Gen ve Davranış 4.10.2013.

... konulu sunumlar: "Gen ve Davranış 4.10.2013."— Sunum transkripti:

1 Gen ve Davranış

2 Konu başlıkları Gen, Genetik Analiz, Davranışa aktarılması
Genin Doğası Genler Kromozomlarda yerleşmişlerdir Genotip ve Fenotip arasındaki İlişki Genler Evolüsyonda korunmuşlardır Hayvan Modellerinde davranış üzerine Genlerin rolünün çalışılması İnsan Davranışının Genetik çalışmaları ve anormaliteleri Psikiyatrik bozukluklar ve Multigenik özelliğin anlaşılmasındaki sorunlar

3 Gen, Genetik Analiz ve Davranışa aktarılabilirliği (geçişliliği)
Nörolojik ve psikiyatrik birçok hastalık belli genetik yapıya sahiptir. Hasta yakınlarında toplumdaki bireylere göre hastalığın ortaya çıkma frekansı daha fazladır. Popülasyonda genetik faktörlerin sorumlu olduğu bu durum aktarım (geçişlilik) olarak adlandırılmaktadır. genetik faktörlerin ne düzeyde sorumlu olduğu İlk defa 1883’de Francis Galton tarafından ikiz çalışmalarına dayandırılmaktadır. Fertilize olmuş tek bir yumurtanın ikiye bölünmesiyle monozigotik ikizler oluşur, bu ikizler bütün genlerini tamamen paylaşmaktadırlar.

4 Aktarımı göstermesi açısından Psikiyatrik hastalıkların Ailesel riski

5 Oysa dizigotik yani çift yumurta ikizlerinde iki farklı yumurta fertilize olmuş olup, genetik bilginin ortalama yarısını taşırlar. Yıllarca yapılan karşılaştırmalarda, identik ikizlerin (monozigotik) nörolojik ve psikiyatrik özellikleri çift yumurta ikizlerine göre çok daha aynı olma eğiliminde olduğu, böylece bu özelliklerin aktarılabilir olduklarını kanıtlanmaktadır. İkiz çalışma modellerinin devamında Thomas Bouchard ve ark. Minnesota ikiz çalışmasında identik ikizlerin yaşamlarının erken evrelerinde ayrı tutulup farklı ev ortamlarında yetiştirilmelerini incelediler. Çevresel farklılıklara rağmen, ikizlerin aynı psikiyatrik hastalıklara eğilimleri olduğu,çevreyle ilişki kurmalarında da aynı kişisel özellikleri paylaştıkları bulundu.

6 İnsan hastalıklarının ve davranışsal karakterlerinin geçişinin %100’den daha az anlamlılığı olup, çevrenin hastalığın edinilmesinde veya taşıyıcılığında önemli bir faktör olduğu gösterilmiştir. İdentik ikizlerin ve diğer akrabalarıyla yapılan çalışmalar, insan davranışının genetik geçişli bir yapıya sahip olduğu iddiasını desteklemesine rağmen, Bu durum, hangi genlerin önemli olduğu yalnız başına davranış üzerine spesifik genlerin nasıl etkisi olabileceğini açıklamaz.

7 Genin Yapısı DNA: bir nesilden diğer nesile geçen kalıtsal materyaldir. DNA replikasyonuyla herbir genin tam kopyası yavru hücrelere aktarılır. Gen: Fonksiyonal bir proteini kodlayan DNA parçası

8 DNA’nın Yapısı 1953 yılında Watson ve Crick tarafından aydınlatılmıştır. Ökaryotlarda çift heliks yapısındaki DNA histon proteinleri ve az miktarda RNA ve histon olmayan proteinlerden meydana gelmiştir. Baz (pürin ve pirimidin), şeker (dezoksiriboz) ve fosfattan oluşan Monodezoksinükleotidlerin birbirlerine 3’—5’ fosfodiester bağı ile bağlanmalarıyla DNA sarmalını oluştururlar. DNA’nın yapısında adenin, guanin, timin ve sitozin bazları ile baz ve şekerden oluşan omurga yapısından oluşmaktadır.

9 DNA’nın yapısı

10 DNA’nın üç boyutlu yapısında çift heliksin ortak bir eksen etrafında birbirine antiparalel sarılmasıyla meydana gelir. Bir zincirin 5’ ucu diğer zincirin 3’ ucu ile eşleşmiştir. Zincirin iç kısmında bazlar arasında hidrojen bağları vardır. DNA ısıtıldığı zaman hidrojen bağları açılır. Bu olay denatürasyondur. Heliks yapısının açıldığı sıcaklığa Tm erime derecesi denir.

11 DNA çift sarmalında şeker ve fosfat kısımları omurgayı oluşturmaktadır.
DNA yapısında A, B ve Z DNA olmak üzere üç değişik yapıda DNA bulunur. Kromozomal DNA B yapısındadır, sağa doğru ilerleyen heliks yapısında heliksin 3600 dönüş mesafesinde 10,4 nükleotid bulunur.

12 Replikasyon DNA çift heliksi oluşturan zincirler birbirlerinden ayrıldıklarında herbir zincir yeni zincir için kalıp görevi görür. Yeni zincirler kalıp zincirin tamamlayıcısı (komplementer) olarak sentezlendiği için bu işlem semikonservatif replikasyon adını alır. Kromozomal DNA molekülü hücre döngüsü ile birlikte replike olduğundan herhangi bir nedenle DNA replikasyonu durursa hücre bölünmesi de durur. DNA sentezi hücre döngüsünün S fazında meydana gelir.

13 During the process of DNA replication, the parental DNA unwinds and since nucleotides have exclusive partners, each DNA can act as its own template for replication.  The two new DNA molecules each consist of one parental strand and one newly made strand.  This is known as semiconservative DNA replication.

14 Tek nöral devrenin fonksiyonu ve gelişimi için birçok yapısal ve düzenleyici protein gereklidir.
Basit hayvanlarda tek bir gen spesifik nöral devredeki sinir hücrelerinin fonksiyonunu etkileyen bir proteini kodlayarak bir davranışı kontrol edebilir. Kompleks hayvanlarda, bu devre daha kompleks ve davranışlarda genellikle birçok genin etkileşimi ile şekillenir.

15 Davranışlardaki ince farklar sadece gen ürünlerinin varlığı veya yokluğu değil
aynı zamanda gen ürününün ne kadar eksprese olacağı ve ürünün ne kadarının katkıda bulunacağı da büyük önem taşımaktadır.

16 Transkripsiyon-translasyon
DNA yapısındaki genetik bilgi; öncelikle lineer mRNA’ya (transkripsiyon) daha sonra 20 farklı aminoasitten oluşan lineer polipeptid (translasyon) (protein) dizisi haline çevrilir. DNA yapısında geni kodlayan bölgede protein yapısına kodlanmayan (intron) ve kodlanan bölgeleri (ekson) içermektedir. mRNA’dan polipeptid zincirine çevrimde intronların kesilip çıkartılması (splicing) ve eksonların birleştirilmesi işlemi yapılır.

17 Nöronlarda eksprese olan genler nöral devrelerin regülasyonunda,
korunmasında ve gelişiminde önemi olan proteinleri kodlar.

18 Gen yapısı ve ekspresyon

19 Bazı fonksiyonel RNA’lar proteini kodlamaz.
Bu sınıfta: rRNA, tRNA (mRNA’nın polipeptide çevriminde görevlidir), snRNA (mRNA kırpılmasında görev yapar), miRNA mRNA’nın 3’ UTR (miRNA responsive elements) bölgelerine bağlanarak mRNA’yı parçalamak veya translasyonu bloke etmek suretiyle gen ekpresyonunu düzenledikleri bilinmektedir.

20 Genin yapısında doğru zaman ve doğru hücrede tam ve doğru şekilde RNA ekspresyonundan sorumlu promoter ve enhancer bölgeleri bulunmaktadır. Beyin vücuttaki organlara göre çok sayıda gen eksprese etmektedir, Bununda sebebi beyinde nöron populasyonunun farklılığından kaynaklanmaktadır.

21 Genetik bilgi kromozomlarda saklanmaktadır
İnsanda yaklaşık olarak gen bulunmaktadır, 46 kromozomun 22 çiftini otozomlar, 2kromozom cinsiyet kromozomları(kadında:XX, erkekde: XY) şeklinde bulunur. Genin büyüklüğü 1 ile 200,000 kilo baz arasındadır. Ekzon: Gendeki proteini kodlayan bölge İntron: proteini kodlayan bölgeler içindeki kodlama yapmayan DNA parçasıdır. Lokus: Genin spesifik bir kromozum üzerindeki lokasyonu, yani yerleşim yeridir. Allel: Kromozom üzerindeki her bir genin kopyasıdır. Homozigot: O lokustaki her iki allel ayni ise homozigot, Hererozigot: O lokustaki her bir allel farklı ise heterozigot terimi kullanılmaktadır.

22 Cinsiyetle ilişkili kalıtım ilk defa sirke sineklerinde (Drosophila melanogaster) Thomas Hunt Morgan tarafından 1910’da keşfedilmiştir. Bu X’le ilişkili kalıtım paterni tek X kromozomu ile ilgili olup insan genetik çalışmalarında yüksek derecede anlamlılık göstermektedir. Bazı X-bağlı genetik hastalıklar yaygın olarak sadece erkeklerde gözlenebilir fakat genetik olarak anneden oğula genetik olarak geçebilmektedir.

23 Farklı tip organizmalar bu kromozomların bir veya iki kopyasını taşırlar.
Tek organizmalı hücreler haploiddir, tek kopya, Çok hücreli organizmalar diploid olanlar ise çift kopya kromozom taşırlar.

24 Mitokondrilerde ve bitkilerden kloroplastlarda kendi DNA’nın olmasından dolayı Mendel genetiğinden tamamen farklı olarak sadece anneden geçişli olarak, yani sedece kalıtımsal özelliği ovumdan geçen mitokondriyal kalıtım bulunmaktadır. Mitokondriyal kalıtımdaki ortaya çıkan mutasyonlarla; bazı nöromuskuler hastalıklar, mental retardasyon, sağırlık, kalp hastalıkları, diyabet ve özellikle kas yapısında zayıflıklarla enerji (ATP) yetersizliğinden kaynaklanan çoklu organlarda sorunlara yoaçabilmektedir.

25 Genotip ve fenotip arasındaki ilişki
Her birey herbir genin iki kopyasına sahip olmasından dolayı organizmanın genotipi ve fenotipi ayırt etmek önem taşımaktadır. Bireyde otozomal genin iki kopyasından herbiri allel şeklinde isimlendirilir. Eğer iki allel birbirinin aynı identikse lokus homozigot, mutasyonlardan dolayı alleller farklılık gösterdiğinde bu lokus heterozigot şeklinde adlandırılır. Genotip ve fenotip arasındaki farklılığını bireyin aynı genin wild (yabani) ve mutant allelelere sahip olmasıyla açıklayabiliriz.

26 Farklı genotipteki iki organizma aynı fenotipe sahip olabilir.
Organizma o gene ait iki alleli mutant olarak taşıyorsa fenotipi farklı olacaktır, Yaşam boyunca bir hayvanın fenotipi değişebilir, Fakat genotipi aynı kalır. Dominant: Eğer mutant fenotip sadece mutant allelden kaynaklanıyorsa buna dominant karakter (heterozigot) Resesif: Eğer mutant fenotip ancak iki mutant allel sonucu ortaya çıkabiliyorsa buna resesif denir (homozigot).

27 Genler Evrim süreci boyunca korunmuşlardır
İnsan ve şempanze ciddi anlamda biyoloji ve davranışları birbirlerinden farklıdır, Fakat protein-kodlayan proteinleri %99 oranında ortaktır. İnsandaki 25,000 gen fare gibi diğer memelilerde de mevcuttur. İnsanın çok eski antik çağdan kalan genlerinin keşfi sürpriz olarak diğer hayvanlarla ortak olduğunu göstermiştir.

28 Genlerin evolüsyonda korunmasıyla insanda yapılması mümkün olmayan çalışmaların hayvanlarda uygulanabileceğini göstermiştir. Örneğin, bir farenin bir geninin kodladığı aminoasit dizisi insan genine benzer ve genelde ortolog insan genine benzer fonksiyonu vardır. İnsan geninin yaklaşık ½ si diğer organizmalardaki ortolog genlerden çıkartılarak gösterilmiştir.

29

30 İnsanda birçok transmembran reseptörü ve DNA’ya bağlanan protein diğer omurgalı ve omurgasız spesifik ortolog genlerle ilişkili olduğu bulunmuştur.

31 Kutu 3-1 Mutasyon: Genetik farklılığın kaynağı
DNA replikasyonu yüksek verimlilikle gerçekleştirilmesine rağmen mutasyon şeklinde adlandırılan kendiliğinden meydana gelen hatalar meydana gelir. Mutasyonlar replikasyon sırasında, ve mayoz bölünme sırasında meydana gelen rekombinasyonlarda oluşan hatalar purin ve pirimidin bazlarında hasarlardan kaynaklanır. Bu mutasyonlar genetik polimorfizmlerin oluşmasına neden olur. Kendiliğinden oluşan mutasyonların oranı düşük olup ölçülebilir, genetik hastalıklara önemli ölçüde katkısı vardır. Fakat organizma deneysel genetik çalışmalar sırasında kimyasal mutajen veya iyonize edici radyasyona maruz kaldığında mutasyonların frekansı büyük ölçüde artmaktadır.

32 Kimyasal mutajenler tek bir DNA baz çiftinde değişiklikleri içine alan nokta mutasyonları veya birkaç baz çiftinde delesyon oluşturabilmektedir. Fakat iyonize edici radyasyon büyük insersiyon, delesyon veya translokasyon oluşumunu indükler. Bu mutasyonlar gende veya gen ekspresyonunun yokluğunda kodladığı protein yapısında değişikliklere veya kısmen azalmasına yolaçar. Tek baz çiftinde oluşan fonksiyonel değişiklikler: a)missense mutasyon b)nonsense mutasyon

33 c)çerçeve kayması mutasyonları
Çoğu tek-gen özellikleri (trait) resesif olmasına rağmen çok sayıda genin delesyonu veya duplikasyonuyla dominant özellik ortaya çıkar. 21. kromozomun üç kopya olarak taşındığı Down sendromunda çok sayıda gen ekspresyonundan dolayı bu sendromun kognitif ve fiziksel belirtilerinin ortaya çıkmasına neden olur.

34 Hayvan modellerinde Genlerin Davranış üzerine rolünün çalışılması
Klasik genetik analizi, Kimyasal veya ışıma ile mutagenez uygulanarak rastgele mutasyonlar oluşması sağlanır, bu şekilde davranış üzerine etkili olan kalıtılan değişiklikler incelenir. Reverse genetikte ise, değişmesi hedeflenen spesifik bir gen için genetik olarak modifiye olmuş hayvan üretilir.

35 Sinek, Fare ve İnsanda Transkripsiyonel bir osilatör tarafından Sirkadyen ritmin oluşturulması
Davranış üzerine genlerin etkisini inceleyen ilk geniş kapsamlı çalışma 1970’lerde Seymour Benzer ve ark. tarafından yapıldı. Random mutagenez ve klasik genetik analiz teknikleriyle Drosophila’da sirkadyen (günlük) ritim, kur yapma davranışı, hareket, görme algısı ve hafıza üzerine öğrenilmiş ve doğuştan gelen hareketlerin nasıl etkilendiğini araştırdılar.

36 Bir hayvanın sirkadyen ritmi güneşin doğuşu ve batışına bağlıdır.
Dolayısıyla sirkadyen regülasyonun çekirdeği içten gelen biyolojik saat 24 saatlik bir siklüste gidip gelmektedir. Saat tekrar ayarlanabilir, bu şekilde gündüz-gece siklüsünde seyahat eden kişilerden bildiğimiz jet lag olayındaki gibi iç osilatörde kaymaya uyumla sonuçlanır.

37 Benzer grubun binlerce mutant sirke sineğinde yaptıkları araştırmada per şeklinde isimlendirilen periyot mutasyonlarının sineğin iç saatinde meydana gelen bütün sirkadyen davranışları etkilediğini buldular, Per mutasyonlarının birkaç yolla sirkadyen saati değiştirebildiğini, Aritmik per mutant sineklerde per geninin bütün fonksiyonunun eksildiği herhangi bir davranışta ayırt edilebilir intrinsik bir ritim gözlenmediği , Per mutasyonu genin bazı fonksiyonlarında anormal ritim oluşmasını sağladı.

38 Uzun-gün alleli 28 saatlik davranış siklüsü, kısa gün alleli ise 19 saatlik siklüs oluşmasına neden olmaktadır. Per saatin temel bir parçası değil onun aktivitesi saatin çalışma hızını değiştirebilmekte yani gerçekte bir zaman tutucu, kronometre özelliğindedir. Protein ürün olan PER diğer genlerin ekspresyonlarını etkilediği bir transkripsiyonel regülatördür. gün boyunca PER düzeyi regüle edilir. Gün seyrinin üzerinde PER mRNA’sı proteini birikir, gün batımından sonra gece süresince tepe noktaya ulaşır.

39 Drosophilada tek bir genin sirkadyen ritim davranışlarını yönetmesi

40 Joseph Takahashi 1990’larda benzer çalışmaları farede gerçekleştirdi.
Clock mutasyonu homozigot olan fare karanlığa konulduğunda başlangıçta aşırı derecede uzun sirkadyen peryot özelliğini ve daha sonra sirkadyen ritimliliğin tamamen kaybolduğunu gördüler. Clock geni sirkadyen peryodun uzunluğu ve duyu girişinin yokluğunda ritimliliğin devamlılığını düzenlediğini buldular.

41 Fare CLOCK ve sinek PER proteinleri PAS domeni şeklinde adlandırılan karakteristik bir transkripsiyonel düzenleyicilerin alt kümelerini paylaşmaktadırlar. Hem sinek hem de fare sirkadyen ritimlerini kontrol eden her iki clock ve per genlerine sahiptirler.

42 Hem sinekde hem de farede CLOCK proteini transkripsiyonel bir aktivatördür.
PER proteini per ekspresyonunu stimüle etmek üzere CLOCK’un varlığını represe eder, baskılar. Bu şekilde PER proteini birikir, per transkripsiyonu gerçekleşmez. 24 saatlik siklüsün meydana gelmesi PER proteini birikim ve aktivasyonuyla PER instabilitesi, PER fosforilasyonu sonucunda per transkripsiyonundan sonrasındaki saatlerde siklusla ilişkili proteinlerle interaksiyonunda gecikme meydana gelir.

43 1- sirkadyen ritim genlerinin transkripsiyonu 24 saatta farlılık gösterir: geceleri PER aktivitesi yüksektir, CLOCK aktivitesi gündüz aktiftir. 2-transkripsiyon faktörleri sirkadyen ritim genleridir, herbiri mRNA düzeyini osilasyonlar oluşturarak etkiler, 3-sirkadyen ritim genleri aynı zamanda birçok akış aşağı cevapların transkripsiyonunu da kontrol eder, Nöropeptid pdf geni lokomotor aktivite düzeylerini kontrol eder. 4- Bu genlerin osilasyonu (dalgalanma, salınım) ışıkla resetlenir.

44 Sinek ve Arılarda bir Protein Kinazdaki varyasyonla aktivitenin düzenlenmesi
Sirkadyen ritimle ilgili genetik çalışmalarla ilgili biyolojik prosesle ilişkili genler random mutagenez teniği kullanılarak tanımlanabilmektedir. Asıl önemli sorun normal bireylerde yapılan genetik değişikliklerle farklı davranışların ortaya çıkmasıdır.

45 Marla Sokolowski ve arkadaşları Drosophila larvalarında yaptıkları çalışmalarda, tür içindeki normal bireyler arasında varyasyonla ilgili ilk gen çalışmalarını tanımlamıştır. Drosophila larvalarında lokomasyon ve aktivite açısından gezginci olan tipleri ve daha oturan stasyoner tipte farklı davranış modellerine sahip olanlar bulunmaktadır. Sokolowski bu iki genetik farklılığı araştırmak için iki yabani sineği çaprazlamış. Bu çalışmada, for geninin hüresel metabolit olarak cGMP yolağından protein kinazla aktive olan bir sinyal transdüksiyon enzimini kodladığı bulunmuştur.

46 For geni ayrıca balarılarının davranışına da etkilidir.
For geni yiyecek arayan aktif balarılarında beyinlerinde yüksek düzeyde, daha genç ve bakıcı olanlarında daha düşük düzeylerdedir. Genç arılarda cGMP aktivasyonunun vaktinden önce yem arama devresine onları yönelttiği bulunmuş. Bu durum çevresel uyaranla normalde programlanmış veya arının ilerleyen yaşından dolayı olmaktadır. Bu durum farklı türlerde farklı davranışsal stratejilerin ortaya çıkmasında regülatör genlerin nasıl önemi olduğunu göstermektedir.

47 Nöropeptid Reseptörlerle düzenlenen bazı türlerin Sosyal Davranışları
Sosyal davranışın basit bir şekli halkalı kurt C. elegans’da incelenmiştir. Bu hayvanlar toprakta yaşar ve bakteriyle beslenirler. Farklı wild (yabani)-tipteki türleri beslenme davranışında derin farlılıklar göstermektedir. Diğer türler sosyal beslenme paternine sahiptir, yani düzinelercesi veya yüzlercesinin büyük beslenme gruplarına katılırlar. Türler arasındaki bu farklılık genetik olup her iki beslenme paterninde olduğu gibi stabil şekilde kalıtılabilmektedir.

48 Sosyal ve soliter kurtlar arasındaki farklılık nöronlar arasındaki sinyal iletiminde görevli büyük bir gen ailesinden bir gende tek bir amino asit yerdeğiştirmesinden sonuçlanmaktadır. Bu gen npr-1 bir nöropeptid reseptörünü kodlamakla görevlidir. Nöropeptidlerin nöron networkları arasındaki davranışların koordine edilmesinde rolleri olduğu bilinmektedir. Memeli nöropeptidlerinin beslenme davranışı, uyku, ağrı ve birçok diğer davranışsal ve fizyolojik işlevlerde rolü olduğu gösterilmiştir.

49 Nöropeptid reseptöründeki bir mutasyon varlığı sosyal davranışı değiştirmekte,
bu durumda hem davranışın oluşturulması için ve hem de bireyler arasındaki çeşitliliklerin oluşturulmasında sinyal molekülünün türünün önemli olduğunu düşündürmektedir. Memelilerde, Oksitosin ve vazopressin nöropeptidleri çiftlerin bağlanmasında ve yavrulara parental bağlanmada memeli davranışlarını stimüle etmektedirler.

50 Farklı kemirgenlerde vazopressin reseptörlerinin analizi evolüsyon sırasında gen ve davranışlardaki değişikliklerin mekanizmasına görüş açısı sağlamıştır. Evolüsyonda genetik değişiklikler ventral önbeyinde V1a vazopressin reseptör ekspresyon paternini değiştirmektedir. Bu değişklikler sırasıyla nöral devrenin aktivitesini değiştirmekte dolayısıyla yemeyle aktive olan vazopressin-sekrete eden nöronların fonksiyonu ventral önbeyinin fonksiyonuyla ilişkilidir.

51 Kutu 3-2: Deney hayvanlarında mutasyonların oluşturulması
Sineklerde Rastlantısal Mutagenez Meyve sineğinde davranışın genetik analizi sineklerde bireysel genlerin mutasyon oluşturulmasıyla yapılabilmektedir Mutasyonlar kimyasal veya insersiyonel mutagenezle oluşturulabilmektedir. Kimyasal mutagenez örn etil metansülfonat gen içinde rastgele nokta mutasyonları oluşturur. Hareketli DNA dizileri transpozabl eleman olarak isimlendirilirler, kendilerini rastgele diğer genlerin içine sokabildiklerinde insersiyonel mutagenez meydana gelir. Drosophilada başlıca en yaygın transpozabl eleman P elementleridir.

52 P elementleri göz renginde genetik belirteç taşıyabilecek şekilde modifiye edilebilirler,
Bundan dolayı genetik çaprazlamalarda kolaylıkla izlenebilirler, ve Eklenmiş oldukları genin ekspresyonunu değiştirebilirler. Kimyasal mutagenez ve transpozabl element mutagenezi rastlantısal mutagenez stratejileridir, Bu şekilde genomda herhangi bir geni etkileyebilirler.

53 RNA İnterferansı ile Gen fonksiyonunun değiştirilmesi
Bu yöntemin avantajı ökaryotik hücrelerde; çoğu çift-iplikli RNA’lar yıkım amacıyla hedeflenir ve bu çift-zincirli kısım haraplanır. Seçilen mRNA sentetik olarak çift-zincirli hale getirilir, araştırmacı spesifik genin mRNA’sını azaltmak üzere bu işlemi aktive eder. RNA interferansı kısa sekuensli RNA ile istenilen RNA ve kısa RNA dizisi arasındaki birbirini tamamlamasıyla endojen mRNA ile çift oluşturacak , bu şekilde genin fonksiyonu azaltılabilir. Kısa RNA’lar 21 veya 22 baz uzunluğunda olup small interfering RNA (siRNA) veya small hairpin RNA (shRNA) olarak bilinirler.

54 siRNA ve mRNA arasındaki komplementerlik mükemmel derecede olduğunda genellikle mRNA molekülü parçalanır. Komplementerlik yakın olup istenilen en iyi durumda olmadığında mRNA’nın translasyonu durdurulur.

55 Kutu 3-3 sinek ve farede transgenez
Farede yeni fertilize olmuş yumurta nukleusuna DNA’nın injekte edilmesiyle genler manipule edilebilir. Yeni gen “transgen” injekte edilmiş yumurtaların bazıları bir kromozomda rastgele bir bölgeye yerleştirilir. Embriyo tek-hücre devresinde olduğu için yerleştirilen germline da dahil olmak üzere gen hayvan hücresinin her yerinde replike olur.

56 Transgenik fare ve sinek oluşturulması

57 Şekilde albino bir türden alınan yumurta içine pigment üreten gen injekte edilerek kürk markır geni kurtarılmış olur. Aynı yaklaşım sineklerde de kullanılmaktadır. bir transpozabl element yani P elementine DNA injekte edilerek klonlanmış olur. Transgenler wild-tip genlerdir, ki yeni lokasyonlarda diğer genleri aktive eden mutant veya designer genlerin fonksiyonlarını kazanmalarını sağlarlar.

58 İnsan davranışı ve anormaliteleri üzerine genetik çalışmalar
İnsan genetiği moleküler biyoloji teknikleri kullanılarak çalışılabilmektedir; jenerasyonlar arasında genetik özelliklerin iletilmesinde aileleri izler, bireyler arasındaki değişimi gözlemler.

59 İnsanda nörolojik bir hastalık olarak ilk defa keşfedilen ilk defa 1934 yılında Asborn Folling tarafından tanımlanan fenilketonuri (PKU) sorumlu gendir. Nadir bir hastalıktır, çocuklarda 1/15000’i etkiler ve kognitif fonksiyonda ciddi bozulma ile sonuçlanır. Bu mutasyon resesif olup, heterozigot taşıyıcı bireyler hastalanmaz. Normal fonksiyon heriki kopyası da eksik gen taşınmasıyla diet proteinlerinden fenilalaninin kanda yüksek konsantrasyonda birikimiyle toksik metabolitlerin oluşumuna yolaçar ve nöral fonksiyona engel olur.

60 PKU fenotipi (mental retardasyon) genotipin (homozigot PKU) çevreyle (diet) etkileşime girmesinden kaynaklanmaktadır. PKU’nun tedavisi basit ve etkindir. Mental retardasyon düşük-protein dietinin uygulanmasıyla önlenebilmektedir. 1960’ların başlarında, US’de yenidoğanlarda PKU testinin yapılması zorunlu hale getirilmiştir.

61 İnsanda Nörolojik bozuklukların ayrı genlerin farklı beyin fonksiyonlarına etkilerini düşündürmesi
Otizm yaygın olup dil kazanımındaki eksiklikler, sosyal ilişkilerde güçlüklerle gelişimsel bozuklukların geriye götürdüğü ve stereotype ilgilerde karakterize edilmektedir. Otizmin klinik semptomları yaşamın ilk üç yılında ortaya çıkmakta ve gençliklerinde hakim oldukları dil yeteneğini kaybeden çocuklarda sıklıkla gerileme fazını kapsamaktadır. Otistik bireyler arasında anlamlı ölçüde oldukça farklılıklar bulunmaktadır. Otizmden etkilenmiş çocuklar genel populasyona göre daha sıklıkla yetmezlik (seizure) ve kognitif problemleri vardır, bazıları ciddi şekilde engellidir. Bununla birlikte bazıları normal veya normal üstü zekaya sahiptirler, uygun tedavi aldıklarında başarılı yaşamları olabilmektedir.

62 Şekil 3-1A’da görüldüğü gibi otizm, çok güçlü bir geçiş görülür ki meydana çıkmasına yolaçan genlerin tanınmasını da arttırmaktadır. Williams sendromu genetik olarak basittir, 7q11.23 kromozom bölgesinde heterozigot bir delesyon neden olmaktadır. Bu defektin en basit açıklaması bölgedeki herbir genin iki yerine sadece bir kopyası taşınmasından dolayıdır.

63 Aktarımın kanıtını göstermesi açısından Psikiyatrik hastalıkların Ailesel riski

64 Otizm ile ilişkili bozuklukların davranışsal özellik üzerine kompleks genetik temelinin örneklenmesi
Otizm yaygın bir hastalıktır, bununla birlikte otizm için çok daha nadir olan williams sendromunda olduğu gibi tek genetik lokasyon yoktur. Otizm genetik lezyonun tek bir çeşidiyle meydana gelmediği gibi farklı genetik değişikliklerin bir türünün neden olduğu ilişkili bozuklukların bir sınıfını oluşturur. Bu genetik karmaşıklığı tanıyabilmek otizm ve sosyal iletişimi ve dili etkileyen sendromlara çıkan yollarla sağlanabilir. Klasik otizm semptomları kısmen çok sayıda genetik bozukluklarla üstüste çakışır. Otizm gibi frajil X sendromu çoğunlukla erkek çocuklarını etkiler, hastalar zayıf sosyal kognisyon, yüksek sosyal anksiyete ve tekrarlanan davranışlara sahipler.

65 Bununla birlikte frajil X sendromu belli fiziksel karakterlerle birlikte uzamış yüz yapısı ve dışa çıkık kulaklar gibi daha geniş kognitif kusurlarla ilişkilidir. Frajil X sendromu genetik olarak X kromozomunda tek bir genin ekspresyonunun azalmasına neden olan bir mutasyonla ilişkilidir. Bu gen nöronlarda mRNA’nın proteine translasyonunu regüle etmektedir, ki bu işlem sinaptik plastisite ve öğrenme sırasında regüle edilmektedir. Frajil X sendromunda erkek öncelikli görülme sebebi erkeklerin tek X kromozomu taşımaları ile açıklanmakta böylece ilişkili gende mutasyon olduğunda bütün ekspresyonunu kaybetmektedir. Kadınlar iki adet X kromozomuna sahip olduklarından güçlü şekilde etkilenmedikçe taşıyıcı olabilmektedirler.

66 Diğer otizm benzeri sendrom genetik yapısı anlaşılımış olan Rett sendromudur.
Rett sendromu X’e bağlı yavaş ilerleyen sinir gelişiminde bir bozukluktur ve kadınlarda başlıca mental retardasyona neden olan bir bozukluktur. Rett sendromu gelişmekte olan erkek embriyoda letal olduğu için kadın cinsiyetine sınırlıdır, tek X kromozomunda ortaya çıkar. Huda zoghbi ve ark. bu hastalığın başlıca sebebinin CpG bağlayan protein 2 (MeCP2) geninin metillenmesindeki bir mutasyonun olduğunu buldular.

67 DNA’da spesifik CpG sekuenslerinin metilasyonu yakınındaki genlerin ekspresyonunu değiştirmektedir, ve mRNA transkripsiyonunu düzenleyen bir prosesin kısmı olarak MeCP2’nin metillenmiş DNA’ya bağlandığı düşünülmektedir.

68 Complex Inheritance and Genetic Imprinting in Human Genetics
Mendel kalıtımının anlaşılması her zaman insan genetik hastalıklarının anlaşılmasında yeterli olmamıştır. Örneğin insan gelişimsel bozukluk çalışmalarında, parental imprinting şeklinde adlandırılan olağandışı bir gen düzenlenmesinin önemli etkileri gösterilmiştir. İnsanda bütün kromozomların iki adet kopyası olmasına rağmen bazen bu iki kopyadan sadece bir tanesinden mRNA eksprese edilir, veya ya anneden veya babadan kopya edilir.

69 Angelman ve Prader-Willi sendromları parental imprintingin neden olduğu kompleks geçişli genetik hastalıklara örneklerdir. Bu hastalıkları anlamak için, sadece hastalıkla ilişkili DNA lezyonunu bilmek yetmez ayrıca DNA lezyonunun anneden mi yoksa babadan mı geçtiğini anlamak da gerekir (şekil 3-15). Angelman sendromu kalıtsal bir bozukluk olup ağır mental retardasyon, epilepsi, konuşma absansı, hiperreaktivite ve uygunsuz gülmeleri içine almaktadır. Sendrom 15q11-q13 kromozom bölgesinde bir kopyada çok sayıda gen delesyonu ile sonuçlanmaktadır. Bu bölgede bazı genler sadece maternal kaynaklı kromozomdan ve farklı bir set gen sadece paternal yani baba kaynaklı kromozomdan eksprese edilmektedir. Bu yüzden, çocuk normal kromozomu annesinden alır ve delesyonlu anormal kromozomu babasından alırsa , bu çocuk Angelman sendromu olmayacaktır. Bununla birlikte, babasından normal kromozomu ve anormal kromozomu annesinden aldığında bu çocuk Angelman sendromu olacaktır.

70

71 Angelman sendromunda, bu kromozom bölgesindeki başlıca gen UBE3A genini kodladığı bilinmekte ve genin ürünü olan ubikitin-protein ligaz proteini sadece maternal (anneden) olarak geçen kromozomdan eksprese edilebiliyor. Ubikitin ligaz diğer proteinlerin yapılıp yıkılımını stimule etmektedir. UBE3A’nın önemli bir hedefi de genel beyin plastisitesini düzenlediği belki de nörotransmiter reseptörlerinin aktivitesini düzenleyerek gerçekleştiği düşünülmektedir.

72 Multigenik Özellikler: Birçok Nadir hastalık veya az sayıda bilinen varyantlar
Jenerasyonlar arasında gen lokusları arasındaki bağlantının izlenmesinde genetik haritalama metodları tek-gen özelliğinde olanlarda etkili bir yöntemdir (kutu 3-4). Bununla birlikte genetik hastalıklar insanda, çevrenin genetik yapıyla birbirlerini karşılıklı etkilemesi ve çoklu-genlerin dahil olmasından dolayı tek-gen özelliği ile bu geçişlerin takibinde mümkün olmayabiliyor. Diyabet, Koroner arter hastalığı, astım ve şizofreni, otizm ve depreyon bu gruba girmektedirler.

73 Tek-lokus Mendel özelliğinin tersine, multigenik özellikli olanlar basit geçiş paternine sahip değiller (otozomal dominant, resesif ve X-bağlantılı). Bununla beraber, hastalığın tedavi edilmesinde, dikkat edilmesi gerekenlerin derinlemesine karmaşık yapıda kompleks insan özelliklerine hangi genlerin katkısının olduğunun belirlenmesi ve bu alanda yoğun çalışmaların yapılmasını gerektirir. Kompleks psikiyatrik hastalıkların anlayabilmek için çeşitli geçiş modellerini ayırt etmek önemlidir.

74 Monogenik modele göre, populasyonda birçok gen hastalığa katkıda bulunmaktadır, fakat herbir gen mutasyonu tek başına seyrek ama kuvvetli etkiye sahiptir. Rett sendromunda MeCP2 mutasyonu ve frajil X mutasyonlarının herbiri otizmle ilişkili hastalıkları olan çocukların %1-2’sinden sorumludur. Nadir monogenik modelde, diğer 100 mutasyon herbiri kendi başına seyrek olup otizme neden olabilmektedir. Poligenik modelde ise yaygın mutasyonların az sayıda olması ki, herbiri risk üzerine sadece düşük etkisi vardır, Hep birlikte birbirleriyle ilişkide bulunarak hastalığa neden olurlar.

75 Kutu 3-4: Genetik Polimorfizm ve Bağlantı Haritalanması
İnsanları etkileyen genlerin bulunmasında en yaygın strateji bağlantı analizidir. Bu yöntemin avantajı iki rastlantısal bireyde genomlarında farklı birçok pozisyonda kendi DNA sekuenslerine sahip olmalarıdır. Sekuens varyantlar DNA polimofizmleri olarak adlandırılır, genellikle fonksiyonel olarak nötraldirler, Bu varyantlarda başlıca kesim değişiklikleri tek nükleotid polimofizmleri olarak isimlendirilirler. DNA polimorfizmleri çeşitli metotlarla izlenebilmektedir, genellikle bireyin DNA’sından spesifik bölgelerin çoğaltılması ve o bölgelerin dizilerinin incelenmesidir. Bağlantı haritalanmasında , ayrışım farklı birçok DNA polimorfizminde aynı ailede genetik özelliklerle koreledir.

76

77 Bir mutant genle bağlantılı olan bir DNA göstergesi (markır) neredeyse her zaman mutant genle birlikte geçiş yapar, Halbuki DNA markırı ve mutant gen şans eseri bağlantılı olmayabilir. Örneğin farklı kromozomlarda bağlantılı olmayan iki lokusun birlikte geçmesi olasılığı kardeşler arasında (kardeş sayısı=n) 1/22 dir.

78 Bu son model bazen “yaygın varyant-yaygın hastalık” hipotezi şeklinde adlandırılmaktadır.
Bazı mutasyonlar, Otistik hastalarda Neuroxin ve Neuroglin şeklinde adlandırılan transmembran sinyal ileti proteinlerini etkiler, bu şekilde sinapsın dayanıklılığı, gücünü etkiler. Bu ve diğer genetik sonuçlar otizmde sinaptik iletide rol alan göze çarpmayan gizli kalmış değişiklikler olduğunu düşündürmektedir. Karmaşık ve ayrıntılı genetik analizler yapılarak otizm için genomda birçok lokasyonun olmasının riski arttırmış olduğu düşünülmektedir. Bu lokasyonlardan bazıları nadir monogenik yüksek-risk varyantlarıdır ve diğerleri daha yaygın düşük-risk varyantlarıdır.

79 Michael Wiglerin grubu otizmin genetik temelini anlamayı araştırırken dikkate değer bir durumu ortaya çıkarmışlar, Mutasyonların otizmle ilişkili bir fraksiyonun gerçekte ailelerden birinden geçmediği ile ilişkili olduğunu, Bunların fertilizasyondan önce sperm veya yumurtada ortaya çıkan yeni mutasyonların otistik çocukta olduğunu, Fertilizasyondan sonra ayrılan İdentik monozigotik ikizlerde her ikisinde geçişin klasik tanıma uygun özelliklere sahip oldukları görülür. Diğer taraftan, mutasyon bir kez ortaya çıktığında etkilenmiş çocuk bu özelliği kendi çocuğuna geçirebilmektedir, dolayısıyle gerçekten geçişi olan özelliktedir. Bununla birlikte, klasik genetik bağlantı çalışmaları birçok jenerasyonlar arasında var olan kalıtsal özellikte neredeyse hastalığa neden olan mutasyonların olduğu varsayımına dayanmaktadır.

80 Yeni teknikler örneğin beyin görüntüleme teknikleri gibi yöntemlerin kullanılması, spesifik mutasyonların sebep olduğu klinik sendromlara yolaçan anatomik yerinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir.