MENDEL GENETİĞİ

Binlerce yıldan beri biyolojik özelliklerin kalıtımı bilindiği halde, bu konuyla ilgili mekanizmaların ilk olarak kavranması, bir buçuk asır öncesine rastlamaktadır. 1866 yılında Mendel genetik disiplininin temelini aydınlatan bir seri deneyin sonuçlarını yayınlamıştır. 20. yüzyılın başından itibaren gen kavramının açık bir biçimde kalıtım birimi olduğu kabul edilmiş ve genlerin bir sonraki kuşağa aktarım yolları ve kontrol özellikleri aydınlatılmıştır.

Mendel Pisum sativum (bezelye) ile kalıtım çalışmalarına başladığında kromozomların yada mayozun rolü hakkında hiçbir bilgi yoktu. Yine de Mendel belirgin kalıtım birimlerinin varlığını saptayabildi. Daha sonraki araştırmacılar sitolojik verilerden yararlanarak kromozomların mayoz sırasındaki davranışları ile Mendel’in kalıtım prensipleri arasında bir bağlantı kurabildiler. Bu bağlantı kurulduktan sonra Mendel’in önermeleri Mendel genetiği olarak bilinen çalışmanın temeli olarak kabul edilmiştir.

1856’da Mendel bezelyelerle olan hibridizasyon çalışmalarının ilk serisini gerçekleştirdi. Öncelikle yetiştirilmesi ve yapay olarak hibritleştirilmesi kolay olan bir organizmayı yani bezelyeleri seçmiştir. Bezelye bitkisi doğada kendi kendine döllenebilir, aynı zamanda deneysel olarak da çapraz üretimi kolaydır. Çok iyi ürer ve bir mevsimde olgunluğa erişir. Mendel izlemek üzere 7 görülebilir özelliği seçmiştir. Örneğin gövde yüksekliği için uzun ve bodur özellikleriyle çalışmıştır.

Mendel’in yapmış olduğu en basit deneyler sadece bir çift zıt karakterle ilgiliydi. Bunlar Monohibrit çaprazı olarak isimlendirilmektedir. Genetik bir çaprazda orijinal ebeveynler P1 yada atasal nesil olarak bunların yavruları ise F1 yada birinci yavru birey nesli olarak adlandırılır. Eğer F1 neslinin bireyleri kendi kendilerini döllerse yada kendi aralarında döllenirse bunların yavruları F2 yada ikinci yavru birey nesli olarak adlandırılır.

Genetik veriler genellikle oranlar halinde ifade edilir ve incelenir. Mendel uzun ve bodur bitkiler arasında yapmış olduğu çaprazlamalarda ; F1 bitkilerinin tümünün uzun F2’de oluşan 1064 bitkinin ise 787’sinin uzun 277’sinin bodur olduğunu görmüştür. Bu oran yaklaşık 3:1 oranına denk gelmektedir.

Mendel’in yapmış olduğu Monohibrit çaprazlamalar eşeye bağlı olmadığı için polen ya da yumurta hücresi olarak hangi ebeveynin işlev gördüğü önemli değildi. Yani çaprazlamalarda uzun bitkinin polenin ya da yumurta hücresinin ayrı ayrı kullanılması söz konusu olabilir. Bu tür çaprazlamalara resiprokal çaprazlamalar denir.

Mendel’in ilk üç önermesi Genetik karakterler her bir organizmada çiftler halinde bulunan birim faktörler tarafından kontrol edilmektedir. Birim faktörlerden biri diğerine baskındır, diğeri ise çekiniktir. Gamet oluşumu sırasında çiftler halinde bulunan birim faktörler rastgele ayrılırlar ve her bir gamet bunlardan birini ya da diğerini eşit olasılıkla alır.

Terminoloji Bir özelliğin fiziksel ifadesine fenotip denir. Mendel’in kalıtım birimlerini temsil eden birim faktörleri günümüz genetiğinde gen olarak isimlendirilmektedir. Bitkinin yüksekliği gibi herhangi bir karakter için fenotip, tek bir genin allel adı verilen alternatif formlarının farklı kombinasyonları tarafından saptanır. Örneğin uzun yada bodur olma özelliği bezelye bitkisinin boyunu saptayan allellerdir.

Genlerin belirlenmesi için bazı semboller kullanılmaktadır Genlerin belirlenmesi için bazı semboller kullanılmaktadır. Bu kabullenmeye göre resesif (çekinik) özelliği belirtmek üzere bir küçük harf seçilir, bu harfin büyüğü ise dominat alleli gösterir. Bu alleller herhangi bir bireyde iki birim faktörünün bulunduğunu belirtmek üzere çiftler halinde yazıldıklarında (DD, Dd, dd gibi) bu semboller genotip olarak ifade edilir. Baskınlık yada çekiniklik prensibini izleyerek bireyin genotipinden fenotipini söyleyebiliriz. Genotipi aynı alleller oluşturduklarında (DD ya da dd) birey için homozigot, farklı olduğunda ise heterozigot terimleri kullanılır (Dd).

Punnett Kareleri Döllenme sonucu gametlerin rekombinasyonu sonucu oluşan genotip ve fenotipler Punnett karesi oluşturularak kolayca göz önünde canlandırılabilir. Dikey sütun dişi ebeveynin gametlerini yatay sütun ise erkek ebeveynin gametlerini göstermektedir. Bu işlem rasgele döllenme olaylarının bütün olasılıklarını ortaya koyar.

Test Çaprazı (Bir Karakterli) Baskın fenotipli fakat genotipi bilinmeyen bir organizma homozigot çekinik bir birey ile çaprazlanırsa elde edilen sonuca göre genotipi bilinmeyen bireyin genotipinin belirlenmesi mümkün olur. Uzun fenotipli bir bitki bodur fenotipli bir bitki ile çaprazlanırsa ve elde edilen bireylerin tamamı uzun olursa uzun fenotipli bitkinin homozigot dominant genotipe sahip olduğu gözlenir.

Dihibrit Çaprazı Birbirine zıt iki özelliği içeren çaprazlama dihibrit çaprazı olarak isimlendirilir. Örneğin tohumları sarı ve aynı zamanda düz olan bezelyeler, yeşil ve buruşuk tohumlu bezelyeler ile döllendiklerinde 9:3:3:1 şeklinde bir oran elde edilecektir

Bağımsız Açılım Eğer yukarıda verilen dihibrit çaprazını teorik olarak iki ayrı monohibrit çaprazlama olarak düşünürsek herhangi bir bitkinin sarı yada yeşil tohumlu olma şansı, bu bitkinin düz yada buruşuk tohumlu olma şansından asla etkilenmez. Birbirine zıt özelliğin iki çifti birbirinden bağımsız olarak kalıtlandığı için bütün olası F2 fenotiplerinin frekanslarını olasılıkların çarpım kanunu uygulayarak tahmin edebiliriz.

Birbirinden bağımsız iki olay birlikte cereyan ettiğinde iki sonucun birleştirilmiş olasılığı bunların ayrı ayrı görülme olasılıklarının çarpımına eşittir. Örneğin sarı ve düz tohumlu bir F2 bitkisinin olasılığı (3/4)x(3/4)=9/16 olur. Gamet oluşumu sırasında birim faktörlerin birbirinden ayrılan çiftleri birbirlerinden bağımsız olarak dağılırlar.

Dihibrit Test Çaprazı Test çaprazı iki baskın özelliği ifade eden fakat genotipleri bilinmeyen bireylere de uygulanabilir. Eğer dihibrit dominant birey resesif bireyle çaprazlandığında bütün yavrular dominant özelliği taşıyorsa ebeveyn homozigot dominanttır.

GGWW (Sarı düz) X ggww (yeşil buruşuk) F1: GgWw (Sarı düz) F1 de bütün bireyler sarı düz olmuştur. O zaman genotipi bilinmeyen ebeveyn homozigot dominanttır.

Eğer ebeveyn heterozigot ise, GgWw (Sarı düz) X ggww (yeşil buruşuk) F1: GgWw (Sarı düz) ggWw (Yeşil düz) Ggww (Sarı buruşuk) ggww (Yeşil buruşuk) Oran= 1:1:1:1’ dir. O halde oran bu şekilde çıkarsa ebeveyn her iki özellik için de heterozigottur.

Eğer ebeveyn iki özellikten biri için heterozigot ise şöyle bir sonuç elde edilir: GGWw (Sarı düz ) X ggww (yeşil buruşuk) F1: GgWw (sarı düz) 1/2 Ggww (sarı buruşuk) 1/2 Oran 1/2:1/2 çıkıyorsa genotipi bilinmeyen ebeveyn farklı çıkan özellik için (burada düz veya buruşuk olması) heterozigottur.

Trihibit çaprazı Şu ana kadar birbirine zıt iki çift özelliğin kalıtımını inceledik. Ayrılma ve bağımsız açılımla ilgili yöntemler, birbirinin zıttı olan üç çift özelliğe de uygulanabilir. Bu duruma trihibrit çaprazı ya da üç-faktörlü çapraz adı verilir (şekil 3.9).

Örneğin teorik olarak birbirine zıt özellikler gösteren gen çiftleri A/a, B/b, C/c şeklinde sembolize edilmiştir. AABBCC ve aabbcc bireyleri arasındaki çaprazda bütün F1 bireyleri, üç gen çiftinin tümü için heterozigottur. Genotipleri AaBbCc olan bireylerde, baskın A, B ve C özelliklerinin fenotipik ifadesi görülecektir. F1 bireyleri ebeveyn olduklarında, her biri eşit frekansta 8 farklı gamet oluştururlar. Bu noktada, 64 ayrı kutulu bir Punnett karesi oluşturabiliriz ve fenotipleri okuyabiliriz.

Çok faktörü içeren bir çaprazda böyle bir metot sıkıcı olacağından, bir başka yaklaşım olan çatallı-hat (forked-line) yöntemi (Dallanma diyagramı), tahmin edilen oranları hesaplamak için kullanılır.

Çatallı-Hat (Forked-Line) Yöntemi yada Dallanma Diyagramı

Bu yöntemde her bir gen çiftinin, gamet oluşumu sırasında bağımsız davrandığı varsayılır. AA x aa monohibrit çaprazı yapıldığında şunları bilmekteyiz: F1 bireylerinin tümü Aa genotiplidir ve A aleli ile gösterilen fenotipi ifade ederler. F2 nesli, ya A yada a fenotipini 3:1 oranında gösteren bireylerden oluşur.

Aynı genellemeyi BB x bb ve CC x cc çaprazlarına uyguladığımızda; F2 neslinde bütün organizmaların 3/4'ü A fenotipini, 3/4'ü B fenotipini ve 3/4'ü de C fenotipini ifade edecektir. Benzer biçimde bütün organizmaların 1/4'i a fenotipini, 1/4'i b fenotipini ve 1/4'i de c fenotipini ifade edecektir.

Her bir fenotipe ait oranlar, gamet oluşumu sırasında bu 3 gen çiftinin bağımsız açılımını izleyen döllenmenin rastgele bir işlem olduğu varsayılarak önceden tahmin edilebilir.

Çatallama metodu kullanılarak trihibrit oranları (27:9:9:9:3:3:3:1) bulunur. Aynı metot herhangi bir sayıdaki gen çiftini içeren çaprazların çözümü için de uygulanabilir. Ancak burada bütün gen çiftlerinin birbirinden bağımsız olarak açılımı şarttır.

İki ya da daha fazla gen çiftini içeren çaprazlarda gametlerin ve genotipik ve fenotipik sonuçların hesaplanması oldukça karmaşıktır. Birkaç basit matematik kuralı genetik problemlerle uğraşırken gerekli olan çeşitli basamakların doğruluğunu kontrol etme konusunda yardımcı olur. Öncelikle çaprazdaki heterozigot gen çiftlerinin sayısı(n) saptanmalıdır.

Örneğin; AaBb x AaBb n=2 olan bir çaprazı; AaBbCc x AaBbCc çaprazı n=3 olan bir çaprazı; AaBBCcDd x AaBBCcDd çaprazı ise yine n=3 olan bir çaprazı göstermektedir. Çünkü en son örnekte B genleri heterozigot değildir. Öncelikle n saptandıktan sonra 2n her bir ebeveyn tarafından oluşturulabilecek farklı gamet sayısını verir. 3n bundan sonraki döllenme sonucu oluşan farklı genotip sayısını; 2n ise bu genotiplerden oluşturulan farklı fenotip sayısını verir.

Mendel’in 1856’da başlayan çalışmaları ertesi yıl yayınlandıktan sonra, 35 yıl kadar uzun bir süre dikkatten kaçmıştır. Bunun nedeni Mendel’in çıkardığı sonuçların organizmalar arasındaki çeşitliliğin kaynağı ile ilgili mevcut hipotezlere uymamasıydı. Evrim teorisinin etkisinde olan kişiler sürekli çeşitlenmeye (continuous variation) yani yavruların, kendi ebeveynlerinin fenotiplerinin bir karışımı olduğuna inanmışlardı.

Bunun tersine Mendel, kalıtımın, sürekli olmayan çeşitlenme (discontinuous variation) ile sonuçlanan bir olay olduğunu ve farklı ya da özel birimler nedeniyle gerçekleştiğini öne sürmüştü. Örneğin, bir dihibrit çaprazının F2 yavruları, sadece daha önce varolan birim faktörlerin yeni kombinasyonları ile oluşturulan özellikleri ifade etmekteydi.

19. yüzyılın sonunda Mendel’in çalışmaları yeniden gündeme geldi 19. yüzyılın sonunda Mendel’in çalışmaları yeniden gündeme geldi. Bu Walter Flemming’in 1879’da kromozomları keşfetmesiyle başladı. Daha sonraları Mendel’inkilere benzer hibridizasyon (melezleme) çalışmaları birbirinden bağımsız olarak üç botanikçi tarafından gerçekleştirilmiştir. Bundan sonrada Mendel’in birim faktörlerinden yola çıkılarak kalıtımın kromozomal teorisi ortaya konulmaya başlamıştır.

Birim Faktörler, Genler ve Homolog Kromozomlar Her bir tür, kendi somatik hücre çekirdeğinde belirli sayıda kromozom içermektedir. Diploit organizmalar için bu sayı diploit sayı (2n) olarak isimlendirilir ve bu türe özgüdür. Gamet oluşumu sırasında bu sayı tam olarak yarılanır (n) ve döllenme sırasında iki gamet birleştiğinde diploit sayı tekrar oluşturulur. Bununla birlikte mayoz sırasında kromozom sayısı gelişigüzel olarak yarıya indirgenmez .

Kromozomların diploit sayısı, morfolojik görünüm ve davranışları bakımından birbirlerinden ayırt edilebilen homolog çiftlerden oluşmuştur. Gamet her bir çiftten bir üye içermektedir. Dolayısıyla bir gametin kromozom eşleniği oldukça özgüldür ve her bir gametteki kromozom sayısı haploit sayıya eşittir.

Mendelin üç önermesine ve bunların her birinin kromozomal açıklamasına bakıldığında; birim faktörler, homolog kromozom çiftleri üzerinde yerleşmiş olan genlerdir. Her bir homolog çiftinin üyeleri gamet oluşumu sırasında ayrılır. İki farklı dizilim olasıdır. Bağımsız açılım prensibini göstermek için herhangi bir homolog kromozom çiftinin üyelerini ayırdetmek önemlidir. Her çiftteki üyelerden biri anneden, diğeri babadan gelmektedir. Homologlar gamet oluşumu sırasında birbirinden bağımsız olarak ayrılır.

Her bir gamet her bir çiftten bir kromozom alır Her bir gamet her bir çiftten bir kromozom alır. Bütün olası kombinasyonlar oluşturulur. Mendelin birim faktör çiftlerinin bağımsız davranışı, onların farklı homolog kromozom çiftleri üzerinde olduğu gerçeğinden kaynaklanmıştır.

Organizmaların fenotipik farklılıklarının gözlemlerinden dolayı genlerin kromozomlardan daha fazla olduğunu varsaymak mantıklı gelmektedir. Bu nedenle her bir homolog, bir özellikten daha fazla genetik bilgi taşımalıdır. Şuan kabul edilen görüş, bir kromozomun doğrusal olarak dizilmiş bilgi içeren ve gen adı verilen çok sayıda birimlerden oluştuğudur. Mendelin birim faktörleri gerçekte bir çift homolog kromozom üzerinde yerleşmiş olan bir çift geni oluşturmaktadır.

Herhangi bir genin kromozom üzerinde yerleştiği bölge lokus olarak adlandırılır. Belirli bir genin allelleri olarak adlandırılan farklı formlar aynı (G yada g) karakteri (tohum rengi) tanımlayan biraz farklı genetik bilgiyi (yeşil yada sarı) içerir. Alleller aynı genin farklı formlarıdır.

İki kromozomun, homolog bir çift olarak sınıflandırılması için gerekli kriterler: Mitoz ve mayoz sırasında homolog bir çiftin her iki üyesi aynı boyuttadır ve aynı sentromer yerleşimi gösterirler. Mayozun erken evrelerinde homolog kromozomlar bir araya gelerek eşleşir (sinapsis). Mikroskobik olarak görülmemelerine rağmen homolog kromozomlar, doğrusal olarak dizilmiş özdeş gen bölgelerine sahiptir.