Tibbi_Biyolojiye_Giris1.52 MB

TIBBİ BİYOLOJİ YE
GİRİŞ
Prof. Dr. Turgut Ulutin
HÜCRE BİLİMİ
z
z
Hücre, 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 zarı
bulunmaz, o nedenle kalıtsal materyal DNA,
hücre sitoplazmasında serbest olarak
bulunur. Gelişmiş hücrelerde görülen bazı
organeller bunlarda yoktur.
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.
z İleri
z
Hücrenin varlığı ilk kez 1665 yılında Robert
Hooke tarafından anlaşılmıştır. R. Hooke,
kendi yaptığı mikroskopta şişe mantarı
hücrelerini 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 canlı
olduğunu 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.
z
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.
z
Mikroskobun daha da geliştirilmesiyle bazı
hücre 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, mayoz
bölünmeyi açıkladılar. Bu arada 1944’de
Avery ve Mc Carty, bunları takiben Griffts,
Streptococcus pneumonia ile çalışarak
genetik etkileşimin DNA tarafından yapıldığını
açıkladılar. 1953’de Watson ve Crick
DNA’nın çift sarmal yapısını açıklayarak
Moleküler Biyolojinin temelini kurdular.
Kromozom, DNA ve Gen
Gen
Nukleus
Hücre
Kromozomlar
Protein
DNA çift sarmalı
Şeker
Fosfat
omurga
Baz çifti
Bazlar
Adenin (A)
Sitozin (C)
Timin (T)
Guanin (G)
z
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.
z
1950-1956
yıllarında
itibaren
elektron
mikroskobunun yardımıyla hücre organellerinin
ultrastrüktürleri 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.
z
Bütün yaşayan canlılarda genetik direktifler
DNA moleküllerinde depolanmıştır. Aynı
kimyasal 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.
z 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 ünitesi
Yaşamın tüm etkinliklerini
gerçekleştirebilen en temel yapı
seviyesi
– Tüm organizmalar hücrelerden
oluşmuştur.
z
Virüsler: canlı organizma olarak
nitelendirilmezler.
– Tek hücreli yada çok hücreli
Hücrenin büyüklüğü
z İnsan
ovum 200 mikron
z Balık yumurtası 5 mm
z Tavuk yumurtası 30 mm
z Beyin
hücrelerinin en küçüğü 4-5 mikron
Hücre sayısı, rengi, kıvamı
z
İnsanda Kan hücreleri hariç 1013-1014
z
MSS, retina, lens kristali hücre sayısı sabittir ve
sonradan çoğalmaz
Hücreler çoğunlukla renksizdir, pigmentli hücreler
hariç
Hücrelerin kıvamları hücre çeşidine göre değişir
Beyin hücreleri- derinin stratum corneum
hücreleri
z
z
PROKARYOTİK ve ÖKARYOTİK
HÜCRELER
KARAKTERİSTİK
PROKARYOTİK
ÖKARYOTİK
Nukleus
Yok
Var
Tipik bir hücrenin
çapı
1 µm
10 – 100 µm
Hücre iskeleti
Yok
Var
Sitoplazmik
organeller
Yok
Var
DNA içeriği
(baz çiftleri)
1x106 – 5x106
1,5x107 – 5x109
Kromozomlar
Tek sirküler DNA
molekülü
Çoklu lineer DNA
molekülleri
1859
z
Charles Darwin
“Türlerin Kökeni”
1865
z
Gregor Mendel
“Bezelyelerin
kalıtımı”
1869
Friedrich Miescher
DNA’yı ilk defa izole etti
z
1879
z
Walter Filemming
Mitozu gözlemledi
ve tanımladı
1902
Sutton
“Kalıtımın
Kromozom
teorisi”
1909
z
İlk defa “Gen”
kelimesi kullanıldı
1911
z
Meyve sineği
çalışmaları
1941
z
“Bir gen
Bir enzim”
1943
z
DNA’nın X-ray
difraksiyonu
1944
z
Avery & Mc Leod
z
Genetik bilginin
temeli olarak DNA
z
z
Barbara Mc Clintoc
transpozonlar
1952
z
Hershey-Chase
Deneyi
“Genler
DNA’lardan
oluşur”
1953
z
Watson
Crick
“Klinisyenler İçin Moleküler
Genetik Kursu”
Temel Moleküler Genetik
Kavramlar
z İnsan
Genetiği
– Tıbbi Genetik
z Sitogenetik
z Moleküler Genetik
z Popülasyon
Genetiği
z Klinik Genetik
1955
z
“Kromozom sayısı
46”
1956
z
Arthur Cornberg
ve arkadaşları
“DNA Polimeraz“
enzimini izole
ettiler
1958
z
“semikonservatif
DNA”
1959
z
Kromozom
anomalileri
tanımlandı
(Down S)
1961
z
m-RNA bilgi taşıyor
İlk kalıtsal
metabolik hastalık
z
(PKU)
1966
z
Genetik kod
1968
z
İlk restriksiyon
enzimi
(Hind III)
1972
z
İlk Rekombinant
DNA
1973
z
İlk hayvan geni
klonlandı
Southern Blot
1- Total DNA
2- RE ile kesim
3- Farklı büyüklükte DNA
fragmanları
4- Jel elektroforezinde
büyüklüğüne göre ayrım
5- Membrana transfer,
denaturasyon
6- İşaretli DNA probu ile
inkübasyon, tanımlama
1975-1977
z
DNA dizilemesi
Sanger
z
z
z
z
z
z
Bu yöntemde öncelikle dizisi
belirlenecek DNA parçası
plazmid 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 dideoksi
nukleotid 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.
Maxam-Gilbert
z
z
z
z
z
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 parçası
radyoaktif 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.
1976
z
İlk gen
mühendisliği
şirketi olan
GENENTECH
kuruldu
1977
z
İntronların keşfi
1981-1982
z
İlk “transgenik”
hayvan
1982
z
Gen bankası
datası
oluşturuldu
1983
z
İlk genetik
hastalık
haritalandı
•Huntington Hastalığı
•(krz. 4p16.3)
1983
z
z
z
z
z
z
Amplifikasyon yoluyla bir DNA
segmentinin birçok kopyası
oluşturulabilir.
Önce amplifiye edilecek DNA
segmenti denature edilir.
Oluşan tek iplik yeni
sentezlenecek DNA için kalıp
işlevi görür. Sentezde primer
olarak sentetik oligonukleotidler
kullanılır.
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 hibridize
edilir (primer bağlanması).
Daha sonra yeni DNA’nın
oluşabilmesi için DNA Polimeraz
ve 4-deoksiribonukleotid
trifosfat ile inkübe edilir. Her
devirde DNA iki katına çıkar.
1986
z
Pozisyonel
klonlama
RFLP
z
z
z
z
Bir DNA segmentinin
yaklaşık her 100 baz
çiftindeki nukleotid dizisi
bireylerde değişiklik gösterir
(DNA polimorfizmi).
polimorfizmi
Sonuç olarak; her
kromozom üzerinde bulunan
bir restriksiyon enzimi
tanıma dizisi diğerinde
bulunmayabilir.
Bu durumda, restriksiyon
fragman büyüklükleri bu
bölge için farklıdır
(Restriksiyon Fragment
Uzunluk Polimorfizmi
RFLP).
Analiz sonucunda aranan
fragmanın görülmesi
mutasyonun varlığını
gösterecektir.
1987
YAC:(maya yapay kromozomu):
z Çoğalan maya hücrelerinde
replikasyonu sağlamak amacıyla
yabancı bir DNA katılmış maya
kromozomudur.
z YAC’lar 1000kb’a kadar büyük
DNA fargmanlarını inkorpore
edebilirler.
z YAC’lar kompleks genomların
analizinde klonlama ve
haritalama amacıyla kullanılırlar.
z
1989
z
Mikrosatellitler
z
Yeni genetik
markerler
1989
STS (Sekans etiketli bölge):
z Dizisi bilinen, kısa (~500bp)
bir DNA bölgesidir. PCR ile
çoğaltılabilir ve harita için
başlangıç nesnesi olarak
kullanılabilir.
z Çakışan fragmanlar üzerindeki
konumları ve dizileri tanınır.
Böylece, ilişkilendirilmiş DNA
dizilerinden bir segment
oluşturulur.
z
1990
z
İnsan Genom
Projesi başladı
z
Bakteriyel
Artifisiyel
Kromozom
(BAC)’lar
BAC
kullanılmaya
başlandı
1991
z
2. Nesil İnsan
Genom Haritası
olarak
adlandırılan düşük
rezolusyonlu
mikrosatellit gen
haritaları yapıldı
1991
z
EST’ler,
EST
fragmanlar ve
genler
1994
z
İlk genetik
modifikasyona
uğrayan gıda olan
FLAVR SAVR
domatesin satışına
izin verildi
z
Mikrop Genom
Projesi
1995
z
z
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 rekombinasyon
frekansına göre belirtir. Bir
cM, %1 rekombinasyon
frekansına denktir.
1995
z
z
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 rekombinasyon
frekansına göre belirtir. Bir
cM, %1 rekombinasyon
frekansına denktir.
1996
z
z
z
Fare genetik
haritası
tamamlandı
Maya genomu
dizilendi
Arkea genomu
dizilendi
1996
z
16.000 geni ifade
eden EST insan
gen haritası
oluşturuldu
z
İnsan DNA’sının
dizilenmesine
başlandı
1997
z
E. Coli genomu
dizilendi
1998
z
CELERA
GENOMİCS
şirketi dizileme
planını açıkladı
z
Genetik Testler
ile ilgili olarak
SACGT
komitesi
kuruldu
1998
z
İnsan genomunda
30.000 gen
bulunduğu açıklandı
z
HGP’nin 2003 yılında
tamamlanacağı
açıklandı
SNP insiyatifi başladı
z
z
Full-scale
dizilemeye
başlandı
z
22. Kromozomun
dizilenmesi
tamamlandı
2000
z
Meyve sineği
genomu dizilendi
z
21. Kromozomun
dizilenmesi
tamamlandı
2001
z
20. kromozom
Diabet, Obezite
ve katarakt ile
ilişkili bulundu.
2002
z
3. kromozom
dizilendi.
Mayıs 2002:
z
Amerika Enerji
Departmanı 5 yıl
için Postgenomik
araştırmalara 103
milyar $ ayrıldığını
duyurdu.
2003
z
DNA’nın keşfinin
50. yılı kutlandı.
Ocak 2003:
z
z
14. kromozom
dizilendi. Bu
kromozomdaki 14 gen
immun yanıtla ilişkili
olarak;
60 gen ise Alzheimer,
Lösemi ve ovaryum
kanseriyle ilişkili olarak
bulundu.
Nisan 2003:
z
Environmental
Genome Project’in
ilk fazı tamamlandı
Mart 2004:
z
13. ve 19.
kromozom
dizilendi.
İlk veriler
z
İnsan genomu 3,164,700,000 nukleotidden
oluşmaktadır.
z
Bir gen ortalama 3,000 nukleotidden oluşur.
Ancak bu sayı çok değişkendir. En büyük gen
olarak bilinen distrofin geni, 2,4 milyon baz
içerir.
z
Toplam gen sayısı 29,000-36,000 arasındadır.
z
Nükleotid dizilerinin %99’u bütün insanlarda
aynıdır.
İlk veriler
z
Bu güne kadar insanda 1,5 milyon kadar tek
nukleotid değişikliği bölgesi saptanmıştır.
z
Tanımlanmış genlerin %50’den fazlasının
işlevleri henüz bilinmemektedir.
z
Genomun yaklaşık %2’si proteinleri
kodlamaktadır.
z
Proteinleri kodlamayan dizi tekrarları,
genomun büyük bölümünü oluşturur.
İlk veriler
z
En fazla geni 1. Kromozom (2,968) ve en
az geni Y kromozomu (231) içermektedir.
z
Aynı gen alternatif mRNA kesilmeleri ve
kimyasal değişikliklere bağlı olarak değişik
proteinleri kodlayabilir.
z
İnsan, bitki, sinek ve kurtçuklarla ortak
protein ailelerine sahiptir; ancak, gen
aileleri (özellikle gelişme ve bağışıklıktan
sorumlu olanları) insanda daha geniştir.
İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen
Getirileri
Moleküler Tıp
-Tanı yöntemlerinin geliştirilmesi
- Hastalıklara genetik yatkınlığın belirlenmesi
- Genetik yapıya özgü ilaçlar geliştirilmesi
- Gen tedavisi yöntemlerinin geliştirilmesi
z
Bakteri Genetiği
- Hastalık yapıcı bakterilerin (patojenlerin)
kolay ve hızlı saptanması
z
İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen
Getirileri
Çevre 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
getirilmesi
z Risk Değerlendirmesi
- Radyasyon ve toksik ajanların kanserojen ve
diğer zararlı etkilerinin, mekanizmalarıyla
birlikte aydınlatılması
z
İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen
Getirileri
Biyoarkeoloji, Antropoloji, Evrim ve
Tarih
- Evrimin moleküler düzeyde gösterilmesi
- Değişik toplumların göç yollarının ve
akrabalıklarının araştırılması
- Y kromozom mutasyonlarının incelenmesiyle
erkek dağılımının ve göçlerin araştırılması
z
İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen
Getirileri
z
-
DNA Tanımlama
Adli tıpta suçluların belirlenmesi
Kan bağlarının saptanması
Çevre kirletici bakteri ve benzeri
organizmaların saptanması
Organ nakillerinde doku uyumunun kesin
şekilde saptanması
Soy ağaçlarının geliştirilmesi
İnsan Genomu Projesi’nin Beklenen
Getirileri
z
-
Tarım, Hayvancılık ve Biyoişlem
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
Kuşkular
Genetik alanındaki gelişmeler ve insan
Genomu Projesi, yanıtlanması gereken
soruları da beraberinde getirmekte. Sosyal,
yasal ve etik açıdan toplumun kaygılarını dile
getiren sorular kısaca şöyle sıralanabilir:
Kuşkular
Genetik Bilginin Özelliği ve Gizliliği
- Genetik bilgiye kim sahip olacak ve kontrol edecek?
- Genetik bilgilerin gizliliği tıbbi gizlilikten farklı mı?
z Genetik bilginin kullanılması
- Bireye ait genetik bilgilere kim ulaşabilecek ve bu
bilgileri nasıl kullanacak?
z Üremeyle ilgili Konular
- Sağlık personeli, aileleri risk ve sınırlamalar
konusunda bilgilendiriyor mu?
- Yeni yardımcı üreme tekniklerinin getirdiği yeni
sosyal sorunlar neler?
z
Kuşkular
z
-
Klinik 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
Karmaşık hastalıkların (kalp, diyabet,
Alzheimer vb) ilgili genetik testleriyle ilgili
belirsizlikler
- Tedavisi henüz olmayan hastalıkların erken tanı sı
yapıldığında ne olacak?
- Çocuklar ileri yaşlarda ortaya çıkabilecek
hastalıklar için kontrol edilebilecekler mi?
- Genler davranışları düzenliyorsa, kontrol olanağı
var mı?
z
Kuşkular
Kavramsal ve Felsefi Yaklaşımlar
- Tıbbi tedavi ve süperleştirme arasındaki çizgi nasıl
belirlenebilir?
z Sağlık ve Çevre Açılımları
- Genetik değişikliğe uğratılmış gıdalar ve diğer ürünler
insanlar için tümüyle güvenli mi?
- Bu teknolojiler gelişmekte olan ülkelerin ekonomilerini
ve dışa bağımlılığını nasıl etkilenecek?
z Patent Hakları ve Ticarileştirme
- DNA dizilerinin patentlenmesi sağlık hizmetlerini, ürün
geliştirmeyi ve bilgileri ulaşmayı engelleyecek mi?
z