Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı HÜCRE BÖLÜNMESİ Prof.Dr. Davut ALPTEKİN Ç.Ü. Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı ADANA

KROMOZOMLAR Yüksek yapılı canlılardaki her somatik hücre bir takım annenin özelliklerini taşıyan anasal (maternal) kromozom ve bir takımda babanın özelliklerini taşıyan babasal (paternal) kromozoma sahiptir. Bu iki takım kromozomların sayısı diploit (2n) olarak adlandırılır. Cinsiyet hücreleri ya da gametler vücut hücrelerinde bulunan kromozom sayısının yarısına sahiptir ve haploit (n) hücre olarak tanımlanır. Genom ise bir türün diploit kromozom takımıdır (bitki hücrelerindeki plastidler ile mitokondri DNA’sı dahil). Her vücut hücresindeki kromozom sayısı o canlının bütün organlarındaki hücrelerinde aynıdır (cinsiyet hücreleri hariç). Örneğin; insan vücut hücreleri 46, keçi 60, bezelye 14, Meyve sineği (Drosophila) 8 kromozoma sahiptir.

Hücre bölünmesindeki kromozom yapısı

Mitoz Bölünme

MİTOZ BÖLÜNMESİ Çok hücreli canlılarda bütün vücut (somatik) hücreleri bir ana hücreden yani zigottan türerler. Yani mitoz bölünme ile çoğalırlar. Mitoz mayalar gibi canlılarda nükleus zarı parçalanmadan gerçekleşir ve kapalı mitoz adını alır. Yüksek yapılı canlılarda ise nükleus zarı kaybolarak açık mitoz halinde gerçekleşir. Mitozun temel görevi her kromozomun kopyasını yapmak ve sonra dağıtmak olup ana hücrenin bölünmesiyle iki yavru hücrenin her birine birbirinin aynısı olan kromozomları vermektir. Mitotik hücre bölünmesi tüm embriyonik dokularda vardır. Çünkü mitoz bölünme dokuların hem oluşması hem de devamı için zorunludur.

Hücre döngüsünde, Mitoz bölünme 20-60 dakika arasında olmasına rağmen, DNA replikasyonu 6-9 saat sürmektedir. Bir hücrenin iki yeni hücre oluşturması ise ancak 24 saatte tamamlanabilmektedir. Bir hücre bölündükten sonra interfaz evresine girer. Aslında interfaz bir bölünme evresidir. Hücre mitoz'a başladığı zaman her bir DNA molekülü replikasyon ile tam bir kopyasını çıkarır. Bu kopya işlemi sonunda bir kromozom sentromerlerinden bağlı kromatit denen iki işlevsel dal oluşturur. Bu dallar birbirin aynısıdır. Bu dönemde kromozomlar iyice açılmıştır ve ışık mikroskobunda yalnızca kromatin parçacıkları olarak gözükür ve hücre mitoz bölünmeye hazırlanmaktadır.

Hücre Döngüsü

İnterfaz evresini tamamlayan bir hücre ökaryotlarda yaklaşık 1 saat olan mitoza girebilir. Mitoz esnasında kromozomlar belirginleşerek nükleer zarf yırtılır. Mitotik ipliği oluşturmak üzere hücre iskeleti harekete geçer. Hayvan hücrelerinde sentriollerden bitki hücrelerinde ise polar kep’den (mikrotübül organizasyon merkezi) iğ iplikleri oluşmaya başlar. Mitoz: Profaz, Metafaz, Anafaz ve Telofaz evrelerinden oluşur

Profaz: Kromatin ağı kıvrılarak kangallaşır, kalınlaşır ve proteinin matriks içine emilmesi sonucu ışık mikroskobunda görülmeye başlar. Çekirdek zarı ve çekirdekçik kaybolur. Profazın sonuna doğru birbirlerine sentromerlerinden (kinetokoru oluşturacak olan proteinlerin bağlandığı DNA dizisi) tutulu vaziyette yavru kromatitler görülmeye başlar. Sentromer üzerindeki kinetokor; iğ ipliklerinin (kinetokor mikrotübüllerin) bağlanma yeridir.

Her kromatit hücre döngüsünün S fazında kopyası çıkarılan bir DNA’dan ibarettir. Hayvan hücrelerinde mikrotübül organizasyon merkezinin içerisinde bulunan sentrioller ikiye bölünerek hücrenin iki kutbuna çekilmeye başlar. Bu arada sentrioller arasındaki mikrotübüllere iğ (mekik) iplikleri, kutuplara uzanan mikrotübüllere de astral iplikleri denir. İğ ipliklerinden kinetokora bağlananlara kinetokor veya sentromerik, arada boşta olanlara da polar iplikler denir. Profaz; nukleus zarı kaybolduğu an biter ve metafaz başlar.

Metafaz: Sentrozomlar iki kutba tam olarak yerleşir. Aralarında iğ iplikleri oluşur. Kromozomların boyları tam olarak kısalır ve sentromerlerindeki kinetokor proteinlere bağlı iğ ipliklerine tutunarak kutuplara çekilmeye başlarlar ancak hala kromozomlar kollarından birbirlerine bağlı gergin vaziyettedirler. Bu şekilde ekvatorial düzlemde yerleşmişlerdir. Bu halindeki yapıya metafaz plağı da denir.

Anafaz: Anafaz başladığında kardeş kromatitler birbirinden ayrılırlar ve kutuplara çekilmeye başlarlar. Bu ayrılmadan sonra kardeş kromatitler artık kromozom olarak ifade edilirler. Kromozomlar sentromerlerine iğ iplikleri ile tutulup kutuplara çekildiği için sentromer önde kromozomların kolları geride bir "V" harfi gibi gözükürler. Anafaz sonunda kromozomlar kutuplara tamamen çekilirler.

Telofaz: Bu evrede olaylar profazın tamamen tersi yönündedir. Kromozomlar yavaş yavaş çözünür ve kromatin iplikleri haline dönüşür. Nukleus zarı ve nukleolus yeniden oluşur.

Sitokinezis: Bu evre genelde anafazın sonuna doğru başlar. Çekirdek ve sitoplazma bölünmesini uyum içinde götüren MPF’ün inaktivasyonu ile sitokinezis gerçekleşir. Sitokinezis hayvan hücrelerinde plazma zarının hemen altındaki aktin ve miyozin II mikrofilamentler tarafından oluşturulan kontraktil halka ile gerçekleşir. Bu flamentlerin kasılması ile ekvatoriyel düzlemde halka oluşur ve bölünerek iki yeni hücre oluşur.

Bitki hücrelerinde ise plazma zarını oluşturacak olan golgi vezikülleri telofaz evresinden itibaren polar mikrotübüllerle hücrenin ortasına taşınırlar. Burada veziküller kaynaşarak hücre plağını oluşturur. Plak içeriden dışarıya doğru uzayarak ortada hücre duvarı iki yanında plazma zarı oluşacak şekilde gelişerek iki yavru hücreyi birbirinden ayırır. Böylece birbiri ile aynı genetik yapıya sahip iki yeni hücre oluşur.

Mitozda MPF’ün Görevleri Mitoz bölünme ile hücrede birtakım olaylar başlar ve biter. Bu olaylar MPF’ün aktivasyonu ile başlar. MPF sadece hücrenin mitoza girmesini değil aynı zamanda bölünme anında diğer yapısal proteinleri aktive ederek nükleer ve sitoplazmik değişimleri de başlatır. MPF’ün mitozdaki rolünü 4 grupta toplayabiliriz.

MPF (Mitoz Başlatıcı Faktör)

1.Kromatin Yoğunlaşması Bölünme anında kromatin halindeki DNA yoğunlaşarak kromozom haline gelir. Aksi halde iğ iplikleri ile dağılım düzenli olmaz. Metafaz kromozom interfazdaki kromatinin 1000 kez katlanarak oluşturduğu yapıdır. Bu katlanma kondensin proteini ile sağlanır ve transkripsiyon durur. Hücre mitoza girince kondensin Cdk 1 tarafından fosforlanarak DNA’yı sarar ve kompakt haline çevirir. Ayrıca histonlarında fosforlanması bu olaya yardımcı olur. Kohezin proteini ise kromatin yoğunlaşması esnasında kardeş kromatitlerin arasını doldurarak kromatitlerin birbirine yapışmasını engeller. Kohezinler profazın sonuna doğru kromatitlerin uçlarından sentromere doğru çekilerek kromatitlerin yoğunlaşmasına engel olmaz.

2. Nukleer Zarfın Yıkımı Profazda nukleer zarfın dağılması mitoz için önemlidir. Dağılma iç zarın üzerinde bulunan A,B,C laminlerin MPF kompleksinde bulunan Cdk 1 tarafından fosforlanması ile olur. Fosforlanan lamin tabakası lamin dimerlerine ayrılarak dağılır. Fosforilasyon ile zar proteinleri ve por kompleksi parçalanır. Zar küçük veziküllere bölünür. Lamin B veziküllere bağlı kalırken, Lamin A ve C sitoplazmada serbest kalır. Nükleer zarf telofazda veziküllerin yeniden birleşmesi ile oluşmaya başlar, bu oluşuma ER’dan yeniden sentezde katılır.

3. ER ve Golgi Cisminin Düzenlenmesi Endoplazmik retikulum ve golgi cismi de hücre bölünmesi esnasında MPF’ün etkisi ile küçük veziküllere ayrıldığı ve oluşan yeni hücrelere eşitçe dağıldıktan sonra sitokinezden sonra yeni hücrelerde yeniden oluştuğu düşünülmektedir. Ancak moleküler mekanizma tam olarak bilinmemektedir.

4. Hücre İskeletinin Düzenlenmesi ve Mitotik iğ İpliği Oluşumu Hücre bölünmesi başlayınca mikrotübüllerle ilişkili proteinlerin MPF tarafından fosforlanması ile hücre iskeletini oluşturan mikrotübüller hızla çöker. Buna ilaveten sentrozomlar arasında çok sayıda daha kalın ve kısa yeni mikrotübüller oluşur. Çekirdek zarının kaybolması ile oluşan bazı mikrotübüller (kinetokor mikrotübüller) kinetokorlara tutunur. Mikrotübüllerin sentrozoma bağlı uçları negatif, serbest uçları ise pozitif yüklüdür.

Kromozomların kutuplara çekilmesi negatif yönlü motor proteinler (dynein) sayesinde olur. Bu çekilmeye mikrutübülleri oluşturan alt birimlerin fosforlanarak dağılması ile gerçekleşir. Hücrenin sabit kalmasını ve uzamasını ise polar mikrotübüllerin pozitif yüklü olması nedeniyle karşılıklı birbirini iten ve kinezin ailesinin pozitif yöne hareket edebilen ve sentrozomların kutuplarda kalmasını sağlayan proteinlerle olur. Sentrozomların ayrıca sabit kalmasını sağlayan ikinci olay astral mikrotübüllerle zara doğru çekilmesi ile olur.

5. MPF Kompleksinin İnaktivasyonu Hücre bölünmesi metafazdan anafaza geçiş ile devam eder ve tamamlanır. Ancak anafazdan telofaza geçişte ubiquitin proteolizis sistemi uyarılarak siklin-B parçalanır. Cdk 1 inaktif hale gelince mitozun başlangıcında fosforile olan proteinler defosforile olur. Hücre bölünmesi tamamlanarak interfaz evresine yeniden girer.

İnsan vücudunda mitotik bölünme sıklığı Embriyonik dönemde hızla artan mitotik bölünme gelişimin ileriki evrelerinde bazı hücrelerde değişir. Hücrelerin çoğu Go evresine girerek hücre bölünmesi durur. İnsan vücudunda yaklaşık 200 farklı hücre vardır. Bu hücreler üç ana gruba ayrılır. Bölünmeyi tamamlamış mitoz bölünme geçirmeyen hücreler. Bu hücreler yaşam boyu kullanılır. Ör. Kalp kası hücreleri, nöron hücreleri gibi. Hücrelerin bir kısmı Go evresinde beklerler. Bir sinyal geldiği zaman bölünürler. Ör. Bağ dokusu hücreleri, karaciğer, pankreas, akciğer, böbrek, düz kas, damar endotel hücreleri gibi. Bazı hücreler ise sürekli bölünür. Bunlar deri ve barsak epitel hücreleri, kemik iliği hücreleridir. Bu gruptaki hücreler farklılaştığı için kendileri bölünemezler. Bunlardan deri ve barsak kök hücrelerinden, kan hücreleri kemik iliği kök hücrelerinden yeniden oluşturulurlar.