzaklıklar için Morgan birimini kullanırlar. 1 harita birimi 1 santi Morgana (cM) eşdeğerdir. Buna göre, 1 cM = %1 sıklığındaki rekombinasyon • Eğer bağlantı gösteren iki gen birbirinden çok uzaksa, her mayoz sırasında bu genlerin tek bir krosingoverle birbirinden ayrılması beklenir. Buna göre rekombinasyon sıklığı da % 50'ye ulaşacaktır. % 50 oranında bağlantılı olanları bağımsız ayrışım gösterenlerden ayırmak olanaksızdır. • Birbirinden çok uzak iki gen lokusu arasındaki krosingover sayısı, eğer sadece bu iki gen arasındaki rekombinantlar dikkate alınmışsa, kesin olarak saptanamaz. • en güvenilir genetik haritalar çok sayıda birbirine yakın (2025 cM uzaklıktaki) olan genler arasındaki uzaklıkların saptanmasıyla elde edilenlerdir. Çünkü, genlerin birbirine yakın olduğu durumlarda, karışma etkisi de kuvvetli olduğu için fazla sayıda krosingover meydana gelmesi engellenir ve rekombinasyon sıklığına göre gerçek genetik uzaklık doğru şekilde hesaplanabilir İki gen lokusu için tek, çift, üç ve dört krosingover sonucunda rekombinant tiplerin ortaya çıkma olasılıkları (Strickberger'den). Rekombinasyon sıklığı ile genetik harita uzaklıkları arasındaki ilişki. (Strickberger’den). • Ayrıca, kromozomlarda bazı bölgeler diğerlerine göre krosingover geçirmeye daha fazla eğilimlidir. – Kromozomların uçlarında (telomerlerde) ve sentromerlerin yakınında ise krosingover daha düşük sıklıkta meydana gelir. – Bu nedenle, genetik haritada bu bölgelerdeki genler arasındaki uzaklıklar diğer bölgelerdekine göre daha yakın durumda bulunurlar. Birlikte oluşum katsayısı ile harita uzaklığı arasındaki ilişki (Strickberger’den). • Sonuç olarak, rekombinasyon haritalaması genlerin kromozom üzerindeki gerçek sıralanmasını ortaya koyar; ancak genlerin arasındaki gerçek uzaklığı her zaman tam yansıtmaz. İnsanda Rekombinasyon Haritaları • İnsan genlerinin haritalanması çeşitli nedenlerle büyük önem taşır. – Genlerin yerleşim düzenlerinin bilinmesi insanlarla diğer primatlar ve omurgalı türler arasındaki evrimsel ilişkilerin kavranmasına – Hastalıklara neden olan genlerin haritalanması bu genlerin hastalığa nasıl yol açtıklarının anlaşılmasına ilişkin çalışmalar • Duchenne kas erimesi, kistik fibrozis ve Huntington hastalığı • Bununla birlikte, insanlarda rekombinasyona dayalı haritaların yapılması oldukça zordur. – kontrollu çaprazlamalar (evlilikler) yapılamamaktadır. – çocukların sayısı matematiksel olarak anlamlı sonuçların elde edilmesi için çok azdır. – İnsanda çok sayıda kromozomun (23 çift) bulunması • İnsanlarda genler arasındaki bağlantı durumları büyük ölçüde sadece aile verilerine göre değerlendirilebildiği için çok sayıda soy ağacı ve bunların bazı istatistik yöntemlerle analizi • Otozomlarda bulunan genler arasındaki bağlantı ilişkilerine ait ilk bulgular – Renwick ve Lawler (1955) AB0 kan grubu sistemini kontrol eden genle, anormal tırnak ve dizkapağı gelişimine neden olan "nail patella" sendromuna yol açan dominant allelin bulunduğu gen arasında elde edilmiştir. – Bu gaenlerle alyuvarların oval olmasını (“elliptcytosis”), Rh ve Lutheran kan gruplarını, AB0−salgılama özelliğini belirleyen gen lokusları arasında da bağlantı saptanmıştır. • İnsanda en kolay X kromozomundaki genler X kromozomunda rekombinasyon yalnız kadınlarda meydana gelmektedir. Rekombinant ürünler erkek çocuklarda hemen saptanabilir • İnsanda, X kromozomunda soy ağacı analizlerine göre saptanan ilk genler resesif karakterler olan kırmızı-yeşil renk körlüğü (c) ile hemofili B (hB) ye yol açan genlerdir Bir soy ağacında X'e bağlı hemofili B (hB) ve kırmızı-yeşil renk körlüğü (c) allellerinin kalıtım analizi (Strickberger'den). İnsanın X kromozomunda bazı genlerin bağlantı haritası (Strickberger'den). • İnsanlarda aynı kromozomdaki iki gen rekombinasyonla birbirinden ayrılsa bile bu durumun soy ağacında ortaya çıkmaması olasıdır. • “lod skor” (“logarithm of odds”) (göreceli risk oranları) analizi olasılık hesabına dayanan bir istatistik test bağlantının olup olmadığının gösterilmesinde yardımcı olmaktadır. • Genetik açıdan, lod skor bağlantı bulunması olasılığının bulunmaması olasılığına oranının logaritmik değerdeki ifadesidir. • Sitogenetik Haritalar • Sitogenetik (ya da sitolojik) haritalar, kromozomların mikroskop altında gözlenen morfolojik farklılıklarına göre yapılır ve genetik çalışmalardan elde edilen verilerle birleştirilerek gen lokuslarının kromozom üzerindeki yerleri saptanır. – Temeli, sitolojik olarak belirlenebilen kromozom yapı değişimleriyle bağlantılı olarak resesif bir karakterin fenotipik etkisinin araştırılmasına dayanır. • Drosophila ve diğer dipterlerin larvaları tükürük bezlerinde dev (politen) kromozomlar – Bu kromozomlar normal kromozomların yaklaşık 100-200 katı büyüklük – boyandıklarında üzerlerinde eksene dikey konumda koyu renkli bölgeler (bantlar) gözlenir. – Bantlar aynı soyun tüm bireylerinde aynıdır. – Bir politen kromozomda sayılarını son derece artırmış olan iki homolog kromozom eşleşmiş durumda bir arada bulunur. Çeşitli dış etkenlerle bu kromozomlarda çeşitli yapı değişmeleri (delesyon, duplikasyon, inversiyon, translokasyon). Yapı değişimi homolog kromozomlardan sadece birinde meydana geldiğinde, mayoz bölünmedeki kromozom eşleşmesi sırasında mikroskop altında tanımlanabilir. • Müller ve Painter ile Dobzhansky (1929) bir organizmada kromozom yapı değişmeleri olduğunda (örneğin inversiyonda) genler arasındaki bağlantı durumlarının değişir ve sitolojik haritada genlerin yerleri saptanabilir. • Painter, Delesyon haritalamasında temel ilke, bir genin yabani allelinin kaybolmasına yol açan delesyonun o genin resesif allelinin fenotipte ortaya çıkmasına yol açmasıdır. (yalancı dominantlık). Delesyon homozigot durumda genellikle öldürücü etkilidir; fakat heterozigot olduklarında yaşamı engellemez. Ancak bunların oranları, delesyonun olası öldürücü etkisi nedeniyle, %50’den az olabilir. Drosophila gibi organizmalarda, delesyonlu bireylerdeki dev kromozomlarda bazı bantların kaybolduğu bölgeler saptanarak bu genin sitolojik haritadaki yeri saptanabilir. 260-1 bölgesi (11 bant) 260-2 bölgesi Demerec’in Drosophila melanogaster'in X kromozomunda sitogenetik haritalama (Goodenough'dan). Vücudun sarı (y), vücut kılı sayısının az (ac) ve skutellum kılı sayısının az (sc) resesif alleller Şekil b. de dişi Drosophila'da bu resesif karakterlerin fenotipte ortaya çıktığı gözlendiği için bu üç genin X kromozomunun bu bölgesinde yerleştiği anlaşılmıştır. Şekil c. de dişi Drosophila'da ise sadece y ve ac allellerinin etkisi fenotipte belirmişt, sc lokusunun Şekil b’deki kromozomda bulunan fakat aynı şeklin c kısmındaki kromozomda bulunmayan az sayıdaki bantta yerleştiği • Genlerin sitolojik yerleşimlerini belirlemek için, kromozomdaki bir bölgenin birden fazla bulunması olan, duplikasyondan da yararlanılabilir (duplikasyon haritaları). • Bu durumda resesif bir karakterin ortaya çıkmasını engelleyen duplikasyon aranır • Temel ilke, bir genin yabani tip allelinin bulunduğu bölgeyi kapsayan bir duplikasyonun o genin resesif allelinin fenotipte ortaya çıkmasını engellemesidir. • İnsanda kromozom yapı değişimlerinden yararlanarak genlerin kromozomlardaki yerleşimlerinin belirlenmesi – Hücrede farklı kromozomlar arasında parça değişimi olan translokasyon olayından gidilerek, ölüme yol açan bir sinir kası hastalığı olan, Duchenne kas erimesi (“Duchenne muscular distrophy”, DMD) hastalığı ile ilgili genin haritalanması verilebilir. – Worton (1984) Translokasyona katılan otozomlar hastadan hastaya değişmekle birlikte, X’deki kırılma noktası her zaman kromozomun kısa kolunda Xp21 bölgesindedir. Böylece bu ender X/otozom translokasyonlarının analizi DMD geninin X kromozomundaki yerleşim yerinin saptanmasına olanak vermiştir. X gonozomu ve 5. kromozom arasındaki karşılıklı parça değişiminin (translokasyonun) Duchenne kas erimesine yol açması. • Francke ve arkadaşları da (1985), bir erkek hastada hepsi X’e bağlı resesif allellerin ortaya çıkardığı – kronik granulomatoz hastalığı, – sitokrom b’deki eksikliğe bağlı bir bağışıklık bozukluğu, – McLeod alyuvar bozukluğu, – bir görme bozukluğu olan retinitis pigmentosa – DMD hastalıkları • Kromozom haritaları genelde, genetik ve sitolojik çalışmalar sonucu elde edilen bulguların birleştirilmesiyle geliştirilmektedir. • Barski ve Ephrussi (1960) somatik hücre melezlemesi (hücre kaynaşması) • Aynı ya da farklı türden bireylere ait somatik hücre kültürleri arasında melezlemeler yapılmaktadır. • Farklı kültürlere ait iki hücre birbiriyle kaynaştığı zaman önce ortak sitoplazma içinde iki nukleus içeren bir hücre (heterokaryon) oluşur. • Heterokaryonlar kültüre alındığında nukleusların da kaynaşmasıyla sinkaryon adı verilen melez hücreler meydana gelir. • Melez hücrelerin çoğalması sırasındaki türlerden birine ait kromozomlardan bazılarının giderek kaybolur. • Birkaç bölünme sonra melez hücreler o türe ait kromozomlardan sadece birini veya birkaçını koruyarak sabit duruma geçer. • Bu özellikten yararlanarak insanda genlerin hangi kromozomda bulundukları anlaşılabilmektedir. • Örneğin insan ve fareye ait somatik hücrelerin kaynaştırılmasıyla oluşturulan melez hücrelerin çoğalmaları sırasında seçici olarak insana ait kromozomların yok olmasından yararlanılıp, hangi kromozom kaybının hangi karakterlerin yok olmasına yol açtığına bakılarak, bir çok genin insan kromozomlarındaki yerleşiminin saptanması mümkün olmuştur. • Bir kromozomun varlığı (ya da yokluğu) ile bir karakterin ortaya çıkması (ya da çıkmaması) arasındaki ilişkinin belirlenmesine sinteni testi adı verilir. • Her biri sadece bir tane insan kromozomunu taşıyan 23 farklı melez hücre soyu oluşturulur. • Bu farklı hücre tiplerinin her birinde insana ait karakterlerin belirlenmesiyle bu karakterlerden sorumlu genlerin hangi kromozomda taşındığı ortaya çıkarılabilir. İnsan (a) TK (timidin kinaz) geninin, (b) HPRT (hipoksantin fosforibozil transferaz) geninin kromozomlardaki yerleşimlerinin bulunmasında somatik hücre melezlemesinin kullanımı (Russell’dan yararlanarak). • 1980’li yılların başlarına kadar daha çok rekombinasyon ve sitogenetik tekniklere dayalı olarak gerçekleştirilen insan genlerinin haritalanmasında oldukça yavaş ilerlemeler kaydedilmiştir. • Ancak daha sonraları, genetik mühendisliği tekniklerinin kullanımıyla, moleküler düzeydeki fiziksel haritalama çalışmaları son derece doğru ve duyarlı biçimde yapılabilmeye başlanmıştır. • Özellikle çok sayıda hastalık geninin kromozomlardaki yerleşim düzenleri anlaşılmıştır. 2003 yılında tamamlanan İnsan Genom Projesi insan kromozomlarının tamamının moleküler düzeyde haritalanmasını karsar.
