1

BYM613 BYM613

Genetik MGenetik Müühendislihendisliğğii

Hacettepe Hacettepe ÜÜniversitesiniversitesi

BiyomBiyomüühendislik Bhendislik Bööllüümmüü

20122012--2013 G2013 Güüz Dz Dööneminemi

Dr. Eda Dr. Eda ÇÇelikelik--AKDURAKDUR

edacelik@hacettepe.edu.tredacelik@hacettepe.edu.tr

Mutasyonlar ve Doğal Gen Transfer Mekanizmaları

22

�� MUTASYONMUTASYON bir canlbir canlıınnıın n genomugenomu iiççindeki indeki DNADNA ya da ya da RNARNAdiziliminde meydana gelen kaldiziliminde meydana gelen kalııccıı dedeğğiişşimlerdir. imlerdir.

�� Mutasyonlar geri dMutasyonlar geri döönnüüşşüümsmsüüzdzdüür. r.

�� Spontane veya uyarSpontane veya uyarıılmlmışış olabilirolabilir

�� Mutasyona sahip bir organizma Mutasyona sahip bir organizma mutantmutant olarak adlandolarak adlandıırrııllıır.r.

2

33

��SessizSessiz mutasyon mutasyon →→ fenotipte etkisi olmayanfenotipte etkisi olmayan

��YanlYanlışış anlamlanlamlıı veya anlamsveya anlamsıızz (dur kodonu olu(dur kodonu oluşşur) mutasyonlar ur) mutasyonlar

→→ kodlanan proteinin amino asit dizisinde dekodlanan proteinin amino asit dizisinde değğiişşiklikler oluiklikler oluşşur, ur, ööllüüme bile neden olabilir.me bile neden olabilir.

��Oksitlenme, alkilleyeci ajanlar gibi DNAOksitlenme, alkilleyeci ajanlar gibi DNA’’da meydana gelen da meydana gelen hasarhasarlar harilar hariçç

��Biyoteknolojik yBiyoteknolojik yööntemlerle mutasyonlar oluntemlerle mutasyonlar oluşşturulabilir ve mutant turulabilir ve mutant susuşşlar elde edilebilirlar elde edilebilir

44

Mutasyonlar NasMutasyonlar Nasııl Gerl Gerççekleekleşşir ?ir ?

Nokta MutasyonlarNokta Mutasyonlarıı= = Tek baz deTek baz değğiişşimiimi

�� Bir bazBir bazıın (A, T, G, C) n (A, T, G, C) babaşşka bir bazla yer ka bir bazla yer dedeğğiişştirmesitirmesi

�� Zincire bir ya da daha Zincire bir ya da daha ççok ok bazbazıın eklenmesi n eklenmesi

�� Zincirdeki bazlarZincirdeki bazlarıın n eksilmesieksilmesi

Replikasyon hatasReplikasyon hatasıı

Ör: E. coli’deki spontan mutasyon oranı, replikasyon sırasında zincire eklenen1010 bazda yaklaşık bir bazdır.

3

55

ÇÇererççeve Kaymaseve Kaymasıı MutasyonlarMutasyonlarıı

�� ÇÇererççeve kaymaseve kaymasıı mutasyonu bir genin mutasyonu bir genin protein protein kodlayan kkodlayan kıısmsmıındanda ya birkaya birkaçç baz baz ççiftinin girmesi ya da iftinin girmesi ya da ççııkmaskmasıı ile oluile oluşşan mutasyon an mutasyon ççeeşşididir. ididir.

�� Bu girme ya da Bu girme ya da ççııkma noktaskma noktasıından itibaren ndan itibaren kodonlarkodonlarıın don doğğru okuma ru okuma ççererççevesinde bir kayma evesinde bir kayma olur, protein farklolur, protein farklıı kodlankodlanıır.r.

66

Geri Mutasyon Geri Mutasyon -- ReversiyonReversiyon

�� Mutantlar, kendi DNA'larMutantlar, kendi DNA'larıında olunda oluşşan bazan bazıımutasyonlar sonucu tekrar orijinal (parental) mutasyonlar sonucu tekrar orijinal (parental) veya doveya doğğal formlaral formlarıınnıı kazanabilirler (geri kazanabilirler (geri mutasyon). Bu olguda, demutasyon). Bu olguda, değğiişşen amino asit en amino asit tripleti, geri mutasyonla tekrar orijinal amino tripleti, geri mutasyonla tekrar orijinal amino asiti kodlayan triplet haline gelebilir.asiti kodlayan triplet haline gelebilir.

�� CanlCanlıılar tekrar orijinal fenotipik karakterlerine lar tekrar orijinal fenotipik karakterlerine kavukavuşşabilir. Babilir. Bööyle durumlara, aynyle durumlara, aynıı gende gende oluoluşşan supresan supresöör mutasyonlar (intragenik) r mutasyonlar (intragenik) veya kromozom veya kromozom üüzerinde bazerinde başşka gende ka gende meydana gelen mutasyonlar (ekstragenik meydana gelen mutasyonlar (ekstragenik supressupresöörler) yol arler) yol aççabilirler.abilirler.

4

77

İİndndüüklenmiklenmişş ve/veya Yapay Mutasyonlarve/veya Yapay Mutasyonlar

�� EEğğer her hüücreler mutajenik ajanlara (kimyasal, fiziksel, creler mutajenik ajanlara (kimyasal, fiziksel, biyolojik, vs.) maruz kalbiyolojik, vs.) maruz kalıırsa (dorsa (doğğada veya labda), ada veya labda), mutantlar meydana gelebilir. mutantlar meydana gelebilir.

�� Mutajenler spesifik deMutajenler spesifik değğildir.ildir.

88

MutajenlerMutajenler� Sıcaklık, manyetik ve elektriksel alan, UV, proton, nötron

ışınlamaları gibi etkenler genellikle baz çifti değişimlerine yol açarlar.

� Sıcaklığın her 100°C yükseltilmesiyle organizmalarda mutasyon oranı ~ 5 kat artar.

� X ve γ ışınları gibi iyonlaştırıcı ışınlar kuvvetli fiziksel mutagenlerdir. Çoğunlukla büyük, bazen de nokta mutasyonlar meydana getirirler.

� Bazı kimyasal maddeler, hücrenin yaşam çevriminin herhangi bir evresinde, DNA’yı doğrudan etkileyerek bazların kimyasal yapısını değiştirebilirler.

5

99

Spontan MutasyonlarSpontan Mutasyonlar UyarUyarıılmlmışış MutasyonlarMutasyonlar

� Belirli bir dış etki olmaksızın, normal hücresel etkinliklerya da ortamla gelişi güzel etkileşimlerin sonucunda ortaya çıkan mutasyonlar.

� Mutasyonların kendiliğinden meydana gelme olasılığı çok düşük.

� Genelde, tek bir gende kendiliğinden mutasyon olasılığı her dölde (her replikasyon sırasında) hücre başına ~10-5 -10-10.

� Mutajen adı verilen kimyasal veya fiziksel etkenlerle meydana gelen mutasyonlardır.

� Mutajenlerin kullanılması mutasyon meydana gelme olasılığını çok artırır.

� DNA da bazı bölgelerde (sıcak bölge) mutasyon oranı daha yüksek olabilir.

� Bir mutajenin etkinliği, arka planın üzerine, mutasyon derecesini ne kadar yükselttiğiyle değerlendirilir.

� Mutajenler genellikle genler üzerinde fark gözetmeden etkili ⇒ genelde genlerin yapay mutasyona uğrama şansları eşittir.

1010

MutantlarMutantlar……

�� hhüücre fizyolojisinin anlacre fizyolojisinin anlaşışılabilmesi ilabilmesi iççin arain araçç

�� endendüüstriyel organizmalar kadar destriyel organizmalar kadar değğerli erli -- kapasite kapasite üüststüü üüretim iretim iççin kullanin kullanıılma lma şşansansıına sahipna sahip

�� Mutasyonun uyarMutasyonun uyarıılmaslmasıı ve mutant seve mutant seççimi imi bioproses uygulamalarbioproses uygulamalarıı iiççin in öönemlidirnemlidir

�� ÖÖllüümcmcüül mutasyon => mutantl mutasyon => mutantıı inceleyemeyebilirizinceleyemeyebiliriz

6

1111

ÖÖrnekrnek

Cynthia Kenyon, 2011.http://www.ted.com/talks/cynthia_kenyon_experiments_that_hint_of_longer_lives.html

1212

�� SeSeççilemeyen Mutasyonilemeyen Mutasyon

�� DoDoğğal ve mutant sual ve mutant suşşlarlarıın n ayayıırt edilebilecert edilebileceğği bir i bir kküültltüür ortamr ortamııhazhazıırlanamaz.rlanamaz.

�� Mutant hMutant hüücreler hcreler hüücre cre hhüücre denenerek tespit cre denenerek tespit edilir. edilir.

�� HighHigh--throughput throughput screening ?!screening ?!

�� SeSeççilebilir Mutasyonilebilir Mutasyon

�� Mutant hMutant hüücrelerin crelerin yayaşşayabileceayabileceğği i öönceden belirlenminceden belirlenmişşççevre koevre koşşullarullarıı vardvardıır.r.

�� Mutant suMutant suşş, bu , bu kokoşşullarda yaullarda yaşşamayamayııbabaşşararıırken dorken doğğal sual suşşööllüür; bu sayede r; bu sayede mutant semutant seççimi imi yapyapıılmlmışış olur.olur.

7

1313

Direk veya DolaylDirek veya Dolaylıı SeSeççimim

ÖÖr: r:

�� Antibiyotik resistansAntibiyotik resistansıı --> direk> direk

�� Lizin oksotrof (auxotroph) Lizin oksotrof (auxotroph) --> dolayl> dolaylıı

�� SSııcaklcaklığığa duyarla duyarlıı --> ko> koşşulluullu

1414

Replicate PlatingReplicate Plating

Belli bir suBelli bir suşş soyunun, soyunun, belli bir metabolit ibelli bir metabolit iççin in oksotrof oksotrof

olup olmadolup olmadığıığınnııanlamaya yarayan hanlamaya yarayan hıızlzlııbir gbir göörrüüntntüüleme leme teknitekniğğidir.idir.

8

1515

Replicate PlatingReplicate Plating

1616

SiteSite--Directed Mutagenesis Directed Mutagenesis BBöölgesel Ylgesel Yöönlendirilminlendirilmişş MutasyonMutasyon

• Labda mutant yaratmak için kullanılan yöntemin temeli =>

• Hazır kitleri mevcut

9

1717

BAKTERBAKTERİİLERLERİİN DON DOĞĞAL GEN TRANSFER AL GEN TRANSFER MEKANMEKANİİZMALARIZMALARI

1. Genetik Rekombinasyon1. Genetik Rekombinasyon

2. Transformasyon2. Transformasyon

3. Transd3. Transdüüksiyonksiyon

4. Epizomlar ve Konjugasyon4. Epizomlar ve Konjugasyon

5. Transpozonlar: 5. Transpozonlar: İİçç Gen AktarGen Aktarıımmıı

1818

1.Genetik Rekombinasyon1.Genetik Rekombinasyon

� DNA molekülüne ait parçaların (DNA dizilerinin) birbirlerine göre yerleşimlerinin çeşitli yollarla değişmesiyle meydana gelen yeni yerleşim düzenlemelerine rekombinasyon denir.

� Günümüzdeki tüm organizmaların DNA’ları rekombinanttır.

� Genomda şifrelenen ve aktiviteleri düzenlenen enzimler tarafından katalizlenen temel bir süreçtir.

� “Homolog rekombinasyon” gen aktarımında kullanılan bir tekniktir.

10

1919

Homolog RekombinasyonHomolog Rekombinasyon

� Bir bireyin sahip olduğu DNA moleküllerinin veya aynı türe (ya da

yakın türlere) ait bireylerin DNA’larının homoloji (benzerlik) gösteren

bölgeleri arasında parça hareketleridir.

� Ökaryotlarda crossing-over yoluyla, bakterilerde transformasyonla

gerçekleşir.

2020

2. Transformasyon2. Transformasyon

� Bakterilerde transformasyon, hücre veya proteinlerle beraber olmayan DNA'nın alınması sonucu meydana gelen istikrarlıkalıtsal değişiklik olarak ifade edilebilir.

� Bakterinin ortamdan yabancı DNA'yı içine alabilme özelliğine yetkinlik (competence) adı verilir.

� Yetkinliğin iki tipini ayırd etmek gerekir:

� Doğal Yetkinlik: Bu türler, DNA'nın hücre zarı içinden içeri taşınmasını sağlayan mekanizmalar için gereken genlere sahiptir.

� Yapay Yetkinlik: Yapay yetkinlik için gerekli proteinler hücrenin genleri tarafında kodlanmaz. Laboratuvar işlemleri ile, yani doğada normalde rastlanmayan şartlar altında, hücre zarı 'nın DNA'ya geçirgen olması sağlanır.

11

2121

3. Transd3. Transdüüksiyonksiyon

�� Bir bakteriden (verici) diBir bakteriden (verici) diğğerine (alerine (alııccıı) bir ) bir bakteriyofaj aracbakteriyofaj aracııllığıığıyla DNA molekyla DNA moleküüllüüparparççasasıı tataşışınmasnmasıı olayolayııddıır. r.

�� İİkiye ayrkiye ayrııllıır;r;

1. Genel (k1. Genel (kııssııtltlıı olmayan) transdolmayan) transdüüksiyon : ksiyon : VirVirüüs DNAs DNA’’ssıı kromozoma entegre olmazkromozoma entegre olmaz

2. 2. ÖÖzel (kzel (kııssııtltlıı ) transd) transdüüksiyon:ksiyon:VirVirüüs DNAs DNA’’ssıı kromozoma entegre olurkromozoma entegre olur

2222

12

2323

4. Epizomlar ve Konjugasyon4. Epizomlar ve Konjugasyon

� Epizom, konak organizmanın kromozom DNA’sı ile bütünleşebilen bir plazmiddir (Ör: F plasmid).

� Bu yüzden uzun süre bütünlüğünü koruyabilir, her hücre bölünmesinde kopyalanır ve genetik yapının bir parçası olarak varlığını sürdürür.

�� Konjugasyon, bakteriler arasKonjugasyon, bakteriler arasıında direk temas ve knda direk temas ve kööprprüüoluoluşşmasmasıı suretiyle verici DNA segmentlerinin alsuretiyle verici DNA segmentlerinin alııccııhhüücrelere gecrelere geççmesidir.mesidir.

2424

5. Transpozonlar5. Transpozonlar

� Transpozonlar bakteri DNA’sı, plazmidleri ve bakteriofajlarıarasında yer değiştiren DNA parçacıklarıdır.

� Yer değiştirdikleri için bunlara aynı zamanda “sıçrayıcıgenler” de denir.

� Bakterilerde genelde antibiyotik resistansını kodlarlar. Insanlarda da mevcuttur.

� Tranpozonların kimi kendini kopyalayarak, kimi kendini çevreleyen DNA'dan kesip çıkarak hareket eder.

� Bu özelliklerinden dolayı, bilim adamları transpozonlarıcanlılardaki DNA'yı değiştirmek için bir araç olarak kullanırlar.