dnadan kromozomlarakisi.deu.edu.tr/asli.memisoglu/moleküler biyoloji/3-dnadan kromozomlara.pdf ·...
TRANSCRIPT
DNA’dan Kromozomlara
Giriş
❖DNA’nın genetik bilgiyi barındırdığının anlaşılmasından sonra;
❖DNA’nın genler halinde nasıl organize olduğu ve
❖Genetik işlevin kromozomlar halinde nasıl organize olduğu araştırılmaya
başlanmıştır.
❖Burada sorulacak asıl soru genetik maddenin organizmanın
genomunu oluştururken nasıl düzenlendiğidir.
1 Viral ve bakteriyel kromozomlar basitDNA molekülleridir
❖ Virüs ve bakteri kromozomları ökaryotlarla kıyaslandığında
çok daha az karmaşıktır.
❖ Genellikle tek bir nükleik asit molekülünden oluşur ve
proteinlerle çok ilişkili değildir.
❖ Yüksek yapılı genom formlarıyla kıyaslanırsa daha az
genetik bilgi içerirler.
❖ Viral ve bakteriyel kromozomların analizlerini büyük
ölçüde basitleştirir.
1.1 Virüs kromozomu
❖Virüs kromozomları, tek ya da çift zincirli tek tip bir nükleik
asit molekülünden (ya DNA, ya da RNA’dan) oluşur.
❖Halkasal yapıda ya da doğrusal yapıda olabilir.
❖Bakteriyofaj øX174’ün tek zincirli DNA’sı, olgun virüsün
protein kılıfı içinde kapalı halka şeklinde bulunur.
1.1.a Bakteriyofaj λ DNA’sı
❖Diğer taraftan bakteriyofaj λ DNA’sı enfeksiyon öncesi
doğrusal çift zincirli yapıdadır.
❖Konağı enfekte edince kapanarak halkasal yapı oluşturur.
❖17μm’lik bir DNA her kenarı 0.1μm olan bir faja sığdırılır
(a ) (b)
...,..· I
(a) faj λ ve (b) ondan a y r ı ş t ı r ı l m ı ş D N A’ s ı n ı n e l e k t r o n m i c r o s k o p g ö r ü n t ü s ü . D N A
u z u n l u ğ u 1 7 µ m . V i r ü s f o t o ğ r a f ı D N A f o t o ğ r a f ı n d a n 5 k a t d a h a f a z l a b ü y ü t ü l m ü ş t ü r
1.1.b ‘T’ çift seri bakteriyofajlar
❖T-çift seri bakteriyofajları gibi pek çok virüs, bakteriyel konak içinde bile halkasal formageçmeyen çift zincirli doğrusal DNAkromozomuna sahiptir.
❖Yani halkasal hale geçme bazı virüsler içinkendini eşleyebilmek için mutlak gereklideğildir
1.1.c Önemli bir ortak özellik !
❖Virüs , bakteri ve ökaryotik hücrelerin ortak bir özelliği;
❖Çok uzun DNA molekülünü oldukça küçük bir hacim içine
paketleme yetenekleridir.
1.2 Bakteri kromozomu
❖Bakteri kromozomları yapısal olarak basittir.
❖Daima çift zincirli DNA molekülünden oluşur ve
nükleoid olarak adlandırılan bir yapı içinde
sıkışmış olarak bulunur.
❖Bakteri kromozomlarını oluşturan DNA’nın çeşitli
tiplerde DNA bağlanma proteinleri ile ilişkili olduğu
bulunmuştur.
Bazı virüs ve bakterilerin genetikmateryalleri
1.2.a DNA bağlanma proteinleri❖Bakteri DNA’sı bazı proteinlere bağlı olarak bulunur
❖Bunlar DNA’daki negatif yüklü fosfat gruplarına iyonik bağla
bağlanan pozitif yüklü amino asitlerden yüksek oranda içerirler.
❖Bu protein molekülleri yapısal olarak ökaryotik DNA’ya
bağlanan histon proteinlerine benzerler.
❖Bakteri hücresindeki kromozom, sıkışmış yapısına rağmen
kendini eşleyebilir.
❖Transkripsiyona uğrar.
❖İşlevsel olarak durgun değildir.
2. Üstün kıvrılma (supercoiling) yapısınavirüs ve bakterilerde sık rastlanır
❖DNA’nın paketlenmesini sağlayan bir özellik
❖1963’de, DNA yüksek hızlı santrifüj yapıldığında birbirinden farklı
yoğunlukta ve şekilde üç farklı bileşenin olduğu gözlenmiştir.
Önemli !!!❖Kapalı halkasal moleküller daha sıkışıktır.
❖Çökelme hızları, aynı molekül ağırlığında ve aynı büyüklükte olan doğrusal moleküllerinkinden daha fazladır.
3. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklindedüzenlenmiştir
❖Kromatin: DNA’nın ve proteinlerin birleşerek oluşturduğu
nükleoprotein yapısına denir.
❖Mitoz sırasında kromozom yapısı, çok sıkı kıvrılmış,
katlanmış kromatin ipliklerinden oluşmuştur.
❖Hücre döngüsünün interfaz aşamasında kromatin açılır ve
kromozomlar kaybolur.
❖İnterfazda, kromatin, çekirdek içinde dağılmıştır.
❖Her kromozomun DNA’sı eşlenir.
❖Hücre döngüsü süresince çoğu hücre tekrar mitoza girer.
❖Kromatin, görünür kromozomları oluşturmak üzere
yeniden kıvrılır.
❖Bu yoğunlaşma her bir kromatin ipliğinin boyunun 10.000
kat kısalması demektir.
3. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklindedüzenlenmiştir
3.1 Kromatin yapısı ve nükleozomlar
❖Virüs ve bakterilerin genetik maddesi, ökaryotlar kadar proteinlerle
ilişkili olmayan DNA veya RNA zincirlerinden ibarettir.
❖Ökaryotik kromatin yapısında, önemli miktardaki protein,
kromozomal DNA ile ilintilidir.
❖Bu proteinler histonlar ve histon olmayanlar olarak iki gruba
ayrılırlar.
3.1.a Histonlar❖Histonlar, (+) yüklü amino asitler olan arjinin ve lizini çok
fazla miktarda içerirler.
❖Bu şekilde proteinler, nükleotitlerin (–) yüklü fosfat
gruplarına bağlanır.
3.2 Nükleozomlar
❖Histon proteinleri, DNA’nın nükleozom şeklinde katlanmasında
ve paketlenmesinde önemli rol oynar.
❖147 kb’lik çift zincirli DNA, dört çift histon proteinini
çevrelemektedir.
❖Bu konfigürasyon ökaryotik çekirdekteki DNA’nın temel
katlanma birimidir.
3.3 Kromatin yeniden modelleme
❖Bu paketlenme DNA replikasyonu, transkripsiyonu gibiişlemlerde diğer proteinlerin DNA’ya ulaşımını engeller.
❖Bu sorun nasıl çözülür?
❖Paketlemenin açılması gerekmektedir
❖Bu süreçler için histonların nükleozomlardan uzanan kuyruk bölgeleri önemlidir
3.3.a Histon modifikasyonlarıAsetilasyon:
❖Pozitif yüklü lizine asetil grubunu bağlanır.
❖Pozitif yükü nötralize eder – DNA ile çekimi azalır
❖Yüksek orandaki asetilasyon kromatin yapısını açmaktadır.
❖Genlerin aktif olduğu bölgelerde asetilasyon artarken inaktif olan
bölgelerde azalmaktadır.
❖Diğer önemli kimyasal değişiklikler ise histonlarda;
❖Metillenme ve
❖Fosforlanmadır
❖Bu kimyasal işlemler farklı enzimler tarafından gerçekleştirilir.
❖Ökaryotlarda nükleozomdaki histonların metillenmesi gen
aktivitesi ile doğru orantılıdır.
❖DNA‘daki sitozin nükleotitlerinin metillenmesi ise gen
aktivitesi ile ters orantılıdır.
3.3.a Histon modifikasyonları
3.3 Kromatin yeniden modellemesi❖Ökromatin bölgeler, kromozomun açılmış halini tanımlamak içinkullanılmıştır.
❖Heterokromatin bölgeler ise paketli ve genetik olarak inaktif olan kısımlardır.
❖Bu bölgeler ya genlerden yoksundur ya da baskılanmışgenleri içerirler.
❖Heterokromatin bölgeler, ökaryotik kromozomun farklıbölgelerinde bulunabilir.
❖Sentromer telomer kısımları heterokromatiktir
Heterokromatin
Ökromatin
4. Kromozom bantlama tekniği
❖Mitoz kromozomları, ışık mikroskobundaki büyüklüklerine ve
sentromerlerinin konumlarına göre ayırt edilebilmektedir.
❖Görüntüleme yöntemlerinin en iyi bilinenlerinden bir tanesi de
kromozom-bantlama tekniğidir.
4.1 C-bantlama tekniği
Bu teknik, kromozomun, daima
heterokromatinden oluşan bölgelerini
belirler
❖Kromozomlar ısı ile denatüre edilir.
❖Sonra Giemsa ile boyandıklarında özgün
boyama profilleri ortaya çıkar
❖Mitotik kromozomların sadece sentromer
bölgeleri boyayı alır.
❖Kromozomlar proteazla muamele edilir ve Giemsa ile boyanır
❖Her bir kromozom boyunca değişik boyama profilleri oluşturulur.
4.2 G-bantlama tekniği
❖Sitogenetik analizlerde bu bantların önemi büyüktür.
❖Her bir kromozomun bant profili özgüldür.
❖Bu nedenle boyları ve sentromer yerleri birbirinin
aynı olan kromozomlar bile ayırt edilebilir.
❖Örneğin; insana ait kromozom 4 ile 5 ve kromozom 21
ile 22.
1971’de G-bant profilleri temel alınarak insan
kromozomlarının bant profilleri belirlenmiştir.
4.2 G-bantlama tekniği
5. Ökaryot kromozomlarında tekrarlananDNA dizileri
5.1 Uydu DNA
❖Çok yüksek sıklıkta nükleotit tekrarları içerir❖Bu sayede değişimli santrifüjleme kullanılarak tekrarlayan DNA
ayrıştırılabilir.
❖Tekrarlayan diziler, santrifüj tüpünde diğer DNA’dan ayrı bir bant şeklindegörünür.
❖Bu nedenle bu DNA’ya satellit DNA (uydu DNA) adı verilmektedir.
❖Genelde sentromer yakınlarında ve heterokromatin bölgelerinde
bulunur
❖Kısa tekrarlı diziler : 1000 - 10.000 baz uzunluğunda
5.1.a Sentromerik DNA dizileri
❖Sentromerik DNA’da CEN adıverilen tekrarlı nükleotit dizileri yeralmaktadır.
❖Bu diziler, anafazsırasında kromozomhareketine yardımcı olur.
5.2 Telomerik DNA dizileri❖ Kısa ardışık diziler (STR – short tandem repeat) içerir – 1000 tekrar
❖ Kromozomun kararlılığını ve bütünlüğünü sağlar
5.3 Orta sıklıkta tekrarlanan diziler:VNTR’ler ve iki nükleotit tekrarları
❖Orta sıklıkta tekrarlanan DNA dizileri, bazı kopyalanmış genleri içerir.
❖ genom analizleri için çok önemli moleküler belirteçlerdir.
❖Bu kategorinin büyük bir kısmı ya kodlayıcı olmayan ardışıktekrarlardır ya da serpiştirilen dizilerdir.
❖VNTR’ler bu konudaki önemli örneklerdir.❖Bu tür yapılar DNA kümeleri şeklinde genom boyunca dağılmıştır.❖Bunlara minisatellit (mini uydu) adı verilir.
❖Ardışık tekrarlanan diğer diziler, ikili, üçlü, dörtlü ve beşlinükleotitlerdir❖Bunlar mikrosatellitler (mikro uydular) olarak da adlandırılır.
5.3 Tekrarlanan hareketli dizilerSINE’ler ve LINE’ler
❖Bu tekrarlar genom boyunca serpiştirilmiştir.
❖Kısa (SINE) veya uzun (LINE) olabilirler.
❖Çoğu hareketlidir ve genomda bir bölgeden diğer bölgeye yer
değiştirebilirler.
❖Hareketli diziler (transposable elements) sınıfına girerler.
❖Bunlar genomun yaklaşık %10’unu oluştururlar.
❖SINE (short interspersed elements) 500 bp’den daha az uzunluktadır.
❖İnsan genomunda 500.000 kez ya da daha fazla bulunabilir.
❖İnsanda en iyi belirlenmiş SINE, Alu ailesi olarak isimlendirilen dizi setidir.
❖SLINE’lar SINE’lere göre daha uzun tekrarlayan DNA dizisi sınıfıdır.
❖İnsanda en göze çarpan örneği L1 olarak tanımlanan ailedir.
❖Bu dizi ailesinin üyeleri 6400 baz çifti uzunluğundadır.
❖Bir tahmine göre 100.000 kez tekrarlanır.
❖Retrotranspozonlar olarak da bilinirler.
5.3 Tekrarlanan hareketli dizilerSINE’ler ve LINE’ler
5.4 Orta sıklıkta tekrarlanan çok kopyalıgenler❖Orta sıklıkta tekrarlanan DNA dizileri fonksiyonel genlerin arka
arkaya çoklu kopyalar halinde tekrarlanmasıyla oluşur.
❖İnsanda, bu genlerin çoğu, 13, 14, 15, 21 ve 22’’nin P kolunda
kümeler halinde bulunur.
6. Ökaryotik genomun büyük bir kısmıişlevsel genleri kodlamaz !
❖Ökaryotik genomun ne kadarlık bir kısmı gerçekte işlevsel ve
kodlayıcı genlerden oluşur?
❖İnsan genomunun yaklaşık %40’ı çok ya da orta sayıda
tekrarlanan DNA dizilerinden oluşur.
❖Ayrıca kodlayıcı olmadığı belirlenen büyük miktarda tek
kopya DNA dizileri vardır.
7.1 Yalancı genler (Psödogenler)
❖Bu genler, genlerin kopyalarının evrimsel artığıdır.
❖Mutasyona uğrayarak işlevlerini kaybetmişlerdir.
❖Bazı durumlarda çok sayıda kopyalarına rastlanır.
Organizmaların ortak bir özelliği !❖Tüm organizmalarda, genomun sadece küçük bir kısmı proteinleri kodlar.
❖Örneğin; deniz kestanesinde 20.000 ile 30.000 gen protein kodlar ve bu miktar,
genomun %10’’undan az kısmını oluşturur.
❖Drosophila’’da genomun %5 ile 10’’u proteinleri kodlar.
❖İnsanda ise 20.000 ile 25.000 arasında olduğu düşünülen işlevsel genler genomun
%5’’inden az kısmını kapsar.