D1K3-2023-2024 GELİŞİMİN GENETİK TEMELİ PDF

D1K3-2023-2024 GELİŞİMİN GENETİK TEMELİ Dr. Öğretim Üyesi Hilal ŞAHİN Tıp Fakültesi- Tıbbi Biyoloji Genetik Anabilim Dalı 1 Transkripsiyonel düzenlemenin sonucu olarak, farklı hücre tipleri farklı proteinler üretmektedir ✤ Bir embriyonun doku ve organları biçimlendiği zaman, hücrelerindeki farklılaş...

D1K3-2023-2024 GELİŞİMİN GENETİK TEMELİ Dr. Öğretim Üyesi Hilal ŞAHİN Tıp Fakültesi- Tıbbi Biyoloji Genetik Anabilim Dalı 1 Transkripsiyonel düzenlemenin sonucu olarak, farklı hücre tipleri farklı proteinler üretmektedir ✤ Bir embriyonun doku ve organları biçimlendiği zaman, hücrelerindeki farklılaşmalar belirgin olarak görülür; hücreler, yapı ve fonksiyon bakımından açıkça farklı olur. ✤ Hücre farklılaşması, zigotun ilk mitotik bölünmelerine kadar geriye uzanan, hücre gelişiminin bir sonucudur. 2 ✤ Hücreyi farklılaşma sürecine iten ilk değişiklikler moleküler düzeydeki hünerli değişikliklerdir. Bu hücresel farklılaşma sürecine determinasyon, farklılaşan hücreye de determine hücre adı verilir. ✤ ✤ Farklılaşma, dokuya özgü proteinleri kodlayan genlerin ifade edildiği anlamına gelir. 3 4 Sentezlenen proteinler, hücreye kendine özgü yapı ve fonksiyonunu kazandırır. ✤ ✤ Farklılaşmanın ilk kanıtı, bu proteinlere ait mRNA’ların ortaya çıkmasıdır. ✤ Farklılaşmış bir hücredeki gen ifadesi modeli (hücrenin hangi proteinleri yapacağı) transkripsiyon düzeyinde kontrol edilir. 5 6 ✤ Farklılaşmış hücreler, dokuya özgü proteinleri üretmek için özelleşmiştir. ✤ Bu proteinler, bu hücrelerin organizmalardaki özelleşmiş rollerini yerine getirmelerini sağlar. ✤ İskelet kası hücrelerinin farklılaşması buna örnektir. ✤ Embriyonik kök hücrelerden gelişerek miyoblast adını alırlar. ✤ Tek bir plazma zarı içinde çok sayıda çekirdek içeren uzun lifli yapıdadırlar. ✤ Kasılma yeteneğine sahip, dokuya özgü proteinleri sentezlerler. 7 DETERMİNASYON GENLERİNİN BELİRLENMESİ ✤ Araştırmacılar, miyoblastlarda hangi genlerin aktif olduğunu test etmek için bu hücrelerden mRNA izole ettiler. ✤ Revers transkriptaz kullanarak bu mRNA’ların cDNA formlarını hazırladılar. ✤ cDNA genleri, miyoblastlarda ifade edilen genlerin, intron içermeyen versiyonlarıdır. 8 DETERMİNASYON GENLERİNİN BELİRLENMESİ ✤ Bu cDNA’ları viral vektörler yoluyla embriyonik kök hücrelere aktararak bu hücrelerin kas hücrelerine farklılaşmasını beklediler. ✤ Bu yolla araştırmacılar, “esas düzenleyici genler” adı verilen kas determinasyonu genlerini belirlediler. 9 ✤ Bu genler, transkripsiyon ve translasyon geçirdiklerinde hücreyi, iskelet kası hücresi şeklinde farklılaşmaya sevk eder. ✤ myoD proteini, kas determinasyonunda önemli bir transkripsiyon faktörüdür. myoD geni kas determinasyonunda görev alan düzenleyici bir gendir 10 Transkripsiyonel Düzenleme, Sitoplazmadaki Maternal (Anadan Gelen) Moleküller ve Diğer Hücrelerden Gelen Sinyaller Tarafından Yönlendirilir ✤ İlkin embriyodaki hücreler arasında ortaya çıkan ilk farklılığı yaratan nedir? ✤ Ve gelişim ilerledikçe, tüm hücre tiplerinin farklılaşmasını ve morfogenezi ne kontrol eder? ✤ Kas hücrelerinde gördüğümüz gibi, gelişen bir organizmanın hücrelerinde hangi genlerin transkripsiyon geçirdiği/geçireceği sorusunu akla getirmektedir. 11 ✤ Gelişimde erken çalışmaya başlayan önemli bilgi kaynaklarından birisi, annenin DNA’sı tarafından şifrelenen RNA ve protein moleküllerini içeren, döllenmemiş yumurtanın sitoplazmasıdır. ✤ Yumurta hücresinin sitoplazması ve onun sitozolik sıvısı homojen değildir. 12 ✤ Messenger RNA (mRNA), proteinler, diğer maddeler ve organeller döllenmemiş yumurta içerisinde düzensiz bir şekilde dağılmışlardır; bu heterojenlik, birçok türde gelecekteki embriyo gelişimi üzerinde çok büyük etkiye sahiptir. 13 ✤ Döllenmeden sonra, zigotun mitotik bölünmesiyle meydana gelen hücre çekirdekleri, farklı sitoplazmik ortamlarla karşı karşıya kalırlar. ✤ Sitoplazmik determinantlar adı verilen ve ilkin gelişimin gidişatını etkileyen, yumurta içerisindeki maternal maddeler, hücrelerin gelişimsel geleceğini etkileyen genlerin ifade edilmesini düzenler. 14 ✤ Embriyonik hücrelerin sayısı arttıkça, farklılaşma için başka itici güçler de devreye girer. ✤ Hücreyi çevreleyen ortam bu itici güçlerdendir. ✤ Yandaki embriyonik hücrelerden gelerek hücreye çarpan sinyaller, gelişim ve farklılaşmada son derece önemlidir. 15 Transkripsiyonel Düzenleme, Sitoplazmadaki Maternal (Anadan Gelen) Moleküller ve Diğer Hücrelerden Gelen Sinyaller Tarafından Yönlendirilir ✤ Sinyal molekülleri, yanındaki hücrelerde değişikliklere neden olur, bu olaya indüksiyon adı verilir. ✤ Sinyal molekülleri, hedef hücredeki genlerin ifadesinde değişikliğe neden olur. ✤ Bu durum, gözlemlenebilir hücresel değişikliklere yol açar. 16 ✤ İndüksiyon, kimyasal sinyallerin difüzyonu ile gerçekleşebilir. ✤ Ayrıca, birbiriyle temas halinde olan hücrelerde yüzey etkileşimi yoluyla da indüksiyon gerçekleşebilir. 17 YAPI PLANI OLUŞUMUNUN GENETİK VE HÜCRESEL MEKANİZMASI ✤ Sitoplazmik belirleyiciler, teşvik edici sinyaller ve onların embriyonik hücreler üzerindeki etkileri, organizmanın ve kısımlarının morfogenezine nasıl katkı yapar? ✤ Bu olay “yapı planı oluşumu” ile gerçekleşir. ✤ Yapı planı oluşumu; organizmanın doku ve organlarının kendine özgü yerlerde konumlanması olayıdır. 18 ✤ Bitkilerde yapı planı oluşumu apikal meristemlerde ve sürekli olarak gerçekleşir. ✤ Hayvanlarda ise çoğunlukla embriyolarda ve juvenil dokularda gerçekleşir. 19 Drosophila’nın Genetik Analizi, Gelişimi Nasıl Kontrol Ettiğini Ortaya Koydu ✤ Hayvanlardaki yapı planı oluşumu embriyonun başlangıç safhalarında meydana gelir. ✤ Hayvanın ana eksenleri çok erken zamanlarda tesis edilir. ✤ Hayvanın baş ve kuyruğunun birbirine göre konumu belirlenir. ✤ Bu olayları kontrol eden moleküler işaretler, hücreye yerleşeceği yer hakkında bilgi verir. 20 ✤ Drosophila melanogaster, bir seri segmentin birbirine bağlanmasıyla oluşan vücut yapısına sahiptir. ✤ Bu segmentler, vücutta üç ana bölge meydana getirir. ✤ Baş ,Göğüs (kanatlar ve bacakların çıktığı bölüm) ve Abdomen. 21 ✤ Drosophila bilateral simetrili bir hayvandır. ✤ Anterior-poterior (baş-kuyruk) eksen ve Dorsal-ventral (sırt-karın) eksenden oluşmaktadır. 22 ✤ Drosophila’da, döllenmemiş yumurtada bulunan sitoplazmik belirleyiciler (determinantlar), döllenmeden çok daha önce iki eksenin yerleşimi için konumsal bilgi sağlar. ✤ Döllenmeden sonra çok hassas bir şekilde çalışan konumsal bilgi, doğru olarak yönelmiş özgül sayıdaki segmentleri tesis eder. ✤ Sonunda, her bir segmentin karakteristik yapısının oluşumunu harekete geçirir. 23 ✤ Yumurta hücresi, annenin ovaryumunda gelişir. ✤ Etrafı bakıcı hücreler ve folikül hücreleri ile sarılıdır. ✤ Bunlar, yumurta hücresinin gelişimi için gerekli besinleri ve diğer maddeleri sağlar. Bu hücreler aynı zamanda yumurta kabuğunu oluşturur. ✤ 24 ✤ Döllenme vücut içinde gerçekleştikten sonra yumurta dışarıya bırakılır. ✤ Erken mitotik bölünmelerin iki karakteristik özelliği vardır. 1. Sitoplazma miktarı değişmez, ilk 10 bölünmede sadece S ve M fazı vardır ve büyüme görümez. 2. Sitokinez olmaz, çok çekirdekli bir hücre meydana gelmiş olur. 25 ✤ Onuncu çekirdek bölünmesinde çekirdekler embriyonun çevresine göç etmeye başlar. ✤ 13. bölünmede plazma zarı 6.000 parçaya bölünerek her biri ayrı çekirdeğe sahip hücreler oluşur. ✤ Henüz mikroskop altında görülmese de eksenleri ve segmentlerin sınırlarını içeren vücut planı bu aşamaya kadar belirlenmiştir. 26 ✤ Merkezde yer alan vitellus (yumurta sarısı) embriyoyu besler. ✤ Daha sonra segmentler ortaya çıkmaya başlar. ✤ Bazı hücreler yer değiştirir ve organlar oluşur. ✤ Solucan benzeri larva (juvenil form) yumurta kabuğundan çıkar. 27 ✤ Drosophila, üç larval evre geçirir; bu süre içerisinde larvalar beslenir, büyür ve deri değiştirirler (dışındaki kalın tabakayı atar) ve sonunda bir kılıf içerisinde saklanan pupa’yı oluşturur. ✤ Metamorfoz kılıf içinde gerçekleşir ve ergin sinek meydana gelir. 28 Drosophila, üç larval evre geçirir; bu süre içerisinde larvalar beslenir, büyür ve deri değiştirirler (dışındaki kalın tabakayı atar) ve sonunda bir kılıf içerisinde saklanan pupa’yı oluşturur. 29 ✤ Ergin bireyde, her segment kendine özgü üyeleri taşır ve anatomik olarak farklıdır. ✤ Örneğin, ilk göğüs segmenti bir çift bacak taşırken, ikinci göğüs segmenti bir çift bacağa ek olarak bir çift kanada sahiptir, üçüncü segmentte ise bir çift bacağa ek olarak halter adı verilen bir çift denge organı taşımaktadır. 30 Drosophila’da Erken Gelişimin Genetik Analizi ✤ 1940’lı yıllarda, Caltech’ten, meraklı bir biyolog olan Edward B. Lewis, mutantların çalışılmasına dayalı Drosophila gelişimini incelemek için genetik yaklaşımın kullanılabildiğini gösterdi. ✤ Lewis, gelişimsel bozuklukları nedeniyle vücutlarında yanlış yerde kanatlar ve bacaklar taşıyan, garip görünüşlü mutant sineklerle çalıştı. 31 Drosophila’da Erken Gelişimin Genetik Analizi Lewis, gelişimsel bozuklukları nedeniyle vücutlarında yanlış yerde kanatlar ve bacaklar taşıyan, garip görünüşlü mutant sineklerle çalıştı. 32 Drosophila’da Erken Gelişimin Genetik Analizi ✤ Araştırmacı, sineğin genetik haritası üzerinde mutasyonların yerini tespit etti; böylece, gelişimsel anomalilerle özgül genler arasında bağlantı kurdu. ✤ Bu araştırma, genlerin, gelişimle ilgili süreçleri nasıl yönettiğine ilişkin ilk somut kanıtıdır. 33 ✤ 1970’li yıllarda Almanya’da Christiane Nüsslein-Wolhard ve Eric Wieschaus, Drosophila’da segment oluşumunu belirleyen genleri araştırmaya başladılar. 34 ✤ Bu işlem son derece zordu, çünkü organizmadaki gen sayısı 13000 civarındaydı. ✤ Sinekleri mutajenik maddelere maruz bırakarak anormal segmentasyonlu bireyleri araştırmaya başladılar. 35 ✤ Binlerce ölü embriyo inceledikten sonra embriyonik gelişimde görev alan yaklaşık 1200 geni tanımladılar. ✤ Bunlardan 120’sinin yapı planı oluşumu için gerekli olduğunu belirlediler. ✤ Araştırıcılar birkaç yıl boyunca genleri fonksiyonlarına göre gruplayarak haritaladılar. 36 Bu performans, ilgili araştırmacılara 1995 yılında Nobel Ödülü getirdi. 37 Erken Embriyodaki Maternal Moleküllerin Gradiyentleri Eksen Oluşumunu Kontrol Eder ✤ Sitoplazmik belirleyiciler, Drosophila’nın vücut eksenlerini başlangıçta saptamaktadır. 38 ✤ Döllenmemiş yumurtada mevcut olan bu maddeler, anasal etki genleri denilen, anneye ait genler tarafından şifrelenirler. ✤ Anasal etki geni, annede mutant durumda olduğunda, genotiplerine bakmaksızın yavruda mutant fenotipe yol açmaktadır. 39 ✤ Meyve sineklerinin gelişiminde, proteinleri ya da mRNA’yı şifreleyen genler, yumurta henüz annenin ovaryumu içerisinde iken yumurta içerisine yerleştirilir. ✤ Anne, böyle bir gende mutasyona sahip olduğunda meydana getirilen genin ürünü bozuk olur (ya da hiç bir ürün meydana getiremez) ve yumurtalar kusurludur; bu yumurtalar döllendiği zaman uygun şekilde gelişmezler. 40 ✤ Sineğin oryantasyonunu (polaritesini) da belirleyen bu genlere aynı zamanda yumurta-polarite genleri de denilmektedir. ✤ Bu proteinlerin bir grubu anterior-posterior ekseni belirlerken, diğer grubu dorsal-ventral ekseni belirler. ✤ Bu genlerdeki mutasyonlar genellikle embriyo için ölümcüldür. 41 ✤ Önemli bir yumurta polarite geni: Bicoid genidir. ✤ Annesinin bicoid geni bozuk olan embriyonun vücudunun ön yarısı eksiktir. 42 ✤ Embriyo, her iki uçta da posterior yapılar taşır. ✤ Bu genin ürünü, embriyonun gelecekte anterior olacak uç kısmında yoğunlaşmaktadır. 43 ✤ Bu durum, embriyologların yaklaşık olarak bir asır önce ortaya koyduğu gradiyent hipotezi ile örtüşmektedir. ✤ Bu hipoteze göre, morfogen denilen maddelerin gradiyentleri, embriyonun eksenlerini belirler. 44 Gen Aktivasyonunun Birbirini İzlemesi, Drosophila’da Segmentasyon Modeli ✤ Bicoid proteini ve diğer morfogenler, embriyonik gelişimde görev alan diğer genlerin transkripsiyonunu kontrol eden transkripsiyon faktörleridir. ✤ Bu morfogenlerin gradiyentleri, segmentasyon genlerinin ifadesinde bölgesel farklılıklar meydana getirir. 45 ✤ Segmentasyon genleri, segmentlerin oluşumunu yöneten genlerdir. 46 ✤ Drosophila’da üç farklı segmentasyon gen grubu ardışık olarak aktive edilerek hayvanın vücut planını oluşturur: 1. Boşluk (gap) genleri 2. Çift kural genleri 3. Segment polarite genleri 47 Boşluk (GAP) Genleri ✤ Embriyonun anterior-posterior ekseni boyunca temel alt bölümlerinin haritasını yapar. ✤ Bu genlerdeki mutasyonlar, segmentasyonda boşluklara neden olur. 48 Boşluk (GAP) Genleri ✤ Örneğin, bu genlerden birindeki mutasyon, embriyoda alt abdominal (karın) segmentinin yokluğuna yol açar. 49 Çift-Kural Genleri ✤ Bu genlerdeki mutasyonlar, embriyonun, normal segment sayısının yarısı kadar segmente sahip olmasına neden olur. ✤ Çünkü; diğer her bir segmentin (mutasyona bağlı olarak tek ya da çift numaralılar) gelişimi aksar. 50 Segment Polarite Genleri ✤ Her bir segmentin anterior- posterior eksenini belirleyen genlerdir. ✤ Bu genlerinde mutasyon taşıyan embriyolar normal segment sayısına sahiptir. ✤ Ancak; her bir segmentin bir kısmı, diğer kısmı ile ayna görüntüsü tekrarına sahiptir. 51 Gen Aktivasyonunda Hiyerarşi ✤ Yumurta-polarite genlerinin ürünleri, boşluk genlerinin bölgesel olarak ifade edilmesini düzenler. ✤ Boşluk genlerinin ürünleri, çift kural genlerinin bölgesel olarak ifade edilmesini kontrol eder. ✤ Çift kural genlerinin ürünleri de, her segmentin farklı kısımlarındaki segmente özgü polarite genlerini aktive eder. Embriyo boyunca yer alan her segmentin özgül anatomisi, kendisinden sonraki genlerin ifadesini kontrol eder. ✤ 52 Gen Aktivasyonunda Hiyerarşi 53 Homeotik Genler, Vücut Kısımlarının Kimliğinin Ortaya Çıkmasını Sağlar ✤ Normal bir sinekte antenler, bacaklar ve kanatlar gibi anatomik yapıların uygun segmentlerde gelişmesini sağlayan ana (şef) genlerdir. ✤ Segmentlerin anatomik kimliği, homeotik genler denilen düzenleyici ana (şef) genler tarafından hazırlanır. 54 Homeotik Genler ✤ Bu genlerdeki mutasyonlar sonucunda tuhaf özelliklere sahip sinekler meydana gelir (örneğin; böceğin baş kısmında antenin çıktığı yerde bacakların gelişmesi gibi). 55 ✤ Homeotik genler de, özgül anatomik yapılardan sorumlu genlerin ifadesini kontrol eder. ✤ Örneğin, belirli bir göğüs segmentinde homeotik proteinler bacak gelişimine neden olan genleri aktive ederken, baş segmentinde ise antenlerin bulunacağı yeri belirler. 56 Drosophila Gelişiminde Gen Aktivitesinin Hiyerarşisi 57 Homeobox Genleri, Evrimsel Süreçte Çok Sıkı Korunmuştur ✤ Drosophila’daki homeotik genlerin hepsi, 180 nükleotitlik bir sekans olan ve homeobox adı verilen bir baş dizisi içerir. ✤ Homeobox, homeodomain adı verilen 60 aminoasitlik bir bölgeyi kodlar. 58 ✤ Bu özdeş nükleotit dizilimi diğer pek çok hayvanın genlerinde keşfedilmiştir. ✤ Hatta birbirine uzak akraba olan mayalar ve prokaryotlar gibi canlılarda da bulunmaktadır. ✤ Bu benzerliklere dayanarak homeobox dizilerinin yaşam tarihinin çok erken döneminde ortaya çıktığı söylenebilir. 59 Homeobox Genleri, Evrimsel Süreçte Çok Sıkı Korunmuştur 60 ✤ Homeobox içeren genlerin hepsi, homeotik genler değildir. ✤ Örneğin; Drosophila’da homeobox yalnızca homeotik genlerde bulunmaz. ✤ Aynı zamanda yumurta polarite geni olan bicoid’in yapısında, segmentasyon genlerinin bazılarında ve göz gelişiminden sorumlu düzenleyici gende de yer almaktadır. 61 Bir Proteindeki Homeodomain’in Rolü Nedir? ✤ Genin homeobox dizisi tarafından kodlanan protein kısmına, ilgili proteinin homeodomain’i adı verilmektedir. 62 ✤ Proteinin bu kısmı, DNA’ya bağlanma görevini üstlenmektedir. ✤ Bu sayede sentezlenen protein, diğer proteinlerin sentezini açıp kapatan birer anahtar görevi görmektedir. 63 Komşu Hücreler, Diğer Hücrelerin Belirli Bir Yapıyı Meydana Getirmesi İçin Yol Gösterirler ✤ Drosophila embriyosu çok çekirdekli tek bir hücre halindeyken bile hücreler arasındaki haberleşme anahtar rol oynar. ✤ Döllenmemiş yumurta hücresi ile komşu folikül hücreleri arasındaki sinyal alışverişi, yumurtanın anterior kısmının belirlenmesini sağlar. ✤ Bicoid mRNA’nın anterior bölgede toplanmasını uyaran faktör, folikül hücrelerinden gelen sinyaldir. 64 ✤ Embriyo çok hücreli hale geldiğinde, hücreler arasındaki haberleşme daha önemli hale gelir. ✤ Hücreler, yanındaki hücreleri belirli genleri ifade etmesi için uyarır. ✤ Bu olaya indüksiyon adı verilir. ✤ Hücreler arasında farklılık oluşması için, bazı genlerin açılması ya da kapanması yoluyla transkripsiyonel düzenleme gerçekleştirilir. 65 Programlı Hücre Ölümü (Apoptozis) ✤ C. elegans’ın gelişim sürecinde tam olarak 131 kez zaman ayarlı hücre ölümü görülür. ✤ Ölüm sinyalini alan hücrede intihar proteinleri (apoptotik poteinler) aktive edilir. 66 Apoptozis ✤ Hücreler büzülür, çekirdekleri yoğunlaşır ve parçalanır. ✤ Komşu hücreler, kalıntıları yutarak sindirirler. ✤ Bu genler, apoptozis için gerekli olan proteinleri kodlar. Bu proteinler hücre içinde sürekli olarak vardır, ancak inaktif durumdadır. 67 Apoptoz Sağlıklı Çalışmazsa Ne Olur? ✤ İnsanlarda perdeli el ve ayak parmaklarının oluştuğu görülür. ✤ Bazı sinir sistemi bozukluklarının, apoptoz genlerinin uygun şekilde aktive edilmemesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. 68 KAYNAK Campbell Biyoloji. Lisa A. Urry, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Michael L. Cain, Jane B. Reece. Palme Yayıncılık 2017. 69