Hücre Çekirdeği, Kromatin Yapısı ve Kromozomlar PDF

HÜCRE ÇEKİRDEĞİ, KROMATİN YAPISI VE KROMOZOMLAR Dr. Venhar GÜRBÜZ CAN TIBBİ BİYOLOJİ VE GENETİK Sadece eğitim amaçlıdır. Eğitim amaçlı olarak kullanılabilir değiştirilebilir ve genişletilebilir. Ders esnasında ses kaydı ve görüntü almak ya da kaydetmek yasaktır. İzin alınmadan alınan her görüntü...

HÜCRE ÇEKİRDEĞİ, KROMATİN YAPISI VE KROMOZOMLAR Dr. Venhar GÜRBÜZ CAN TIBBİ BİYOLOJİ VE GENETİK Sadece eğitim amaçlıdır. Eğitim amaçlı olarak kullanılabilir değiştirilebilir ve genişletilebilir. Ders esnasında ses kaydı ve görüntü almak ya da kaydetmek yasaktır. İzin alınmadan alınan her görüntü, ses kaydı, video veya adıma kullanılan her şey için kanuni yollara başvurulacaktır. Verilen bilgiler bilimsel gelişmeler ışığında değişebilir. Öğrenim Hedefleri Nükleer zarfın ve nükleer por kompleksinin yapısını göstermek. Proteinlerin ve RNA'ların çekirdeğin içerisine ve dışansına nasıl taşındığını özetlemek. Nükleer zarf üzerinden taşınmanın gen ekspresyonunu nasıl düzenleyebileceğini açıklamak. Kromozom bölgelerini ve çekirdek içindeki kromozomların organizas yonunu incelemek için kullanılan yöntemleri açıklamak. Transkripsiyonel aktivite ile kromatin lokalizasyonu arasındaki ilişkiyi özetlemek. Replikasyon ve transkripsiyon fabrikalarını tanımlamak. Nükleer cisimcikler ve sitoplazmik organeller arasındaki benzerlikleri ve farklılıkları açıklamak. Çekirdekçiklerin yapısını ve işlevini tanımlamak. 3  Çekirdek (Nükleus) varlığı, ökaryot hücreleri prokaryotlardan ayırt eden temel özelliktir. Genomu bulundurmasıyla çekirdek, hem genetik bilginin muhafaza edildiği depo hem de hücrenin kontrol merkezi işlevini üstlenir. Ökaryotik hücrelerde, DNA replikasyonu, transkripsiyon ve RNA işlenmesi çekirdekte gerçekleşirken, sadece gen ekspresyonunun son aşaması (protein sentezi veya translasyon) sitoplazmada gerçekleşir. Nükleer zarf genomu sitoplazmadan ayırarak, sadece 4 5 Nükleer zarfın yapısı: Cekirdek, biri iç diğeri de dış nükleer zarlar olarak adlandırılan, ortak merkezli iki zar sistemiyle çevrelenmektedir. Dış nükleer zar endoplazmik retikulum (ER) zarı ile devam eder, bu da çekirdek iç ve dış zarları arasındaki alanın, ER lümeniyle doğrudan ilişkisini sağlamaktadır. Dış nükleer zar işlevsel olarak ER zarına benzemektedir ve sitoplazmik yüzeyine ribozomlar bağlanmaktadır. Bu yapıya zıt olarak, iç nükleer zarda, nükleer laminaya bağlanan proteinler gibi 60 farklı integral zar proteini yer alır 6  Şekil : Nüklear laminanın elektron mikroskop görüntüsü Nükleer lamina, ipliklerden oluşan eleksi yapısıyla çekirdek iç zarını alttan destekleyerek, nükleusun içerisine yayılır 7 Nükleer por kompleksi: Nükleer por kompleksleri, küçük polar moleküllerin, iyonların ve makro molekülerin (proteinler ve RNA'lar) çekirdek ile sitoplazma arasında taşınımlarının gerçekleştirildiği yegane kanallardır. Omurgalılarda, nükleer por kompleksleri 30 farklı por proteininin (nükleoporinler ya da NUP'lar olarak bilinen) çok sayıda kopyasından oluşmaktadır. 8  Pek çok protein çekirdek ve sitoplazma arasında her iki yönde de sürekli olarak taşınırlar. Bu protein ve RNA'lar, çekirdekten sitoplazmaya ya da sitoplazmadan çekirdeğe yönlendirilmelerini sağlayan spesifik sinyaller aracılığı ile tanınırlar 9  A Sitozol Nükleus A- Nüklear por komplekslerinin yandan EM B görünüşü B- Nüklear por komplexlerinin yukarıdan EM görüntüsü 10 11 Çekirdekte Protein Transportu-Taşıyıcılar Bazı proteinler çekirdeğe alındıktan sonra orada kalırlarken, diğer birçok protein çekirdekle sitoplazma arasında gidip gelir. Çekirdekte protein trafiğini kontrol eden proteinler Karyoferinler olarak adlandırılır: Importinler ve Eksportinler Proteinlerin çekirdekten dışarı gönderilmesi, hidrofobik aminoasit olan lösin yönünden genellikle zengin olan ve çekirdekten çıkış sinyali (NES) adı verilen özgül amino asit dizileriyle sağlanır. Nükleer lokalizasyon sinyallerinde eksportinler tanır.  Bu reseptörler proteinlerin nükleer por komplekslerinden sitoplazmaya çıkışını düzenler. NLS: nükleer lokalizasyon sinyali ise Çekirdeğe taşınacak proteinlerin taşıdıkları sinyal dizisidir. Bu dizileri importinler tanır ve Importinler aracılığı ile proteinler stoplazmadan çekirdeğe taşınır. İmportinler de karyoferinler olarak bilinen çekirdek taşınım reseptörleri ailesinin üyeleridir. 13 14 15 16 RNA'ların taşınması: tRNA'lar ve miRNA'ların çekirdek dışına taşınımları özgül karyoferin eksportinleri olan sırasıyla eksportin-t ve eksportin-5 tarafından gerçekleştirilir. Ribozomal RNA'lar önce ribozomal proteinlerle çekirdekçikte (nükleolusta) birleşirler, yeni oluşan 60S ve 40S ribosomal alt birimler sitoplazmaya ayrı ayrı olarak Crm1 eksportini tarafından taşınır. 17  mRNA'ların çekirdek dışına taşınımları karyoferinler ve Ran'dan bağımsız, ayrı bir mekanizma aracılığı ile gerçekleşir. Dışa-taşıyıcı kompleks mRNA'ları nükleer porlardan dışarı taşır. Taşınımın yönü, RNA helikaz tarafından belirlenir. Bu süreç mRNA'nın çekirdege geri taşınımı engeller. 18 19  Sitoplazma da görevli snRNA'lar ve rRNA işlenmesinde rol oynayan snoRNA'lar gibi pek çok kodlamayan RNA çekirdekte görev yapar. snoRNA'lar çekirdekte kalırlar ancak, snRNA 'lar, önce Crm1 adlı eksportin tarafından çekirdekten sitoplazmaya taşınırlar. Sitoplazmada snRNA'lar proteinler ile birleşerek RNPleri oluştururlar. Daha sonra, snRNP proteinlerinin üzerinde var olan diziler snurportin adı verilen bir importin tarafından tanınır ve çekirdeğe geri taşınır. 20 Kromozom’un Yapısı Kromatin iplikçiklerinin kısalıp kalınlaşması ile oluşur Genetik materyali taşıyan yapılardır İnterfazda bir kısmı yoğunluğunu korur (heterokromatin) bir kısmı ise gevşektir(ökromatin) Bölünme halinde olan her kromozomda ikişer kromatid bulunur Kromatidler sentromerde birbirleri ile birleşirler 21 A) B) DNA sarmalı Histon oktomer (2şer adet H2A, H2B, H3, H4) Histon olmayan proteinler (Topoizomeraz II) Nükleozomlar Nükleozom Solenoid yapı Solenoid yapının Histon yoğunlaşıp kangal oluşumu Nonhiston (Topoizomeraz II) Kromozomun yoğunlaşmış kısmı Kromozom Şekil 13: Kromatin ince yapısı ve kromozom oluşumu (A), Nükleozomun yapısı (B) 22 Kor nükleozom: H2A, H2B, H3 ve H4 Nükleozom: H2A, H2B, H3 ve H4, DNA Kromatozom veya nükleotozom : H1, H2A, H2B, H3 ve H4, DNA Models of chromatin organization. (A) 10 nm fibre. (B) Side-view of a 30 nm fibre or solenoid. (C) Top-down view of the solenoid. (D) Zig-zag model of the 30 nm fibre.  telomer Kromozomlar sentromer p kolu telomer q kolu Kardeş kromatidler Sentromer kromozomu eşit veya eşit olmayan iki kola ayırır: p kolu (petit, kısa kol) q kolu (uzun kol) Sentromere göre kromozomlar dört gruba ayrılır: Sentromer Metasentrik Şekil 21: Sentromer konumuna göre kromozomlar  Satellit (Uydu) Bazı kromozomlarda (akrosentrik=13,14,15,21 ve 22.) kısa kollara bağlanan yuvarlak düğme şeklindeki kromatin materyali Satellit sapı ile tutunur Akrosentrik kromozomların satellitleri, satellit sapları ile birlikte nükleolusu oluşturmak için birbirlerine yaklaşırlar ve nükleolusu oluştururlar 27  Satellit sapı Satellite ait kromatin materyalini kromozom kısa koluna bağlar Satellit sapında rRNA (18S ve 28S) kodlayan multiple kopya bulunur Satellit sapına Nüklear Organizer Region (NOR) da denmektedir 28 Telomer DNA genomları sirküler olma eğilimindedir Bakteriyel genomlar, plazmidler, mitokondriyal DNA’lar genellikle sirkükler yapıdadır Buna karşılık, ökaryotik kromozomlar lineerdir Lineer olmasını uç kısımlarındaki özel DNA dizileri sağlar Ökaryotik kromozomların her iki terminal ucunda bulunan özelleşmiş bu DNA dizilerine telomer denir 29 Homolog kromozomlar Homolog kromozom çifti (Tetrat) Mayoz bölünmede eşleşen, morfolojileri ve Sentromer genleri aynı olan kromozom çiftlerine homolog kromozomlar denir Homolog kromozomlarda aynı cins ve miktarda gen Kardeş kromatitler bulunur Maternal Paternal Homolog kromozom, kardeş kromatit yapısı 30  İnsan hücrelerinde 22 çift kromozom homologtur Cinsiyet kromozomu dışındaki bu 22 çift homolog kromozoma vücut kromozomu (somatik) veya otozom denir 23. çift kromozoma ise eşey Otozomlar Eşey kromozomları kromozomu veya gonozom denir Otozomlar ve Eşey kromozomları (gonozomlar) 31  İnaktif X kromozomu X’e bağlı olan genlerin erkeklerde 1 adet yani tek doz , kadınlarda ise 2 tane (çift doz?) olmasına karşın, her ikisi tarafından sentezlenen ürün eşit miktardadır. Bu “dozaj kompensasyonuna” nasıl ulaşıldığı uzun süre genetikçiler tarafından anlaşılamamıştır. Oogenezde, Mayoz’a giriş sırasında her iki X kromozomu da aktif ve ökromatiktir.  İki adet X kromozomu letal olduğu için gelişimin erken dönemlerinde (Fertilizasyonun 12. günü) dişi embriyoda bulunan 2 adet X kromozomundan birisi İNAKTİF duruma gelir. Bu olaya; X İNAKTİVASYONU adı verilmektedir. Bu kromozom Barr cisimciği veya cinsiyet kromatini olarak adlandırılır (Lyon hipotezi) Barr cisimciği nükleus membranına yakın bir konuma yerleşir 33 Lyon hipotezi Hücreler cinsiyet kromatini (Barr cisimciği) yapısına göre negatif ve pozitif olarak sınıflandırılır Kromatin negatifler  Tek X kromozomu var demektir  Normal erkek genomu  X0 Turner genotipi – Kromatin pozitifler  İki ayrı X kromozomu var demektir  Normal kadın genomu  XXY Kleinefelter sendromu genotipi 34  Erkeklerde Barr cisimciği bulunmaz iken normal kadınlarda 1 tane vardır. X kromatin sayısı: X Kromozom sayısı-1 olarak hesaplanmaktadır 35  Şekil 27: Nötrofil’deki barr cisimciği (A). Cinsiyet kromatini (Barr cisimciği) tayinlerinde bulunan kromatin sayısı, daima hücrelerdeki gerçek kromozom sayısından bir eksiktir (B) A B Karyotip Bir hücrede kromozomların morfoloji ve sayısal özelliklerine göre belirli bir düzen içerisinde sınıflandırılması karyotip denir Metafaz kromozomları fotoğrafı alınır, tek tek kesilerek homolog kromozom çiftleri sıralanır. 37  İnsan kromozomlarının gruplandırılması A B C D E F G A: Metasentrik B: Submetasentrik C: Submetasentrik D: Akrosentrik 46, XY E: Metasentrik, Submetasentrik 38 F: Metasentrik G: Akrosentrik Gen Özel bir polipeptid zincirinin amino asit sırasını şifreleyen veya bir karakteri meydana getirebilecek DNA parçasına gen denir Genler kromozomlarda lokus adı verilen belirli yerlerde bulunur Lokuslar içerisinde de alel genler bulunur Şekil 32: Kromozom üzerinde gen, lokus ve allel 39 Kromozom bölgeleri: Kromozomların birbirlerinin etrafında gelişigüzel dolanmadıkları, her bir kromozomun çekirdeğin kromozom bölgeleri (chromosome territory) adı verilen farklı bir bölümünde yerleştiği gösterilmiştir 40  Replikasyon ve transkripsiyon fabrikaları DNA replikasyonu, replikasyon fabrikaları olarak bilinen belirli bölgelerde gerçekleşir. Replikasyon fabrikaları, içerisinde birden fazla DNA molekülünün replikasyonunun gerçekleştiği kümelenmiş DNA replikasyon bölgelerini içerir. Transkripsiyon da kümelenmiş bölgelerde (transkripsiyon fabrikalanı) gerçekleşmektedir. 41 42 43 Nükleer Cisimcikler: Çekirdek, nükleer cisimcikler olarak anılan ve ayrı yerleşimli çeşitli organellere ev sahipliği yapar. Sitoplazmik organeller (örn., mitokondri) gibi, nükleer cisimcikler çekirdeği bölümlere ayırırlar nükleer cisimcikler dinamik yapılar olup, içeriklerini çekirdeğin diğer içerikleri ile değiştirilebilir. 44 Şekil 17: Nükleer cisimlere örnekler Nükleer Cisim Nükleus başına Fonksiyon cisim sayısı Nükleolus 1-4 rRNA transkripsiyonu, işlenmesi ve ribozom oluşumu Cajal cismi 0-10 snRNP (mRNA’ların kırpılıp- eklenmesinden sorumlu) oluşumu Clastozom 0-3 Proteasom aracılı proteoliz Histon lokus cismi 2-4 Histon pre-mRNA’ların transkripsiyonu ve işlenmesi Benek 20-50 Pre-mRNA kırpılma faktörlerinin depolanması PML cismi 10-30 Transkripsiyonel düzenleme, DNA tamiri Polikomb cismi 10-20 Gen susturulması 45 Çekirdekçik ve rRNA : Çekirdekçik (nükleolus), rRNA'ların sentezlenmesi ve işlenmesinin yanında ribozomların yapılandırıldığı bölgedir. ökaryotik ribozomlar; 5S, 5.85, 185 ve 28S rRNA'lar olarak bilinen dört RNA içerir. 5.8S, 18S ve 28S rRNA'lar çekirdekçikte, RNA polimeraz I tarafından tek bir birim halinde sentezlenir ve 455 ribozomal öncü RNA (pre-rRNA) meydana gelir. 46  5.85,185 ve 28S rRNA genleri, ardışık diziler halinde, beş farklı kromozom da toplanmıştır (kromozom 13, 14, 15, 21 ve 22), 5S rRNA genleri tek ardışık dizilim olarak kromozom l'de bulunur ve RNA pol 3 tarafından nükleusta sentezlenir. 47  Nükleolus Nükleus 45S Ribozomal proteinler sitoplazma Şekil 19: Ökaryotlarda ribozom küçük ve büyük alt birimlerinin nükleolusta oluşup sitoplazmaya geçişi Hücre (Moleküler Yaklaşım), Cooper ve Housman, 7.Baskı’dan modifiye edilmiştir. 48  Kaynaklar 1- Tıbbi Biyoloji, Ayşe Başaran (Güneş ve Nobel Tıp Kitabevi) 2- Hücre Moleküler Yaklaşım, Cooper ve Hausman (İzmir Tıp Kitabevi) 49