Bakteri Genetiği PDF

BAKTERİ GENETİĞİ Prof. Dr. Canan KÜLAH Tıbbi Mikrobiyoloji AD Maltepe Üniversitesi Tıp Fakültesi Genetik bilimi kalıtımı inceler ve tanımlar Gen kalıtımın en temel birimi gen özgül bir fizyolojik özellik için bilgi taşıyan nükleik asit (DNA) parçasıdır Nükleik asitler, bilinen tüm canlıların yapı, k...

BAKTERİ GENETİĞİ Prof. Dr. Canan KÜLAH Tıbbi Mikrobiyoloji AD Maltepe Üniversitesi Tıp Fakültesi Genetik bilimi kalıtımı inceler ve tanımlar Gen kalıtımın en temel birimi gen özgül bir fizyolojik özellik için bilgi taşıyan nükleik asit (DNA) parçasıdır Nükleik asitler, bilinen tüm canlıların yapı, karakter ve tüm hayati işlevlerini belirleyen ve yöneten maddelerdir TARİHÇE: DNA terimi -Frederick Miescher 1869 A.T. Levine, DNA'nın fosfatlar, pentoz ve nitrojen içeren bazlar içerdiğini keşfetti Rosalind Franklin, DNA’nın 3 boyutlu yapısını keşfetti. 1953-Watson-Crick çift sarmal DNA Nükleotid: Azotlu pürin/pirimidin bazı +beş karbonlu bir şeker (deoksiriboz) + fosfattan oluşan kimyasal bileşik DNA Azotlu pürin/pirimidin bazı+deoksiriboz+fosfat Çift sarmallı Adenin, Timin, Guanin, Sitozin RNA Azotlu pürin/pirimidinbazı+riboz+fosfat Tek sarmallı Adenin, Urasil, Guanin, Sitozin bir azotlu organik bazdan Çoğu DNA molekülü çift sarmallıdır İki DNA zincirinin yönü antiparaleldir: Bir iplikçik kimyasal olarak 5 ′ → 3 ′ yönünde yönlendirilir ve tamamlayıcı ipliği 3 ′ → 5 çalışır. Bazların tamamlayıcılığı, bir ipliğin (kalıp ipliği), diğer iplikteki (kodlama ipliği) bilginin kopyalanması veya ifade edilmesi için bilgi sağlamasına imkan verir DNA molekülünün boyu genellikle binlerce baz çifti, yani kilobaz çifti (kbp) olarak ifade edilir Örneğin, küçük bir virus 0.5 kbp boyunda tek bir DNA molekülü taşıyabilir E. coli nin kromozunu oluşturan tek DNA molekülü 4000kbp den büyüktür Genetik bilgi akışının moleküler süreçleri: Replikasyon: DNA çift sarmalı iki çift sarmal üreterek kopyalanır Transkripsiyon; RNA polimeraz enzimi ile DNA kalıbını bir zincirinden tek zincirli RNA sentezi Translasyon; mRNA’dan spesifik proteinlerin sentezlenmesi SANTRAL DOGMA Prokaryotik genlerin çoğu bakteri kromozomu üzerinde taşınır Birkaç istisna dışında bakteri genleri haploiddir Çoğu prokaryotik genomun DNA içeren tek bir dairesel DNA molekülünden oluşur Çoğu bakteri, plazmidler üzerinde ek genler içerir Ökaryotik genomların aksine, bakteri genomlarının % 98'i kodlanan sekanslardan oluşur Örn. E. coli kromozomu 4225 farklı protein kodlar E. coli'de bazı genlerin transkripsiyonu kromozom etrafında saat yönünde ilerlerken, diğerlerinin transkripsiyonu saat yönünün tersine ilerler Bu, bazı kodlama dizilerinin kromozomun bir sarmalında, diğerlerinin ise diğer sarmalda olduğu anlamına gelir OPERON Prokaryotik genetik elementlerde, birbirleriyle alakalı enzimleri kodlayan genler genellikle bir arada bulunurlar Örn. gal gen kümesi 18 dakikada, trp gen kümesi yaklaşık 28 dakikada Bu durumda RNA polimeraz, zincir üzerinde aşağı doğru ilerleyerek tüm gen serisini tek ve uzun bir mRNA yani polisistronik mRNA şeklinde transkripler Operon, gen ifadesinin tam bir ünitesi olup genellikle bir polisistronik mRNA üzerindeki, çok sayıda polipeptidi kodlayan genleri kapsar PROKARYOTİK MRNA PATOJENİTE ADALARI Bazı bakteriler, gelişmiş organizmalarda hastalığa neden olmada daha etkilidir. Genellikle DNA'da bir araya toplanan ve patojenite adaları olarak adlandırılan genlere sahiptirler oldukça büyük olabilir ve virülans genlerinin bir koleksiyonunu kodlayabilir diğerlerinden farklı bir G + C içeriğine sahiptir kromozom üzerinde tRNA genleri ile yakından bağlantılıdır Tekrar eden sekanslarla çevrilidir Antibiyotik direnci, adezinler, invazinler ve ekzotoksinler dahil olmak üzere patogenez için önemli olan çeşitli genleri ve genetik mobilizasyona dahil olabilecek genleri içerebilir REPLİKON / EPİZOM Kendi replikasyonları için gerekli olan genetik bilgiyi içeren, genellikle halkasal kovalent olarak kapalı DNA’lara (bakteri kromozomları ve plazmidler) replikon veya epizom denir Bakterinin üremesi ve hayatta kalması için gerekli olan zorunlu (housekeeping) genler kromozom üzerinde taşınır veya özel işlevlerle ilişkili genler plazmitlerde de bulunabilir PLAZMİD Plazmidler; bakteri kromozomdan bağımsız olarak çoğalan, ekstra kromozomal küçük DNA parçalarıdır Genellikle seçici bir avantaj sağlar: antibiyotiklere direnç, virülans faktörleri Plazmidler çoğunlukla halkasal ama lineer de olabilir Bölünme sırasında ya da konjugasyon ile aktarılabilir Çoğu bakteri birden fazla plazmide sahip olabilir bu plazmidler genetik olarak çok yakın ise bir arada bulunamazlar bu durum plazmid uyuşmazlığı olarak tanımlanır (incompatibility) Plazmidler çeşitli uygulamalarla konakçı hücreden giderilebilmektedir (plasmid curing) Hücre bölünmesi sürecinde plazmid replikasyonunun baskılanması ile ile de azalarak populasyondan elimine olabilir Plazmid eliminasyonu doğal bir süreç olabileceği gibi bazı kimyasallarla da teşvik edilebilir RESTRİKSİYON Prokaryotik hücrelerde genetik materyalin değişimi sırasında hücrenin kendi DNA sını yabancı DNA dan ayırması dolayısıyla hangi tür genetik değişime izin verileceğini belirlemesi gerekmekte Bu işlemde restriksiyon enzimleri rol oynar RESTRİKSİYON ENDONÜKLEAZLAR DNA’yı spesifik tanıma bölgelerinden keserek parçalayan bakteriyel enzimler Amaç bakterileri viruslardan korumak > 230 Bakteri türünde 900 den fazla RE enzimi bulunmuştur. İzole edildikleri bakterinin ismi ile o bakteriden izolasyon sırasına göre isimlendirilirler: EcoRI- E.coli RY13 Sma I - Serratia marcescens DNA üzerinde 4-8bp uzunluğunda spesifik dizileri tanırlar. Spesifik tanıma bölgeleri EcoRI- 5’ GAATTC 3’ 3’ CTTAAG 5’ Sma I 5’ CCCGGG 3’ 3’ GGGCCC BAKTERİ ? RE ile eş zamanlı olarak bir metiltransferaz enzimi üretir. Bu enzim hedef bazı metile ederek enzimin hidrolizinden korur. Bu sisteme “Restriksiyon modifikasyon” sistemi denir. ÖZETLE, Restriksiyon ve modifikasyon mekanizmaları herhangi bir kaynaktan gelen genetik özelliklerin, hücresel DNA ile rekombinasyona gitmeden önce gözden geçirilmesini gerekirse yok edilmesini sağlayan kontrol elemanları Bu enzimler genetik mühendisliğinde de kullanılmakta TAŞINABİLİR ELEMENTLER ( TRA NS P OZ E OLAB İ LE N ) Taşınabilir (Transpoze olabilen) elementler, bir kromozom üzerinde bir yerden başka bir yere hareket edebilen DNA molekülleridir Ayrı DNA molekülleri olarak bulunmaz, ancak diğer DNA moleküllerine entegre olur Kromozomlar, plazmidler, virüs genomları ve diğer herhangi bir DNA molekülü türü, transpoze olabilen elementler için konak moleküller olabilir Taşınabilir elementler, prokaryot ve ökaryotlarda bulunurlar ve genetik varyasyonlarda önemli rol oynarlar Prokaryotlarda, üç tip taşınabilir element vardır: İnsersiyon dizileri, transpozonlar ve bazı özel virüsler İnsersiyon dizileri en basit taşınabilir element olup, kromozom üzerinde kendi hareketleri için ihtiyaç duyulandan fazla genetik bilgi içermezler. Transpozonlar insersiyon dizilerinden daha büyük olup, hareketleri dışında başka genler de içerirler Özel virüsler kendi başına taşınabilir bir element olan bakteriyofaj Mu Bütün taşınabilir elementler için ortak özellik, hepsinin de DNA'nın bir parçası olarak replike olmalarıdır Escherichia coli kromozomu eğer lineer hale getirilirse 1 mm'den daha uzun olacaktır. Bu uzunluk, E. coli'nin kendi çevresinden 700 kat daha fazladır. Çift sarmal DNA süper sarmal adlı bir işlemle kıvrılarak katlanmasıyla olur, «Supercoiling» DNA'da pozitif ve negatif süper sarmal oluşturan enzimlere Topoizomerazlar denir Farklı mekanizmalara sahip 2 topoizomeraz vardır Topoizomeraz I DNA'da tek zincirde kırık oluşturur ve ikili sarmalın bir zincirinin diğerinin etrafına dönmesine sebep olur Topoizomeraz II, Giraz DNA'da çift zincirde kırık oluşturur. İlk basamakta halkasal DNA molekülü döndürülür. Ardından, iki zincirin bir araya geldiği yerde bir kırılma oluşur ve daha sonra sağlam kısım, kırık zincirlerin arasından geçirilir, kırık zıt tarafta yeniden birleştirilir Bacteria ve çoğu Archaea'da DNA giraz, DNA'da negatif süper sarmal oluşturur Bazı antibiyotikler, DNA girazın aktivitesini engeller. kinolonlar (nalidiksik asit gibi), florokinolonlar (siprofloksasin gibi), novobiosin süper sarmal DNA yapısı Bakterilerde Replikasyon DNA ikili sarmalı açılıp, her bir eski zincirin tamamlayıcısı (komplementer) olarak yeni bir zincir sentezlenir Kopyalanan DNA zinciri, kalıp (template) Semikonzervatif (yan korunumlu)replikasyon Prokaryotlarda DNA replikasyonu, kromozom üzerinde replikasyon orijini adında tek bir yerde başlatılır Bakterilerde Replikasyon Halkasal kromozom içeren bütün prokaryotlarda, replikasyon orijinden iki yöne doğru (bidirectional) olur Böylece, her kromozomda birbirinden zıt yönde replike olan iki replikasyon çatalı vardır Halkasal şekil replikasyonun hızlı olmasına olanak verir Replikasyon çatalları ,replikasyon bölgesi, replikasyon ilerledikçe DNA boyunca ilerler Halkasal çift sarmallı bakterinin DNA replikasyonu ori lokusunda başlar ve birkaç proteinle etkileşimi içerir E coli'de, kromozom replikasyonu ter adı verilen bir bölgede sona erer Replikasyon için başlangıç (ori) ve sonlandırma bölgeleri (ter), halkasal DNA kromozomu üzerinde zıt noktalarda bulunur. Replikasyon orijinden iki yöne doğru (bidirectional) Her kromozomda birbirinden zıt yönde replike olan iki replikasyon çatalı Replikasyon süreci: Replikasyonda ilk olarak 2 iplikçik ayrılır: topoizomeraz enzimi DNA polimeraz enzimi tek kalan iplikleri kalıp olarak kullanarak tamamlayıcı iplikleri sentezler DNA ligaz oluşan yeni ipliklerle kalıp olarak kullanılanları birleştirir, böylece 2 adet çift iplikli DNA meydana gelmiş olur Bu sırada bakteri hücresi de gelişmiş ve ikiye bölünecek duruma gelmiştir Bakteri bölününce 2 DNA çemberi birbirinden ayrılarak birisi bir, diğeri ikinci yavru bakteri hücresinde kalır E. coli deki kromozom replikasyonu, yaklaşık 40 dakika E. coli, çok iyi büyüme şartlarında yaklaşık 20 dakikalık bir iki katma çıkma süresine (doubling time) sahip ???? Çok sayıda DNA replikasyon çatalı içermesi ile mümkün olur. Böylece, döngü tamamlanmadan önce, yeni DNA replikasyon döngüsü başlamış olur. Bu yolla sadece generasyon süresi, kromozom replikasyon süresinden daha kısa olabilir. GEN TRANSFERİ DNA, bir organizmadan, vericiden diğerine aktarılabilir DNA, genetik bileşimi kalıcı olarak değişir Yatay gen transferi (Horizontal G T) Prokaryotlarda yatay genetik madde değiş tokuşu için üç tip mekanizma Transformasyon Transdüksiyon Konjugasyon Rekombinasyon, Ökaryotik hücrelerde genellikle üreme hücrelerinin (gamet) oluşumu sırasında gerçekleşmekte Bakterilerde ise gen transfer mekanizmaları ile görülmekte VERTİKAL-LATERAL GEN TRANSFERİ GEN TRANSFER MEKANİZMALARI Transformasyon Konjugasyon Transdüksiyon KONJUGASYON DNA aktarımı hücrelerarası temas ve verici hücrede bulunan konjugatif plazmitleri içerir F (fertilite) plazmidi taşıyan hücreler başka bir hücreyle sitoplazmik köprü oluşturur, buradan transfer genleri ile bir plazmidin bir zinciri diğer hücreye geçer, orada eşlenerek çift zincirli hale geçer Verici suş seks pilusu aracılığıyla alıcı suş ile temas sağlar ve iki hücre yakın konuma gelir KONJUGASYON Plazmid ya da kromozomal genler transfer edilebilir Hfr F plazmid dizisi bakteri kromozomu üzerine entegre olursa, hücre yüksek sıklıkla rekombinasyon yapan (Hfr=high frequency of recombination) hücresi olarak adlandırılır Bu durumda bakteri kromozomunu harekete geçirerek alıcı bakteriye birçok genetik özellik kazandırabilmektedir Plazmid hücre içinde serbest durumda iken sadece kendi transferini yapabilmekte ve böylelikle alıcı hücreyi F+ hale getirmekte F PLAZMİDİ: F plazmidinin ait olduğu hücre DNA’sına katılması halinde Hfr hücre (high frequency of recombination) adı verilen yeni bir verici hücre tipi oluşmaktadır. Bu hücre konjugasyonda alıcı hücreye kendi DNA’sının tamamını veya büyük kısmını aktarabilme özelliğini taşımaktadır. Özet Konjugasyon fiziksel bir güçle bozulmadığı sürece, verici hücre DNA’sının tamamının aktarılmasıyla son bulur. Alıcı hücreye aktarılan DNA’nın, hücresel DNA ile rekombinasyona girmesi ile yeni genetik özellikteki DNA oluşmaktadır. TRANSFORMASYON Bir hücrenin ortama saldığı DNA'nın başka bir hücre tarafından alınmasıdır Bakteri (donör) parçalanır Açığa çıkan serbest DNA parçaları diğer bakteri hücresi (recipient) tarafından içeri alınır Uygun bölgelerden kendi kromozomu ile bütünleştirilir Alıcı bakteri vericinin bazı özelliklerini kazanmış olur TRANSFORMASYON: Bir hücreden diğerine sadece çıplak DNA taşınmakta Ortamda bulunan serbest DNA alıcı hücre tarafından alınmakta Transformasyon için canlı hücre DNA’sına gerek yok!!!! Alıcı hücre, çevresinde bulunan DNA parçalarını içine alabilmek için hücre duvarında bazı değişiklikler yapmak zorunda Hücre üremesinin belli dönemlerinde yapılan bazı proteinler aracılığı ile hücre geçirgenliği değiştirilmekte Ancak belli büyüklükte DNA parçaları hücre içine alınabilmekte Hücre içine alınan DNA parçası rekombinasyon yoluyla hücre kromozomuna katılmakta yeni genetik özellikler kazanılmakta TRANSFORMASYON Örnek: Kapsül üretmeyen bir pnömokok, kapsüllü bir pnömokokun DNA’sı ile transforme olur ve kapsül üretmeye başlar Doğal (S. pneumoniae, N. gonorrhoeae) Yapay (labortuvarda indüklenen; E. coli) First report about transformation 62 O’Connor C., 2008, Nature Education First report about transformation Experiment Result S S R R Dead S + R Something inside of S type bacteria induced “R--->S” transformation 64 Griffith Fred, 1928, J. Hygiene S TRANSDÜKSİYON Transdüksiyon, verici (bakteriyofaj ile enfekte) bakteriye ait DNA'nın başka bir bakteriye aktarılmasıdır Bakteriyofajlar bakterileri enfekte eden virüslerdir Bakteriye ait genlerin bakteriofajlar aracılığıyla başka bir bakteriye aktarılması Transdüksiyon Litik infeksiyon: Faj DNA’sı kromozomdan bağımsız çoğalır, kendi proteinlerini konağa sentezletir, paketlenir, hücreyi patlatarak dışarı çıkar Lizojenik infeksiyon: Faj DNA’sı konak DNA’sı ile bütünleşir (profaj), onunla birlikte eşlenir, bölünen hücrelere birlikte aktarılır, hücreyi parçalamaz Faj DNAsının yakınında bulunan bakteriye ait genler eksizyon sırasında kesilerek yeni faj içine paketlenebilir. Bu fajlar daha sonra bakteriyi enfekte ettiklerinde diğer bakteriden aldıkları DNA aktarılmış olur Bakterilerde Transkripsiyon Genetik bilgilerin DNA'dan RNA'ya transkripsiyonu, RNA polimeraz enzimi tarafından gerçekleştirilir Üç ana tip RNA bilinmektedir: mesajcı RNA (mRNA) transfer RNA (tRNA) ribozomal RNA (rRNA) RNA sentezinin kimyası, DNA sentezinin kimyasına çok benzer RNA polimeraz için primer gerekli değildir RNA polimerazın DNA üzerinde bulunan uygun bölgeleri tanıması gerekir Bu önemli bölgeler promotorlar adını alırlar RNA polimerazın bir ünitesi olan sigma faktör, bu promotorların tanınmasında rol oynar PROKARYOTİK MRNA RNA sentezinin terminasyonu (sonlanması) DNA üzerindeki özel baz dizilerinde meydana gelir merkez kısmı tekrar etmeyen, ters yönlü bir tekrar dizinden oluşan terminasyon dizisi vardır Gövde halka form oluşumu Prokaryotik genetik elementlerde, birbirleriyle alakalı enzimleri kodlayan genler genellikle bir arada bulunurlar Bu durumda RNA polimeraz, zincir üzerinde aşağı doğru ilerleyerek tüm gen serisini tek ve uzun bir mRNA yani «polisistronik mRNA» şeklinde transkripler Operon, gen ifadesinin tam bir ünitesi olup genellikle bir polisistronik mRNA üzerindeki, çok sayıda polipeptidi kodlayan genleri kapsar Translasyon Nukleik asit kalıp olarak kullanılarak protein elde edilir Kodon bir amino asidi kodlayan mRNA'daki üç bazlık dizi Antikodon protein sentezi sırasında bir kodon ile baz eşleşmesi yapan bir tRNA molekülündeki üç bazlık dizi kodon tRNA üzerinde üç bazdan oluşan bir dizi olan antikodon ile özel baz eşleşmesiyle tanınır Başlangıç ve Stop Kodonları AUG, mesajın başında bulunan ve amino asit N-formil metionini (veya Eukarya ve Archaea'da metionin) kodlayan başlangıç kodonudur UAA, UAG ve UGA stop kodonlarıdır; mRNA'nın translasyonunun sonlanma sinyalidir Codon bias; tercih edilen kod Mutasyon genomun nükleotit baz dizimlerinde meydana gelen kalıtsal değişiklik Bu şekildeki bir değişikliği taşıyan organizmalar mutant Mutajen, bir organizmanın genetik materyalini, genellikle DNA'sını değiştiren fiziksel veya kimyasal bir ajandır Mutasyonlar ya kendiliğinden olur veya teşvik edilir Kendiliğinden olan mutasyonlar DNA'daki bazların yapılarının değişmesine sebep olan doğal radyasyona (kozmik ışınlar ve vb) maruz kalma sonucu oluşabilmekte oksijen radikalleri DNA'yi kimyasal olarak değiştirerek DNA yapısına etki edebilmekte Baz değişiklikleri; nokta mutasyonlar Genellikle replikasyon sırasında hatalı eşleşmeler meydana gelebilir Bir baz çiftinde değişiklik içeren mutasyonlar nokta mutasyonları Çerçeve Kayması ve Diğer Delesyon ve Insersiyonlar Daha büyük çapta mutasyonlar Translokasyon kromozom DNA'sının önemli bir kısmının yeni bir lokasyona (ökaryotlarda genellikle farklı bir kromozoma) gitmesi İnversiyon belirli bir DNA bölgesinin oryantasyonunun diğer DNA bölgelerine göre tersine dönmesi Geri mutasyonlar tipik olarak reversiyon ile normal durumlarına geri dönebilen mutasyonlardır Revertant, yabanıl fenotipi (veya susa bağlı olarak prototrofik özelliği) kaybolmuş mutant susun bu fenotipi yeniden kazanmasıdır Revertantlar iki çeşit olabilirler Aynı-bölge revertantlarda, geri dönüşümü sağlayan mutasyon, orijinal mutasyonun olduğu bölgede meydana gelir İkinci-bölge revertantlarda, mutasyon DNA üzerinde farklı bir bölgede meydana gelir. Supresör (baskılayıcı) mutasyonlar (ilk mutasyonun etkisini giderir ve böylece ilk fenotipin oluşmasını sağlar) Bakteriyel genetik, tanı mikrobiyoloji laboratuvarında giderek daha önemli hale gelmektedir. Her bakteri türünde bulunan benzersiz RNA ve DNA dizilerini tanımlamaya dayanan yeni tanı testleri geliştirilmiştir REFERANSLAR Carroll, K. C., Butel, J.S., ve Morse, S. A. (2015). Jawetz Melnick & Adelbergs Tıbbi Mikrobiyoloji 27 E. McGraw Hill Professional. Madigan, M.T., Bender K.S., Buckley, D.H., Sattley, W.M., Stahl, D.A. (2018). Brock Mikroorganizmaların biyolojisi. 15. baskı Murray, P. R., Rosenthal, K. S. ve Pfaller, M. A. (2015). Tıbbi mikrobiyoloji. Elsevier Sağlık Bilimleri.