Genom Yapısı ve Organizasyonu PDF

Genom Yapısı ve Organizasyonu Dr. Öğr. Üyesi Ayşegül DALMIZRAK Balıkesir Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 28.11.2023  Genom İlk dizilenen hücresel genom; 1995 Haemophilus influenzae (1.8x106 baz çifti) 19...

Genom Yapısı ve Organizasyonu Dr. Öğr. Üyesi Ayşegül DALMIZRAK Balıkesir Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 28.11.2023  Genom İlk dizilenen hücresel genom; 1995 Haemophilus influenzae (1.8x106 baz çifti) 1996 Saccharomyces cerevisiae (12x106 baz çifti) C. Elegans Drosophila Arabidopsis thaliana 2 Genom 3  İnsan Genomu İnsan Genom Projesi Projenin asıl hedefi: Tüm nükleotid diziliminin belirlenmesi ~ 3x109 baz çifti Proje, farklı yaklaşımlar kullanan iki bağımsız araştırma grubu (Eric Lander grup ve Celera Genomics) tarafından yürütülmüştür Taslağın yayımlanması: 2001 Uluslararası İnsan Genom Dizileme Konsorsiyumunda yayın haline gelmesi: 2004 4  İnsan Genomu İnsan Genom Projesi Sonuç olarak;  Tahmin edilenden daha düşük sayıda gen var (tahmin: 100.000, 2001 taslağında tespit: 30.000-40.000, 2004 yayını: ~21.000)  Tahmin edilen insan proteinlerinin %40’ından çoğu, dizilenmiş maya, Drosophila ve C. Elegans gibi daha basit organizmalardaki proteinlerde ilişkili  Korunmuş olan proteinlerin çoğu metabolizma, DNA rep. ve tamiri, transkripsiyon, translasyon ve protein trafiği gibi temel hücresel süreçlerde görevli  Proteinlerin çoğu, diğer organizmalarda da bulunan protein domainlerinden oluşur  Ancak, insanlarda bu domainler farklı proteinler oluşturacak biçimde özgün kombinasyonlarla bir araya gelir 5  Ökaryo2k Gen Yapısı Ökaryot genomu prokaryot genomundan daha büyük ve daha karmaşık Ökaryotik genomlardaki gen sayısı ile genom büyüklüğü arasında basit bir ilişki yok Ökaryotik hücre genomu Protein kodlayan DNA dizileri + Protein kodlamayan DNA dizileri 6  İntronlar ve Ekzonlar Gen: Bir RNA (örn. ribozomal veya transfer RNA) veya bir polipeptid olabilen işlevsel bir ürün oluşturacak şekilde ekspresse olan bir DNA bölgesi Ökaryotik genlerin çoğu kodlayan dizi kısımları (Ekzon) ve bunların arasında yer alan kodlamayan diziler (İntron) içerir. 7  İntronlar ve Ekzonlar İntronların saptanması 1977 yılında adenovirüslerde Ökaryotik hücrelerde saptanması fare β-globin geninde Ökaryotik genlerde intron-ekzon yapısı karmaşık İntron dizilerindeki DNA miktarı ekzonlardakinden daha fazla 8  İntronlar ve Ekzonlar Ekzonlar, mRNA’nın 5' ve 3' uçlarında yer alan ve protein yapısına katılmayan bölgeler (5' ve 3' translasyona uğramayan bölgeler – UTR) içerir Kodlamayan ekzonların ort. uzunluğu gen başına ~2.6 kb Protein kodlayan ekzon dizilerinin ort. uzunluğu gen başına ~1.7 kb Ort. bir insan geninin sadece %3’ü protein kodlayan dizilerden oluşurken, ~ %93’ü introndan oluşur 9  İntronlar ve Ekzonlar o İntronlar kompleks ökaryotlara ait genlerin çoğunda bulunur İstisna: Histon genlerinin hemen hemen hiçbirinde intron yoktur İntronlar ökaryot hücrelerinde gen işlevi için şart değil o Genomlarının hemen tamamı (%90) protein kodlayan dizilerden oluşan prokaryotların sadece bazı nadir genlerinde mevcut o İntronların birçoğu hem bitki hem de hayvanlarda evrimsel olarak korunmuş 10 İntronlar ve Ekzonlar 11  İntronlar ve Ekzonlar İntronların Rolleri  Fonksiyonel ürün kodlama (protein yada kodlamayan RNA’lar) İç-içe genler olarak ifade edilir Bir gen daha büyük bir genin intronunda yer alır İlk olarak Drosophila’da tanımlanmıştır (protein kodlayan gen sayısının %5’inden fazlasını oluşturur) İnsan genomunda daha az sıklıkla görülür (tanımlanan ~150 iç-içe gen) Bu genler psödogenler, mikroRNA’lar ve ribozomal RNA işlenmesinde görevli küçük nükleolar RNA’ları kodlar 12 İntronlar ve Ekzonlar 13  İntronlar ve Ekzonlar İntronların Rolleri  Gen ekspresyonunu kontrol eden ve hücre davranışı için kritik olan düzenleyici diziler içerir Bir organizmadaki tüm hücreler aynı genlere sahip olduklarından, gen ekspresyonundaki düzenlenmiş farklılıklar bir hücrenin diğer hücreden farkını belirler Örn. İnsan beyin hücresi ve kas hücresi arasındaki fark 14  İntronlar ve Ekzonlar Transkripsiyon farklı bölgelerde bulunabilen diziler tarafından düzenlenir (genlerin yukarısı, genomda uzak bölgeler ya da genlerin içi) Genlerin içinde ise ya genin ilk intronunda ya da ilk ekzon tarafından kodlanan 5' UTR bölgesinin içinde bulunur 15  İntronlar ve Ekzonlar İntronların Rolleri  Splicingin düzenlenmesi İntronların varlığı bir genin ekzonlarının farklı kombinasyonlarda bir araya getirilmesine olanak sağlar Böylece aynı genden farklı proteinlerin sentezlenmesine sebep olur Alternatif splicing İnsana ait genlerin çoğunluğu alternatif splicinge uğrayabilir Ort. her bir insan geni 6 farklı alternatif mRNA üretir, 4’ü farklı proteinler kodlar Alternatif splicing ile 21.000 protein kodlayan genden ~85.000 farklı protein sentezlenir Çeşitlilik 16 İntronlar ve Ekzonlar 17  Kodlamayan Diziler Protein kodlayan genler (intronları dahil) insan genomunun ~%36’sı Geri kalan kısım protein kodlamayan diziler Proteine dönüştürülmezler, fonksiyonel özellikteler Kodlamayan RNA’lar Tekrarlayan Diziler Gen duplikasyonu ve Psödogenler 18  Kodlamayan Diziler – ENCODE Projesi ENCODE : Encyclopedia of DNA Elements Başlangıç: 2003 yılı Amaç: İnsan genomundaki tüm fonksiyonel elemanların tanımlanması Genomun ne kadarı herhangi bir fonksiyonu olmayan «çöp DNA»? Ne kadarının protein kodlama dışında önemli rolleri olabilir? İlk verilerin sunumu 2007 (genomun %1’lik bir kısmının analiz sonucu) Devamı dünya çapında 32 farklı merkez ve 400’den fazla araştırıcının dahil olduğu uluslararası işbirliği ile Verilerin tamamının sunumu 2012 19  Kodlamayan Diziler – ENCODE Projesi İnceleme: 147 farklı insan hücre hattında RNA’ya transkribe olan tüm dizilerin karakterizasyonu Sonuç: Genomun büyük bir kısmı RNA’ya transkribe olmaktadır (~%75) Etki: Genomun büyük bir kısmı biyokimyasal aktivite düzeyinde fonksiyonel 20  Kodlamayan Diziler – Kodlamayan RNA’lar En iyi bildiğimiz örnekler : Transfer RNA (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA) RNA interferens: Kısa çift iplikli RNA’lar tarafından gerçekleştirilen, gen ekspresyonunu translasyon seviyesinde baskılamak için kullanılan deneysel araç (1998) Hücreler tarafından normal olarak mRNA translasyonunu ve degradasyonunu kontrol etmek için kullanılır 21 Kodlamayan Diziler – Kodlamayan RNA’lar mikroRNA (miRNA) RNA interferensini endojen olarak gerçekleştiren kodlamayan RNA’lar (22 nükleotid) Biyolojik rolleri, Erken embriyonik gelişim Sinir sistemi Kas, kalp, akciğer ve bağışıklık sitemlerinin gelişimi Hücre çoğalması ve sağkalımı düzenler Anormal ekspresyonları kalp hastalığı ve kanser gelişimi ile ilişkili 22  Kodlamayan Diziler – Kodlamayan RNA’lar Uzun kodlanmayan RNA (lncRNA) 200 nükleotidden daha uzun X kromozomu inaktivasyonundan sorumlu Xist Xist 17 kb uzunluğunda bir lncRNA Xist inaktif X’e bağlanarak transkripsiyonunu engeller 23  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler Kompleks ökaryot genomlarının büyük bir kısmı, genom başı yüz binlerce kopya olarak bulunabilecek yüksek tekrarlı DNA dizilerinden oluşur 1. Basit dizi tekrarları: 1-500 nükleotidlik kısa tekrarların ardışık olarak dizilmiş binlerce kopyasından oluşur Transkripsiyona uğramazlar, genetik bilgi taşımazlar Kromozom yapısında rolleri var 24  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler 2. Retrotranspozonlar: Tekrarlayan DNA dizilerinin diğer tipleri ardışık değil, genom içinde dağılmış halde Genom büyüklüğüne katkıda bulunurlar (genomun ~%45’lik kısmı) Kısa serpiştirilmiş elemanlar (short interspersed elements : SINE) 100-300 baz çifti ~1.5 milyonu genoma dağılmış halde Toplam insan genomunun %13’ü Uzun serpiştirilmiş elemanlar (long interspersed elements : LINE) İnsan LINE ort. 1 kb, fakat çoğu 4-6 kb ~850.000 LINE dizisi var Toplam insan genomunun %21’i 25  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler Hem SINE hem de LINE yer değiştirebilen elemanlar (transposable elements) Genomik DNA’da farklı bölgelere hareket etme yeteneği Revers transkriptaz 26  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler 3. Retrovirüs benzeri elemanlar: Genomda ters transkripsiyon ile hareket ederler 2-10 kb uzunluğunda İnsan genomunda ~450.000 , İnsan DNA’sının ~%8’i 4. DNA transpozonlar: Genom içinde kopyalanarak ve tekrar DNA’ya katılarak hareket eder 80-3000 baz çifti uzunluğunda İnsan genomunda ~300.000 , İnsan DNA’sının ~%3’ü 27  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler Etkiler; (SINE ve LINE’nın rastgele hareketi) Mutasyonun indüklenmesi Hemofili, kistik fibrozis, kas distrofisini içeren kalıtsal hastalıklar Kanser gelişimi Türlerin ve genlerin evrimi Memeli genomlarındaki bazı retrotranspozonlar bitişik genlerin eks. kontrol eden düzenleyici dizileri içerir LINE’lara bitişik hücresel DNA dizileri transpozisyon sırasında birlikte taşınır (yeni kodlayıcı / düzenleyici dizi komb. oluşumu) 28  Kodlamayan Diziler – Tekrarlayan Diziler Etkiler; Tekrarlayan diziler arasındaki rekombinasyonlar ile genomun yeniden şekillenmesi Örn. LINE’lar arasındaki rekombinasyon yeni genlerin ortaya çıkmasına yol açabilir (Genetik çeşitliliğin ortaya çıkması) Yer değiştiren elemanlar lncRNA dizilerinin çoğunluğunun içinde bulunur Bazı lncRNA’ların içindeki SINE dizileri bu lncRNA’ların gen düzenlenmesindeki rollerine doğrudan katkıda bulunur 29  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler Fonksiyonel olmayan çok sayıda genin çoklu kopya halinde bulunması Bazı durumlarda, büyük miktarda ihtiyaç duyulan RNA’ları veya proteinleri üretmek için (örn. Ribozomal RNA) çoklu kopyaya ihtiyaç duyulur Gen aileleri ile ilişkisi: Bazen de gen ailelerinin farklı üyeleri farklı dokularda veya gelişimin farklı evrelerinde transkribe olur (örn. Hemoglobinin α ve β alt alt üniteleri). Bazı gen aile üyeleri DNA’da bir bölgede toplanmış iken bazıları ise farklı kromozomlarda bulunabilir 30  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler Gen ailelerinin, orjinal bir atasal genin duplikasyonu ile oluştuğu düşünülmekte Evrimsel süreçte oluşan mutasyonlar ile aile üyeleri birbirinden uzaklaşmakta Ayrılma, farklı dokularda veya gelişimin farklı evrelerinde işlev görecek şekilde optimize olmuş ilişkili proteinlerin evrimine yol açmakta Ancak, her mutasyon gen işlevini geliştirmez Bazı gen kopyalarında, işlevsel gen ürünü oluşturma yeteneğinin kaybıyla sonuçlanan kalıcı mutasyonlar oluşabilir İşlevsel olmayan gen kopyaları : psödogen Psödogenler işlevsel bir genetik katkıda bulunmadan ökaryot genomların büyüklüğünü arttıran evrimsel kalıntılar İnsan genomunda 11.000 psödogen mevcut 31  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler Gen duplikasyonu 2 farklı mekanizma ile oluşur 1. DNA’nın bir parçasının duplikasyonu ve DNA dizisi bloğunun yeni bir yere transferi 1-50 kb olabilir, insan genomunun %5’i Tüm genomun duplikasyonu da olabilir (bitkilerde yaygın) Örn. Arabidopsis genom dizisi, tüm genomun en az 2x duplike olduğu ve bunu takiben bazı duplike genlerin zamanla kaybolduğunu gösterir Protein kodlayan gen sayısının yüksek olması (26.000) bu duplikasyonların sonucu 32  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler Gen duplikasyonu 2 farklı mekanizma ile oluşur 2. Genler, mRNA’nın ters transkripsiyonu ve daha sonra cDNA kopyasının yeni bir kromozomal bölgeye entegrasyonu ile duplike edilir Bu tip gen duplikasyonu, intron ve genin mRNA’ya transkripsiyonunu yönlendiren kromozomal dizileri içermeyen gen kopyalarının oluşmasına sebep olur İnaktif gen kopyası : işlenmiş psödogen (insan genomunda belirlenmiş psödogenlerin çoğu) 33  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler Ters transkripsiyon ile duplike olmuş genlerin bazıları yeni bir kromozomal bölgeye yerleştikten sonra fonksiyonel kalabilir Örn. Dachshund ve basset tazısı gibi köpek ırkları Fgf4 : Bacaklardan sorumlu gen Kısa bacaklı köpeklerde, bu gen retrotranspozisyona uğramış ve bir LINE’nın ortasına entegre olmuştur Bu durumda anormal ekspressedir, kemik büyümesi prematür olarak sonlanır, bazı ırkların karakteristik özelliği olan kısa bacaklar ortaya çıkar 34  Kodlamayan Diziler Gen Duplikasyonu ve Psödogenler 35 Dr. Öğr. Üyesi Ayşegül DALMIZRAK Balıkesir Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı [email protected]