Ökaryotik genom

Temel Genetik Dersi
ÖKARYOTİK GENOMUN YAPISI
VE DÜZENİ
Prof.Dr. Selma YILMAZER
Tıbbi Biyoloji AD

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
Yıl 2000
İnsan DNA
dizilemesi
tamamlandı!!
(yaklaşık….)
(3x109 bç)

1961 Genetik bilgi nükleotidler dizisi şeklinde şifrelenir (3’lü kodonlar)

1963-66 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
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

Ökaryotik Genom
Çok
sayıda uzun ve doğrusal DNA molekülünden
oluşur.
olarak nukleusta yerleşmiştir.(Nuklear
genom)
Esas
Ayrıca
organel genomları da vardır (Mitokondrial
genom, Kloroplast genomu)

İnsan genomunu oluşturan nüklear ve mitokondrial genom bileşenleri
Gen
Hücre
Nukleus
Kromozom
DNA





2 polinukleotid zincirinden oluşan
ikili sarmal yapı;20nm çapta
Nukleotid;
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
DNA nın yapı taşları
C ve T Primidin bazları
C ve T pirimidin
A ve G Purin bazları
C=G,
A=T
A ve
G
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
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
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
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
İnsan kromozomları
Figure
Prokaryotik genom ( tek ve dairesel DNA molekülü ) ve
bazı prokaryotik hücrelerde bulunan küçük ve dairesel DNA molekülleri olan
plasmidler.
Ökaryotik genom

Prokaryotik genomdan daha büyük ve karmaşık

Fonksiyonel genler

Kodlayıcı olmayan DNA dizileri
İnsan genomu – DNA ; 2m ~ 25.000 gen
 3x109 bç (3 milyar baz çifti)


Prokaryotik 10 Mb den küçük
 Tek hücreli ökaryotlar50 Mb den küçük
 Bazı protozoa 200 Mb den büyük
 Çok hücreliler100.000 Mb ye erişebilir

Bakteri 1000 gen / Mb
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.
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)
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

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.
Kodlayıcı olmayan DNA
dizileri

1-Genler arasında uzun DNA dizileri
halinde

2-Ökaryotik genlerin içinde bulunur
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)

Bir insan kromozomu üzerindeki
genlerin dağılımı
Ökaryotik Gen yapısı
Kesip çıkarma
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.



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 50-200 adet adenin nükleotidinden oluşan poli(A)
kuyruğu 3’ uca bağlanır.
Fare beta globin geni
İntronların Keşfi

1977 Sharp ve Roberts

Adenovirusta gen ekspresyonu çalışmaları

1993 de Nobel ödülü
Kesintisiz bir gene ait mRNA ile bu geni taşıyan
DNA dizisinin hibritleştirilmesi
B) Kesintili bir gene ait mRNA ile bu gene ait DNA
dizisinin hibritleştirilmesi
A)
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.
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.

Çeşitli organizma genomlarında kodlayıcı
olmayan dizilerin karşılaştırılması
13 gen
11 gen
8 gen
3 gen
.
İnsan,maya,sirke sineği,mısır ve E.coli genomlarının karşılaştırılması
Ökaryotik gen yapısı
(mutasyonu hemoglobinopatilere neden olur)
(
(
(mutasyonu Hemofili A ya neden olur)
Dokuya özgün genler
Hypoxanthine phosphoribosyltransferase (House keeping gen)
Tipik bir insan geni yapısı
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)
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)
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)

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
20.000 adet
Örn. psi Beta (globin gen ailesi içinde)


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.
Tekrarlanan DNA dizileri
1-Ardarda tekrarlanan basit DNA dizileri
2-Aralara serpiştirilmiş tekrar dizileri
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 100.000 -1.000.000
kez tekrarlanan çoklu tekrar dizilerinden
oluşur.
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

1-Ardarda tekrarlanan DNA Dizileri
Satellit DNA (2-200 bç’lik dizilerin binlercemilyonlarca 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.
Telomer
Telomer
Sentromer
Telomerler

Telomerler: İnsan Telomerlerinin ucundaki tekrarlanan diziler
görülmektedir, 3’ uzantısının boyu farklılık gösterir
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)
Mikrosatellit analizinin genetik profilin
belirlenmesi amacıyla kullanılması
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
2-Serpiştirilmiş tekrar dizileri

İnsan genomik DNAsının % 45 ini oluşturur

SINE (kısa dizi tekrarları)
– 100-300bç 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 850.000 kopya
– genomun % 21 ini oluşturur. )
Örn. (L1-L2) LI (hareketli genetik eleman)
Bilinen işlevleri yoktur
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.

2-Serpiştirilmiş tekrar dizileri

3- Retrovirus benzeri diziler
 Genomda ters transkripsiyon ile hareket ederler.2-10 kb
uzunlukta
 İnsan genomunda 450.000 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
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
Genomik nedir?
H.influenzae
Genomun araştırılması
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
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
GenomGen
(Mbç)
Mycoplasma
Rickettsia
Bacillus
E.Coli
Saccharomyces
Arabidopsis
Drosophila
Caenorabditus
Homo sapiens
0.58
1.11
4.2
4.6
13.5
119
165
97
3.300
470
834
4.100
4.288
6.034
25.498
13.601
18.424
30.000+
T2 faj genomu
İnsan genom projesi
Kullanılan YAC klonları
Yıl 2000
İnsan DNA
dizilemesi
tamamlandı!!
(yaklaşık….)
(3x109 bç)
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.
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)
İnsan genom projesi sonuçları





İnsan genomunda ~30.000 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.
Dizilerin yorumlanması
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)
30 nm (A) ve 10 nm lik (B) kromatin
ipliklerinin Elektron mikroskobunda
görünümü
Kromatin
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
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.
Histon oktamer.’in oluşumu
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.)

30-nm kromatin ipliği yapısı
.
.
Kromozom oluşumu
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
The three DNA sequences required to produce a eucaryotic chromosome that can
be replicated and then segregated at mitosis