IZTU Tip 1 Genler Genomlar 2024-25 PDF

İnsan genomunun organizasyonu (DNA, gen, genom, kromatin, kromozom kavramları) Prof.Dr.Neşe Atabey İZTÜ Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı  Ökaryotik Genlerin Yapısı Çoğu ökaryotun genomu prokaryotların genomundan daha büyük ve daha karmaşık...

İnsan genomunun organizasyonu (DNA, gen, genom, kromatin, kromozom kavramları) Prof.Dr.Neşe Atabey İZTÜ Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı  Ökaryotik Genlerin Yapısı Çoğu ökaryotun genomu prokaryotların genomundan daha büyük ve daha karmaşıktır. Ökaryotik genomların büyüklüğünün daha fazla olması, karmaşık organizmalarda daha fazla gen bulmayı beklediğimiz için çok şaşırtıcı değildir. Ancak, ökaryotların genom büyüklüğü genetik karmaşıklıkla ilişkili değil gibidir. (Örneğin semender ve zambak genomlarında insan genomundakinin 10 katından daha fazla miktarda DNA bulunur) Üstelik ökaryotik genomlardaki gen sayısı ile genom büyüklüğü ya da biyolojik karmaşıklık arasında basit bir ilişki yoktur. (Örneğin, insan genomu E. coli genomundan 1000 kat daha büyüktür ancak sadece 5 kat daha fazla sayıda gen içerir). Ayrıca, küçük bir bitki olan Arabidopsis thaliana’nın genomu insan genomunun sadece %5’i kadar olmasına rağmen,insan genomu 20.000 protein kodlayan gen içerirken, Arabidopsis thaliana genomu yaklaşık 26.000 protein kodlayan gen içermektedir. İnsan Genomundaki Kodlayan ve Kodlamayan Diziler Kodlayan DNA, protein kodlayan genlere sahiptir. Kodlama bölgesi, protein kodlayan nükleotid dizisine sahiptir. Transkripsiyon (mRNA sentezi) yapabilir, translasyon (protein sentezi) ve yeni proteinler üretebilirler. Kodlayan DNA'nın yüzdesi, kodlamayan DNA'dan daha azdır Protein kodlayan genler, intronlar da dahil olmak üzere, insan genomunun yaklaşık üçte birlik kısmını oluşturur. Kodlamayan diziler, protein kodlamamalarına rağmen, gen ekspresyonunun düzenlenmesi ve genlerin alternatif yollarla eksprese olmasını sağlayarak genomlarımızın kodlama potansiyelini önemli ölçüde arttırmak gibi kritik roller oynar. Kodlayan ve kodlamayan DNA arasındaki farklılıklar  Genom Nedir? Bir organizmada bulunan genetik bilginin tamamıdır. Genomik analiz, bir organizmanın tüm genomunun incelenmesi anlamına gelirken, genetik analiz, belirli bir genin incelenmesi anlamına gelir. Kromozom /Karyotip Kromatin İpliği/ Kromozom Kromatin ipliği Nukleozom (11nm) (2nm) Kondanse iplik Histon olmayan (30nm) proteinler DNA/Kromatin Genetik Bilgi depolanır Kromatin Genetik Bilgi Düzenlenir Epigenomlar >22-25,000 gen >200 farklı Aynı DNA dizisi Hücre Tipi  Gen Nedir? Moleküler olarak bir gen, işlevsel bir ürün oluşturacak şekilde eksprese olan bir DNA bölgesi olarak tanımlanabilir. Bu ürün bir RNA (örn., ribozomal veya transfer RNA) veya bir polipeptit olabilir.  Ekzon ve İntronlar Ökaryotlardaki kodlamayan DNA’nın bir kısmı genler arasında yer alan DNA dizileri ile açıklanırken, çoğu ökaryotik gen büyük miktarlarda kodlamayan DNA içerir. Bu tip genler, kodlayan dizi bölgelerinin (ekzonlar olarak adlandırılır) kodlamayan dizilerle (araya giren diziler veya intronlar) ayrıldığı bölünmüş bir yapıya sahiptir. Tüm genin uzun bir RNA molekülü oluşturacak şekilde transkripsiyonu yapılır, daha sonra intronlar kesilerek uzaklaştırılır (splaysing) ve böylece mRNA’da sadece ekzonlar bulunur.  İntronların Varlığı İlk olarak Viruslarda Keşfedildi İntronlar ilk kez 1977’de, insan hücre kültürlerinde adenovirüs replikasyonunun incelendiği çalışmalarda, Phillip Sharp ve Richard Roberts’ın laboratuvarlarında birbirinden bağımsız olarak bulunmuştur.  Ekzon ve İntronlar Birçok ökaryotik genin ekzon-intron yapıları oldukça karmaşıktır ve intronlardaki DNA miktarı genellikle ekzonlardakinden fazladır. Örneğin, ortalama bir insan geninde yaklaşık 10 ekzon (toplam 4,3 kb) ve bu ekzonları birbirinden ayıran intronlar (toplam 52 kb) vardır, birlikte yaklaşık 56.000 baz çiftinden oluşan (56 kilobaz, ya da kb) genomik DNA’ya karşılık gelir.  Ekzon ve İntronlar Ekzonlar, mRNA’nın hem 5' hem de 3' uçlarında protein dizisine katılmayan bölgeler içerirler (5’ ve 3' kodlamayan bölgeler (untranslated regions) ya da UTR’ler). Bu kodlamayan ekzonlar her bir gen için ortalama 2,6 kb büyüklükte iken, protein kodlayan diziler ortalama 1,7 kb büyüklüktedir. Sonuç olarak, ortalama bir genin sadece %3 kadarı protein kodlayan dizilerden oluşurken, intronlar yaklaşık %93 kadarını oluşturmaktadır. Tüm Ökaryot Genlerinde İntronlar Var mı? İntronlar, kompleks ökaryotların çoğu geninde bulunmaktadır, ancak bu bir kural değildir. Örneğin, hemen hiçbir histon geni intron içermez; dolayısıyla intronların varlığı ökaryotik hücrelerde gen fonksiyonu için olmazsa olmaz koşul değildir. Buna karşılık, intronlar, genomları neredeyse tamamen (~90%) protein kodlayan dizilerden oluşan prokaryotların genlerinde çok nadiren görülür. Dikkate değer bir nokta ise pek çok intronun bitki ve hayvan genlerinde korunmuş olmasıdır. Bu durum, intronların, evrimin erken aşamalarında, bitki-hayvan ayrışmasından önce ortaya çıktıkları anlamına gelmektedir. Ökaryotlarda, intronların sıklığı, genomik büyüklük ve karmaşıklık ile doğru orantılı olarak artar  İntronların Görevi Nedir? İntronların önemli bir kısmı protein ya da kodlamayan RNA gibi işlevsel ürünler kodlar. Bu durumlarda (iç içe genler (nested genes) olarak adlandırılır) bir gen daha büyük bir diğer genin intronunda yer alır İnsan genomunda iç içe genler daha az sıklıkta görülür: yaklaşık 150 iç içe protein kodlayan gen tanımlanmıştır ki bu rakam toplam gen sayısının %1’inden azına karşılık gelir. İnsandaki bazı iç içe genler, ribosomal RNA ve mikroRNA işlenmesinde görev alan küçük nükleolar RNA’lar gibi kodlamayan RNA’lar ya da psödogenler (pseudogenes) kodlarlar.  İntronların Görevi Nedir? İntronlar ayrıca, hücre davranışı için kritik öneme sahip gen ekspresyonunu kontrol eden düzenleyici diziler içerirler. Bir organizmadaki tüm hücreler aynı genlere sahip olduklarından, gen ekspresyonundaki kontrollü farklılıklar iki hücre tipi arasındaki farklılıkları belirler: Örneğin bir beyin ve bir kas hücresi arasındaki. Gen ekspresyonunun ilk aşaması olan transkripsiyon, çeşitli bölgelerde yerleşik diziler tarafından düzenlenir: Genlerin yukarı yöndeki bölgelerinde, genomun uzak bölgelerinde ya da genlerin iç bölgelerinde yerleşik diziler bulunur.  İntronların Görevi Nedir? İntronlar, transkripsiyonu düzenleyen dizileri içermenin yanı sıra, işlevsel mRNA’ların oluşabilmesi için kritik öneme sahip olan kesilip- eklenme işlemini de düzenleyen diziler içerirler. İntronların en dikkat çekici etkilerinden biri, bir gendeki ekzonların farklı kombinasyonlarda birleştirilmesine ve bunun sonucunda aynı genden farklı proteinlerin sentezlenebilmesine olanak tanımalarıdır. Alternatif kesilip- eklenme (alternative splicing) olarak adlandırılan bu işlem, kompleks ökaryotların genlerinde sıklıkla gerçekleşir. Örneğin, insan genlerinin yaklaşık %90’ı alternatif kesilip-eklenmeye uğrar ve en az iki, en çok binlerce farklı mRNA üretebilir. Ortalama olarak, her insan geni, alternatif olarak kesilip-eklenme ile dördü farklı protein kodlayan altı mRNA verir. Böylelikle, alternatif kesilip-eklenme insan genomundaki 20.000 protein kodlayan genden yaklaşık 80.000 farklı protein üretilmesini mümkün kılar ve genomun fonksiyonel çeşitliliğini önemli ölçüde zenginleştirir. Alternatif Kesip Ekleme  Kodlamayan Diziler Ökaryotik hücre genomunun sadece protein kodlayan dizileri değil, aynı zamanda büyük miktarlarda protein kodlamayan DNA dizileri bulunmaktadır Szymansk M ve ark. A new frontier for molecular medicine: Noncoding RNAs Biochimica et Biophysica Acta 1756 (2005) 65 – 75  Kodlamayan Diziler ENCODE projesinin amacı, insan genomundaki farklı tipteki dizilerin fonksiyonlarını tanımlamaktı. Dünya çapında 32 farklı merkezden 400’den farklı araştırmacı katıldı. 147 farklı hücre hattı, RNA’ya transkribe olan tüm dizilerin karakterizasyonunu yapıldı. İnsan genomunun yaklaşık %75’inin transkribe olduğunun belirlenmesidir. Bu oran genomun protein kodlayan genler ile açıklanabileceğinden çok daha büyük bir bölümüydü ve bu bulgular kodlamayan RNA’ların gen düzenlenmesindeki yaygın rollerinin farkına varılmasına yol açtı.  Kodlamayan RNAlar Gen Temel RNA lar File:NRON secondary structure.jpg Ribozomal RNA (rRNA) Transfer RNA (tRNA) Küçük nükleer RNA (snRNA) Telomeraz RNA Küçük nukleolar RNA (snoRNA) Küçük bakteriyel RNA’lar (sRNA) Riboregülatörler Mikro RNA lar (18-25 nükleotid) Küçük RNA lar ve Kısa interfere edici RNAlar (siRNA) (20-300 nükleotid) Orta/Büyük RNA lar (300-10 000 nükleotid veya daha uzun) Piwi-etkileşimli RNA’lar (piRNA) Kodlamayan RNAlar: Yaşamın Direksiyonu Genetik Bilgi Akışı Regülatör Nükleik Asit-Protein Etkileşimleri ncRNA lar Szymansk M ve ark. A new frontier for molecular medicine: Noncoding RNAs Biochimica et Biophysica Acta 1756 (2005) 65 – 75  2024 Nobel Fizyoloji/ (Tıp) Ödülü Bu iki bilim insanı, hücrelerimizde bulunan minik moleküller olan mikroRNA'ları keşfederek insan vücudunun işleyişine dair anlayışımızı kökten değiştirdiler. Bu keşif yalnızca biyolojimizi daha iyi anlamamızı sağlamakla kalmadı, aynı zamanda gen düzenleme teknolojilerinde 2024 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, yeni kapılar açtı ve tedavi edilemeyen mikroRNA'ları keşfederek bilim dünyasında birçok hastalık için umut vadeden devrim yaratan iki Amerikalı bilim insanına, potansiyel tedavi yöntemleri Victor Ambros ve Gary Ruvkun'a verildi. geliştirilebilmesine olanak sağladı.  Tekrarlayan Diziler Basit dizi tekrarları, 1-500 nükleotitlik kısa tekrarların ardışık olarak dizilmiş binlerce kopyasından oluşur. İnsan genomundaki en yaygın basit dizi tekrarı, 171 baz çiftinden oluşan, A/T-yönünden zengin ve α- satellit DNA olarak bilinen bir dizidir. Bu diziler her bir genomda milyonlarca tekrar halinde bulunur ve insan genomunun %10 kadarını oluştururlar. Basit dizi tekrarları transkripsiyona uğramazlar ve fonksiyonel genetik bilgi taşımazlar. Ancak, kromozom yapısında önemli görevler üstlenirler. Diğer tekrarlı diziler, ardışık tekrarlar olarak bir arada bulunmak yerine genoma serpiştirilmiş halde bulunurlar ve insan genomunun yaklaşık %45’ini oluştururlar kısa serpiştirilmiş elemanlar (short interspersed elements: SINE’ler) 100- 300 baz çifti uzunluğundadır. uzun serpiştirilmiş elemanlardır (long interspersed elements: LINE’ler). 1 kb ortalama uzunluktadırlar. Hem SINE’ler hem LINE’ler, yer değiştirebilen elemanlara (transposable elements) örnektir, yani genomik DNA’da farklı bölgelere hareket etme yetenekleri vardır.  Tekrarlayan Diziler Yer değiştirebilen elemanlar, genetik çeşitliliğin ortaya çıkmasına katkıda bulunan gen yeniden düzenlenmelerini arttırarak genomlarımızın şekillenmesinde de kilit roller oynarlar.  Psödogen Nedir? İşlevsel olmayan gen kopyaları (psödogenler adı verilir), işlevsel bir genetik katkıda bulunmadan ökaryot genomların büyüklüğünü artıran evrimsel kalıntıları simgelerler. İnsan genomunda 19.000 psödogen bulunduğu belirlenmiştir.  Telomerler Ökaryotik kromozomların uçlarında yerleşik dizilerdir Kromozom replikasyonu ve devamlılığında kritik rol oynar. Birçok ökaryotun telomer DNA dizileri benzerdir ve bir iplik üzerinde G kümeleri bulunduran bir basit dizili DNA tekrarlarından oluşur. Örneğin, insanlarda ve diğer memelilerde telomer tekrarlarının dizisi TTAGGG’dir Bu diziler yüzlerce veya binlerce kez tekrarlanır ve bir 3' tek- iplikli DNA çıkıntısı ile sonlanırlar. Bazı organizmaların (tekrarlanan telomer dizileri, kromozom uçlarında ilmekler oluşturur ve kromozom uçlarını yıkımdan koruyan bir protein kompleksi bağlarlar. Telomerler, doğrusal DNA moleküllerinin uçlarının replikasyonunda kritik bir rol oynarLAR Telomerlerin sürekliliği, hücrelerin yaşam süresi ve üreme kapasitelerini belirleyen önemli bir faktör olup yaşlanma ve kanser ile ilintili olduğu saptanmıştır. Özet