Gen Mutasyonu, DNA Onarımı ve Yer Değiştirebilen Elementler

Gen Mutasyonu, DNA Onarımı
ve Yer Değiştirebilen
Elementler
Doç. Dr. Ercan ARICAN
Mutasyon
DNA molekülünün 4 önemli özelliği vardır: replikasyon,
depolama, ekspresyon (ifade etme) ve mutasyon. Mutasyon,
genetik bilginin bozulmaksızın depolanmasındaki
başarısızlıktır. Eğer depolanmış bilgide bir değişiklik
olursa, bu değişiklik o bilginin ekspresyonunda görülebilir
ve replikasyon yoluyla aktarılabilir.
Mutasyon olmazsa evolusyon olmaz…
Çok fazla mutasyon hücre ölümü, organizma ölümü,
dahası…
Kararlılık ve mutasyona uğrayabilirlik arasındaki denge
korunmalıdır
Mutasyon
Gen mutasyonları
Değişiklik bir nukleotitin kazanılması veya
kaybedilmesi, substitüsyon (değiştirme) kadar
basit olabileceği gibi, normal DNA dizisi içinde bir
çok nukleotitin eklenme ve çıkarılması gibi
karmaşık da olabilir.
Yeni allellerin ve bu nedenle de populasyondaki
genetik varyasyonun çoğunun kaynağıdır. Yeni
alleller oluştukça ortaya çıkan materyalin zararlı
mı, nötral mi ya da yararlı mı olduğuna dair karar
verilmek üzere doğal seçilimin evrimsel sürecinde
test edilir.
Mutasyon Tipleri
Spontan mutasyonlar
Sadece doğada olan mutasyonlardır. Oluşumları ile ilgili
hiçbir özgün etken yoktur ve genellikle genlerin
nukleotit dizilerinde rasgele olan değişikliklerdir
Bunlar hücrede normal olarak bulunan kimyasalların
(oksijen, asitler vs.) sebep olduğu baz
modifikasyonları veya replikasyon hataları olduğu
düşünülmektedir.
Uyarılmış mutasyonlar
Herhangi bir yapay faktörün etkisi sonucu oluşan
mutasyonlardır.
X-ışınları, UV ışığı, hücresel kökenli olmayan
kimyasallar
Adaptif Mutasyon
Bakteri gibi organizmaların çevresel baskının bir sonucu olarak özel bir mutasyon
takımını “seçme” kabiliyetine sahip olabilecekleri fikri genetikçileri uzun süre
düşündürmüştür.
Luria-Delbruck fluctuation (Oynama) Deneyi: Adaptasyon ve spontan
mutasyon hipotezleri arasında bir ayırım yapmak amacıyla E.coli/T1
sistemleri ile deneyler gerçekleştirilmiştir.
Adaptasyon hipotezi: Eğer her kültür için sabit sayıda bakteri ve
faj kullanılır ve inkübasyon süresi sabit tutulursa, dirençli bakteri
sayısındaki oynamalar (farklar) petri kutusundan petri kutusuna ve
deneyden deneye çok az olmalıdır.
Spontan mutasyon hipotezi: Dirençli hücre sayısının sıvı kültür
içinde spontan mutasyonların çoğunluğunun değişik zamanlarda
oluşumunu yansıtacak şekilde deneyden deneye oynayacağını
öngörür.
Tabloda da görüldüğü gibi bu deneyde kültürler arasında çok büyük
oynamalar görülmüş ve bakterilerdeki kalıtsal varyasyonların
spontan mutasyonlar nedeniyle olduğu hipotezi desteklenmiştir.
Adaptif mutasyona dair bir kanıt bulunamamıştır
Luria-Delbruck
Deneyi
Faj-Dirençli
Bakterilerin
Kaynağının Spontan
Mutasyonlar
Olduğunu Gösteren
Luria-Delbrück
Deneyi
Mutasyon Lokasyonuna Dayalı
Sınıflandırma
Somatik ve Gametik Mutasyonlar: Bu tür mutasyonların çoğunun ifadesi
genellikle dominant allel tarafından maskelenmektedir.
Otozomal ve X-bağlı
Otozomal resesif
İlk jenerasyonda genellikle fenotipik olarak görülmezler
Otozomal dominant
İlk jenerasyonda fenotipik olarak görülürler
Xe bağlı resesif mutasyonlar, etkilenmiş X kromozomunu alan hemizigot
erkeklerde ifade olabilir. Erkek veya dişilerin herhangibirinin
gametlerinde oluşan bir otozomal resesif mutasyon heterozigotluk
nedeniyle, o allel populasyonda yayılana kadar nesiller boyunca dikkat
çekmeden aktarılabilir. Yeni allelin görülmesi, iki kopyasının bir kötü şans
evliliği sonucu homozigot durumda biraraya gelmesiyle olur.
Moleküler Değişim Tiplerine dayalı
Sınıflandırma
Nokta mutasyonları (baz yer değiştirmeleri)
Tek bir nukleotit/baz değişimini içerir
Substitüsyon (yer değiştirme), delesyon (eksilmesi)
veya katılma (insersiyon)
Yanlış anlamlı mutasyonları içerir, sessiz ve sessiz
olmayan mutasyonlar
Genetik kod ile translasyon sonrası yapılan
protein üzerindeki etkilere bağlıdır
Transisyon (geçiş)(purin-purin) ya da transversiyon
(değişim)(purin-pirimidin)
Çerçeve kayması mutasyonları
Diziyi kodlayan proteindeki okuma çerçevesi
değişmiştir.
Nokta Mutasyonların Etkileri
Bir harfin
değişmesi
Bir harfin
kaybı
Bir harfin
katılması
Kedi köpeği gördü
Yarasa köpeği gördü
Kedi domuzu gördü
Nokta ve çerçeve kayması mutasyonlarına analoji olarak üç-harfli
kelimelerden oluşan bir cümlede, bir harfin insersiyonu (katılması),
delesyonu (eksilmesi) ve yer değiştirmesinin (substitüsyonunun) etkisi.
Fenotipik Etkilere Dayalı Sınıflandırma
Fonksiyon kaybı (ileri) mutasyonları
Gen ürününün fonksiyonunu elimine ederler
Null mutasyonları yada nakavt (knockout) genler
olarak da isimlendirilirler
Fonksiyon kazancı (geri) mutasyonları
Gen ürününe yeni bir fonksiyon verirler
Genellikle dominant bir alleldir
Bir proteine ya yeni bir fonksiyon verirler ya da eski
proteine yeni koşullar altında yeni bir zamanda
düzenleyici bir etkiye sebep olurlar
Fenotipik Etkilere Dayalı Sınıflandırma
Besinsel veya biyokimyasal varyasyonları gösterenler
Mikrobiyal okzotroflar
Orak hücre anemisi veya hemofili
Gruplar bunlardan ibaret değildir
Bazı mutasyonlar birden fazla gruba dahil
olabilirler
Davranışsal mutasyonlar
Hayvanların günlük ritimleri veya eşleşme davranışları
(meyve sineği-kanat çırpma-eşleşme)
Düzenleyici mutasyonlar (genlerin regülasyonunu)
E. coli lac operon operator/promotor bölgeleri
Fenotipik Etkilere Dayalı Sınıflandırma
Letal mutasyon
Temel fonksiyonun kaybı (Tay-Sachs ve Huntington)
Koşullu mutasyonlar
Isıya duyarlı mutasyonlar
Mutant gen ürünü normal olarak çalışır, kısıtlayıcı
sıcaklıklarda fonksiyonunu kaybeder
(Özellikle deneysel genetikte, organizmanın yaşamı için
mutlak gerekli olan genlerin fonksiyonunu anlamada…)
Nötral mutasyonlar
Çoğu mutasyon genomun gen kodlamayan kısımlarında veya genler
içinde bulunan intron bölgelerinde meydana gelir, bir genin
ürün/fonksiyonuna etkisi yoktur
Spontan Mutasyon Oranları
Çalışılan tüm organizmalar için “çok düşük”
Organizmalar arasında çok önemli ölçüde değişir
Değerlendirmeler
Viral ve bakteriyel genler yaklaşık 100 milyon hücre
bölünmesinde 1 (10-8) spontan mutasyon, (Neurospora
genleri de benzer bir sıklık)
Drosophila, mısır, insanlarda çalışılan genler her gamet
başına yaklaşık 10 –5 ve 10 -6 arasında mutasyon
geçirirler
Fare genlerinin spontan mutasyon sıklığı 10 -4 ve 10 –5
gibi daha sıktır
Aynı tür içinde bile, spontan mutasyon sıklığı genden gene değişir
İnsan Mutasyon Oranları
Zararlı mutasyonların oluşum sıklığını yıllar boyu
ölçmek mümkün olamamıştı.
Moleküler tekniklerin gelişmesi ile beraber yapılan
tahmine göre; bu sıklık, her nesil başına her birey
için en azından 1.6 zararlı genetik değişiklik gibi
beklentinin aksine çok yüksek bulunmuştur.
(Dr. James Crow, mutasyon araştırmaları, Nature, Ocak’ 1999)
Tautomerik Değişimler
Watson ve Crick 1953’ te, DNA’nın moleküler yapısını
tanıttıktan sonra, DNA’daki purin ve pirimidinlerin tautomerik
formlarda, yani azotlu bir bazın her birinin, molekülde sadece
tek bir protonun kayması ile farklılık gösteren, yapısal
izomerler olarak adlandırılan alternatif kimyasal formları
halinde bulunabileceğini ileri sürdüler.
Biyolojik öneme sahip olan tautomerler, sitozin ve adeninin
amino-imino formları ile timin ve guaninin keto-enol
formlarını içerir (nadir)
Bu tür bir kayma molekülün bağ özelliğini değiştireceğinden,
tautomerik kaymaların baz çifti değişimlerine veya
mutasyonlara yol açacağı ileri sürülmüştür.
Tautomerik Değişimler
Azotlu bazların en kararlı tautomerleri, DNA’nın
çift-sarmal modelinin temelini oluşturan standart
baz eşleşmeleridir.
Şekil 1, normal baz-eşleşmeleri ilişkilerini nadir
ve sıra dışı eşleşmelerle karşılaştırmaktadır.
Mutasyona yol açan bir etki, DNA replikasyonu
sırasında kalıp DNA zinciri üzerindeki nadir bir
tautomerin komplementer olmayan bir baz ile
eşleşmesi durumunda oluşur.
Sonraki replikasyon esnasında, baz çiftinin “mismatched
(yanlış-eşleşmiş) üyeleri ayrılır ve her biri kendisinin normal
komplementer (eşlenik) bazını belirler. Sonuç bir nokta
mutasyonudur (Şekil 2).
Tautomerler ve Baz Eşleşmesi
Şekil 1. Tautomerik kaymaların bir sonucu olarak oluşan iki anormal düzenleme ile
standart baz eşleşme ilişkilerinin karşılaştırılması. Koyu boyanmış ok ucu pentoz şekerine
bağlanma noktasını gösterir.
Depurinasyon ve Depirimidinasyon
Sağlıklı bir çift-sarmal DNA molekülündeki azotlu bazlardan
birinin (sıklıkla adenin ya da guanin) spontan olarak kaybedilmesi
bir diğer mutasyon tipidir.
Purin halkasındaki N-glikozidik bağın kırılmasıyla oluşan
bölgelere apurinik bölgeler (AP bölgeleri) denir.
Apirimidik bölgeler, bir pirimidinin kaybedildiği bölgelerde
oluşur ve bunlar da AP bölgeleri olarak tanımlanır.
Bir AP bölgede bir azotlu bazın yokluğu, eğer ilgili zincir
transkripsiyon ve translasyona uğramaktaysa genetik kodu
değiştirecektir.
Eğer replikasyon olursa, AP bölge kalıp olarak uygun olmayacak
ve replikasyonun durmasına nedenolabilecektir. Eğer yapıya bir
nukleotit girmişse, bu nukleotit genellikle yanlıştır ve diğer bir
mutasyonun oluşmasına yol açar (Neyseki, onarım var…)
Düşük pH da oranlar artar.
Deaminasyon
Deaminasyon sırasında adenin ve sitozindeki
bir amino grubu keto grubuna
dönüştürülmektedir.
Söz konusu mutajen, DNA’daki bazların
deaminasyonunu uyarabildiği bilinen nitröz asittir
(Şekil 3).
Sitozin, Adenin ve Guanin
Sitozin Urasil
Adenin Hipoksantin
Guanin Santin
5-metil sitozin Timin
Deamine Bazların Eşleşmesi
Şekil 3. Nitröz asitin
(HNO2) neden olduğu yeni
baz-eşleşmeleri ve
mutasyonların oluşumuna
yol açan deaminasyonlar.
Sitozin, adenin ile
eşleşen urasile
dönüştürülebilir. Adenin,
sitozin ile eşleşen (bazeşleşmesi yapan)
hipoksantine
dönüştürülebilir.
Oksidatif Hasar
Hidrojen peroksit (H202) ve superoksit (02-) gibi
oksijen radikallerinin (reaktif moleküller) aktif
formları DNA bazlarına zarar verebilir ve
replikasyon sırasında yanlış eşleşmelere neden
olurlar.
Yer değiştirebilen (Transposable)
Elementler
Hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda pek çok
spontan mutasyon ajanları;
İnsersiyon (katılım) mutasyonları
Delesyonlar
Yeniden düzenlenmeler
İndükleyen Mutasyon Kaynakları
Mantar toksinleri
Aflotoksin (fındık)
Kozmik ışınlar
UV ışını
Kimyasal kirleticiler
X ışını
Kimyasallar
Endüstriyel
Sigara dumanı
İndüklenmiş Mutasyonlar:
Kimyasal Hasar
Baz Analogları
Nukleik asit biyosentezi sırasında, purin ve pirimidinler yerine
geçebilen moleküllerdir ve genellikle mutajenik kimyasallardır
5-bromourasil (veya 5-bromodeoksiuridin)
Timin analoğu gibi davranır (metil grubu yerine brom atomu)
Tautomerik bir kaymanın gerçekleşme olasılığını arttırır
Enol tautomer çiftleri guanin ve adenin ile eşleşir (Şekil 4).
2-amino purin, adenin analoğu olarak hizmet verebilir (6-amino purin).
Timin ile eşleşmeye yatkındır, replikasyonu takiben sitozin ile de
eşleşerek olası transisyonlara yol açar.
2-AP gibi mutasyonları uyarmaları nedeniyle baz analogları, yabanıl
nukleotit dizilerine geri dönüşümü (reversiyon) uyarmada kullanılabilirler.
Bu değişiklik tersinir mutasyon olarak adlandırılır.
Baz Analogları
Şekil 4. 5-bromourasil
(5-BU) yapısının timin
yapısına benzerliği.
Yaygın keto formunda,
5-BU bir analog gibi
davranarak normal
olarak adeninle eşleşir.
Nadir olan enol
formunda ise hatalı
olarak guanin ile
eşleşir.
Alkilleyici Ajanlar (Hardal gazları)
Nukleotitlerdeki amino veya keto gruplarına alkil
grubu ekler (örn; metil veya etil)
Etilmetan sülfonat (EMS), guaninin 6 numaralı ve
timinin 4 numaralı pozisyonundaki keto gruplarını
alkiller (Şekil 5).
Baz analoglarında olduğu gibi, baz-eşleşme
yatkınlıkları değiştirilmiştir ve sonuçta transisyon
mutasyonları oluşur.
Alkilleyici Ajanlar
Mutajenik olduğu bilinen ve sık kullanılan birkaç
alkilleyici etken
Alkilleyicili Bazların Yanlış-Eşleşmesi
Şekil 5. Etilmetan sülfonat (EMS) tarafından guaninin 6etilguanine dönüştürülmesi. 6-etilguanin timin ile baz-çifti kurar.
Halkasal Yapılar ile İlişkili Moleküller
Akridin boyaları adını alan kimyasal mutajenler çerçeve
kayması mutasyonlarına neden olur.
Bu mutasyonlar, bir genin polinukleotit dizisinde bir ya da daha
çok bazın eklenmesi ya da çıkarılması sonucu oluşur
Örnek: proflavin, akridine oranj ve benzer materyaller
Yaklaşık olarak bir azotlu baz çifti boyutlarındadır ve normal
DNA’nın purin ve pirimidinleri arasına sıkışarak girme veya
“interkale” yapmaları ile bilinirler. DNA sarmalında
genişlemeler oluşturarak delesyon ve eklemelere neden olurlar
(Şekil 6).
İnterkale Ajanlar
Şekil 6. DNA’da çerçeve
kayması mutasyonlarına
neden olan proflavin ve
akridin sarısının kimyasal
yapıları
Radyasyon Hasarı
Dünyadaki tüm enerjiler değişen dalga boylarında
elektromagnetik serilerden oluşmuştur.
Elektromagnetik spektrum içinde enerji, dalga boyu
ile ters orantılı olarak değişir.
UV ışını bir iyonize radyasyon şeklidir ve DNA
hasarına neden olabilir.
Elektromagnetik Spektrum
UV ışığı ile DNA Hasarı
DNA ışığı maksimum 260 nm dalga boyunda absorblar.
Purinler ve pirimidinler
UV radyasyonun zararlı etkisi, özellikle iki timin bazı
arasında dimerlerin oluştuğu pirimidinler üzerinedir
(Şekil 7).
Pirimidinler tarafından ışığın absorbsiyonu onları
reaktif yapar
Dimerler DNA konformasyonunu bozar ve normal
replikasyonu durdurur.
T çok reaktiftir
En yaygın TT, daha az TC, en az CC
Pirimidin Dimerleri
Şekil 7. UV radyasyonu tarafından DNA’nın bozulması sonucunu
doğuran bir timin dimerinin uyarılması. Pirimidin halkasının atomları
çapraz-bağlantıların oluşumunu vurgulamak için gösterilmiştir.
İyonize Radyasyon Hasarı
X-ışınları, gamma ışınları ve kozmik ışınlar
Yüksek enerjili bir ışın hücreye girdiğinde, yolu üzerinde, arkasında
bıraktığı iyonlar çeşitli kimyasal reaksiyonları başlatabilir.
Bu reaksiyonlar doğrudan ve dolaylı olarak genetik materyali
etkiler ve purin ve pirimidinleri değiştirerek nokta mutasyonları
oluşturur.
İyonize radyasyon fosfodiester bağlarını da kırarak kromozomların
bütünlüğünü bozar ve çeşitli bozukluklar oluşturur (Şekil 8).
X-ışınları kromozomları parçalayabilir, terminal konumda ve
kromozom içinde yer alan delesyonlara, translokasyonlara ve genel
kromozom kırıklarına neden olur. Hasar, mitozda daha yoğundur.
X-ışını Mutagenezi
Şekil 8. Artan
X-ışınları dozlarıyla
uyarılan X’e bağlı
çekinik mutasyonların
yüzdelerinin eğrisi.
Eğer bir çıkarım
yapılırsa, grafik sıfır
aksisle çakışır. Yani
çok düşük radyasyon
dozları bile
mutajeniktir.
İnsanlarda Mutasyonlar
ABO Kan Grupları
Genelde yaygın olan O tip alleli glikoziltransferaz
geninde çerçeve-kayması mutasyonu ile
sonuçlanmaktadır.
mRNA transkripsiyonu tam yapılır ancak fonksiyonel
protein yapılamaz.
Duchenne (DMD) ve Becker (BMD) müsküler distrofileri
DMD allelik formu olan BMD den daha yaygın ve daha
ağırdır.
Distrofin geni, 2 milyon baz çiftinden uzundur ve
14000 bazlık (14kb) bir elçi RNA oluşturur.
Bu protein BMD vakalarının çoğunda saptanabilir, fakat
DMD de nadiren bulunur.
Üçlü nukleotit-Tekrarı hastalıkları
Mutant genler, normal insanlarda genellikle 15 kopyadan
daha az, etkilenmiş bireylerde ise çok daha fazla sayıda
bulunan, basit bir üçlünukleotit tekrar dizisinin bulunuşu
ile karakterizedir.
Tekrarlayan diziler her genin mutant olmayan
(normal) allelinde de bulunurken, mutasyonlar
trinukleotit tekrar sayısındaki artışın önemli ölçüde
değişmesiyle karakterize edilir.
Örnekler
Kırılgan-X (Frajil-X)
Miyotonik distrofi
Huntington hastalığı
Kırılgan-X (Frajil-X) Sendromu
Sorumlu olan gen FMR-1
CGG üçlü nukleotit dizisinin birkaç yüzden birkaç bine
kadar kopyasına sahip olabilir
<54 sayıdaki kopyaya sahip bireyler normaldir
54-230 kopya sayısı taşıyan bireyler taşıyıcı kabul edilir
Bu kişiler normal olmalarına karşın çocukları daha da
fazla sayıda kopya taşıyabilir ve hastalığın belirtilerini
gösterebilirler.
>230 olan bireyler frajil-X fenotipi gösterirler
Miyotonik Distrofi
MDPK geni (serin-treonin protein kinaz)
CTG dizisinin bir çok kopyasını içerir.
5-37tekrarı normal fenotipi verir
>37 etkiler hafif miyopati ve kataraktan, ağır distrofi,
gelişim bozukluğu, erken çocukluk döneminde ölüm
Hastalığın hem ilk görülme zamanı hem de ağırlığı,
tekrarlanan dizinin büyüklüğü ile doğrudan ilişkilidir
Huntington Hastalığı
Fetal nörodejeneratif hastalık
4. kromozomdaki HD geni
CAG üçlü nukleotit tekrarı
10-35 kez olanlar normal fenotiplidir
>35 semptomları verir (bilinen en fazla 120)
İlk belirtiler çok erken dönemlerde gerçekleşir
Diğer bir hastalık olan spinobulbar müsküler atrofi
(Kennedy hastalığı) geni de CAG tripletinin
tekrarlayan kopyalarını içerir.
(Hastalıklı bireyde 30-60 kopya)
İnsanda Üçlü nukleotit-Tekrarı
Bozuklukları