MOLEKLER BYOLOJ 2 Hafta DNA RNA ve protein

MOLEKÜLER BİYOLOJİ 2. Hafta DNA, RNA ve protein yapısı 1

MOLEKÜLER BİYOLOJİ Mutasyonlar 2

• DNA ‘da gerek replikasyon sırasında gerekse de çevresel kaynaklı olaylar sonucunda hasarlar meydana gelebilir. • Ancak DNAnın taşıdığı genetik bilginin değişmeden kalıp yeni hücrelere aktarılması gerekir. Diğer taraftan, DNA hücre içindeki moleküller içerisinde çevresel etkenlere karşı en hassas olandır. • Örneğin DNA iyonize radyasyona maruz kalırsa DNA molekülünün omurgası kırılır. • Diğer taraftan hücre içinde üretilen bazı maddelerde DNA molekülünün yapısını değiştirebilir. Ör; Serbest oksijen radikalleri. 3

Mutasyon • Mutasyon bir genomun kısa bir bölgesinin nükleotid dizisindeki bir değişikliktir. • Mutasyon sonucu oluşan ürün mutant olarak adlandırılır • Mutant terimi bir gen, bir hücre veya birey için kullanılabilir. • Mutasyon terimi ilk kez 1890 yılında de Vires tarafından kullanılmıştır. • Genomlar mutasyonların neden olduğu küçük ölçekli dizi değişikliklerinin biriken etkileri sonucunda zaman içinde değişen dinamik oluşumlardır. 4

Mutasyon • Mutasyonlar şu özellikleri gösterirler: • 1. Kalıtsal maddedeki nükleotitlerin çeşit, sayı veya sırasında devamlı olan değişikliklerdir yani kalıtsaldır. • 2. Daha önceden şifrelenmemiş ya da programlanmamış değişikliklerdir. • 3. Oldukça ender meydana gelen değişikliklerdir. Çünkü kalıtsal madde şifrelenmemiş ender değişimlerin oluşumuna karşı çift sarmal yapısı ve proteinlere bağlanması ile kendini koruma eğilimindedir. • 4. Replikasyonun doğruluğu ve onarım sisteminin etkinliği ile hata oluşumu en aza indirilmektedir. 5

Mutasyonların Nedenleri • Mutasyonlar iki şekilde oluşurlar: • Spontan-kendiliğinden oluşan mutasyonlar • Bir mutajenin neden olduğu İndüklenen mutasyonlar 6

Kendiliğinden oluşan (Spontan) Mutasyonlar • Mutasyonların kendiliğinden meydana gelme olasılığı çok düşüktür. • Genelde, tek bir gende kendiliğinden mutasyon olasılığı her replikasyon sırasında her baz çifti başına ~10 -8 -10 -11 dir. • Bazı mutasyonlar replikasyon çatalında yeni DNA zincirini sentezleyen DNA polimerazın hata okuma fonksiyonundan kaçan replikasyondaki spontan hatalar nedeniyle meydana gelirler. • Bu mutasyonlar yeni DNA dizisinde yanlış eşleşmelere neden olurlar • Eğer yeni sentezlenen DNA zincirindeki yanlış eşleşen baz düzeltilmez ise bir sonraki replikasyon döngüsünde üretilen ikinci nesil yavru moleküllerden birisi mutasyonun çift iplikli, ve kalıcı bir versiyonunu taşıyacaktır. 7

REPLİKASYONDAKİ BİR HATA SONUCU OLUŞAN MUTASYON …GACTTAGAA… …CTGAATCTT… ATASAL MOLEKÜL REPLİKASYON HATASI …GACCTAGAA… MUTANT …CTGGATCTT… MOLEKÜL …GACCTAGAA… …CTGAATCTT… YAVRU MOLEKÜLLER …GACTTAGAA… …CTGAATCTT… İKİNCİ NESİL YAVRU MOLEKÜLLER 8

DNA replikasyonu sırasındaki hatalar spontan mutasyonlara neden olabilir • DNA polimeraz kontrol (hata) okuma 3’ 5’ yönünde ekzonükleaz aktivitesi mutasyon oranını azaltır 9

İndüklenmiş mutasyonlar • Fiziksel • Kimyasal • Biyolojik mutajenler sebep olabilir 10

DNA Hasarı ve Onarımı • DNA hasarı, DNA’nın yapısında meydana gelen kimyasal bir değişmedir. Hücre içinde kendiliğinden olan bu hasarlar aynı zamanda lezyon olarak da tanımlanmaktadır. • Baz silinmesi veya eklenmesi, baz yer değiştirmeleri, tek veya çift zincir kırılmaları ve zincir içinde veya zincirler arası bağların oluşması şeklinde DNA hasarları görülür. • Baz silinmesi , eklenmesi, baz yer değiştirmeleri Açık Okuma Bölgesini (ORF) değiştirebilir. Bu durum düzeltilmeden kalırsa ve replikasyon gerçekleşirse yeni nesil hücrelere aktarılır ve mutasyon olarak adlandırılır. • DNA hasarı replikasyon sırasında tamir edilemezse mutasyona ve sonuç olarak genomik kararsızlığa, kanser ve yaşlanmaya neden olur • Tüm organizmalar (bakteri, maya, drosophila, balıklar ve insanlar dahil), hücreleri çevresel hasarlara karşı korumak amacıyla DNA onarım mekanizması içerirler. • Tamir sistemleri DNA’nın yapısında meydana gelebilecek değişiklikleri tamir etmek için vardır. 11

12

Mutasyon tipleri • Mutasyon kapsamına giren değişmeler iki grup altında toplanabilir: 1. Kromozom Yapı veya Sayısını Değiştiren Mutasyonlar • a- Kromozom Sayı Değişimleri (Genom Mutasyonları) • Mayoz bölünmenin ilk evrelerinde krossing-overle kromozomlardan kopan parçalar yer değiştirip tekrar kromozomlara bağlanabilirler. Krossing-over, homolog kromatitler arasındaki alışılagelmiş parça değişimidir; ancak genlerin rekombinasyonlarına neden olur; fakat kromozomlarda yapı değişikliklerine neden olmaz. Bazen kromatitler, krossing -over olmadan parça değişimine, yitirilmesine ya da kazanılmasına neden olur. Kromozom takımları sayısında tam katlar halinde artma (poliploidi) veya azalmalarla (monoploidi) takımdaki kromozomlardan bazılarının sayısındaki artma veya azalmaları (anöploidi) kapsar. • b- Kromozom Yapı Değişmeleri (Kromozom Mutasyonları) • Kromozomlarda kırılmalar sonucu oluşan parça kayıpları (delesyon) delesyon veya artışlarını (duplikasyon), duplikasyon parça yerleşim düzenlerindeki değişimleri (inversiyon) inversiyon ve kromozomlar arası parça değiş tokuşlarını (translokasyon) translokasyon kapsar. Bu tip mutasyonlar kromozomların sayısını veya kromozomlardaki geniş bölgeleri ilgilendiren büyük değişimlerdir. Bu tür değişimlerle genlerin ya sayısı ya da yerleşim düzenleri değişir bunun sonucunda da bireyin fenotipinde kalıcı değişimler ortaya çıkar 13

Yapısal Kromozom Anomalileri 1 - Translokasyon; Bir kromozomdan kopan parçanın, diğer kromozomun kırılan parçasının yerine yapışmasıdır. -Birden fazla kromozomlararası parça alışverişi -Kromozomlar homolog ya da non-homolog olabilir -Transloke olunan parça kromozomun kısa ya da uzun kolu düzeyinde olabileceği gibi bant, altbant düzeyinde de olabilir. 2. 1. 1. Resiprokal translokasyon (Karşılıklı) 2. 1. 2. Non-resiprokal translokasyon 2. 1. 3. Sentrik füzyon translokasyon 2 - Delesyon (Eksilme); - Birden fazla kromozomda meydana gelebilir - Kromozomdan bir ya da birden fazla gen bölgesinin kaybına denir - Kromozomda en az iki kırılma bölgesinin olması gerekir 14

Yapısal Kromozom Anomalileri 3 - İnversiyon (Ters dönme); Bir kromozoma iki darbenin gelmesi sonucunda kopan parçaların kaybolmadan yani delesyona uğramadan kendi ekseni çevresinde 180 o dönerek yine eski yerine yapışmasına denir. - Perisentrik : sentromeri içeriyorsa - Parasentrik: sentromeri içermiyorsa 4 - Dublikasyon (Artma); 5 - İzokromozom; Tam metasentrik yapıda kromozom: Sentromerin enlemesine bölünmesi sonucu ortaya çıkan kromozomlara denir. 6 - Ring (Halka=Yüzük) kromozom: Bir kromozomun iki ucunda olan kırılma sonucunda bu kırık uçlara başka bir parça birleşmeden iki uç kaynaşırsa halka şeklinde bir kromozom ortaya çıkar. 15

Mutasyon tipleri Kromozom Yapı Değişimleri 16

Mutasyon tipleri 2. Gen Mutasyonları: Genlerin yerinde değişme olmaksızın yapılarında meydana gelen değişmelerdir. Moleküler düzeydeki tanımıyla gen mutasyonu; yapısını oluşturan nukleotidlerin • sayısında, • oranında, • sıralamasında meydana gelen değişimlerdir. genin 17

Gen Mutasyonları • Genin yapısındaki değişmeyle taşıdığı şifre değişeceği için o gene özgü ürün de değişime uğrar. Bu değişme, • bazen fenotipte gözlenmeyecek kadar önemsiz olabilir. • Bazen protein biraz değişebilir • Ya da genin fonksiyonu mutasyonla tamamen kaybolabilir 18

Gen Mutasyonları • Gen ürünündeki kaybın fenotipte saptanabilecek bir kusura yol açmaması sessiz mutasyon, • genin ürününün yokluğunda organizmanın yaşamını sürdürememesi ise öldürücü mutasyon olarak adlandırılır. Bu iki zıt uç arasındaki durumlarda genotipteki değişmeler fenotipte az ya da çok çeşitli derecelerde ortaya çıkar. 19

Gen Mutasyonları • Bazı karakterler tek bir gen, bazıları ise birden fazla gen tarafından tayin edilir. • Bazı karakterler tek bir genin mutasyona uğramasıyla değiştiği gibi diğerleri için çok sayıda genden sadece birinin mutasyon geçirmesi yeterli olabilir. 20

MUTASYONLARIN KöKENi (MUTASYON ETMENLERİ) 21

MUTASYONLARIN SINIFLANDIRILMASI 22

A. Baz çiftlerinin Değişmesi (Nokta Mutasyonları) • Bir gen üzerindeki sadece tek bir baz (nükleotid) çiftinin (çok ender olarak birkaç baz çifti de olabilir) değişimi, eklenmesi ya da kopmasıyla oluşan mutasyonlar. Değişim gende çok kısıtlı bir bölgeyi kapsadığı için nokta mutasyonu olarak adlandırılır. 23

A. Nokta mutasyonları • Transisyon (geçiş tipi): • Bir pürinin yerini başka bir pürinin bir primidinin yerini başka bir primidinin alması • Transversiyon (Çapraz tip): • Bir pürinin yerini bir primidinin yerini bir pürinin alması • Bazın kimyasal yapısındaki değişme ile replikasyon sırasında değişik bir bazla eşleşmesi (yanlış eşleşme) • Baz çifti değişimi (AT ⇔ GC) 24

Transisyon (geçiş tipi) 25

Tautomerik değişimler • Replikasyon sırasında DNA molekülünün ipliklerden birindeki bazlarda geçici bir tautomerik değişiklik meydana gelmesi ile yavru DNA molekülleri bir veya fazla sayıda değişik tautomerik biçimde baz içerecektir. • DNA’nın (pürin ve pirimidin halkalarındaki 1. ve 6. pozisyondaki H atomlarının yeni ve stabil olmayan pozisyona geçmesi o bazlardaki tautomerik değişmeye neden olur ve sonuçta bu bazların eşleşme özellikleri de değişir) • Ör: A hatalı olarak G ile eşleşme yapabilir. • Mutasyona yol açarlar. 26

• Amino (-NH 2) ve keto (-C=O) gruplarının kimyasal değişim sonucunda imino (-NH) ve enol (COH) forma dönüşmesi elektriksel yük dengelerini değiştirir. Bu değişiklikler sonucunda DNA replikasyonu sırasında baz çifleşmelerinde hatalar oluşacaktır 27

AT-AC CG-AG 28

B. Protein kodlayan dizilerde nokta mutasyonu tipleri 29

B 1. Anlamlı-sessiz (sinonim) mutasyon • m. RNA üzerindeki kodonun 3. bazında meydana gelen değişme sonucu oluşur • Meydana gelen baz değişimi protein yapısında değişikliğe yol açmaz 30

B 2. Yanlış anlamlı mutasyon • Yanlış anlamlı kodon yani başka bir aa’ti şifreleyen kodon oluşmuşsa tek bir amino asit değişimi bir proteinin ikincil ve üçüncül yapısında genelde çok etkili olmayabilir (çoğu kez sessiz mutasyon) Tek bir aa değişimi bu aa ancak proteininin üç boyutlu yapısının oluşumunda etkili bir pozisyonda bulunduğu zaman önem taşır. 31

B 2. Yanlış anlamlı mutasyon • Mutasyon yeni bir aa değişimine neden olur. Bu yeni aa eski aa’ten farklı özelliklere sahiptir. • Proteinin yeni primer yapısı aktiviteyi ya düşürür ya da tamamen ortadan kaldırır. 32

B 3. Anlamsız mutasyon • Baz değişimi sonucunda (UAG, UAA, UGA) meydana geldiğinde ise mutasyonun meydana geldiği noktadan itibaren protein sentezi durur. Etkisini fenotipte çıkarma olasılığı oldukça yüksektir. 33

C. Çerçeve (Kodon) Kayması (Frame Shift) Mutasyonları Genin ürününü belirleyen sınırlar (okunma çerçevesi) içinde kodonların kayması ve bunun sonucunda da genin ürününe ait bilginin değişmesi. 34

C. Çerçeve Kayması Mutasyonları • C 1. Bir baz çiftinin aradan çıkması (delesyon) Genin bir bazlık çiftlik parçasının kaybolması o noktadan itibaren tüm kodonlar değişir 35

C. Çerçeve Kayması Mutasyonları • C 2. Yeni bir baz çiftinin yapıya girmesi (insersiyon, adisyon) Gene tek bir baz çifti eklenmesi sonucu o noktadan itibaren tüm kodonların değişmesidir. 36

C. Çerçeve Kayması Mutasyonları • Mutasyonun meydana geldiği noktadan itibaren gendeki tüm okunma çerçevesi değişeceği için genin ürünündeki değişiklik çok fazla olacaktır. • Genin ürünü olan polipeptidde çok sayıda amino asitlerin dizisinin değişmesi genellikle protein molekülünün yapı ve işlevinin tamamen değişmesine neden olur. • Çerçeve kayması mutasyonlarının fenotipte ortaya çıkma şansı baz çifti değişimlerindekinden çok daha yüksektir. 37

C. Çerçeve Kayması Mutasyonları 38

Mutasyon Tipleri (ÖZET ŞEMA) 39

MUTAJENLER I- Fiziksel Mutajenler a- Isı b-p. H c- Işınlar 1 -İyonize ışınlar (X ve gamma) 2 -Non-iyonize (UV, 260 nm dalga boyu ışınlar) 3 -Mor ötesi ışınlar 40

MUTAJENLER II-Kimyasal Mutajenler a- Baz Analogları (5 -Bromodeoksiuridin-Brd. U, 6 -thioguanin, 2 aminopürinler en yaygınları) b- Deaminasyon yapan ajanlar: DNA yapısında amino gruplarının kaybına neden olan ajanlar (Nitröz asidi, hidroksil aminler) c- Alkilleyici ajanlar: DNA yapısına alkil grubu takan ajanlar ( Kükürt, Nitrojen mustard, Etilenoksitler) d- İnterkalasyon yapan ajanlar : Akridinlerin hepsi bu özelliktedir (Proflawin, akrilflavin ve akridin oranj) e- Demetilasyon yapan ajanlar: DNA’nın hipo ya da de metilasyonuna neden olan ajanlar (5 -azasitidin, 5 aza-2 deoksisitidin) f- Çeşitli insersiyonlara neden olan ajanlar (Bu grup ajanlar DNA replikasyonu esnasında-süresince pürin ve primidin bazları yerine DNA yapısına katılan çoğunlukla çerçeve kayması 41

DNA hasarının genel sınıfları • Tek baz değişiklikleri (Konversiyon): DNA dizisini etkiler ancak DNA nın tüm yapısı üzerindeki etkisi küçüktür. • Deaminasyon: C nin aminogrubunun oksijenle yer değiştirmesi C yi U ya dönüştürür. CG UG baz çiftine dönüşür. • Alkilasyon: Nitrozamin O 6 -metil guanin oluşturur, bu baaz sıklıkla T ile yanlış eşleşir GC baz çifti AT baz çiftine dönüşür • Oksidasyon, radyasyon: güçlü oksitleyici ajanlar serbest radikalleri üreten iyonize radyasyon ve kimyasal ajanlar sayesinde üretilirler. ROS; bir fazla oksijen atomu taşıyan 8 -okzoguanin oluşturur. Bu insanda kansere yol açan en yaygın mutasyon olan GC TA transversiyonuna neden olur. 42

• Kendiliğinden en sık meydana gelen ve en önemli olan hidrolitik zarar bazlardaki (özellikle sitozinde) amin grubunun yok edilmesi (deaminasyon). • Sitozindeki amin grubunun kendiliğinden yok olması → urasil (adeninle eşleşme) • Omurgalı DNAsında C yerine çoğu kez 5 -metilsitozin bulunur. Metillenmiş C spontan mutasyonla GC ba zçiftinin AT baz çiftine değişmesine neden olur 43

44

DNA hasarının genel sınıfları • Yapısal bozulma: • UV ışığı: DNA dizisini etkiler ve komşu iki timinin T dimeri oluşumuna neden olur. T dimeri DNA sarmal yapısını bozar. Replikasyon ve transkripsiyonu engelleyebilir. • İnterkalasyon ajanları: Etidiyum bromür (Et. Br) polisiklik halkalar içerirler ve DNA bazlarının arasına girerek çift sarmal yapıyı bozarlar, replikasyon sırasında insersiyon veya delesyona neden olabilirler. • Baz analogları: Normal bazların yerine geçebilirler. 5 -bromourasil; T bazının anoloğudur. Normal replikasyon sırasında DNA ya sokulurlar ancak yanlış baz eşleşmelerine neden olurlar. 5 -bromourasil T yerine G ile eşleşir ve GU baz çifti oluşturur. 45

DNA hasarının genel sınıfları • DNA omurgasının hasarı: Bir nükleotiddeki azotlu bazın kaybolması sonucu oluşan abazik bölgeleri ve çift zincir kırıklarını ifade eder. • Abazik bölgeler: Kararsız baz eklentilerinin oluşması nedeniyle spontan oluşurlar. Pürinlerde şeker pürin bağları nispeten kararsızdır. Suyun etkisiyle pürindeki N-glikozil bağının hidrolizi, DNA daki pürinsiz kalan yerde bir OH bırakır. • Çift zincir kırıkları: İyonize radyasyon ve bazı kimyasal bileşikler tarafından indüklenirler. İyonize radyasyon DNA daki deoksiriboz şekere doğrudan veya ROS aracılığı ile dolaylı olarak saldırır. Çift zinciri bozduğundan en tehlikrli DNA hasar tipine neden olur. 46

47