tibbi biyolojiye giris

TIBBTIBBİİ BBİİYOLOJYOLOJİİ YE YE GGİİRRİŞİŞ

Prof. Dr. Turgut Prof. Dr. Turgut UlutinUlutin

HHÜÜCRE BCRE BİİLLİİMMİİHücre, yaşam için gerekli tüm biyolojik olayların yapıldığı canlının en küçük birimidir. Buna en iyi örnek, tek bir hücre olarak yaşamını sürdüren tek hücreli organizmalardır. En ilkel yapılı hücre, prokaryotik hücredir örneğin, bakteri ve mavi-yeşil alglerde olduğu gibi. Prokaryot hücrelerde nukleus zarıbulunmaz, o nedenle kalıtsal materyal DNA, hücre sitoplazmasında serbest olarak bulunur. Gelişmiş hücrelerde görülen bazıorganeller bunlarda yoktur.

İleri yapı gösteren hücreler ise ökaryotik hücreler olup bunlarda DNA materyali nukleus zarı ile çevrelenmiştir. Çok değişik organelleri mevcuttur. Prokaryotlar dışında kalan tüm canlılara ait hücreler ökaryot hücre tipindedir.

Hücrenin varlığı ilk kez 1665 yılında Robert Hooke tarafından anlaşılmıştır. R. Hooke, kendi yaptığı mikroskopta şişe mantarıhücrelerini çevre ve boşluk halinde görmüş, bu boşluklara hücre (cellula) adını vermiştir. Daha sonra canlı bitki dokularından da kesitler alıp incelemiş, çeperin iç kısmının sıvı ile dolu olduğunu görmüş, ancak bu sıvının canlıolduğunu ve önemini anlayamamıştır. Robert Hooke’un ortaya attığı hücre teorisi basit de olsa çok önemlidir. Bundan sonra gelen bilim adamlarının katkısıyla bu konuda daha ayrıntılı bilgiler ortaya çıkmıştır.

1831’de Robert Brown (İngiliz botanikçi) nukleus’u keşfetmiş, 1839’da Purkinje (Alman fizyolog) çeperin iç kısmını dolduran maddeye protoplazma adını vermiştir. 1838’de Schleiden(botanikçi) ve 1839’da Schwann (zoolog) zamanlarına kadar olan bilgileri değerlendirerek hücre teorisini kurmuşlardır. 1852’de Remak, 1880’de Fleming hücre bölünmesini (amitoz ve mitoz) incelemişlerdir. Çalışmalar ilerledikçe, protoplazmanın homojen olmadığı anlaşılarak 1862’de Kölliker (Alman biyolog) sitoplazma ve nukleus terimleriyle protoplazmayı daha da ayırmış ve nukleusun etrafını çeviren protoplazma kısmına sitoplazma adını vermiştir.

Mikroskobun daha da geliştirilmesiyle bazıhücre organelleri keşfedilmiş, 1887’de Boveri, sentrozomu; 1897’de Benda, mitondriyi; 1898’de Golgi, Golgi kompleksini; 1899’da Garnier, Endoplazmik Retikulumu (E.R.); 1905’de Farmer ve Moore, mayozbölünmeyi açıkladılar. Bu arada 1944’de Avery ve Mc Carty, bunları takiben Griffts, Streptococcus pneumonia ile çalışarak genetik etkileşimin DNA tarafından yapıldığınıaçıkladılar. 1953’de Watson ve CrickDNA’nın çift sarmal yapısını açıklayarak Moleküler Biyolojinin temelini kurdular.

Kromozom, DNA ve GenKromozom, DNA ve Gen

HHüücrecreNukleusNukleus

KromozomlarKromozomlar

Gen

ProteinProtein

DNA DNA ççift sarmalift sarmalıı

AdeninAdenin (A)(A)Timin (T)Timin (T)

SitozinSitozin (C)(C)GuaninGuanin (G)(G)

BazlarBazlar

ŞŞeker eker Fosfat Fosfat

omurgaomurgaBaz Baz ççiftiifti

17. yüzyılda Leeuwenhoek tarafından yapılan ilk basit mikroskoptan, değişik ve gittikçe gelişen ışık mikroskopları yapılmış ve nihayet 1942’lerden itibaren elektron mikroskobu keşfedilmiş ve geliştirilmiştir.

1950-1956 yıllarında itibaren elektron mikroskobunun yardımıyla hücre organellerininultrastrüktürleri üzerindeki yoğun araştırmalar sonucu hücre bilimi çok daha ileri bir seviyeye ulaşmıştır ve bu konuda çalışmalar devam etmektedir. Görüldüğü gibi hücre hakkındaki yeni bilgilerin elde edilmesi mikroskobun gelişimine paralel bir yol izlemiştir.

Bütün yaşayan canlılarda genetik direktifler DNA moleküllerinde depolanmıştır. Aynıkimyasal kodla yazılmış olan bu direktifler kimyasal yapı taşlarından oluşur ve organizmanın mevcut bilgilerini sonraki nesillere aktarmada ve üremede işlev görürler. Böylece her hücre uzun DNA polimer zincirlerindeki 4 set monomerden(nukleotidlerden) yapılmıştır.

Her hücrede DNA tarafından verilen direktifler transkribe edilerek RNA’ya dönüştürürler. Daha sonra RNA moleküllerince taşınan mesajlar bir diğer kimyasal form olan proteinlere translate edilir.

Biyolojik organisazyonun seviyeleri :– Atomlar– Moleküller– Subcellular organeller– Hücreler– Dokular*– Organlar*– Organ sistemleri*– Organizma: Tek bir hücre yada kompleks

multiselüler organizma.* Organisazyon seviyesi tüm organizmalarda

bulunmaz.

Hücre: yaşamın temel ünitesiYaşamın tüm etkinliklerini

gerçekleştirebilen en temel yapıseviyesi

– Tüm organizmalar hücrelerden oluşmuştur.

Virüsler: canlı organizma olarak nitelendirilmezler.

– Tek hücreli yada çok hücreli

HHüücrenin bcrenin büüyyüüklklüüğğüü

İnsan ovum 200 mikronBalık yumurtası 5 mm Tavuk yumurtası 30 mm

Beyin hücrelerinin en küçüğü 4-5 mikron

HHüücre saycre sayııssıı, rengi, k, rengi, kııvamvamıı

İnsanda Kan hücreleri hariç 1013-1014

MSS, retina, lens kristali hücre sayısı sabittir ve sonradan çoğalmazHücreler çoğunlukla renksizdir, pigmentli hücreler hariçHücrelerin kıvamları hücre çeşidine göre değişir

Beyin hücreleri- derinin stratum corneumhücreleri

PROKARYOTPROKARYOTİİK ve K ve ÖÖKARYOTKARYOTİİK K HHÜÜCRELERCRELER

KARAKTERİSTİK PROKARYOTİK ÖKARYOTİK

Nukleus Yok Var

Tipik bir hücrenin çapı 1 µm 10 – 100 µm

Hücre iskeleti Yok Var

Sitoplazmikorganeller Yok Var

DNA içeriği (baz çiftleri)

1x106 – 5x106 1,5x107 – 5x109

Kromozomlar Tek sirküler DNA molekülü

Çoklu lineer DNA molekülleri

18591859

Charles Darwin

“Türlerin Kökeni”

18651865

Gregor Mendel

“Bezelyelerin kalıtımı”

18691869

Friedrich MiescherDNA’yı ilk defa izole etti

18791879

Walter Filemming

Mitozu gözlemledi ve tanımladı

19021902

Sutton

“Kalıtımın Kromozom

teorisi”

19091909

İlk defa “Gen”kelimesi kullanıldı

19111911

Meyve sineği çalışmaları

19411941

“Bir gen Bir enzim”

19431943

DNA’nın X-ray difraksiyonu

19441944

Avery & Mc Leod

Genetik bilginin temeli olarak DNA

Barbara Mc Clintoctranspozonlar

19521952

Hershey-ChaseDeneyi

“Genler DNA’lardan

oluşur”

19531953

Watson Crick

““KlinisyenlerKlinisyenler İİççin Molekin Moleküüler ler Genetik KursuGenetik Kursu””

Temel MolekTemel Moleküüler Genetik ler Genetik KavramlarKavramlar

İnsan Genetiği– Tıbbi Genetik

SitogenetikMoleküler GenetikPopülasyon GenetiğiKlinik Genetik

19551955

“Kromozom sayısı46”

19561956

Arthur Cornbergve arkadaşları““DNA DNA PolimerazPolimeraz““enzimini izole ettiler

19581958

““semikonservatifsemikonservatifDNADNA””

19591959

Kromozom anomalileri tanımlandı

(DownDown SS)

19611961

mm--RNARNA bilgi taşıyor

İlk kalıtsal metabolik hastalık

(PKU)(PKU)

19661966

Genetik kod

19681968

İlk restriksiyonenzimi

((HindHind III)III)

19721972

İlk RekombinantDNA

19731973

İlk hayvan geni klonlandı

SouthernSouthern BlotBlot

1- Total DNA2- RE ile kesim3- Farklı büyüklükte DNA

fragmanları4- Jel elektroforezinde

büyüklüğüne göre ayrım5- Membrana transfer,

denaturasyon6- İşaretli DNA probu ile

inkübasyon, tanımlama

19751975--19771977

DNA dizilemesi

Bu yöntemde öncelikle dizisi belirlenecek DNA parçasıplazmid DNA’ya klonlanır.DNA sentezi bir primer ile

başlatılır. Sentez şeker alt biriminde C3 pozisyonunda her zaman bulunan OH grubu yerine H atomu içeren bir nukleotidin(dideoksi nukleotid) eklenmesi ile durdurulur.Böylece hepsi dideoksinukleotid ile sonlanan yeni oluşmuş bir seri DNA fragmanı ortaya çıkar. Dört ayrı baz için yapılan işlemlerde bazlardan biri radyoaktif olarak işaretlenmiştir. Oluşan fragmanlar PAGE ile büyüklüklerine göre ayrılır ve otoradyografi ile görüntülenirler.

Sanger

MaxamMaxam--GilbertGilbert

Bu yöntem, DNA’nın baza spesifik kesimine dayanmaktadır. Dizi analizi yapılacak olan DNA parçası, reaksiyon karışımlarında dört bazın her biri için kimyasal işlemlerle parçalara bölünerek analiz edilir. Bu işlemde dizi analizi yapılacak olan DNA parçasıradyoaktif olarak işaretlenir.Sonra denaturasyon yoluyla başlama materyali olan tek iplikli DNA materyali oluşturulur. DNA’nın kesimi baza spesifik kimyasal değişim ile sağlanır. DNA’nın dizisi jel elektroforezini takiben okunur.

19761976

İlk gen mühendisliği şirketi olan GENENTECHGENENTECHkuruldu

19771977

İntronların keşfi

19811981--19821982

İlk ““transgeniktransgenik””hayvan

19821982

Gen bankasGen bankasııdatasıoluşturuldu

19831983

İlk genetik hastalık haritalandı

••HuntingtonHuntington HastalHastalığıığı

•(krz. 4p16.3)

19831983Amplifikasyon yoluyla bir DNA segmentinin birçok kopyasıoluşturulabilir. Önce amplifiye edilecek DNA segmenti denature edilir.Oluşan tek iplik yeni sentezlenecek DNA için kalıp işlevi görür. Sentezde primerolarak sentetik oligonukleotidlerkullanılır. Her duplikasyon döngüsü kesin zamanlamalı ve farklı sıcaklıklar gerektiren üç ardışık reaksiyondan oluşur. İlk olarak, amplifiye edilecek DNA parçası tek ipliklere ayrılır. Sonra soğutularak oligonukleotidler ile hibridizeedilir (primer bağlanması).Daha sonra yeni DNA’nın oluşabilmesi için DNA Polimerazve 4-deoksiribonukleotidtrifosfat ile inkübe edilir. Her devirde DNA iki katına çıkar.

19861986

Pozisyonelklonlama

RFLPRFLP

Bir DNA segmentininyaklaşık her 100 baz çiftindeki nukleotid dizisi bireylerde değişiklik gösterir (DNA DNA polimorfizmipolimorfizmi). Sonuç olarak; her kromozom üzerinde bulunan bir restriksiyon enzimi tanıma dizisi diğerinde bulunmayabilir.Bu durumda, restriksiyonfragman büyüklükleri bu bölge için farklıdır ((RestriksiyonRestriksiyon FragmentFragmentUzunluk Uzunluk PolimorfizmiPolimorfizmiRFLPRFLP)).Analiz sonucunda aranan fragmanın görülmesi mutasyonun varlığınıgösterecektir.

19871987

YAC:(YAC:(maya yapay kromozomumaya yapay kromozomu):):Çoğalan maya hücrelerinde replikasyonu sağlamak amacıyla yabancı bir DNA katılmış maya kromozomudur. YAC’lar 1000kb’a kadar büyük DNA fargmanlarını inkorporeedebilirler.YAC’lar kompleks genomların analizinde klonlama ve haritalama amacıyla kullanılırlar.

19891989

Mikrosatellitler

Yeni genetik markerler

19891989

STS (STS (Sekans etiketli bSekans etiketli böölgelge):):Dizisi bilinen, kısa (~500bp) bir DNA bölgesidir. PCR ile çoğaltılabilir ve harita için başlangıç nesnesi olarak kullanılabilir. Çakışan fragmanlar üzerindeki konumları ve dizileri tanınır. Böylece, ilişkilendirilmiş DNA dizilerinden bir segmentoluşturulur.

19901990

İİnsan Genom nsan Genom ProjesiProjesi başladı

Bakteriyel Bakteriyel ArtifisiyelArtifisiyelKromozomKromozom(BACBAC)’larkullanılmaya başlandı

19911991

2. Nesil 2. Nesil İİnsan nsan Genom HaritasGenom Haritasııolarak adlandırılan düşük rezolusyonlumikrosatellit gen haritaları yapıldı

19911991

ESTEST’ler, fragmanlar ve genler

19941994

İlk genetik modifikasyona uğrayan gıda olan FLAVR SAVR domatesin satışına izin verildi

Mikrop Genom Projesi

19951995

Fiziksel harita, bir gen lokusunun konumunu ve aynı kromozom üzerindeki diğer genlerle olan uzaklığını, kromozom üzerindeki belirli konumlara göre baz çifti olarak gerçek değerlerle verir. Genetik harita, gen lokusunun göreli konumunu, rekombinasyon birimi yada santimorgan (cM) olarak ifade edilen rekombinasyonfrekansına göre belirtir. Bir cM, %1 rekombinasyonfrekansına denktir.

19951995

Fiziksel harita, bir gen lokusunun konumunu ve aynı kromozom üzerindeki diğer genlerle olan uzaklığını, kromozom üzerindeki belirli konumlara göre baz çifti olarak gerçek değerlerle verir. Genetik harita, gen lokusunun göreli konumunu, rekombinasyon birimi yada santimorgan (cM) olarak ifade edilen rekombinasyonfrekansına göre belirtir. Bir cM, %1 rekombinasyonfrekansına denktir.

19961996

Fare genetik haritasıtamamlandıMaya genomu dizilendiArkea genomudizilendi

19961996

16.000 geni ifade eden EST insan gen haritasıoluşturuldu

İnsan DNA’sının dizilenmesine başlandı

19971997

E. Coli genomu dizilendi

19981998

CELERA CELERA GENOMGENOMİİCS CS şirketi dizileme planını açıkladı

Genetik Testler ile ilgili olarak SACGT komitesi kuruldu

19981998

İnsan genomunda 30.000 gen bulunduğu açıklandı

HGP’nin 2003 yılında tamamlanacağıaçıklandıSNP insiyatifi başladı

Full-scaledizilemeye başlandı

22. Kromozomun dizilenmesi tamamlandı

Meyve sineği genomu dizilendi

20002000

21. Kromozomun dizilenmesi tamamlandı

20012001

20. kromozom Diabet, Obeziteve katarakt ile ilişkili bulundu.

20022002

3. kromozom dizilendi.

MayMayııs 2002:s 2002:

Amerika Enerji Departmanı 5 yıl için Postgenomikaraştırmalara 103 milyar $ ayrıldığınıduyurdu.

20032003

DNA’nın keşfinin 50. yılı kutlandı.

Ocak 2003:Ocak 2003:

14. kromozom dizilendi. Bu kromozomdaki 14 gen immun yanıtla ilişkili olarak;60 gen ise Alzheimer, Lösemi ve ovaryumkanseriyle ilişkili olarak bulundu.

Nisan 2003:Nisan 2003:

EnvironmentalGenome Project’in ilk fazı tamamlandı

Mart 2004:

13. ve 19. kromozom dizilendi.

İnsan genomu 3,164,700,000 nukleotiddenoluşmaktadır.

Bir gen ortalama 3,000 nukleotidden oluşur. Ancak bu sayı çok değişkendir. En büyük gen olarak bilinen distrofindistrofin geni, 2,4 milyon baz içerir.

Toplam gen sayısı 29,000-36,000 arasındadır.

Nükleotid dizilerinin %99’u bütün insanlarda aynıdır.

İİlk verilerlk veriler

Bu güne kadar insanda 1,5 milyon kadar tek nukleotid değişikliği bölgesi saptanmıştır.

Tanımlanmış genlerin %50’den fazlasının işlevleri henüz bilinmemektedir.

Genomun yaklaşık %2’si proteinleri kodlamaktadır.

Proteinleri kodlamayan dizi tekrarları, genomun büyük bölümünü oluşturur.

İİlk verilerlk veriler

İİlk verilerlk veriler

En fazla geni 1. Kromozom (2,968) ve en az geni Y kromozomu (231) içermektedir.

Aynı gen alternatif mRNA kesilmeleri ve kimyasal değişikliklere bağlı olarak değişik proteinleri kodlayabilir.

İnsan, bitki, sinek ve kurtçuklarla ortak protein ailelerine sahiptir; ancak, gen aileleri (özellikle gelişme ve bağışıklıktan sorumlu olanları) insanda daha geniştir.

MolekMoleküüler Tler Tııpp-Tanı yöntemlerinin geliştirilmesi- Hastalıklara genetik yatkınlığın belirlenmesi- Genetik yapıya özgü ilaçlar geliştirilmesi- Gen tedavisi yöntemlerinin geliştirilmesi

Bakteri GenetiBakteri Genetiğğii- Hastalık yapıcı bakterilerin (patojenlerin)

kolay ve hızlı saptanması

İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen Getirileri

İİnsan Genomu Projesinsan Genomu Projesi’’nin Beklenen nin Beklenen GetirileriGetirileri

ÇÇevre ve Enerjievre ve Enerji- Yeni enerji kaynaklarının geliştirilmesi- Çevre kirleticilerin saptanması ve kontrolü- Biyolojik ve kimyasal ajanlara karşı korunma

yöntemlerinin geliştirilmesi- Zehirli atıkların güvenli şekilde etkisiz hale

getirilmesiRisk DeRisk Değğerlendirmesierlendirmesi

- Radyasyon ve toksik ajanların kanserojen ve diğer zararlı etkilerinin, mekanizmalarıyla birlikte aydınlatılması

BiyoarkeolojiBiyoarkeoloji, Antropoloji, Evrim ve , Antropoloji, Evrim ve TarihTarih

- Evrimin moleküler düzeyde gösterilmesi- Değişik toplumların göç yollarının ve

akrabalıklarının araştırılması- Y kromozom mutasyonlarının incelenmesiyle

erkek dağılımının ve göçlerin araştırılması

İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen Getirileri

İİnsan Genomu Projesinsan Genomu Projesi’’nin Beklenen nin Beklenen GetirileriGetirileri

DNA TanDNA Tanıımlamamlama- Adli tıpta suçluların belirlenmesi- Kan bağlarının saptanması- Çevre kirletici bakteri ve benzeri

organizmaların saptanması- Organ nakillerinde doku uyumunun kesin şekilde saptanması

- Soy ağaçlarının geliştirilmesi

İİnsan Genomu Projesinsan Genomu Projesi’’nin Beklenen nin Beklenen GetirileriGetirileri

TarTarıım, Hayvancm, Hayvancııllıık ve k ve BiyoiBiyoişşlemlem- Kuraklığa, zararlılara, hastalıklara dirençli

bitkilerin geliştirilmesi- Daha sağlıklı ve kaliteli çiftlik hayvanlarının

geliştirilmesi- Besin değeri yüksek ürünlerin geliştirilmesi- Biyopestisitlerin üretilmesi- Yenebilir aşılar üretilmesi (meyve ve sebze

içinde)- Çevre temizlemede kullanılacak ağır metal

toplayıcı bitkiler geliştirilmesi

KuKuşşkularkular

Genetik alanGenetik alanıındaki gelindaki gelişşmeler ve insan meler ve insan Genomu Projesi, yanGenomu Projesi, yanııtlanmastlanmasıı gereken gereken sorularsorularıı da beraberinde getirmekte. Sosyal, da beraberinde getirmekte. Sosyal, yasal ve etik ayasal ve etik aççııdan toplumun kaygdan toplumun kaygıılarlarıınnıı dile dile getiren sorular kgetiren sorular kıısaca saca şşööyle syle sııralanabilir:ralanabilir:

KuKuşşkularkular

Genetik Bilginin Genetik Bilginin ÖÖzellizelliğği ve Gizlilii ve Gizliliğğii- Genetik bilgiye kim sahip olacak ve kontrol edecek?- Genetik bilgilerin gizliliği tıbbi gizlilikten farklı mı?

Genetik bilginin kullanGenetik bilginin kullanıılmaslmasıı- Bireye ait genetik bilgilere kim ulaşabilecek ve bu

bilgileri nasıl kullanacak?ÜÜremeyle ilgili Konularremeyle ilgili Konular

- Sağlık personeli, aileleri risk ve sınırlamalar konusunda bilgilendiriyor mu?

- Yeni yardımcı üreme tekniklerinin getirdiği yeni sosyal sorunlar neler?

Klinik KonularKlinik Konular- Sağlık profesyonelleri, yeni genetik açılımlar

konusunda nasıl bir eğitime tabi olacak?- Toplum nasıl bilgilendirilecek?- Genetik testlerin kesinliği, güvenilirliği ve yararı

nasıl değerlendirilecek? (Bu konularda ilk ulaşabilecek?

- Toplumlar ve bireyler arasında yeni bir eşitsizlik kaynağı mı olacak?

Kuşkular

KuKuşşkularkular

KarmaKarmaşışık hastalk hastalııklarklarıın (kalp, diyabet, n (kalp, diyabet, Alzheimer vb) ilgili genetik testleriyle ilgili Alzheimer vb) ilgili genetik testleriyle ilgili belirsizliklerbelirsizlikler

- Tedavisi henüz olmayan hastalıkların erken tanı sıyapıldığında ne olacak?

- Çocuklar ileri yaşlarda ortaya çıkabilecek hastalıklar için kontrol edilebilecekler mi?

- Genler davranışları düzenliyorsa, kontrol olanağıvar mı?

Kavramsal ve Felsefi YaklaKavramsal ve Felsefi Yaklaşışımlarmlar- Tıbbi tedavi ve süperleştirme arasındaki çizgi nasıl

belirlenebilir?SaSağğllıık ve k ve ÇÇevre Aevre Aççııllıımlarmlarıı

- Genetik değişikliğe uğratılmış gıdalar ve diğer ürünler insanlar için tümüyle güvenli mi?

- Bu teknolojiler gelişmekte olan ülkelerin ekonomilerini ve dışa bağımlılığını nasıl etkilenecek?Patent HaklarPatent Haklarıı ve Ticarileve Ticarileşştirmetirme

- DNA dizilerinin patentlenmesi sağlık hizmetlerini, ürün geliştirmeyi ve bilgileri ulaşmayı engelleyecek mi?

KuKuşşkularkular