Genom Bilgisi- Konu 15,16 -Genomların Gelişimi ve Moleküler Filogeneti

GENOMLA

RIN

GELİŞİM

İ VE

MOLEKÜLER

FİL

OGENET

İ

ONU

RSE

VE

NDOĞ

AN

GENOMLARIN GELİŞİMİ VE MOLEKÜLER FİLOGENETİ

Bildiğimiz evren 13.8-14 milyar yıl önce Bing Bang adlı

büyük patlamayla başlamıştı. Ve devamındaki 4 milyar yıl boyunca Big Bang’den yayılan gaz bulutlarıyla galaksiler oluşmaya ve şekillenmeye başladı. Dünyamızın da içinde yer alan samanyolu galaksisi (Milky Way galaxy) de böyle meydana geldi ve nebulaların yoğunlaşmasıyla güneş, gaz bulutlarının, toz tanelerinin yoğunlaşmasıyla ve bu yoğunlaşan devasal maddelerin belli bir merkezi yıldız yörüngesine girmesiyle gezegenler oluşmuştur. Ancak Dünya henüz canlı yaşamına elverişli değildi. Volkanik patlamalar sonucu atmosfere canlı yaşamına kesinlikle izin vermecek toksik gazlar atmosfere yayılıyordu ve atmosferde nerdeyse hiç oksijen yoktu .

Genom: İlk 10 milyar Yıl

Dünya şuanda 4.6 milyar yaşında ve ilk canlı yaşamına dair izler 3.5 milyar yıl öncesine kadar dayanıyor. Dünya henüz ilkel bir yerken geniş, uçsuz bucaksız okyanuslarla kaplıydı, şuanki bildiğimiz kıtalar henüz oluşmamıştı, kıtaların oluşmasıyla canlı yaşamı sudan karaya aktarıldı. Aslında yaşamın temellerini oluşturan biyokimyasal maddeler ilk olarak suda var olmuştu ancak henüz canlı bir hücre içerisinde varlık gösteremiyorlardı, ilk hücre nasıl oluştu ve bunun içine RNA, DNA nasıl girdi , organeller nasıl oluştu , bunlarının hepsi tesadüfi olan şeyler midir soruları hala cevap bulunmaya çalışılan konular olmasına rağmen, genom hakkındaki çalışmalarımıza ve genomun nasıl evrimleştiğini dair anlayışımıza hücre öncesi yapılardan başlamamız gerekecektir.


Şuanki okyanuslarımız ile Dünya’nın ilk zamanlarındaki

okyanuslarda benzer tuzluluk oranının olduğu düşünülmektedir ancak okyanuslar içindeki çözünmüş oksijen ve atmosferdeki serbest oksijen miktarları son derece farklıydı. Fotosentez başlayana kadar atmosferdeki oksijen seviyesi oldukça az miktardaydı ve amonyak ve metan gibi gazlar ise bolca bulunuyordu. İlkel atmosferi taklit ederek yapılan deneyler göstermiştir ki, (Miller-Urey deneyi) metan-amonyak gaz karışımları elektriksel akıma maruz bırakarak, alanin, glisin, valin gibi 20 temel amino asitlerin içinde yer alan amino asitlerin sentezlendiğini deneysel olarak kanıtlamışlardır.


DNA,RNA ve proteinler, acaba hangisi ilk önce varolmuştu?

Bu dilemmanın çözülemeyişinin sebepleri şu sayacağımız birkaç gerçeğe dayanıyordu,; 1)Proteinler reaksiyonları katalizleyebilmektelerdir ancak kendi replikasyonlarını gerçekleştiremiyorlardır. 2)Nükleik asitler ise kendilerini eşleyebiliyorlardır ve bilgiyi nükleotitlerle 4 harfli bir alfabeyle (AGCT(U)) saklayabiliyorlardı ancak bu şifrenin çözülmesi için bir proteine ihtiyaç duyarlar. Büyük buluş 1980lerin ortalarında Sidney Altman ve Thomas Cech tarafından geldi. Bu biliminsanları diğer enzimlere kıyasla çok yavaş çalışan enzimler keşfettiler,..

RNA Dünyası

Peki bu enzimler neden bu kadar ilgi görmüştü?, çünkü bilinen bütün enzimler proteinlerden oluşmasına rağmen bu yeni enzimlerin nükleik asitlerden özellikle de RNA’dan yapılmış olmasıydı. Bu RNA enzimlerine ribozim denildi. Ribzimlerin bulunuşu Dünya’da hücresel yaşamın nerden orijin aldığına ve nasıl geliştiğine dair önemli ipuçları vermiştir. Bulunan bu ribozimler üç önemli görevi gerçekleştirebiliyordu. 1) Kendi splice mekanizmaları vardır. 2) Ribozomların rRNAsı ile peptit bağları yapabilmek, 3) Rnase P’de olduğu gibi diğer RNA’ları böler.

RNA Dünyası

RNA dünyası nasıl oldu da DNA dünyasına

dönüştü? İlk büyük değişme belki de protein enzimlerinin gelişimiydi. Biyokimyasal evrimde birkaç cevaplanmamış soru vardır. Neden RNAdan proteine dönüşüm ilk olarak gerçekleşti de RNA’dan DNA’ya direk geçiş olmadı?. İlk olarak açıklama şu yöndeydi, polipeptitlerdeki 20 amino asit, proteinlere RNA’da ki 4 ribonukleotitlerden daha geniş bir kimyasal varyasyon sağlıyordu. Ancak bu açıklama çokça kataliz özelliği gösteren ribozimlerin bulunmasıyla etkinliğini yitirdi.

İlk DNA Genomu

Bunun yerine şu öneri getirildi; proteinlerin

esnekliği ve katlanabilirliği daha sert bir yapıda olan ve şekli değişmeyen RNA’ya göre daha etkili olduğu. Alternatif olarak ise şunu da ekleyebiliriz, RNA hidrofilik olduğu için hücre membranlarına bağlanması için bu nükleikasite bir hidrofobik manto gerekebilirdi . Protein sentezine geçiş RNA protogenomunda radikal değişiklikler sonucu meydana gelmiştir.

İlk DNA Genomu

İlk hücre benzeri yapılarda direkt olarak biyokimyasal reaksiyonlardan sorumlu olan RNA protogenomu daha çok sadece kodlayan bi molekül haline dönüşmeye başlamıştır,ki asıl görevi katalitik proteinlerin yapısını yapmaktı. İster ribozimlerin kodlayan moleküller haline gelmesi olsun, ister kodlayan moleküller ribozim tarafından sentezlenmiş olsun (bilinmiyor) sonuç olarak DNA ve RNA ‘nın harf alternatifleri ve mekanizmaları uygundur. Sonuç olarak RNA protogenomları enzim olarak işgördüğü görevlerini terketmişlerdi. Ki bu çok iyi oldukları bir rol iken, ve stabil olmamasına rağmen daha az iyi oldukları bir alan olan kodlama işini üstlenmişlerdi.

İlk DNA Genomu

Çünkü ribonukleik asit olan RNAnın 2’ OH grubu ve fosfodiester bağındaki anti stabilizesi onu kodlama için elverişsiz yapıyordu. Durum böyle olunca daha stabil olan DNA’ya doğru gidiş kaçınılmaz ve pek de zor olmamıştır , ve riboukleotitler deoksiribonukleotitlere değişmiştir, ki bunu yapabilen enzimler reverse transkriptaz gibi) vardır. Urasilin timine değişimi ise DNA’ya daha stabil bir hal kazandırmıştır. Ayrıca DNA’nın çift zincirli halka edinmesi, bir kodlayan molekül olarak DNA hasarlarını diğer zinciri kullanarak tamir etmesine uygun hale getirmiştir.

İlk DNA Genomu

Kodlamayan DNA’nın yani DNA’daki intron bölgelerinin varlığı moleküler evrimciler için her zaman bir bilmece olmuştur. İnsan genomunun %98’i non coding DNA’dan oluşur, şuan bildiğimiz 20.000 proteini kodlayan bölge genomumuzun sadece %2 lik bölgesinin yaptığı bir işlemdir. Eskiden çöp DNA (junk DNA) olarak nitelendirilen bölgelerin yapılan çalışmalarla aslında fonksiyonsuz olmadığı gösterilmiştir. Kodlamanayan DNA’yı pseudogenlerle karıştırmamak lazım. Pseudogenler daha önceden kodlama yeteneği olup, hücresel stres ya da mutasyonlar. Vb. sonucu kodlama özelliğini yitirmiş genlerdir ancak Non coding DNA’nın hiç bir zaman bir protein kodlama özelliği yoktur, transkripsiyon sonrasında splicing prosesleri sonucu mRNA’dan kesilerek atılır.

Kodlamayan DNA Non-Coding DNA

Bazı görüşler şu yöndedir; eğer kodlamayan DNA’nın

varlığı olmasaydı hücre yaşamını devam ettiremezdi ve kodlamayan DNA’nın genomda geniş bir kontrol mekanizmasına sahip olduğu veya genom organizasyonunda işlev gördüğü , ve kodlamayan DNA’nın fonksiyonel kodlamayan RNA’ları transkripte olduğu (t-RNA, rRNA, RNA interferanslar) yönündedir.

Kodlamayan DNA Non-Coding DNA

Genom evrimleşmesinde en önemli gelişme, varolan

genlerin duplikasyonlarını yapmış olmasıdır. Yani her genin bir aleli vardır ve her gen çiftli-karşılıklı olarak genemumuza işlenmiştir. Bunun sonucunda; 1)Bütün genomun duplikasyonu 2)Tek bir kromozomun veya Kromozomda belli bir bölgenin diplilkasyonu 3)Tek bir genin veya bir grup genin duplikasyonu . Bu sonuçlardan ikincisi modern organizmalarda kromozom duplikasyonlarının etkilerini anlamamıza fırsat vermiştir. Herhangibir kişinin kromozomundaki duplikasyon sonucu diğer kromozomları için normal olan 2 kopya bulunurken, hücrede bir kromozomun 3 kopyası oluşmaktadır ve, buna trisomi denilmektedir.

Gen Duplikasyonlarıyla Yeni Genlerin Keşfi

Ölümcül olabilir veya Down sendromu gibi genetik hastalıklara sebebiyet verebilir. Benzer etkiler yapay olarak trisomi oluşturulan Drosophila mutantlarında gösterilmiştir. Bazı genlerdeki sayı artışı gen ürünlerinin oluşumunda dengesizlik yaratıyor ve hücreyi biyokimyasal olarak rahatsız ediyor gibi görünmektedir.


Eğer mayozda bir hata olursa gametler haploid yerine diploid

kromozomlar içerirler eğer iki diploid gamet birleşirse tetraploid hücreler oluşur ve bu hücrelerin her kromozomun 4 kopyası bulunur. Poliployidi bitkiler özellikle arasında yaygındır. Otopolidloyid geçiren hücreler ölmezler, yaşamını devam ettiriler çünkü her kromozomun hala homolog çifti hücre içinde bulunur ve mayoz esnasında hala bivalent formunu koruyabilir. Bu durum otopoliployidin başarılı bir şekilde devam etmesine izin verir ancak orijinal organizmayla tür içi döllenmeye izin vermez, çünkü bir tetraploid ile diploid bireyle döllenirse, sonuç olarak triploid döller oluşacaktır ki bu da hücrenin kendisini çoğaltmaya izin vermez, çünkü kromozom setlerinin homolog partnerleri yoktur. Ayrıca otopoliployidi yeni genleri içermez yani gen çeşitliliğinin artmasında işlevi yoktur çünkü organizmanın sahip olduğu kromozomun ekstra bir kopyasıdır.

Otopoliployidi

Peki alloployid organizmalar kendi içlerinde döllenemiyorsa yeni genler nasıl oluşuyor ve bu canlılar nasıl çoğalıyorlar? Bunun için iki farklı türün döllenmesiyle oluşur. Alloployid tür çoğunlukla birbirine benzer olsalar da her canlının kendine has ve yeni genleri bulunur. Örneğin ekmeklik buğday Triticum aestivum hexaploittir,tetraploid olan makarnalık buğday T. Turgidum ve diploid bir ot olan olan Aedilops squarrosa’nın kültüründen oluşmuştur. A. Squarrosa ‘daki gluten genleri makarnalık buğdayın gluten genleriyle kombine olur ve ekmek yapımı için üstün nitelikli bir hexaploid buğdağ türü meydana getirir. Allopoliployidi önemlidir çünkü gen kombinasyonlarının nasıl gerçekleştiğine ve türler arası gen transferinin nasıl olduğuna dair bakış açılarını geliştirir.


Hayvanlar arasında ise bitkilerdeki gibi örnekler bulmak kolay değildir. Birkaç ökaryotik genler arke ve bakterilerle benzer özellikler gösterseler de bunların lateral gen transferleriyle değil milyonlarca yıllık evrimde korunmuş gen sekansları olabileceği düşünülmektedir. Örneğin TATA kutusu, veya Pribnow kutusu gibi promotor bölgeler ökaryotlarda ve prokaryotlarda milyonlarca yıldır değişmeyen sekanslardır. Hayvanlar arasında gen transferlerin nasıl olacağına dair öneriler retrovirüsler vasıtasıyla olduğu görüşü vardır. Çünkü virüsler hayvansal genleri bireyler arasında taşıyabilir ve muhtemel lateral gen akışında rolü olmuş olabilir.


Transpozonların genomun yeniden düzenlenmesine yönelik kayda değer etkisi vardır. Bazı durumlarda sonuçlar önemli genlerin silinmesi gibi sonuçlarla zararlı olabilceği gibi bazı durumlarda faydalı olduğu da görülmüştür. LINE-1 elementlerinin 35 milyon yıl önce beta globünde duplikasyonu gama-g ve gama-A globun üyelerinin oluşumunu sağlamıştır. Transpozonların bir bölgeden diğerine hareketleri genom evriminin üzerine de etkili olmuştur. Örneğin transpozisyonlar gen ekspresyonu değiştirebilir. Örneğin DNA’nın upstream regulasyon bölgesine afiniteye sahip olan DNA bağımlı proteinler genin transkripsiyonu aktif hale gelmesinde yardımcıdırlar, ancak bir transpozonun bu bölgeye kaymasıyla genin transkripsiyonu bloklanabilir. Başka bir örnek; hemofili hastalığının sebebi nonretroviral retrotransposonların kan akışını durdurmayı önleyici Factör vIII proteinini kodlayan bölgeye L1 insersiyonu ile oluşur.

Transpozon Elementleri ve Genom EVrimi

İnsanın evrimi hakkındaki görüşler halâ tartışmalara yer bıraksada, moleküler benzerlik bakımından genel olarak en yakın akrabalarımız primatlardan şempanzelerdir. Şempanzelerden ayrılmadan önceki ortak ataya serüven ise 5 milyon yıl öncesine dayanır. Filogenetik ağaçta ilk ayrılışa kadar insan soy bağlantısı iki genusu ve birçok türü kuşatıyordu. Biri Australopithecus, diğeri Homo. Genomumuza göre şempanzelerle insan genomunun sadece %1,5’i farklılık gösteriyor. Nerdeyse %99 sekansı aynıdır. Ancak genomumuzdaki kodlamayanbölgelerin %98 oldugunu ve kodlayan bölgelerin %2 olduğunu hatırlarsak %1,5 luk farklılık genetik olarak ve fenotip olarak büyük değişiklikler gösterecektir. Bu değişikliklere bakacak olursak;;

İnsan Genomu: Son 5 Milyon Yıl

1)İnsanlar 92bazçiftlik bir segment olan N-glikolil-nöraminik-asit-hidroksilaz genini bulundurmazlar, böylece bu enzimin’in hidroksilat formunu oluşturamazlar ki bu protein şempanzelerin hücre yüzelerinde vardır. Bu durum bazı belirli patojenlerin insan hücrelerine girmesine olanak sağlayabileceği düşünülüyor. 2)İnsan ve şempanze genomu bazı yeniden düzenlemeler geçirmiştir. İnsanlardaki 2.kromozom şempanzelerde iki ayrı kromozom halindedir,şempanzeler ve diğer primat türleri 24 kromozom çifti içerirken insanlar 23 çift kromozoma sahiptir. Ancak bu farklılıklakrın hiçbiri neden özel biyolojik özelliklere sahip olduğumuzu tamamen açıklamıyor ne yazıkki, bizi şempanzelerden farklı yapan şey nedir sorusuna cevap belki de sinir sisteminde gelişime sebep olan,nöronlar arası iletişimin gelişmesine sebep olan bazı gen ekspresyonlarıdır.


İnsan ve şempanze beyinlerindeki gen ekspresyonlarının farklılığıyla ilgili buluşlar microarray deneyleriyle açığa çıkartılmıştır ancak bu değişikliklerin beyin fonksiyonlarını nasıl etkilediğini anlamak ise pek de kolay değildir. Ancak şu açıktır ki; bizi insan yapan şey genomumuz değil onun fonksiyonel işleyişidir.


Eğer genomlar mutasyon birikimleriyle yavaş yavaş geliştiyse, farklı iki genomlardaki nukleotit dizilimindeki farklılıklar ve benzerlikler bu canlıların yakın zamanda ortak bir ata genomu nasıl paylaştıklarını gösterir. Yakın zamanda ayrılan bu iki genomun ortak atalarına bağlı olarak birbirinden çok fazla farkının olmayacağı beklenir. Bunun sonucunda üç ya da daha fazla genomun karşılaştırılmasıyla canlılar arasındaki evrimsel ilişkiyi tespit edebiliriz.Organizmaların DNA sekanslarını karşılaştırarak, bunlar arasındaki benzerlikler ve farklılıkları baz alınarak türler arasındaki akrabalıklar incelenir ve canlıların sınıflandırması yapılır. 18. Yüzyılda linneanin yaptığı sistematik evrimsel bir sınıflandırma değildi. Buna kıyasla Darwin’in türlerin kökeni adlı eserine konu olan çalışmaları, yaşayan organizmaların birbirleriyle olan bağlantılarını içeren birçalışmaydı. Bu da filogenetinin temelini oluşturmuştur.

Moleküler Filogenetik

Evrimsel düşünceyi kavrayabilmek için HIV’in orijinini iceleyelim. Dünya genelinde epidemic olan insan immun yetmezliği sendromu etkeni HIV-1 retrovirusu hücrelerin immun cevabını oluşturmasını engeller. Spekülasyonlar hiv benzeri bir virusun şempanzelerde de bulunmasıyla bu konu etrafında çoğalmıştır. Şempanzelerde ve birkaç pirimatta da saptanan virus SIV adlı bir virustur simian immunodeficiancy virus. Bu virus normal konağında hastalık oluşturmuyor ancak bunun bir şekilde insana geçmesi ve bunun sonucunda yeni bir konak tür içerisinde virusun yeni özellikler kazanıp hastalık yapıcı özelliği kazandığı düşünülmektedir. Retrovirusler genomu hızlıca mutasyonlar biriktirir, reverse transkriptaz enzimiyle virusteki RNA genomu DNA’ya çevrilir ve konağın genomuna entegre olur,reverse transkriptazda proofreading mekanizması olmadığı için, oluşan mutasyonlar ve replikasyondaki hatalar düzeltilmez bu da RNA bağımlı DNA’da çokça hatalara sebep olur.

Moleküler Filogenetik-HIV’e Bakış

Bu şekilde virüsün Moleküler saati çok hızlı çalışır ve bunun sayesinde

filogenetik analiz yapılmasına dair yeterli bilgiler verir. SIV ile HIV in birbiriyle ilşkisini anlamak için virüslerin genomlarında yeterli bilgi vardır. Başlangıç olarak virüsten alınan RNA ekstraktları RT-PCRdan geçirilir ve DNA elde edilir çoğaltılan DNAlar ile nükleotit sekansı için yeterli miktar sağlanır. Virüsün filogenetik ağacına bakıldığında; HIV-1 e ait farklı örneklerin birbirinden çok küçük farklılıklar gösterdiği görülmüş.

Moleküler Filogenetik-HIV’e Bakış

Peki SIV virusu bulundurmasına karşı hasta olmayan primatlar varsa acaba HIV virusune karsı dirençli bireyler de varmıdır?1998 yılında Michael samson ve çalışma arkadaşları CCR5 koreseptörünü kodlayan gene ait örnekleri, HIV pozitif olduğu halde hayatta kalan 3 bireyden aldılar ve sekansladılar. Bu kişiler CCR5 geninin mutant versiyonuna sahiptiler. CCR5-Δ32Bu kişilerde normal genin sekansından 32 nukleotitlik bir dizilimin delesyon sonucu kaybolduğu görülmüş, bu kayıp genin çalışmasında bir etki oluşturmuyordu ancak HIV virusu CCR5 delta 32 mutasyonu içeren hücrelere giremiyordu.

Moleküler Filogenetik-HIV’e BakışNedir?

İnsan türünün kökenini Afrika’ya dayandığı biliniyor. Paleontolojik

kanıtlarla hominidlerin afrikayı 1 milyon yıl önce terkettiği gösterilmiştir.Ancak bu terkeden bireyler bildiğimiz modern insan Homo sapiens değildi, ilk hominidlerdi.İnsan türünün yayılışı ile ilgili İki karşı görüş vardır. Multirejiyonal hipoteze göre h. Erectus afrikadan 1 milyon yıl önce ayrıldı ve eski dunyanın farklı yerlerinde modern insana doğru yavaş yavaş her bölgesinde paralel olarak gelişti. Afrikadan çıkış modeline göre ise arkaik Homo sapiensler ilk kökenini afrikada almıştır ancak daha sonradan yeni insan türlerine değişerek modern insana doğru hem gelişti hem de diğer Homo türlerinin yerini aldı. Kuşku 1987 yılında dünyanın çeşitli yerlerinde farklı kişilerden alınan 147 mitokondrial DNAnın RFLP analiziyle giderildi. Sonuç olarak ortaya çıkan durum insanın ataları 200bin yıl önce afrikada yaşamışlardı ek olarak da şunu öneriyordu;

Afrika’dan Çıkış

O zaman diliminde de hala ordaydılar. Bu mtdnayı tasıyan kişi mitokondriyal eve olarak addedildi ve bu kişi afrikalı olmalıydı. MtE’ine buluşu yeni bir senaryo getirdi. Modern insanın, paralel bir şekilde dunya boyunca yayılımı sonucu oluşmasına karşı Afrikadan çıkış modeli H.sapiensin afrikadan köken aldığını gösteriyordu daha sonra bu türler 100bin ve 50bin yıl boyunca dunyanın geri kalanına yayıldılar.

Afrika’dan Çıkış

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION

Referanslar:

Genomes Second Edition T.A. Brown

Alberts Moleculer Biology of The Cell

Genom Bilgisi- Konu 15,16 -Genomların Gelişimi ve Moleküler Filogeneti

Documents

Transcript of Genom Bilgisi- Konu 15,16 -Genomların Gelişimi ve Moleküler Filogeneti