Genom Kromozom Gen Gen
advertisement
Ökaryotik genom organizasyonu Doç. Dr. Nurten Özsoy İ.Ü. Eczacılık Fakültesi Biokimya Anabilim Dalı Onlar sizde ve bendeler; onlar bizi yarattılar, vücudumuzu ve aklımızı; ve onların korunması, varoluşumuzun en önemli temelidir…… Onlara genler diyoruz ve biz onların hayatta kalma makineleriyiz. Richard Dawkins (İngiliz Biyolog, 1941-) Gen Bencildir (1976) Genom Bir organizmanın her bir hücresinde bulunan genetik bilginin tamamı. Kromozom DNA ve onunla birleşmiş proteinler (histonlar) kromozom yapıda sıkıca paketlenmiştir. Gen Gen Gen hem maddesel (herhangi bir uzunluktaki DNA parçası), hem de fonksiyonel (bir RNA veya bir polipeptid sentezi için tam bir şifreyi veren DNA parçası) bir birimdir. Gen Hücre Kromozom Hücrede kalıtım bilgisinin akış yönü DNARNA Protein şeklindedir. Bu akış santral doğma olarak bilinir ve Retroviruslar hariç tüm canlılar için aynı mekanizma geçerlidir. Polipeptid Amino ucu DNA - Genetik bilgiyi taşıyan DNA, bu bilgileri replikasyonla aktarabilmekte veya mutasyon, rekombinasyon, transpozisyonla değişikliğe uğratabilmektedir. RNA – Protein sentezini yöneterek DNA tarafından taşınan genetik bilginin açığa çıkmasını sağlamaktadır. Karboksil ucu DNA biosentezine replikasyon (eşleme) denir. Genetik bilginin DNA’den RNA’e geçmesine transkripsiyon adı verilir. Bu bilgi verme mRNA’nın biosentezi şeklinde olur. Genetik bilginin polipeptid sentezi sonucunda protein olarak ortaya çıkmasına translasyon adı verilir. Replikasyon (DNA sentezi) Transkripsiyon (mRNA sentezi) DNA Translasyon (Protein sentezi) Ribozom RNA protein DNA’nın primer kopyalarında, olgun mRNA’yı oluşturmak üzere uzun kotlayıcı parçaları bağlayan ve uzaklaştırılmaları gereken DNA’nın kotlayıcı olmayan dizileri bulunur. Bunlara intronlar denilir. DNA’nın kotlayıcı bölgeler ise ekzonlar’dır. İntronların prekürsör mRNA’dan uzaklaştırılmaları ve ekzonların bir arada bağlanmalarına RNA splicing denilir. Transkripsiyonun başlaması İntron 1 Gen Ekson 1 İntron 2 Ekson 2 Ekson 3 Transkripsiyon İntron 1 İntron 2 Primer kopya Ekson 1 Ekson 2 Ekson 3 splicing Olgun mRNA Ekson 1 Ekson 2 Ekson 3 İnsan genomu • İnsan Genomu – Çekirdek (nüklear): Kromozomlar halinde paketlenen 3.2 milyar baz çifti (3,164,700,000 bp) – Mitokondrial: tek bir sirküler (halkalı) kromozom halinde paketlenen 16,600 baz çifti Nükleer genom Mitokondriyal genom Genomu bir hikaye kitabı olarak kabul edersek: • Bu kitap, kromozom olarak isimlendirilen 23 bölümden oluşmaktadır. • Her bir bölüm, gen olarak isimlendirilen binlerce hikayeden oluşmaktadır. • Her bir hikaye, ekzon adı verilen paragraflardan oluşmakta, • Her bir paragraf, kodon olarak isimlendirilen kelimelerden oluşmakta, • Her bir kelime, baz olarak isimlendirilen 3 farklı harften (A, T, G ve C) oluşur. Genom Kromozom 23Bölüm = 23 kromozom • 23 Bölüm: 23 TİP KROMOZOM • Kitaptaki hikayeler: GENLER – Paragraflar: EKZONLAR • Kelimeler: KODONLAR (3 harften oluşur) –Harfler: DNA BAZLARI (A, T, C veya G) –Hatalar: MUTASYONLAR – Açıklamalar: İNTRONLAR (hurda DNA) • Kopya edilir: REPLİKASYON • Tercüme edilir: TRANSLASYON Kromozomların gen içeriği farklıdır Örn. Kromozom 19 ve 17 gen açısından zengin Kromozom 21, 18 ve 13 gen açısından fakir Bölüm 1: Kromozom 1 DNA dizisi Kromozom 1 Genin adı Proteinin adı 1228 bp myocilin GLC1A transkripsiyon Amino asid dizisi mRNA 490 aa translasyon Bu proteinin görevi nedir? Göz içi basıncının ayarlanması Hastalık Glaucoma Bölüm 23: Kromozom X DNA dizisi Kromozom X Genin adı DMD Proteinin adı 14082 bp dystrophin transkripsiyon Amino asid dizisi mRNA 3562 aa translasyon Proteinin görevi nedir ? Kas hücre membranının bütünlüğünü korumaktır Hastalık Hastalık Duchenne Kas Distrofisi Ökaryot genomlar •2003 yılında tamamlanan İnsan Genom Projesi verilerine göre hücre genomunda protein sentezinde görevli gen (ekzon) oranı toplam DNA’nın ancak % 1.5’ini oluşturmaktadır. • İnsan genom projesi, insanların yalnızca 30,000 -35,000 gene sahip olduklarını şaşırtıcı bir biçimde göstermiştir. • Geri kalanı ise protein sentezinde aktif olarak rol almayan intronlar (% 24) veya kromozomun yapısını oluşturan tekrarlı gen (tekrarlayan DNA dizileri) (%74) bölgelerinden oluşan kısımlardır. • İnsan genomu tüm insanlarda hemen hemen aynıdır (%99.9), sadece % 0.1’i farklıdır. İnsan genomu taşıdığı önemli bilgilerin endişe verici düzeyde dağınık olduğu izlenimi bırakabilir. Bir yorumcu genomumuzu şu sözlerle tanımlamaktadır: "Bir bakıma sizin garajınıza/yatak odanıza/buzdolabınıza/hayatınıza benzeyebilir: son derece bireysel, ama dağınık, bir düzenden eser olmayan, bir sürü birikmiş lüzumsuz şey (çöp) içermekte; hiçbir şeyin hiçbir zaman atılmadığı ve birkaç tane açıkça değerli şeyin de ayırım gözetmeksizin dikkatsizce her yana saçıldığı görülüyor“. Genomdaki belirli bir işleve sahip dizilerin korunduğu, oysa işlevsiz dizilerin rastlantısal mutasyonların hedefi oldukları yaklaşımı önem kazanmıştır. Yani çok uzun bir "doğal deneyin" sonucu olarak genomlardaki en ilginç bölgeler korunmuştur. Genomun büyüklüğü Gereksiz DNA miktarındaki farklılıklar nedeniyle, benzer organizmaların genomu, kabaca aynı sayıda gen içerdiği halde DNA içerikleri birkaç yüz kat değişiklik gösterebilir. Yüksek ökaryot genomlarının artmış uzunluğu, böylece daha fazla sayıda gene değil, çok miktarlarda tekrarlayan dizi ve intron varlığına bağlıdır. DNA molekülünün uzunluğu baz çiftlerine (bp) göre ölçülür. 1,000 bp uzunluk için kilobaz (kb) 1,000,000 uzunluk için megabaz (mb) ölçü birimi kullanılır Tür Total DNA (bp) Kromozom sayısı Gen sayısı Escherichia coli K12 (bakteri) 4,639,675 1 4,435 Saccharomyce cerevisiae (maya) 12,080,000 16 5,860 Caenorabditus elegans (nematot solucan) 90,269,800 12 23,000 Arabidopsis thaliana (hardal otu) 119,186,200 10 33,000 Drosophila melanogaster (meyve sineği) 120,367,260 18 20,000 Oryzae sativa (pirinç) 480,000,000 24 57,000 Mus musculus (fare) 2,234,266,500 40 27,000 Homo sapiens (insan) 3.200,000,000 46 30,000 En basit ökaryotlardan olan maya hücresi, E.coli hücresinden üç kat daha fazla DNA’ya sahiptir. Meyve sineğin hücreleri, E.coli hücrelerinden 25 kat, insan hücreleri ise 600 kat daha fazla DNA içerir. İnsan genomu Mitokondriyal genom 16.5 Kb 37 gen Nükleer genom 3.2 Gb 30 000 gen Ekstragenik DNA 2100 Mb Genler ve genle ilişkili diziler 900 Mb Kodlayan ve düzenli DNA 90 Mb Psödogen RNA kodlayan Tek kopya genler Tek ya da az kopyası olan diziler 1680 Mb Kodlamayan DNA 180 Mb Gen fragmanları DNA kodlayan Gen aileleri 2 rRNA geni İntronlar 22 tRNA geni 13 polipeptidi kodlayan gen Tekrarlayan DNA 420 Mb Ardarda tekrarlanan (kümelenmiş; tandem) DNA dizileri Serpiştirilmiş tekrar DNA dizileri Transpozon Klasik satelit SİNE LTR Mini satelit Mikro satelit LİNE Kodlayan DNA Genlerin ekzon parçaları • Yapısal genlerdir • mRNA ve polipeptide çevrilir • Tek kopya halinde bulunur ve genomun %1.5-2’sini oluşturan DNA dizileridir. Çok kez tekrarlanan genler - RNA ve proteinleri şifreleyen genler (rRNA, tRNA genleri, histon genleri) • Gen Aileleri • Birbirinin aynı veya benzeri olan nükleotid dizilerine sahip gen kopyalarının bir araya gelmesiyle gen aileleri oluşur. • Aynı kromozomda veya farklı kromozomlarda yerleşebilirler •Fonksiyonel olarak ilişkili genler - Farklı dokuda -Gelişimin farklı evrelerinde fonksiyon görür • Globin gen aileleri İnsan ve globin gen aileleri 16 ve 11 nolu kromozomlar üzerinde yerleşmiştir. Her aile embriyonik, fetal ve yetişkin dokularda ekspresyonu yapılan genler ve işlevini yitirmiş gen kopyaları (psödogenler) içermektedir. İnsan genomunun %98.5’i kodlamayan DNA oluşturur Kodlamayan genomların görevleri nelerdir? • Gen ifadelerinin kontrolü • Bir genin hangi hücrede, ne zaman, ne kadar etkileşeceğini (aktif olacağını) denetler. İntronlar • 1977 Sharp ve Roberts (Adenovirusta gen ekspresyonu çalışmaları -1993 de Nobel ödülü) • İntronlar yüksek ökaryotların genomunda eksonlardan 10 kat fazla yer kaplar • Total genomik DNA nın % 24’ ünü oluşturur. Örneğin • Tavuk ovalbumin geninin %75 i intron • Distrofin geni (Duchenne muskuler distrofi) 2 milyon bç’lik sadece %1’i ekzon dizileri • Gelişmiş ökaryotik organizmaların genomunda intron içermeyen genler de vardır. Örn. Histon genleri • En ilkel ökaryotik organizmaların (maya) genlerinin çoğunda intron yoktur. • Prokaryotların genlerinde çok nadir bulunur. Psödogenler (mutasyonlarla işlevini yitirmiş genler) Yapısal genlere çok benzeyen ancak protein kodlama yeteneklerini kaybetmiş veya artık hücre içinde ifade edilmeyen gen kopyalarına psödogen denir. Bu psödogenler herhangi bir işlev yapmayan ancak genomun büyüklüğünü artıran gen kopyalarıdır. Ekstragenik DNA Tekrarlayan DNA dizileri Yüksek derecede tekrarlanan DNA dizileri Satelit DNA Orta derecede tekrarlanan DNA dizileri Tandem tekrarları Çoklu gen kopyaları Mini satelit Mikro satelit rRNA genleri VNTR ler Dinukleotidler Serpiştirilmiş tekrar dizileri (transpozonlar) SİNE LİNE Tekrarlayan DNA dizileri İnsan genomunun yaklaşık %50’si 100.000 -1.000.000 kez tekrarlanan çoklu tekrar dizilerinden oluşur. Ardarda tekrarlanan basit DNA dizileri (tandem dizileri): Bu diziler ardışık halde çok sayıda tekrarlardan oluşan kısa DNA dizilerdir ve genomda belli bölgelerde kümelenmiş halde bulunurlar. • Satelit DNA dizileri 1-500 nukleotit’den oluşan milyonlarca ardışık tekrarlardan oluşur ve genomun % 10’unu oluştururlar. Ardışık kısa tekrar dizileri transkribe olmaz ve proteine çevrilmez (işlevsel genetik bilgi taşımaz). Ancak kromozomun yapısında önemli rol oynarlar (kromozomların sentromer bölgelerinde bulunurlar). • Minisatelit DNA dizileri Değişken sayıdaki tekrarlayan dizilerdir. Bu dizilere VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) de denilmektedir. 20-70 baz cifti uzunluğunda tekrar dizileri içerirler. Kromozomların telomerik bölgelerinde bulunur. Polimorfik ozelliklerinden dolayı (nukleotid dizisindeki genel genetik varyasyonlar) DNA analizlerinde tanı amaçlı (babalık testi, adli tıp, kalıtsal hastalıklarda mutant alellerin tesbiti gibi) olarak kullanılabilmektedirler. • Mikrosatelit DNA dizileri 2-10 baz çifti tekrar dizilerinden oluşmaktadırlar. Tüm genoma yayılmış halde 100.000 den fazla mikrosatelit DNA dizisi bulunmaktadır. Bu dizler de minisatelitler gibi polimorfik ozelliklere sahip olduklarından minisatelitler gibi aynı amaçlar icin kullanılabilmektedirler. DNA daki nükleotid değişiklikleri veya yeniden düzenlenimler fenotipi etkiliyor ise, mutasyon olarak adlandırılır ve kalıtsal hastalıkların gelişiminden sorumludurlar. Bu değişiklikler fenotipi etkilemiyor sadece genetik çeşitlilik sağlıyor ise polimorfizm olarak adlandırılmaktadır. Bu değişikliklerin popülasyonda görülme oranları % 1’dir. Serpiştirilmiş tekrar dizileri İnsan genomik DNA’sının % 45 ini oluşturur. • Transpozon = Hareket edebilen elementler = TEs DNA transpozonları Retrotranspozonlar LTR LINE veya L1 elemetleri LTR olmayanlar SINE (A) Long terminal repeats, (B) Non-long terminal repeats, (C) Long interspersed elements, (D) Short interspersed elements. Tek bir hücrenin içerisinde bulunan ve sıklıkla bulundukları yerden koparak farklı bölgelere "sıçrayan" gen parçalarıdır. Transpozonal sıçramalar, transpozonal bölgelerin önce kendilerini kopyalayıp, sonra bu kopyaların sıçraması şeklinde olabileceği gibi (bilgisayardaki "Kopyala/Yapıştır" işlemi gibi); gen parçalarının olduğu gibi, bulundukları yerden koparak yeni bir yere yerleşmeleri şeklinde de olabilir (bilgisayardaki "Kes/Yapıştır" işlemi gibi). Transpozon tarafından bölünmüş DNA dizisi transpozon Transpozonal sıçramalar Barbara McClintock tarafından keşfedilmiş ve 1983 yılında Nobel Ödülü ile ödüllendirilmiştir. 1940-1950 yılları arasında mısır tanelerindeki (Zea mays) traspozonları incelemiştir. 1930’lu yullarda Marcus Rhoades transpozonları mutasyona uğramış genler olarak ifade etmiştir. Hint mısır tanecikleri mor, sarı, beyaz gibi farklı renklerdedir. Bazen de tek tanecikler beyaz çizgili ya da benekli mor renktedir. Barbara McClintock (1902-1992) Cold Spring Harbor Laboratory, NY Nobel Prize in Physiology and Medicine 1983 “for her discovery of mobile genetic elements” Mısır tanelerinde meydana gelen noktalanmaların sebebi transpozonlardır. Mısır koçanları üzerinde yapılan çalışmalar, transpozonların evrimsel öneminin anlaşılmasında büyük rol oynamıştır. Retrotranspozonlar - Retrovirüs benzeri elemanlar: Yaklaşık 2-10 kb uzunluğundadır. İnsan genomunda yaklaşık 450,000 retrovirüs benzeri eleman vardır ve insan DNA’sının yaklaşık % 8’ini oluştururlar. DNA transpozonları: İnsan genomunda yaklaşık 300,000 kopya DNA transpozonu vardır ve bunlar 80-3000 baz çifti uzunluğunda olup insan DNA’sının %3’ünü oluştururlar. Genomik DNA Transpozon DNA transpozonları Kendilerini kopyalamazlar RNA transpozonları Kendilerini kopyalarlar Retrotranspozonlar • LTR (retrovirüslere benzerler). RNA'dan DNA sentezleyebilecek "geri transkriptaz" enzimlerini kodlarlar. Genetik yapılarında uzun bitiş tekrarları (long terminal repeat) bulunur. Retro = RNA’dan DNA’ya genetik bilginin ters akışıdır. Bazı hayvan ve bitki virüsler için genetik madde RNA’dır. Retrovirüslerin (örneğin HIV ve AIDS virüsü) RNA genomları çift halatlı bir DNA kopyasını oluşturmak için reverse (geri) transkriptaz adlandırılan RNA’ya bağımlı bir DNA polimeraz tarafından kopyalanır. Sonuçta meydana gelen çift halatlı DNA kopyası konakçı genomu ile bütünleşir ve ardından gen ifadesi için bir kalıp olarak hizmet verir, böylelikle bu kalıptan yeni viral RNA genomlarının kopyalanması sağlanır. 3' 5' RNA Reverse transkriptaz 3' cDNA 5' (Tek iplikçili komplementer DNA) DNA polimeraz 5' 3' 3' 5' Çift iplikçili DNA HIV virüsü 1 1 x 1012 LTR olmayanlar transpozonlar • SİNE (serpiştirilmiş kısa tekrar dizileri) (short interspersed nuclear elements) Genomun %13’ünü oluştururlar. 100-500 bç uzunluğunda serpiştirilmiş diziler ( 1,5 milyon kopya vardır). En önemli ailelerinden birisi, Alu gen ailesidir (restriksiyon endonukleaz AluI için tanıma dizisinin bir kopyasını içermesi nedeniyle bu şekilde adlandırılmıştır; yaklaşık 300 baz çifti uzunluğundadır).Toplam DNA’nın % 13’ünü kapsayan yüzbinlerce Alu tekrarı insan genomunun her tarafına serpiştirilmiştir) • LINE (serpiştirilmiş uzun dizi tekrarları) (long interspersed nuclear elements). İnsan DNA’sının % 21’ini oluştururlar. 7000 bç uzunluğunda serpiştirilmiş diziler ( 860,000 kopya vardır). (L1-L2) LI (hareketli genetik eleman) DNA transpozonları Kendilerini kopyalamazlar ve olduğu gibi yer değiştirirler. Bu transpozonların sıçramaları transpozaz isimli enzimlerle sağlanır. Bu enzimlerin bir kısmı, transpozonların DNA'nın sadece belirli bölgelerine bağlanmasını sağlayabilirken, bir diğer kısmı DNA'nın hemen her bölgesine bağlanmayı sağlayabilir. Temel olarak enzimin yaptığı, transpozonal parçayı DNA üzerinden keserek, iki ucunda "yapışkan" olarak isimlendirdiğimiz parçalar bırakmaktır. DNA polimeraz ve DNA ligaz enzimleri sayesinde sıçradıkları yer doldurulur. Bu işlemler sırasında mutasyonlar meydana gelme ihtimali de çok yüksektir. Bakteriler IS (insertion sequences) adı verilen DNA transpozonları içermektedir. Terminal ters tekrarlar (inverted repeats(IR): Protein kodlayan bölge Doğrudan Tekrar dizileri (DTd): IS elementleri transpozisyon için gerekli olan proteini (transpozaz enzimini) kodlayan bir veya daha fazla ORF (open reading frames) ve her iki ucunda 5-11 bp lik doğrudan tekrarlar (direct repeats) ve 50 bp’lik ters tekrarlar (inverted repeats, IRs) bulunur. Bu terminal tekrarlar tranpozisyon sırasında transpozaz için tanıma bölgeleri olarak görev yaparlar. Transpozonal sıçramalar gerçekten çok önemli bir Evrim mekanizması'dır, çünkü hem fenotipi kökten değiştirebilecek etkilere sahiptirler, hem de genom büyüklüğünün değişmesini sağlayabilirler. Bu iki sınıf transpozon da, evrimsel süreçte kendilerini kopyalama özelliklerini yitirebilirler; ancak sıçrama özelliklerini yitirdikleri bir duruma hiç rastlanmamıştır; çünkü zaten bir gen parçasını "transpozon" yapan, kendisini DNA üzerinden koparabilecek salgılayabilmesidir. Son dizi Transpozon enzimi Transpozon enzim geni Başka bir gen enzimleri Transpozonlar mutasyona sebep olabilmektedirler. Çünkü bir transpozon, genellikle sıçradığı bölgedeki işlevsel geni, işlevsiz hale getirecektir. Ayrıca transpozon eğer sıçramadan önce kendisini kopyalamadıysa, boşalan yerden ötürü bu gen de işlev göremeyebilecektir. Ya da transpozonun kendisi işlevsel ise, kendisini kopyalaması ve farklı yerlere yapıştırması, işlevinin kat kat görülmesine sebep olabilecektir. Yapılan araştırmalarda transpozonların hemofili, kanser, Duchenne kas distrofisi gibi hastalıklara sebep oldukları görülmüştür. Transpozon Kopyalanmak ve aktarılmak Transpozon kopyası İşlevsel gen işlevsiz hale gelmiştir Transpozon Transpozal element Diğer genler Transpozal element İnsan genomundaki transpozonların bir kısmı uyku halindedir ve hücrenin salgıladığı enzimler sayesinde hareket etmeleri engellenir. Bilimde buna "Uyuyan transpozon sistemi" denmektedir. Ne var ki, insan da dahil olmak üzere her canlı evrim geçirdiği için, kimi durumda bu "uyuyan" transpozonlar uyanmakta ve yeniden aktif olmaktadır. Örneğin insanda Tc1/mariner-benzeri transpozonunun milyonlarca yıllık bir uykudan sonra yeniden aktif olduğu keşfedilmiştir. Nematodlar, artropotlar, balıklar ve mantarların da dahil olduğu bir çok canlı grubunda bu tür elementlerin en yaygını bulunan Tc1/mariner’dir. İlk kez 1983 yılında David Hirsch ve Scot Emons tarafından Caenorhabditis elegans genomunda bulunmuştur. 1300-2400 bp uzunluğunda ve tek gen kod bölgesi vardır. Hareket esas itibariyle kes-yapış şeklinde olur. Çoğu transpozon, bilim insanları tarafından "bencil DNA parazitleri" olarak değerlendirilmektedir. Yani transpozonlar, DNA'yı kullanarak kendilerini çoğaltırlar ve hücrenin kaynaklarını kullanırlar; ancak çoğu zaman bulundukları hücreye zarar verirler. Öte yandan çok güçlü bir varyasyon yaratıcısıdırlar. Transpozonların etkisi gün geçtikçe daha iyi anlaşılmaktadır ve transpozonların "parazit" olarak kategorize edilmemesi gerektiğini savunan bilim insanlarının sayısı da artmaktadır. Kromozomun yapısı İnsan da dahil olmak üzere ökaryotik canlıların çoğunda iki kopya DNA var. İnsan DNA’sının tek bir kopyası (haploid genom) yaklaşık 3.2 milyar baz çiftinden oluşuyor ve boyu yaklaşık 1 metre. Dolayısıyla bir insan hücresinde (sperm ve yumurta hücreleri hariç) biri anneden diğeri babadan gelmek üzere yaklaşık 2 metre DNA bulunuyor. Bu kadar uzun olan DNA molekülü, sadece mikroskop altında görebileceğimiz kadar küçük hücrelerimize (5-10 M) ve hatta hücrenin içindeki, hücreden çok daha küçük yer kaplayan hücre çekirdeğine özel proteinlerle paketlenerek “kromozom” adını verdiğimiz yapılar şeklinde sığdırılıyor. Bir kromozom binlerce geni içerir. E.Coli DNA’sı 1.7 mm’dir. Yeni doğmuş bir insan vücudunda yaklaşık olarak 1014 hücre bulunmaktadır ve böylece toplam 2 x 2011 km uzunluğunda bir DNA içerir. İnsan vücudundaki toplam DNA uzunluğu, çevresi 40, 000 km olan dünyamızı 500,000 defa dolanabilecek uzunluğa sahiptir. Her bir vücut hücresinde yer alan haploid sayıdaki toplam DNA’ya genom adı verilir. Kromozom: İnsanda, 22 çifti otozomal ve bir çifti de XY (erkek) veya XX (dişi) olmak üzere toplam 46 kromozom vardır ve bu çift kromozomlara sahip hücreler “diploid” olarak adlandırılır. Cinsiyet hücreleri ise, diploit kromozomların yarısı kadar kromozoma sahiptirler ve “haploid” olarak adlandırılırlar. Haploid - her kromozomdan bir kopya İnsan genomunun en uzun kromozomu olan 1. kromozom 250 milyon, en kısa kromozom olan Y ise 5 milyon baz çiftinden oluşmaktadır. 1. Kromozom hücredeki toplam genomun % 8’ini oluşturmaktadır. Diploid - her kromozomdan iki kopya Kromozomların sayısı, büyüklüğü ve şekilleri karyotip olarak ele alınır ve her türe özgü farklılık gösterir Bu kromozomlar (bir erkeğe ait) çekirdek bölünmesi (mitoz) sırasında ayrıştırılmış, bu nedenle fazla yoğunlaşmışlardır. Her kromozom ışık mikroskobunda net görülmesi için ayrı renkte “boyanmıştır”. Kromatidler Kromozomun kısa kolu Histon molekülleri Sentromer DNA çift sarmalı Nukleozom Kromozomun uzun kolu Metafaz kromozomunun şematik organizasyonu Telomer p kolu Sentromer q kolu •Her kromozomda p ve q olmak üzere 2 kol bulunur. p (petit) küçük anlamına geldiğinden, kısa kolu belirtir; q ise alfabede p’den sonra gelen harf olduğu için uzun kolu simgeler. İnsan vücudundaki hücrelerin bir bölümü yaşam boyunca bölünme geçirirler. Hücrenin mitozla başlayıp mitozla sonlanan hücresel olaylar dizisine hücre döngüsü veya siklusu adı verilir. Hücre döngüsü interfaz ve bölünme aşamalarından oluşmaktadır. İnterfazda kromozomlar replike olur, mitoz boyunca ise çok yoğun duruma gelir ve bu halde ayrılarak iki yavru çekirdeğe dağılırlar. G/S Fazları (İnterfaz): Hücre büyümesi İnterfaz DNA replikasyonu Sentrozom çiftinin duplikasyonu M Fazı (Mitoz): Profaz Kromozomun yoğunlaşması İğ ipliklerinin oluşumu Çekirdek zarının parçalanması Sentrozomların kutuplara doğru yönelmesi Metafaz Kromozomların ekvator düzleminde dizilmesi Kromozomların sentromerlerinden iğ ipliklerine bağlanması Anafaz Kromozomu oluşturan iki kromatidin birbirinden ayrılması Ayrılan kromatidlerin kutuplara doğru hareket etmesi Sitokinezin başlaması Telofaz Kromozomların tekrar incelip uzaması Yeni çekirdek zarının ve çekirdekçiğin oluşumu Sitokinezin tamamlanması Replikasyon öncesi G1: Hürenin gelişmesi ve kromozomların replikasyonu için gerekli olan hazırlıkların yapılması (kimyasal sentez) S: DNA replikasyonu, sentrozom çiftinin duplikasyonu G2: Hüre büyümesi ve mitoza hazırlanması (mitoz için gerekli olan mikrotübül gibi proteinlerin sentezi ve kromatinlerin kromozom yapısına dönüşmesi) Replikasyon sonrası Go hücreleri metabolik olarak aktiftir fakat büyüme ve protein sentezinin oranı azalmıştır (böbrek ve karaciğer hücreleri) Kromozom yapısı, hücre siklüsüna göre, interfazdaki dağınık ipliksi görünümünden, M fazında gözlenen sıkıştırılıp yoğunlaştırılmış görünüme dek farklılık gösterir. İnterfazda kromozom spagetti yani tel makarnaya benzerken, mitozda kelebek makarna gibi kalınlaşır. Özellikle metafaz esnasında kromozomlar çok yoğunlaşmış olduklarından transkripsiyon ve translasyon durma noktasına gelir. Telomerler Sentromer Ökromatin Heterokromatin Yoğunlaşmış halde bulunan kromatine heterokromatin, gevşeyerek daha az yoğun hal alan kromatine de ökromatin denir. Ökromatin Heterokromatin Heterokromatin ve Ökromatin Kromozomlar, ökromatin ve heterokromatin olmak üzere iki yapıdan oluşurlar. Ökromatin (aktif kromatin) Daha az yoğunlukta sıkıştırılmış kromatin bölgeleridir. Ökromatik kısımlar, genomda sıklıkla erişilebilen aktif transkripsiyonel alanlar olarak tanımlanırlar. Heterokromatin (aktif değildir) Kromatinin yoğun olarak paketlenmiş ya da kompakt hale gelmiş bölgeleridir Heterokromatik alanlar, DNA’ya bağlanan faktörlerin geçişine izin vermediği için transkripsiyonel açıdan sessizdirler. Heterokromatinin büyük kısmı sentromer ve telomerler gibi fonksiyonel kromozom yapılarını çevrelerken, daha küçük heterokromatik alanlar kromozom boyunca dağılmış şekilde bulunur. Tipik bir memeli hücresinde genomun yaklaşık olarak % 10’u heterokromatin şeklinde paketlenmiştir. Heterokromatin şeklinde katlanan DNA’nın çoğu gen içermez. Heterokromatin içinde paketlenen az sayıdaki gen de çoğunlıkla gen ifadesine dirençlidir. Bu durum heterokromatinin işe yaramaz veya hücreye yararsız olduğu anlamına gelmez: • Heterokromatin bölgeleri (gen içermeyen) telomer sentromerlerin uygun işlev görmesini sağlar. • Genomun hareketli, “parazit” DNA dan korunmasını sağlar. ve Heterokromatin iki formda bulunur Konstitütif (esas, zorunlu) heterokromatin Tüm hücrelerde tüm zamanlar boyunca yoğunlaşmış halde bulunurlar. Transkripsiyonel olarak inaktiftir. Çok fazla tekrar eden diziler içerir. Sentromere yakın bölgelerde ve telomerlerde bulunur. Fakültatif (isteğe bağlı) heterokromatin Bazı durumlarda yoğunlaşmış, bazı durumlarda ise yoğunlaşmamış yani transkripsiyonel olarak aktif olup ökromatin gibi görünmektedir. Memelilerin dişilerindeki iki X kromozomundan biri transkripsiyonel olarak inaktif ve heterokromatiktir (Barr Body). Ancak erken dönem embriyogenezi esnasında yoğunluğunu kaybeder, transkripsiyonel olarak aktifleşir ve fakültatif heterokromatin oluşur. Sentromer: Metafaz kromozomu • Kromozomda, kardeş kromatidlerin birbirlerine Sentromer bağlandığı dar alan. • Kromozomların sentromerleri konstitütif Telomer kromatin içerir. • İnsan kromozomu sentromerleri yaklaşık 70 nükleotid uzunluğunda bir dizi içerir ve herbir sentromerde 2,000-30,000 arasında tekrarlanır. • Sentromerik DNA’ya spesifik proteinler bağlanır ki bunlar da hücre bölünmesi mikrotübüllere bağlanmayı sağlar. sırasında Kromatid Kinetokor Telomer Genler Tekrarlanan diziler Sentromerde kinetokor adı verilen bir protein karmaşımı oluşur ve ikilenmiş kromozomları birbirlerinden ayrılmalarına olanak veren mitotik iğe bağlar Kinetokor proteinleri Sentromer Telomer 10-25 Telomer: Bir hücrenin kaç defa bölünme geçireceğini kontrol eden mekanizma kromozomun uç kısımları olan telomer bölgeleri ile ilişkilidir. Yunanca “telos” son, “meros” ise bölüm anlamına geliyor. Telomer, kromozomların uç kısımlarında yer alan ve TTAGGG (insanlarda) şeklinde 6 nukleotidin 200-250 kez tekrarından oluşan bir bölgedir. Fonksiyonları • Tıpkı bir sayaç gibi davranıp hücrenin bölünme kapasitesini belirler (somatik hücrelerimiz tam takım telomer tekrarıyla doğar). • Kromozom uçlarını hücre tarafından tamir edilmesi gereken kırık bir DNA molekülü gibi algılanmasından koruyan yapılar meydana getirir. • Telomerlerin en önemli görevi doğrusal DNA’nın uç bölgelerinin replikasyonunu sağlamaktır. - Kromozomların telomer bölgelerinde DNA polimeraz primer uç olmadığı icin sentez yapamaz ve dolayısıyla her hücre bölünmesinde kromozom boyları pirimer uç kadar kısalır. Telomerik tekrarlar her hücre döngüsünde kaybedilir; ancak bu tekrarlar telomeraz enziminin etkisiyle kazanılır. • Telomeraz, telomerik tekrarları 3' ucundan ekleyerek işlev görür. • Telomeraz, kromozomal uçlardaki TTAGGG tekrarlarının sentezinden sorumlu olan RNA’ya bağımlı bir DNA polimerazdır (kalıp DNA zincirinin 3' ucu RNA kalıplı DNA sentezi ile uzatılır; bu da tamamlanmamış komplementer DNA zincirinin 5' yönünde uzatılmasına izin verir). • Telomeraz enzimi 6 nukleotidlik RNA, reverz transkriptaz enzimi ve birkaç proteinden oluşur. Tek zincirli kısımları parçalanmadan korumak amacıyla telomerler bir ilmek gibi kıvrılıyor ve tek zincirli kısım saklanıyor. •Tetrahymena’da (kirpiksisinde ilk keşfedilmiş) telomerlerin çoğu 5'-TTGGGG-3' dizisi ile sonlanmaktadır. •Telomeraz her replikasyonda telomerin kısalmasını önlemek için TTGGGG tekrar dizilerini kromozomun ucuna eklemektedir. •İlave edilen diziler “saç tokası” gibi kıvrılır ve karşı karşıya gelen G’ler arasında hidrojen bağı kurulur ve serbest 3'-OH grubu elde edilir. •DNA polimeraz I boşluğu doldurur. Daha sonra saç tokası kırılır ve DNA kaybı engellenir. • Telomeraz enzimi tüm hücrelerimizde aktif değil. Hücrelerin hızla bölündüğü embriyonik dönemde hayli aktif olarak çalışan bu enzim, gelişimin ilerleyen evrelerinde pek çok dokumuzda baskılanıyor. • Telomerazı olmayan hücrelerde telomerler boylarının izin verdiği kadar bölünebiliyor. • Sürekli bölünebilme yeteneğine sahip hücreler: Hücre bölünmesinin devamlılığını sağlamak için üreme hücreleri, kök hücreler, lenfositler ve derimizde bulunan fibroblastlar gibi sınırlı sayıda hücre grubumuzda telomeraz enzimi aktif olarak çalışmaya devam ediyor. Telomerler ve hücresel yaşlanma Uzun yaşamın sırrı çözüldü mü? •Telomerlerimizin kısalması nedeniyle mi yaşlanıyoruz? • Telomerleri uzun olan insanlar kısa olanlara göre daha mı uzun yaşıyor? Yapılan çalışmalar yaşam yarışına uzun telomerlerle başlayan ve telomerlerini etkin şekilde uzatabilen canlıların daha uzun yaşadığını destekliyor. Hücre her bölündüğünde 50-100 nukleotid kaybeder. Telomerler kritik uzunluğa kadar kısaldıklarında yaşlanma programı aktive olur. Bundan sonra hücre bölünmesi durur. Fakat yaşamaya ve fonksiyon görmeye devam ederler. Telomerler ve kanser Kanser hücreleri sınırsız bölünebilme yeteneğine sahip hücrelerdir yani ölümsüzdür. 1990’lı yılların ortalarına doğru telomerazın hücrelerin sınırsız sayıda bölünebilmesi için gerekli olduğu ve kanser hücrelerinde bu enzimin etkinliğinin arttığı tespit edilmiştir. Bugüne kadar yapılan çalışmalar insan kanserlerinin yaklaşık % 90’ında telomeraz etkinliğinin olduğunu gösteriyor. Telomerazın kanserlerin çoğunda bulunması, bu enzimi kanser tedavisinde kullanılacak bir hedef molekül haline getiriyor. Telomerazı engelleyerek kanser hücrelerinin bölünmesini engelleme, telomerazı olan kanser hücrelerini bağışıklık sistemi hücrelerinin hedefi yaparak ortadan kaldırmaya çalışma temellerine dayalı pek çok tedavi yöntemi geliştirilmeye çalışılıyor. Kromatin adını verdiğimiz dinlenme evresindeki (interfazda) hücre çekirdeğinde bulunan genetik madde, başta DNA ve protein olmak üzere az miktarda da RNA (özellikle transkripsiyon aşamasında henüz DNA’dan ayrılmamış mRNA) moleküllerinden oluştuğu görülmüştür. Kromatin olmayan nukleer bileşenleri Kromatinin yapısına giren proteinler iki gruba ayrılır: 1. Histon tipi küçük ve bazik karakterde proteinler – Molekül ağırlığı 11-21 kDa (11,000 – 21,000); yapısındaki amino asidlerin %25’ini pozitif karakterdeki arginin ve lizin amino asitleri oluşturduğundan moleküle bazik karakter kazandırır (H1, H2A, H2B, H3, H4). 2. Histon olmayan kromozomal asidik proteinler (bunların bir kısmı kromozomun yapısında sürekli, bir kısmı da replikasyon veya transkripsiyon aşamalarında olduğu gibi geçici olarak yer alır). Nukleozom - Kromatinin daha yüksek düzende paketlenmesini sağlayan temel birimdir. • H2A, H2B, H3 ve H4 histon proteinleri (her birinden iki kopya bulunmaktadır) nükleozomun çekirdek bölümünde yer almaktadırlar. • Nukleozom çekirdeğinin bir parçası olmayan H1 histon, genellikle aradaki bağlayıcı (linker) DNA’ya bağlı olarak bulunur. • 6.4 x 109 nukleotid çiftine sahip olan diploid insan hücresi yaklaşık 30 milyon nukleozom içerir. • Nükleozomlar, iki H3-H4 dimeri ve iki H2A-H2B dimerinin birleşmesiyle oluşan oktamerik yapıdaki proteinleri içerir ve birbirlerine H1 histonlarıyla bağlanırlar. Nukleozomlar her 200 baz çiftinde bir tekrarlanır. • Nukleozomları birbirine bağlayan ve linker olarak ifade edilen ara bağlantılar ise 20-80 nukleotid çiftinden oluşur. Nukleozom çapı H2A H2A Nukleozom çekirdekleri arasında bağlayıcı (linker) DNA DNA H3 H2B H3 H2B H4 11 nm H4 Amino uç kuyruk Histon proteini (globular domain) Nucleosome — Her bir çekirdek histonunun yapılaşmış bir alanı ile yapılaşmamış ve 25 ile 40 amino asit kalıntısı içeren bir amino-uç "kuyruk“ u vardır. Bir "ipe dizilmiş boncuk “ düzeni 8 histone proteins (octamer) + DNA’nın 146 baz çiftlik bölümü 146 or 147 base pairs of DNA H3 ve H4’lerden ikişer tane H2A,H2B, olmak üzere toplam 8 histondan oluşan disk şeklindeki oktamerin üzerine iki kez sol el formunda sarılarak nukleozom çekirdeğini oluşturmaktadır. DNA’nın bir nukleozom çekirdeğine sarılması DNA’nın uzunluğunu yaklaşık yedi kat kısaltır. Histon çekirdekleri DNA’ya rastgele bağlanmaz, tam tersine kendini belirli bölgelerde tutma eğilimindedirler (sıkışmayı olabilir kılan küçük oluktaki A=T baz çiftlerinden oluşan bir küme’ye bağlanır) küçük oluktaki A=T baz çiftlerinden oluşan küme Histon oktameri Nukleozom DNA’sı Nukleozomlar birbirini izleyen daha yüksek düzeyde yapılara paketlenir Canlı hücredeki kromatin nadiren bir ip üzerindeki boncuklar şeklinde bulunur. Bunun yerine, nukleozomlar üstüste yapılanarak içinde DNA’nın daha yoğunlaştığı düzenli yapılar meydana getirir. Bu nedenle çekirdekler parçalandığı zaman elektron mikroskobunda kromatinin çoğu bir ip üzerindeki boncuklar halindeki kromatinden daha geniş yaklaşık 30 nm çapında bir lif şeklinde görünür. 30 nm (A) ve 10 nm lik (B) kromatin ipliklerinin elektron mikroskobunda görünümü Nukleozomların 30 nm kromatin liflerinde nasıl paketlendiğini açıklamak için çeşitli modeller önerilmiştir: Zigzag ve solenoid modeli 30 nm 30 nm Her dönüşünde altı nukleozom içeren düzenli ve spiral konformasyonu Nukleozomların yüz yüze temasları az olan düzensiz konformasyonu Solenoid model Zigzag model (Her dönüşte 6 nukleozom yer alır) Copyright ©The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display Elektron mikroskobunda zig zag modeli. Bitişik nukleozom boncukları arasındaki bağlayıcı bölgenin uzunluğundaki akordeona benzer genişleme ve büzülmeler 2 nm DNA çift sarmalı Histone H1 DNA histone oktamerin etrafında sarılması 11 nm Histon Nukleozom oktameri (a) Nukleozomlar (ipe dizilmiş boncuklar”) Bir doğrusal nukleozom dizisinden 30 nm ipliğinin H1 yardımıyla oluşması 30 nm (b) 30 nm ipliği Nukleozom Plektonemik superhelezonlaşma (plektos=bükülü; nema=iplik) Hücredeki DNA paketlenmesi için gerekli sıkılaşmayı sağlamaz Sağ-el superhelezonları Tüm yapı dar ve uzamış durumdadır Solenoidal (Sıkı sol el dönüşleri )= bir makara üzerine düzgün sarılmış bir bahçe hortumunun aldığı şekil (hücredeki baskın olan şeklidir). 30 nm solenoid 1400 nm 700 nm Metafaz kromozomu 300 nm 11 nm 2 nm DNA çift sarmalı 2nm çapındaki DNA 11 nm çapında nükleozom 30 nm kromatin iplikleri (solenoid) oluşturur. Sayısız 30 nm solenoidler 300 nm çapında kromatin iplikleri metafaz kromozomundaki kromozom kolları olan kromatidleri oluşturmak üzere kıvrılır700 nm çapında kromatid kardeş kromatidler 1400 nm uzunluğunda metafaz kromozomu Non-histon proteinler nukleozom dışındaki kromozom bölgelerine bağlanır. Nonhiston proteinler kromozomun kütlece 1/3’ünü oluştururlar. Topoizomeraz 2 en çok bulunan proteindir. Linker DNA Histon oktamer Histon H1 Non-histon proteinler Nonhiston proteinleri Kromozomlarda merkezi bir iskelet oluştururlar. Bu özellikleri ile yapısal bir görev yüklenen nonhiston proteinlere “kromozomal ya da metafaz iskelet (scaffold) proteinler de denilebilir. DNA Nukleozom Scaffold proteni H1 linker DNA ya bağlanır Nukleozom Histon oktameri 30 nm fibril Scaffold protrini Kromozom Klasik nükleozom-solenoid-süpersolenoid paketlenme modeli ile ancak 30 kez katlanan DNA molekülü, metafaz kromozomu halinde iken 8-10 bin kez sıkışmıştır. Bu yapı DNA’nın belli bir iskelet yapısı üzerinde kıvrılıp loop formasyonu (DNA ilmekleri) oluşturması ve yoğunlaşmasıyla meydana gelir. Kromatin fibrilleri 30 nm’den daha yukarı seviyelerde, scaffold proteinlerince 50-150 kb uzunluğundaki loop domain’leri oluşturmaya zorlanırlar.“ Loop formation” adı ile anılan bu model kromozom paketlenmesinde günümüzde kabul görmektedir. Scaffold proteinlerine bağlanma yeri “Scaffold yapısına bağlanan loop (ilmek) oluşumunun kontrolü nasıl olmaktadır?” DNA üzerinde değişen aralıklarla tekrarlayan bazı baz dizilerinin, nonhiston proteinlerince tanınmasıyla olmaktadır. “Bu bölgelere SAR (Scaffold Attachment Region) veya MARs (Matrix Attachment Regions) denir.” 300-1000 bp’lik dizinler olup, üzerlerinde birden fazla bağlanma bölgesi bulundururlar. Protein kodlamayan bölgelerdir. 25,000 – 200,000 bp aralıklarla yerleşmişlerdir. Bazı SAR’lar “enhancer (artırıcı)” benzeri düzenleyici elemanlara çok yakın bulunurlar. Genellikle gen aktivasyonunda rolü olduğu anlaşılan, nükleaza duyarlı bölgelere yakındırlar. Matrix-attachment regions (MARs) veya Scaffold-attachment regions (SARs) 25,000 to 200,000 bp MARs nukleer matrikste yer almaktadır Copyright ©The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display Kromozomlardaki bütün DNA’daki genlerin ne zaman ifade edileceğine göre yoğunlaşıp açılabilen ilmekler şeklinde düzenlenmektedir. Transkripsiyon esnasında 30 nm lif şeklinden bir ip üzerindeki boncuklar şekline dönüşmektedir. DNA’nın paketlenmesi Histon oktameri Histon proteinleri B DNA heliksi 2 nm DNA nın paketlenmesi Histon oktameri Histon proteinleri B DNA heliksi 2 nm DNA nın paketlenmesi 11 nm Histon oktameri Histon proteinleri Nukleozom B DNA heliksi 2 nm DNA nın paketlenmesi Histon H1 DNA nın paketlenmesi Histon H1 DNA nın paketlenmesi “ip üzerinde dizilmiş 11 nm boncuklar” 30 nm Helikal fibril 200 nm Kıvrılı loop Scaffold proteini DNA nın paketlenmesi Nukleozomlar 11 nm 30 nm Tight helical fiber Metafaz Kromozomu 700 nm 200 nm Kıvrılı looplar 2 nm B DNA heliksi Scaffold proteini Histon modifikasyonu •Histonlar, basit kimyasal modifikasyonlarla DNA’nın bağlanma ve diğer düzenleyici faktörlerin DNA ile etkileşebilme özelliklerini değiştirerek, gen aktivasyonunda da değişimine yol açmaktadırlar. •Amino-uç kuyruklarının enzimatik modifikasyonları: -asetilasyon -metilasyon -fosforilasyon • Histonun net elektrik yükünü ve biçimini modifiye eder (değiştirir). 1. Lizin kalıntılarının asetilasyonu ve deasetilasyonu: Bu süreçler, DNA’yı transkripsiyon faktörleri (DNA’ya doğrudan bağlanarak gen ifadesini düzenleyen proteinler) için daha çok ya da daha az ulaşabilir hale getirmekte önemlidirler. Lizin kalintısı asetilasyonu, DNA-histon etkileşimlerini zayıflatır ve DNA’yı transkripsiyonda gerekli faktörler için daha ulaşılabilir yapar. (Histon Histon deasetilaz) (Histon asetil transferaz) • Histon asetilasyonu – transkripsiyonel aktivasyon ile • Histon deasetilasyonu – gen susturulması ile ilişkilendirilir. Asetilaz ve deasetilaz aktiviteleri arasındaki karşılıklı etkileşim, belirli bir kromatin bölgesindeki transkripsiyonel aktiviteyi tanımlar Histon Bölge Modifikasyon Metilasyon Metilasyon Metilasyon Asetilasyon Fosforilasyon Asetilasyon Metilasyon Metilasyon Asetilasyon Asetilasyon Asetilasyon Fonksiyon Transkripsiyonel aktivasyon Kromatin kondenzasyonu DNA metilasyonu Transkripsiyonel aktivasyon Transkripsiyonel aktivasyon 9. Lizin metilasyonunu engeller Telomerik susturma Transkripsiyonel düzenleme Nukleozom oluşumu Nukleozom oluşumu Nukleozom oluşumu Serin ve treonin fosforillenerek negatif yükünü korumaktadır K = LizinS= Serin R=Arginin Asetilasyon Asetilasyon Metilasyon 2. Histon kuyruklarındaki lizinin metilasyonu Asetilasyon Metilasyon H3’teki 9. lizin hem asetilasyon hem de metilasyona uğrayabilmektedir. Histon H3’ün amino terminalindeki 9. lizinin metilasyonu (H3-9K) 14. lizinin asetilasyonunu engellemektedir (bu şekilde lizin pozitif yükünü korumaktadır). 3. Histon kuyruklarındaki lizinin ubikitinasyonu
