Sunuyu indir
Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz
1
ÖKARYOTİK GENOMUN YAPISI VE DÜZENİ
Temel Genetik Dersi ÖKARYOTİK GENOMUN YAPISI VE DÜZENİ Prof.Dr. Selma YILMAZER Tıbbi Biyoloji AD
2
1944 Avery ve ark. Genetik materyal; DNA (bakteri).
Nesilden nesile geçen Türün özeliklerini belirleyen 1953 Watson ve Crick DNA yapısı Çift sarmal yapıda makromolekül 1956 İnsanda kromozom sayısı; 46 1958 DNA replikasyonu
4
Yıl 2000 İnsan DNA dizilemesi tamamlandı!! (yaklaşık….) (3x109 bç)
5
1961 Genetik bilgi nükleotidler dizisi şeklinde şifrelenir (3’lü kodonlar)
genetik şifre (64 Triplet kodon) 1970 Restriksiyon enzimleri 1972 Rekombinant DNA teknolojisi 1974 Kromatin yapısı, nukleozom (Körnberg) 1977 İntronların keşfi (Sharp ve Roberts) DNA dizi analizi yöntemleri (Sanger, Maxam ve Gilbert) 1981 Mitokondrial genom dizi analizi 1985 Polimeraz zincir reaksiyonu (Mullis ve ark) 1986 İnsan genlerinin klonlanması 1988 İnsan genom projesinin başlaması 2001 İnsan genomu taslak dizisi yayınlandı 2003 İnsan genom dizisi tamamlandı
6
Genom Bir organizmanın her bir hücresinde bulunan genetik bilginin tamamı İnsan genomu: 46 adet doğrusal DNA molekülü Toplam uzunluğu: ~2 metre 3 milyar baz çifti
7
Ökaryotik Genom Çok sayıda uzun ve doğrusal DNA molekülünden oluşur.
Esas olarak nukleusta yerleşmiştir.(Nuklear genom) Ayrıca organel genomları da vardır (Mitokondrial genom, Kloroplast genomu)
8
İnsan genomunu oluşturan nüklear ve mitokondrial genom bileşenleri
9
Hücre Gen Nukleus Kromozom
11
DNA 2 polinukleotid zincirinden oluşan ikili sarmal yapı;20nm çapta
5 karbonlu Şeker (deoksiriboz) + Fosfat + Organik baz (Purin ;A,G veya Pirimidin;C;T Nukleotid zinciri bir şekerin hidroksil grubu diğerinin fosfat grubuna (fosfodiester köprü) bağlanarak oluşur. Zincirin bir ucunda serbest 5’ trifosfat grubu, diğer ucunda serbest 3’ hidroksil grubu bulunur Şeker + fosfat= omurgayı oluşturur. Bazlar içerde yerleşmiş A=T ,C=G
12
DNA nın yapı taşları
13
C ve T pirimidin A ve G C ve T Primidin bazları A ve G Purin bazları
C=G, A=T C ve T pirimidin A ve G
14
DNA İki zincir bazlar arasındaki hidrojen bağları ile bağlanır;
A ile T arasında 2 hidrojen bağı C ile G arasında 3 hidrojen bağı bulunur. Bazlar birbirinden 3.4 A° uzaklıkta İki zincir ters yönlü paraleldir (antiparalel) 5’-3’ 3’-5’ Tamamlayıcı zincirlerden oluşur Sağ dönümlü sarmal B formu (Orijinal form) Büyük ve küçük çukur lar içerir
16
DNA ikili sarmal yapısı
DNA ikili sarmal yapısı. İkili sarmalin dış kısmında büyük ve küçük oluklar görülmektedir.Yapısındaki atomlar farklı renklerde gösterilmiştir.Karbon atomları: koyu mavi Nitrojen:açık mavi Hidrojen: beyaz, Oksijen:kırmızı, Fosfor:sarı
17
DNA En önemli özelliği ; esnek ve değişken oluşudur
İki ipliğin ayrılması: DNA replikasyonu ve ekspresyonu için 2 iplik ayrılmalıdır Geçici ayrılma Kısa bölgeler halinde,kovalent bağlar bozulmadan, Tekrar hızla birleşebilir (tamamlayıcı baz eşleşmesi ile) Ayrılma = denatürasyon Yeniden birleşme = renatürasyon Z –DNA sol dönümlü Zigzag form (sınırlı parçalarda görülür) A-DNA (nadir )form, sadece dehidre durumda bulunur
18
DNA çift sarmal parçalarının elektron mikrofotoğraftaki görünümü
DNA çift sarmal parçalarının elektron mikrofotoğraftaki görünümü. DNA parçaları küçük halkasal mitokondrial DNA moleküllerinden alınmıştır. Parçalar sadece 200 bç uzunlukta olmasına rağmen çoğu tam bir halka oluşturacak şekilde bükülmüştür
19
İnsan kromozomları
21
Prokaryotik genom ( tek ve dairesel DNA molekülü ) ve
Figure Plasmids are small circular DNA molecules that are found inside some prokaryotic cells. Prokaryotik genom ( tek ve dairesel DNA molekülü ) ve bazı prokaryotik hücrelerde bulunan küçük ve dairesel DNA molekülleri olan plasmidler.
22
Ökaryotik genom Prokaryotik genomdan daha büyük ve karmaşık
Fonksiyonel genler Kodlayıcı olmayan DNA dizileri İnsan genomu – DNA ; 2m ~ gen 3x109 bç (3 milyar baz çifti)
23
Prokaryotik 10 Mb den küçük
Tek hücreli ökaryotlar50 Mb den küçük Bazı protozoa 200 Mb den büyük Çok hücreliler Mb ye erişebilir Bakteri 1000 gen / Mb
24
Eğer insan genomundaki her nukleotid çifti şekil (A) da görüldüğü gibi 1mm olarak çizilirse insan genomu 3200 km bir uzunlukta olacaktı.Bu mesafe Afrikanın ortasından baştanbaşa geçmeye yetecek bir uzunluktur ve (B) deki kırmızı çizgi ile gösterilmiştir. Ortalama bir gen uzunluğu 30m olacak kodlayıcı diziler ise sadece 1metre civarında olacaktı.
25
Ökaryotik genom Prokaryotik genomdan daha büyük ve daha karmaşık
İnsan genomu bakteri genomuna kıyasla bin kat büyük Genom fazlalığı genellikle genetik komplekslik ile ilişkili Kural dışı örnekler: Salamander ve zambak İnsandan 10 kat fazla DNA içerir (insandan daha kompleks olmadığı halde)
28
Ökaryotik genomun kompleks oluşu
Kodlayıcı olmayan dizilerin çokluğu nedeni ile kompleks bir yapı. Kodlayıcı olmayan DNA dizileri 1-Genler arasında (uzun DNA dizileri) 2-Ökaryotik genlerin içinde
29
Gen: Fonksiyonel bir ürün; RNA veya polipeptid şifreleyen DNA parçası
Gen hücresel ürünleri şifrelemekle kalmaz Ayrıca bu ürünün ne zaman, nerede ve ne kadar miktarda sentezleneceğini belirleyen kontrol bölgeleri içerir.
30
Kodlayıcı olmayan DNA dizileri
1-Genler arasında uzun DNA dizileri halinde 2-Ökaryotik genlerin içinde bulunur
31
Ökaryotik Gen Yapısı Çoğu kesintili yapıdadır yani
Gen ürününü şifreleyen bilgiyi taşıyan diziler şifreleyici olmayan diziler ile kesintiye uğramıştır Şifreleyici bölgeler: ekson Şifreleyici olmayan bölgeler: intron Kontrol edici elementler (Kontrol dizileri) ( örn.Transkripsiyonun Başlangıç ve bitiş sinyali oluşturan diziler, 5’ ucunda promotör bölge,diğer düzenleyici elemanlar (güçlendiriciler;enhancer,silencer)
32
Bir insan kromozomu üzerindeki genlerin dağılımı
33
Ökaryotik Gen yapısı Kesip çıkarma
34
Ökaryotik genlerin transkripsiyonu ve mRNA işlenmesi
Hem ekson hem de intronların transkripsiyonu sonucunda Uzun bir öncül RNA yapılır. Daha sonra intronlar kesilip çıkarılır (splicing= Kırpılma ) 5’uca şapka (cap) ve 3’uca poli A kuyruğu eklenir Olgun m-RNA oluşur.
35
Kesintili gen yapısı ve olgun mRNA’nın yapılması
Transkripsiyon ve translasyon arasında mRNA üç aşamada işlenir.İlk olarak intronlar kesilip atılır ve eksonlar kesintisiz dizilecek şekilde biraraya getirilir. Daha sonra 5’ ucuna özel bir nükleotid (Cap-şapka) eklenir. En son adet adenin nükleotidinden oluşan poli(A) kuyruğu 3’ uca bağlanır.
36
Fare beta globin geni
37
İntronların Keşfi 1977 Sharp ve Roberts
Adenovirusta gen ekspresyonu çalışmaları 1993 de Nobel ödülü
38
Kesintisiz bir gene ait mRNA ile bu geni taşıyan DNA dizisinin hibritleştirilmesi
Kesintili bir gene ait mRNA ile bu gene ait DNA dizisinin hibritleştirilmesi
39
İntronlar Ökaryotik genlerin çoğunda eksonlardan daha çok yer kaplar
Örneğin Tavuk ovalbumin geni %75 i intron Faktör VIII geni 186 kb’lık bunun 175 kb’ı intron dizileri Distrofin geni (Duchenne muskuler distrofi) 2 milyon bç’lik sadece %1’i ekson dizileri İntronlar yüksek ökaryotların genomunda eksonlardan 10 kat fazla yer kaplar Total genomik DNA nın % 25 ini oluşturur.
40
İntronlar Gelişmiş ökaryotik organizmaların genomunda intron içermeyen genler de vardır. Örn.Histon genleri En ilkel ökaryotik organizmaların (maya) genlerinin çoğunda intron yoktur. Prokaryotların genlerinde çok nadir bulunur.
41
Çeşitli organizma genomlarında kodlayıcı olmayan dizilerin karşılaştırılması
42
. İnsan,maya,sirke sineği,mısır ve E.coli genomlarının karşılaştırılması
43
Ökaryotik gen yapısı
44
Tipik bir insan geni yapısı
(mutasyonu hemoglobinopatilere neden olur) ( ( (mutasyonu Hemofili A ya neden olur) Dokuya özgün genler Hypoxanthine phosphoribosyltransferase (House keeping gen) Tipik bir insan geni yapısı
45
Ökaryotik Promotör diziler
TATA kutusunun önünde verimli transkripsiyon için gerekli olan üç dizi elemanı içerir;bir CCAAT kutusu ve iki GC kutusu (konsensus dizisi GGGCGG)
46
İntronların işlevi İntronların çoğu hücresel bir ürünün sentezlenmesini sağlamaz. Bazıları işlevsel RNA veya proteinleri şifreler Ancak gen ifadesinin kontrol edilmesinde önemli rol oynarlar. İntronların varlığı bir genin eksonlarının farklı kombinasyonlarda birleşmesini ve böylece Aynı genden farklı proteinler sentezlenmesini sağlar. Alternatif Kesip-ekleme (kırpılma)
47
İntronların işlevi Evrimde önemli rol oynamış olabilecekleri düşünülüyor Farklı genlerin eksonları arasında rekombinasyonu kolaylaştırarak (ekson karma) Yeni genlerin oluşmasını sağlamış olabilir. Bazı genlerin başka birkaç genden gelen eksonların bir kimerası olduğu anlaşılmıştır. (dizileme çalışmaları ile)
48
Çok kez tekrarlanan genler
Çok fazla ihtiyaç duyulan RNA ve proteinleri şifreleyen genler Örn. rRNA, tRNA genleri, Histon genleri Gen aileleri İşlevsel olarak ilişkili genler Farklı dokuda Gelişimin farklı evrelerinde fonksiyon görür örn. α ve β hemoglobin gen aıleleri, immunglobulin süper ailesi, MHC gen ailesi Embriyonik, fetal, erişkin dokularda ailenin farklı elemanlarının transkripsiyonu yapılır. Aynı kromozomda veya farklı kromozomlarda yerlesebilirler Psödogenler (mutasyonlarla işlevini yitirmiş genler) tahminen adet Örn. psi Beta (globin gen ailesi içinde)
49
Globin gen aileleri İnsan ve globin gen aileleri 16 ve 11 nolu kromozomlar üzerinde yerleşmiştir. Her aile embriyonik, fötal ve yetişkin dokularda ekspresyonu yapılan genler ve işlevini yitirmiş gen kopyaları (psödogenler) içermektedir.
51
Tekrarlanan DNA dizileri
1-Ardarda tekrarlanan basit DNA dizileri 2-Aralara serpiştirilmiş tekrar dizileri
52
Tekrarlanan DNA dizileri
Denatüre DNA parçaları hibritleştirildiğinde ~ %50 si çok hızlı br şekilde tamamlayıcı dizi ile birleşti. Geri kalan kısım yavaş hibriteşti. Yorum:Bazı dizilerin çoklu kopyaları olduğu için tek kopyalı olanlara göre hızlı renatüre oluyor Memeli DNA sının ~ %50 si kez tekrarlanan çoklu tekrar dizilerinden oluşur.
53
Basit dizi tekrarları, ardışık tekrarlar (ACAAACT)
AT den zengin diziler GC den zengin dizilerden daha az yoğun CsCl yoğunluk gradyanı ile ayrılabilir Bazı tekrar dizileri Az yoğun olduğundan genomik DNA nın diğer kısmından ayrı bant oluşturur. Uydu DNA (Satellit DNA) adı verilmiş
54
1-Ardarda tekrarlanan DNA Dizileri
Satellit DNA (2-200 bç’lik dizilerin binlerce-milyonlarca kere tekrarı) genomun %10 unu oluşturur. Sentromerik diziler=CEN (α satellit 171 bç) Kromozomların sentromer bölgelerinde bulunur Hiç bir zaman transkripsiyonu yapılmaz kromozom yapısında önem taşır Telomerik diziler Kromozom uçlarında bulunur İnsanda AGGGTT tekrarları (yüzlerce-binlerce kez tekrarlanır Kromozom uçlarına kararlılık sağlar.Birbirine birleşmekten korur.
55
Telomer Telomer Sentromer
56
Telomerler Telomeres. The sequence at the end of a human telomere. The length of the 3 extension is different in each telomere. Telomerler: İnsan Telomerlerinin ucundaki tekrarlanan diziler görülmektedir, 3’ uzantısının boyu farklılık gösterir
57
1-Ardarda tekrarlanan basit DNA Dizileri
Minisatellit 13 bç tekrarları VNTR=değişen sayıda ardarda tekrarlar DNA parmak izi (adli tıpda önem taşır) Mikrosatellit 2-4 bç tekrarları (örn.insanda CA tekrarları) (daha da polimorfik)
58
Mikrosatellit analizinin genetik profilin belirlenmesi amacıyla kullanılması
59
Kromozom 6 nın kısa kolunda bulunan mikrosatellitler polimeraz zincirleme reaksiyonu (PCR) ile çoğaltılmıştır. PCR ürünleri floresan işaretleyiciler ile işaretlenmiş ve poliakrilamid jelde yürütülmüştür. Her sütun farklı bir kişinin genetik profilini göstermektedir.Hiç bir kişinin genetik profili bir diğerininki ile aynı olamaz çünkü her insan farklı uzunlukta mikrosatellit varyantlarıa sahiptir
60
2-Serpiştirilmiş tekrar dizileri
İnsan genomik DNAsının % 45 ini oluşturur SINE (kısa dizi tekrarları) bç uzunluğunda serpiştirilmiş diziler 1.5 milyon kopya İnsan DNA sının % 13 ünü oluşturur. Örn. Alu dizileri (Alu I için tek kesim yeri) LINE (uzun dizi tekrarları) 6500bç uzunluğunda kopya genomun % 21 ini oluşturur. ) Örn. (L1-L2) LI (hareketli genetik eleman) Bilinen işlevleri yoktur
61
Hareketli DNA elemanları
Tekrarlanan dizilerin çoğu genom içinde sabit bir yerde bulunmaz.örn.LİNE ler ve SİNELER (retrotranspozon) Bunlar hareketli DNA elemanlarıdır Hem prokaryotik hem de ökaryotik organizmalarda vardır. Genomda farklı yerlere gittiği zaman mutasyonlara neden olabilir. Evolüsyonda önemli bir rolleri vardır.
63
2-Serpiştirilmiş tekrar dizileri
3- Retrovirus benzeri diziler Genomda ters transkripsiyon ile hareket ederler.2-10 kb uzunlukta İnsan genomunda tane İnsan DNA sının % 8 ini oluşturur Serpiştirilmiş diziler Bazıları gen ekspresyonu düzenlenmesine katılıyor olabilir Evrimsel rol oynamış olabilirler ( genetik çeşitliliğin oluşmasına katkıda bulunarak) Çoğu bencil DNA adını alır
64
Genişlemiş mikrosatellitler ile hastalıkların ilişkisi
Mikrosatellitler bazen transkripsiyon unitesinin içinde bulunabilir. Bazı kişiler özel bazı genlerinin içinde Mikrosatellit tekrar sayısı daha fazla olarak doğarlar Böyle genişlemiş Mikrosatellit tekrarlarının en azından 14 farklı nöromusküler hastalığa sebep olduğu bulunmuştur (Söz konusu genin fonksiyonunu veya ekspresyonunun bozar) i.e.Myotonic dystrophy, spinocerebellar ataxia
66
Genomun araştırılması
Genomik nedir? H.influenzae Genomun araştırılması
67
Genomik Genomların dizilenmesi (yapısal genomik)
Genom üzerindeki genlerin tanımlanması Genom fonksiyonlarının araştırılması (fonksiyonel genomik) Farklı canlı türlerine ait genomların karşılaştırılması (karşılaştırmalı genomik) Sağlıklı ve hastalıklı genlerin araştırılması İnsan mitokondri genomu
68
DNA dizilemesi tamamlanmış genomlar
Genom bankasında dizilenmiş genomlar (Nisan 2003) 519 ökaryot 426 bakteri 1310 virus (+SARS corona virus) Model organizmalar E.coli, maya, nematod, solucan, sirke sineği, hardal bitkisi, zebra balığı, fare, insan Tür Genom Gen (Mbç) Mycoplasma Rickettsia Bacillus E.Coli Saccharomyces Arabidopsis Drosophila Caenorabditus Homo sapiens T2 faj genomu
70
Kullanılan YAC klonları
İnsan genom projesi Kullanılan YAC klonları
71
Yıl 2000 İnsan DNA dizilemesi tamamlandı!! (yaklaşık….) (3x109 bç)
72
Çeşitli organizmaların genom dizileme çalışmaları sonuçları-I
Gelişmiş ökaryotların genomunun büyük kısmı mRNA ve diğer RNA ları şifrelemez Bu kodlayıcı olmayan DNA insan genomunun %95’ini oluşturur.
73
Çeşitli organizmaların genom dizileme çalışmaları sonuçları-II
Şifre taşımayan DNA birbirine benzeyen diziler içerir.(Tekrarlanan DNA dizileri) Tekrarlanan DNA dizilerinin tekrar sayısı aynı canlı türünün farklı bireyleri arasında bile farklılık gösterir.(DNA parmak izi)
74
İnsan genom projesi sonuçları
İnsan genomunda ~ adet gen (kurtçuk veya sinek genlerinin sadece 2 katı) İnsan genleri daha karmaşıktır. Alternatif kırpılma ile daha fazla protein ürünü yapılır. İnsan genomu içinde dışarıdan nakledilen genler vardır. (Örn. Bakterilerden) İnsanlar genetik olarak oldukça eşittir. Bireyler arasında %0.1’lik farklılık var. Kromozomların gen içeriği farklı. Örn. Kromozom 19 ve 17 gen açısından zengin Kromozom 21, 18 ve 13 gen açısından fakir Erkek DNA’sı dişi DNA’sının 2 katı mutasyon taşır.
75
Dizilerin yorumlanması
76
Kromatin Kromatin= DNA + Protein (Histon ve histon olmayan proteinler)
Kromatin nukleustan izole edilip düşük yoğunluktaki tuz eriyiği üzerine yayılıp EM de incelendiğinde; 1 -10 nm lik kromatin ipliği -Kromatin ipe dizilmiş boncuk görünümünde Eriyiğin tuz yoğunluğu yükseltilirse; 2- Kromatin 30 nm çapında bir iplik oluşturur.(Solenoid)
77
30 nm (A) ve 10 nm lik (B) kromatin ipliklerinin Elektron mikroskobunda görünümü
78
Kromatin Histonlar; 1-10nm kromatin ipliği
Boncuk gibi yapılar; nukleozom (histonlar+DNA) Histonlar; 1-H2A, H2B, H3, H4 (nukleozomal histonlar) 2-H1 histonlar Nukleozom; 2x (H2A,H2B,H3,H4)= 8 histon molekülünden oluşan oktamer + çevresinde dolanmış DNA (~ 2 dönüm) 2 nukleozom arasında → bağlayıcı DNA (~60bç) H1 bağlayıcı DNA ya nukleozom yakınında bağlanır
81
Nukleozomal histonların yapısal düzeni
Nukleozomal histonların yapısal düzeni. (A) çekirdek histonlarının hepsi bir N-terminal kuyruk,ve bir histon kıvrım bölgesi içerir. (B) Histon kıvrım bölgesi 4 histonun hepsinde bulunur. (C) 2A and 2B Histonlar bir dimer yapar. H3 and H4 Histonlar da birbiri ile etkileşerek dimer yapar.
82
Histon oktamer.’in oluşumu
84
30 nm çaplı kromatin iplikleri;Solenoid
Her dönümde 6 nukleozom içeren heliks yapı Histon olmayan Proteinler;(1000 çeşit) yapısal ve işlevsel proteinler (gen anlatımı,replikasyon v.b.)
85
30-nm kromatin ipliği yapısı..
86
Kromozom oluşumu
96
A comparison of extended interphase chromatin with the chromatin in a mitotic chromosome. (A) An electron micrograph showing an enormous tangle of chromatin spilling out of a lysed interphase nucleus. (B) A scanning electron micrograph of a mitotic chromosome: a condensed duplicated chromosome in which the two new chromosomes are still linked together (see Figure 4-22). The constricted region indicates the position of the centromere
99
The three DNA sequences required to produce a eucaryotic chromosome that can be replicated and then segregated at mitosis
Benzer bir sunumlar
