intron Parçalı gen yapısı

MOLEKÜLER
GENETİK
II
 GEN ve GENOM
 GEN ANLATIMI
 GEN ANLATIMININ DÜZENLENMESİ
Bir bireyin tüm karakterlerine (fenotip) ait bilgi
kalıtsal molekülündeki birimlerde (genler) şifreli biçimde
yazılıdır.
Gen anlatımı, genlerde bulunan genetik bilginin bireyin
fenotipinde ortaya çıkması.
GENOTİP    FENOTİP
Gen Anlatımı
G E N
ve
G E N O M
 GENOM 
 Bir organizmanın
dizilerinin tümü
kalıtsal
molekülündeki
nukleotid
(ökaryotlarda haploid kromozomlardaki ve organellerdeki
DNA dizisi)
 G E N 
Tanımı, Yapısı ve İşlevi
Bir organizmanın genomunu oluşturan genlerin çoğu,
organizmanın karakterlerinin ortaya çıkmasından sorumlu
olan proteinlerin birincil yapılarını oluşturan, polipeptidlere
ait bilgileri taşıyan yapısal ( strüktürel, protein ) genler.
Bir gen (ya da yapısal geni). bir polipeptidin yapısını (amino
asit dizisini) tayin eden nukleotid dizisi.
RNA genleri, transfer RNA, ribozomal RNA ve diğer RNA
(miRNA vb)’lara ait bilgileri taşıyan genler.
Düzenleyici (regülatör) genler, yapısal genlerin ve RNA
genlerinin anlatımını düzenleyen genler. Düzenleyici
genlerin ürünleri olan düzenleyici proteinler bu genlerin
çalışmasını kontrol ederek dolaylı biçimde fenotipe katkıda
bulunurlar.
En geniş kapsamda tüm çeşitleri içeren gen tanımı:
Bir polipeptide ya da bir transfer RNA (tRNA), ribozomal
RNA (rRNA) ve diğer RNA’lara ait bilgiyi taşıyan nukleotid
dizisi.
Bir hücrede bulunan genlerin toplamı
 hücrenin ( organizmanın) genotipi
Genin Yapısı
Genin yapısındaki temel diziler onun ürününü (polipeptid ya da
tRNA veya rRNA) şifreleyen kısmı.
Bir gendeki nükleotid dizisi, genel kural olarak, tek bir ürünü
şifreler (!!??)
Genin ürününe ait genetik bilgiyi taşıyan DNA ipliği = anlamlı,
şifreleyici iplik
tamamlayıcı iplik = karşı anlamlı (karşı şifreleyici) iplik
Genin (genellikle) iki ucunda bulunan nükleotid dizileri = kontrol
edici elementler ( kontrol dizileri )
 başlangıç tarafında promotör (başlatıcı)
 son kısmında terminatör (sonlandırıcı)
Prokaryotlarda promotör ve terminatör arasındaki
şifreleme yapan diziler kesintisiz  genin nukleotid
dizisiyle ürünü olan RNA arasında ortak doğrusallık ilişkisi
Ökaryotlarda (ve bazı ökaryotik viruslarda) bazı genlerde,
ürünlerine ait şifreleme yapan dizilerin arasında,
şifreleme yapmayan dizilerin varlığı
 parçalı gen ( mozayik gen )
Parçalı genlerde,
şifreleme yapan diziler  ekson
şifreleme yapmayan diziler  intron
Parçalı gen yapısı
İntronlar sayı, boyut ve yerleşim açısından son derece
çeşitli.
(birkaç örnek dışında) tüm yapısal genlerde var, tRNA
genlerinde oldukça sık, rRNA genlerinde çok ender.
Bazı genlerde (örneğin, histon genleri) intron yok,
bazılarında çok sayıda (örneğin, α-kollajen geninde 52
intron).
İntron sayısında genellikle
boyutuyla paralel olarak artış.
şifreleme
yapan
dizinin
Boyları ~10-10.000 baz çifti arasında değişken.
Aynı gene ait intron sayısı farklı türlerde genellikle aynı
fakat boyutları farklı.
Yerleşim yerleri genellikle gelişigüzel değil.
GENOM YAPISININ ARAŞTIRILMASI
Bir organizmanın genom yapısının (boyutu, içerdiği genlerin
sayısı, yerleşim düzenleri ve yapıları, gen dışında kalan
bölgelerin özellikleri) anlaşılması
 genlerin nasıl anlatım yaptıklarının, anlatımlarının nasıl
düzenlendiğinin, ürünlerinin etkilerinin nasıl olduğunun
tek tek genler boyutunda
ya da
genom boyutunda
anlaşılmasında ilk adım
Genetik Haritalardan Genom Dizilemesine
Sitolojik haritalar (karyotip analizleri  bantlama teknikleri)
Genetik haritalar ( rekombinasyon, delesyon vb)
Fiziksel haritalar ( restriksiyon haritaları vb)
Nukleotid dizilemesi ( Genom projeleri)
Genom Projeleri
http:/www.genomesonline.org/
Aralık 2007 kayıtları
Tamamlanmış
Bakteriler
Devam eden
540
278
Arkeler
46
4
Ökaryotlar
19
21
687
0
Viruslar
2044
0
Toplam
3336
303
Plazmidler
G E N O M İ K
Organizmaların tüm genomunun (genleri, düzenleyici dizileri
ve şifreleme yapmayan dizileri kapsayan tüm nukleotid
dizisinin) yapısal ve işlevsel olarak araştırılması.
Yapısal genomik – genomun nukleotidlerinin dizilenmesi,
genom haritaları oluşturulması, genlerin ve düzenleyici ve
diğer dizilerin kromozomlardaki yerlerinin ve moleküler
yapılarının belirlenmesi.
İşlevsel genomik – genlerin işlevlerinin, anlatımlarının ve
düzenlenmelerinin belirlenmesi; farklı genler ve gen dışı
bölgeler arasındaki etkileşimlerin araştırılması. Genomdaki
tüm genler tarafından şifrelenen proteinlerin belirlenmesi.
 Genomu oluşturan diziler 
(anlamlarına göre)
I. GENLER ve GENLERLE İLİŞKİLİ DİZİLER
 Genler
 Yalancı Genler
 İntronlar
 Translasyonu yapılmayan bölgeler (UTR’ler)
 Düzenleyici Diziler
II. GEN ARASI DİZİLER
 Tek diziler
 Tekrarlanan diziler
Kümelenmiş (ardışık) tekrarlar
Genomda serpiştirilmiş (yaygın) tekrarlar
I. GENLER ve GENLE İLİŞKİLİ DİZİLER
GENLER
 Proteinlerin (polipeptidlerin) amino
belirleyen yapısal genler (protein genleri)
asit
dizilerini
 Ürünleri tRNA, rRNA ve diğer RNA’lar (örn. miRNA’lar)
olan RNA genleri
 Bir genin hangi hücre tipinde ve organizmanın yaşamının
hangi zamanında anlatım yapacağını belirleyen düzenleyici
genler ve diziler.
genellikle tek (tekrarlanmayan) diziler
bazıları orta derecede tekrarlanan diziler
 Bakteri genomlarında genler ve düzenleyici bölgeler genelde
düzenli bir yerleşime sahip
 Çok hücreli organizmaların çoğunun genomunda genlerin
yerleşimi son derece düzensiz.
* Şifreleme yapan DNA dizileri görünüşte (!) anlamsız
DNA
dizileriyle ayrılmış durumda.
* Genomda gen
bakımından zengin ve fakir bölgeler var.
* Hücrede birlikte çalışan proteinleri şifreleyen genler
çoğunlukla farklı kromozomlarda.
* Komşu genlerin pek azı birlikte çalışan proteinleri şifreler.
GENLERLE İLİŞKİLİ DİZİLER
Genlerin temel kısımları veya işlevsel genlerden kökenlenen
diziler
Herhangi bir bilgiyi şifrelemezler
 Mutant genler ve gen parçaları
Rastgele mutasyonlar veya rekombinasyondaki hatalar sonucu
ortaya çıkarlar
 Yalancı Genler
Genin işlevsel olmayan kopyası. İşlevsel genlere yapısal olarak
benzer fakat onların alleli değiller ve işlevsel genin ürününü
meydana getirmezler.
Fare genomunda işlevsel ve yalancı genler
Olağan yalancı gen. İkilenmeyle oluşmuş ve mutasyonların
birikimiyle aktivitesi yok olmuş gen kopyası.
Mutasyonlar şifreleme yapan veya yapmayan bölgede ya da
her ikisinde birikebilir
 yalancı genler ya hiç anlatım yapmazlar ya da bazen
transkripsiyon
yaparlar,
hatta
anormal
proteinler
oluştururlar.
Çoğunlukla ilişkili oldukları işlevsel genlerle bağlantı
gösterirler. Fakat mutasyonların birikmesi nedeniyle daha
önce hangi genden türevlendiğini belirlemek her zaman kolay
değildir.
İşlenmiş yalancı gen. Bir genin mRNA kopyasının yeniden genom
içine DNA kopyası olarak sokulduğunda oluşan gen.
( Replikasyonları ters transkriptaz ile yapılan virusların
bulaştığı hücrelerde bu enzimler tarafından hücresel RNA’ların
kopyalanmasıyla oluşan çift iplikli cDNA’ların genomda
gelişigüzel yerlere düşük frekansta girmesi).
İşlenmiş yalancı genlerin ayırt edici özellikleri:
 İlişkili oldukları işlevsel genlerle genelde bağlantılı
değildirler; genomda başka yerlerde dağılmış şekilde
bulunurlar.
 Yapıları genin mRNA kopyasına benzer. Anlatımlarını yöneten
dizilerini kaybettikleri için işlevsizdirler.
İntronlar
Genin şifreleme yapan dizilerin arasına girmiş diziler. RNA
kopyasında başlangıçta bulunur ve translasyondan önce yok
edilirler (bkz. RNA’nın işlenmesi).
Düzenleyici diziler
Genin içinde veya yakınında bulunan kısa diziler (promotör ve
operatör gibi).
Translasyonu yapılmayan bölgeler (UTR’ler)
Transkripsiyonu yapılan (mRNA’da bulunan) fakat proteine
çevrilmeyen bölgeler (örneğin, mRNA’nın 5’ ucundaki ribozoma
bağlanma bölgesi) (bkz. Gen Anlatımı)
Gen Aileleri
Ökaryotların genomunda sıklıkla, tek kopyalı genlerin benzeri
olan birkaç ya da çok sayıda gen bulunur
 tek kopyalı bir gen genelde dizileri çok benzerlik gösteren
genlerden oluşan bir ailenin üyesidir.
Bir gen ailesi,
 biraz farklı proteinleri (izozimler gibi) şifreleyen birkaç geni
içerebilir.
 aile üyeleri farklı düzenleyici sinyallerle ilişkili olabilirler
 üyeler farklı dokularda ya da gelişimin farklı zamanlarında
anlatım yapabilir.
 bazı aile üyeleri yalancı genler olabilir.
Üst aile - bazen birbiriyle çok uzaktan ilişkili dizilerden oluşan
genleri kapsayan aile. Üst ailedeki genlerin nukleotid dizi
benzerliği %95-50 (hatta daha az) arasında değişebilir ve çok
farklı polipeptitleri şifreleyebilirler.
Bacillus subtilis genomundaki gen aileleri
II. GEN ARASI DİZİLER
Genler ve genlerle ilişkili dizilerin dışındaki DNA bölgeleri.
Çoğunun işlevi bilinmemektedir.
Tek diziler. Gen arası dizilerin yaklaşık dörtte birini
kapsarlar.
Tekrarlanan diziler
Birbirinin tamamen aynı ya da değişik biçimlerde.
Kopya sayıları iki - birkaç milyon.
(Aynı yönlü tekrarlar, ardışık aynı yönlü tekrarlar, ters yönlü
tekrarlar)
Tekrarlanan dizi ailelerinde üyelerin dizileri tamamen aynı ya
da bir veya birkaç baz çifti bakımından farklı olabilir.
Üyelerinde dizi farklılığı gösterenler polimorfik aileler.
Alt aile polimorfizm derecesinin düşük olduğu (aile üyelerinin
dizi benzerliğinin çok olduğu) aileler.
Üst aile dizi benzerliğinin az olduğu aileler.
Orta derecede tekrarlanan diziler
Genomda ~101-103 kopyası olan diziler.
Bazıları işlevsel genler (örneğin, rRNA genleri)
Çok sayıda (yüksek derecede) tekrarlanan diziler
En fazla oranda bulunan gen arası diziler
Genomda ~103-106 kopyası olabilen diziler

Kümelenmiş (ardışık) tekrarlar (satellit DNA)

Yaygın tekrarlar (genom boyunca serpiştirilmiş
tekrarlar)
 Kümelenmiş (ardışık) tekrarlar
Ökaryotik genomların ortak özelliği.
Boyları <5 - >200 bç (ort. 5-50 bç) olan tekrarlanma sayıları
1 milyona kadar olabilen diziler.
 satellit DNA
Baz içeriği total DNA’nınkinde daha hafif (AT’ce zengin) veya
daha ağır (GC’ce zengin) olabilir.
Bir genomda boyları değişken birimlerden oluşan farklı satellit
DNA tipleri bulunabilir.
Satellit DNA kromozomların sentromerlerinde, telomerlerinde
ve başka yerlerindeki heterokromatin bölgelerde bulunur.
Transkripsiyonu yapılmaz.
Mikrosatellit DNA
Ardışık tekrarlanan çok kısa (~10 bç) dizilerin oluşturduğu
boyları 100-1000 bç olan bölgeler.
İnsan genomunda A veya T tekrarları çok yaygındır (genomda
~10 Mb’lik yer kaplar). Dinukleotid tekrarları, örneğin, CACACA
genomun ~ %3-5’ini, CT/AG tekrarları ~% 2’ini kapsar.
Minisatellit DNA
Ardışık tekrarlanan kısa DNA dizilerinden oluşan ara boyda
(1-20 kb) bölgeler.
Örneğin, ortak bir diziyi (GGGCAGGAXG) içeren ve boyları
farklı polimorfik bir minisatellit DNA özellikle telomerlerde ve
diğer kromozom bölgelerinde bulunur.
 Genomda serpiştirilmiş (yaygın) tekrarlar
Mikrosatellitlerden daha uzundurlar. Boyları 100-1000 bç
(bazıları >1 kb).
Genomda yayılmış tek kopyalar halinde ya da birbirlerine çok
yakın tekrarların oluşturduğu kümeler halinde bulunurlar.
Çok sayıda sınıfları vardır.
Hepsinin ortak özelliği transpozabl elementler (yer
değiştirebilen diziler) şeklinde olmaları (bkz. Moleküler
Genetik I).
SINE’ler, (“Short Interspersed Nuclear Elements”)
Genomda serpiştirilmiş, kısa (~500 bç kadar) tekrarlar.
Transkripsiyonları yapılır, translasyonları yapılmaz.
İnsan genomunda kopya sayıları çok fazla.
Alu tekrar ailesi insan genomunda en çok sayıda kopyaya
sahiptir (~750.000 kopya). Dizi birimi ardışık tekrarlanan GC
dimeridir, tekrarın boyu ~120 bç’dir ve bunu AT’ce zengin bir
dizi izler. Genelde aynı yönlü kısa (~6-18 bç) tekrarlarla
kuşatılırlar.
LINE’ler, (“Long Interspersed Nuclear Elements”)
Boyları 6-7 kb kadar olabilen uzun yaygın tekrarlar.
Transkripsiyon ve translasyonları yapılır.
Ters transkriptaz benzeri ürünü olan genleri taşırlar.
İnsan genomunun yaklaşık %16’ini kapsarlar.
SINE’ler ve LINE’lerin genomdaki hareketleri RNA aracılığıyla
(bkz. Moleküler Genetik I)
DNA transpozonları, hareketlerinde
(bkz.Moleküler Genetik I)
RNA
aracılığı
yok.
Retrotranspozonlar. Hareketleri RNA aracılığıyla, memelilerde
yaygın değil. (bkz.Moleküler Genetik I)
LTR elementleri. Uzun uç tekrarları.
Tekrarlanan DNA dizileri  çöp (hurda) ya da asalak DNA
! ! ! ! ! ! !
F A KA T
binlerce kuşak boyunca devamlılıklarını korumaları
 gen arası dizilerin konak organizmaya bir pozitif değer (veya
seçici avantaj) kazandırdığının işareti
 Genomu Oluşturan Diziler 
(yapısal özelliklerine göre)
Tek (tekrarlanmayan) diziler, genomda tek kopya olarak
bulunan diziler (protein genleri, genlerle ilişkili diziler, yalancı
genler vb)
Tekrarlanan diziler, genomda birden fazla kopyası bulunan
diziler:
Orta derecede tekrarlananlar. Genomda 10-1000
kopyası
bulunan oldukça kısa diziler (RNA genleri, bazı
protein
genleri)
Yüksek derecede (çok sayıda) tekrarlananlar. Genomda
binlerce (hatta milyonlarca) kopyası olan çok kısa
(<100 bç) veya daha uzun
(>1000 bç) diziler;
genelde
aynı yönlü uzun
tekrarlar.
GENOM BOYUTU
 Genom boyutu organizmanın karmaşıklık derecesiyle doğru
orantılı
Genomdaki toplam DNA miktarı (C değeri) her türün kendine
özgü niteliğidir.
C değeri, organizmalarda <106 (Mycoplasma’da) ile >1011 (bazı
bitkiler ve kurbağalarda) arasında büyük bir çeşitlilik gösterir.
prokaryotik hücrelerde <10 Mb
tek hücreli ökaryotlarda <50 Mb
daha karmaşık yapılı protozoanlarda >200 Mb
çok hücreli organizmalarda >100.000 Mb
Genel kural, her organizma grubunun bir üyesi için
gerekli en az C değeri organizmaların karmaşıklık
derecesiyle paralel olarak artar.
Ancak, ökaryotlarda bazı filumların (özellikle, böcekler,
kurbağalar ve bitkiler) içinde C değerlerinde çok fazla
çeşitlilik görülür (örneğin kurbağalarda <109 - ~1011)
 genom boyutu ile genetik karmaşıklık derecesi arasında
her zaman paralellik yok !!!
 Karmaşıklık derecesi daha düşük olduğu halde daha
karmaşık yapılı gruba göre C değeri fazla olabilir (örneğin,
Xenopus ile insanın genom boyutu hemen hemen aynıdır).
 Karmaşıklık derecesi aynı olan bir çok organizmanın genom
boyutları çok farklı olabilir (örneğin, pirinç bitkisinin genomu
buğdayınkinden ~40 kat küçük)  bu tip organizmalarda
karmaşıklık derecesi genom boyutundan çok, gen sayısı
ilişkilidir.
Gen sayıları
En az gen sayısı:
 asalak bakterilerde ~500
 serbest yaşayan bakterilerde
~1500
 tek hücreli ökaryotlarda
~5000
 çok hücreli ökaryotlarda
~13000
 gelişmiş bitkilerde ~25.000
 memelilerde ~25- 30.000
(!!??)
Bakteri ve arkelerde genomun büyük kısmında (%85-90)
protein ve RNA genleri bulunur.
Genom boyutu <1,5 Mb olan asalak bakterilerde gen sayıları
azdır (Mycoplasma’da ~470 gen).
Arkelerin genom boyutu 1,5-3 Mb, gen sayısı 1500-2700.
Arkeler ve serbest yaşayan küçük bakteriler bağımsız
yaşamalarına olanak verecek en az sayıda gene sahiptirler.
Bilinen en küçük genomlu serbest yaşayan bakteri olan Aquifex
aeolicus’ta genom boyutu 1,5 Mb, gen sayısı 1512.
Bakterilerde genomun hemen tamamı tek dizilerden oluşur.
Basit ökaryotlarda çoğu tek dizilerdir; orta derecede tekrarlı
diziler <%20.
 Gelişmiş ökaryotlarda gen kapsamındaki tek diziler genelde
genomun çok az kısmını (örneğin, insan genomunda genler <%1.5)
kapsar.
Geri kalan kısımda en fazla yeri işlevi bilinmeyen gen arası
diziler kaplar.
Tek dizilerin (genlerin) sayısı genom boyutuyla paralel olarak
artar ( tüm genleri kapsayan tek dizilerin sayısının
organizmanın karmaşıklık derecesinin artmasında başlıca etken
olması).
Genom boyutlarındaki daha fazla artışların sorumlusu
tekrarlanan dizilerdir.
Gen yoğunluğu
Genom DNA’sının 1 Mb’lık boyutundaki ortalama gen sayısı.
Örneğin, bir organizmanın genom boyutu 50 Mb, genlerinin
sayısı 5.000 ise  gen yoğunluğu 100 gen/Mb.
 En yüksek gen yoğunluğu, üst üste çakışan genlerin
bulunduğu viruslardadır.
 Bakterilerde de genomun hemen tümünü genler kapsar; gen
yoğunluğu ~900-1.000 gen/Mb’dır.
 Daha karmaşık yapılı organizmalarda gen yoğunluğu azalır.
 organizmanın karmaşıklığı ile gen yoğunluğu arasında ters
ilişki (örneğin, insanda ~ 9.3 gen/Mb).
Gelişmiş Ökaryotlarda
nedenleri:
gen
yoğunluğundaki
azalmanın
(1) Gen boyutundaki artış.
(a) Transkripsiyonu yöneten ve düzenleyen dizilerin
(düzenleyici diziler) boyutlarındaki artış.
(b) İntron bölgelerin varlığı (örneğin, bir insan geninin
transkripsiyon yapan bölgesinin ortalama boyu ~27 kb,
proteini şifreleyen kısmının boyu ise ~1,3 kb). Basit yapılı
ökaryotlar, gen yoğunluğundaki yüksekliğe ek olarak az sayıda
intron taşırlar (örneğin, S. cerevisiae’de genlerin sadece
%3,5’unda intron bulunur ve intronların boyu 1 kb’den daha
kısa).
(2) Çok kopyalı genlerde artış. Bakterilerde genlerin büyük
çoğunluğu tek kopyalıdır. Ökaryotlarda ise çok kopyalı
genlerin sayısında ve kopya sayılarında artış vardır (örneğin,
memelilerde rRNA genleri en az birkaç yüz kopyalı).
(2) Gen arası dizilerdeki artış. Örneğin, insan genomunun
%60’ından fazlası gen arası dizilerdir ve bu dizilerin çoğunun
işlevi bilinmemektedir.
(a)Tek diziler (işlevsiz mutant genler, gen parçaları ve yalancı
genler). Gen arası dizilerin yaklaşık dörtte birini kaplar.
(b)Tekrarlanan diziler. Bakterilerde kısa (20-40 bç) ters yönlü
palindromik diziler gen arası bölgelerde ~500 tekrar
yaparlar ve genomun en fazla %0.5’lik kısmını kaplarlar.
Ökaryotlarda ise tekrar diziler genomda kapladıkları alan ve
çeşitleri bakımından önem kazanmışlardır. İnsan genomunun
yarısından çoğu çok sayıda tekrarlanan DNA dizilerinden
oluşur. Örneğin, CACACACA tekrarları insan genomunun
yaklaşık %3’ünü kapsar.
İnsan genomunda çeşitli dizilerin oranları
İnsan genomunda çeşitli dizilerin oranları