MUTASYONLAR ve VARYASYONLAR Do Dr engl Tural Tbbi

MUTASYONLAR ve VARYASYONLAR Doç. Dr. Şengül Tural Tıbbi Biyoloji AD 1

Amaç ve Hedefler n n Amaç: Genetik yapıda meydana gelen değişimler mutasyonlar, varyasyonlar nelerdir ve nasıl oluşurlar. n n n n Hedefler: Mutasyon nedir? Mutasyon çeşitleri Mutasyonlara neden olan faktörler Kromozamal mutasyonlar Gen mutasyonları Mutasyonların oluşum mekanizması ve önemi. Genetik Varyasyonlar 2

DNA’nın Biyolojik Görevleri n n Genotip Devamlılık DNA replikasyonu - DNA onarımı - n n Fenotip -Transkripsiyon - Regülasyon Değişim Mutasyon - Rekombinasyon - 3

Canlı hücrelere zarar veren çevresel ajanların sınıflandırması Ajanlar Canlı hücre üzerine etkileri Karsinojen Eukaryotik hücrelerde neoplastik transformasyon ve kansere neden olur Klastojen Kromozomların krılmasına neden olur Mutajen Mutasyon oluşturur Onkogen Tümör oluşumuna neden olur Teratojen Gelişim anomalilerine neden olur. 4

MUTASYON TİPLERİ Uyarılmış (indüklenmiş) Mutasyonlar Fiziksel (radyasyon ve UV ışınları) Kimyasal ajanlar Kendiliğinden Oluşan Mutasyonlar n Kromozom mutasyonları n Genetik polimorfizm 5

6

Fiziksel Ajanlar n n n İyonize radyasyon: X ışınları girdiği hücrelerde bulunan moleküllerin atomlarından elektronları uzaklaştırarak, daha önce kararlı olan moleküller serbest radikallere, reaktif iyonlara dönüştürülür. Purin-pirimidin nükleotidlerini değiştirerek nokta mutasyonuna, fosfodiester bağlarını kırarak kromozomların bütünlüğünün bozulmasına neden olur. Ultraviyole radyasyonu: UV ışını DNA dizisi üzerinde pirimidin dimerleri (timin-timin veya sitozin-sitozin) oluşturur. DNA’nın yapısını bozduğundan dolayı, normal replikasyonu durdurur. Deri kanserine neden olur 7

8

Nükleotidlerin eşleşmesi 9

Guanin ve Timin’in keto ve enol formları. Koyu renkli hidrojenler hareket eden hidrojenleri, R’ ler ise şeker ve fosfat gruplarını göstermeketedir. 10

Kimyasal Ajanlar n BAZ ANALOGLARI: Mutajenik kimyasallardır. n 5 -Bromourasil: Timinin anoloğudur. Tautomerik kayma nedeniyle enol formuna dönüşür ve Guanin ile eşleşir n 2 -Aminopurin: Adenin’in analoğudur. Tautomerik değişim nedeniyle sitozin ile eşleşerek transisyonlara neden olur. n Alkilleyici ajanlar: Kükürt içeren hardal gazları bu gruptandır. Nükleotidlerdeki amino veya keto gruplarına CH 3 veya CH 3 -CH 2 gibi alkil gruplarını eklerler. n Etilmetan sülfonat (EMS): Guanin ve timinin keto gruplarını alkillerler. Yanlış eşleşmelere neden olurlar. n Akridin boyalar: DNA’da nükleotidler arasına girerek eksilme ve eklemelere, çerçeve kayması mutasyonlarına neden olurlar. 11

KROMOZOM MUTASYONLARI n n Sayısal mutasyonlar Euploidi (öploidi) Aneuploidi (Anöploidi) Mozaisizm Yapısal Mutasyonlar Translokasyon, delesyon, duplikasyon, inversiyon, ring kromozom, izokromozom 12

Sayısal Mutasyonlar n n n Öploidi: Haploid kromozom sayısının katları kadar artış göstermesidir. 23 X 46, XY 69, XXX 92, XXYY n n n Anöploidi: Normal kromozom sayısından bir veya birkaç kromozomun eksilmesi veya artmasıdır. 46, XY 45, X 47, XY, +21 47, XXX 13

Öploidi ve Anöploidi nasıl oluşur? n Öplodi: Hücre bölünmesinin tam olarak gerçekleşmemesi olarak tanımlanan endomitoz ve enderoduplikasyon sonucu oluşur. n n Anöploidi: Hücre bölünmesi sırasında kromozomların ayrılamaması veya anafazda gecikme nedeniyle oluşur. 14

15

Down Sendromu An example of a numerical chromosome abnormality is Down syndrome, which is typically caused by having an entire extra chromosome 21, for a total of three copies of chromosome 21 instead of two. 16

Mozaisizm ve Kimerizm 17

Yapısal Düzensizlikler Traslokasyon: kromozomlar arası parça alışverişidir Resiprokal translokasyon Robertsonian translokasyon Delesyon: kromozomdan parça kaybıdır. Duplikasyon: Kromozom parça ilavesiyle artışıdır. İnversiyon; parasentrik ve perisentrik inversiyon Yüzük kromozom: kromozomun kırılan iki ucunun birleşerek yüzük şeklini almasıdır. İzokromozom: kromozomların enine bölünmesi sonucu oluşur. 18

19

Kromozom translokasyonu 20

45, XY, t(14 q 21 q). Kromozom 14 ve 21 içeren dengeli Robersonian translokasyonlu bir erkeğin karyotipi. Bu bireyin 2 adet olan 21 nolu kromozomunun biri 14 nolu kromozoma yapışmıştır 21

46, XY, t(4; 7) 22

Cri Du Chat Sendromu 23

46, XY, r(6) 24

Gen Mutasyonları n n n Nükleotid değişimleri Transisyon (A→G), (T→C) Transversiyon (A→C), (G→T) Delesyon AAGAAGTGCCT. . . N AAGGCCT. . . N İnsersiyon TCGGAT. . . . N TCGTCCTGAT. . . . N 25

Nükleotid değişimi ile oluşan mutasyonlar n n Missense (yanlış anlamlı) mutasyonlar AUG AUC met Ile Nonsense (anlamsız) mutasyonlar UAC UAA Tyr stop Sinonim mutasyonlar GGA (glisin) > GGC (glisin) “RNA splicing” mutasyonları ekzon-intron-ekzon-intron GU. . . . AG 26

Bir genin kodlanan bölgesi üzerinde nokta mutasyonlarının etkisi. Nokta mutasyonlarının dört farklı etkisi görülmektedir. 27

Delesyon ve insersiyon mutasyonları Küçük delesyon ve insersiyon mutasyonları; Üç baz çiftinin tam katsayısı olmayan delesyon (eksilme) veya araya girme (insersiyon) durumunda, çerçeve kayması (Frameshift) mutasyonları oluşur. Büyük delesyon ve insersiyonlar: (DMD, alfa talasemi) Rekombinasyonun neden olduğu delesyonlar ve duplikasyonlar -Eşit olmayan krossing-over (örn: Huntinton ve fragil X hastalıkları) 28

Replikasyon sırasında kayma sonucu oluşan insersiyon ve delesyon mutasyonları 29

Eşit olmayan krossing-over sonucu oluşan delesyon ve insersion mutasyonları 30

31

GENETİK POLİMORFİZM n n Genel populasyonda bir allel 1/100’den daha sık gözleniyor ise genetik polimorfizm olarak adlandırılır. Zararsız veya ılımlı mutasyonlar olarak da tanımlanırlar. Bunun aksine 1/100’den daha az sıklıkta gözleniyor ise bunlar genetik hastalığa neden olan zararlı mutasyonlardır. Örn: Akdeniz anemisi 1/500 -1000, Down sendromu 1/700 sıklıkta gözlenir. 32

Genetik varyasyonlar n n İki insan karşılaştırıldığında genetik yapı % 99, 9 aynıdır. Geri kalan % 0. 1’lik fark kişiyi diğerinden ayırarak benzersiz yapar. Sık gözlenen varyantların %95’i kodlanan bölgelerin dışındadır. Zararsız fenotipik değişim yapabilirler. Proteinin aminoasit dizisinde değişime neden oluyorsa fenotipte’de değişime neden olurlar. 33

Genetik varyasyonlar kalıtsal hastalıklar oluşturabilir Genetik hastalıklar FMF Down sendromu Orak hücre anemisi Turner sendromu Kompleks hastalıklar Kardiyovasküler hastalıklar Obezite Metabolik sendrom Alzheimer - Çevre - Genler 34

Şekil 10. İnsan genomundaki varyasyonların gen regülasyonuna etkileri (Rajini R et al. JMB, 2013) 35

Genetik varyasyonlar olumlu olabilir n n n Bazı varyasyonlar adaptasyon ve yaşam süresini arttırırlar CCR 5 geni delta 32 mutasyonunu homozigot taşıyan bireyler HIV’e dirençlidir Orak hücre anemisi taşıyıcıları (heterozigotlar) sıtma hastalığına dirençlidirler 36

Varyasyon Çeşitleri n n Tek nükleotid polimorfizmleri (SNP) Mikrosatellit ve minisatellit varyasyonları Yapısal varyasyonlar -İnsersiyon ve delesyonlar -Kopya sayısı varyasyonları -Kromozomal varyasyonlar Epigenetik varyasyonlar 37

Varyantlar için diğer bir sınıflandırma; n n n Küçük ölçekli - Büyük ölçekli varyantlar Nadir gözlenen - Yaygın gözlenen varyantlar Patojenik - Patojenik olmayan varyantlar 38

SNP VARYASYONLARI İnsanda en sık gözlenen varyasyon: Single Nucleotide Polymorphisms-SNPs GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG ^ Tüm genetik varyasyonların yaklaşık %90’nını oluşturur 39

SNP’lerin Özellikleri n n n İnsan genomunda her 300 ile 1000 bazda bir gözlenmekte olup heterojenitenin en önemli kaynağıdırlar SNP’ler kodlanan ve kodlanmayan her iki bölgede de meydana gelebilir. SNP’lerin çoğu hücre fonksiyonu üzerine etki etmez. Etkileri, hastalıklara yatkın olma veya bir ilaca verilen yanıttaki farklılıklar şeklindedir. 40

SNP sıklığı n n n Genel popülasyonda SNP’lerin minor allel frekansı (MAF) %5’in üzerinde ise “yaygın gözlenen varyant”, %0. 5 ile %5 arasında ise “düşük frekanslı varyant”, %0. 5’den daha düşük ise “nadir varyant” olarak tanımlanmaktadırlar. 41

SNP Çeşitleri Circulation. 2007; 115: 3130 -3138 SNP’lerin %3 -5’i nonsinonim-fonksiyonel’dir ve fenotipik faklılıklar oluştururlar. Nötral-sinonim SNP’ler fenotipik farklılık oluşturmazlar. Nesilden nesile kararlı bir şekilde aktarıldıkları için genom wide assosiasyon çalışmalarında marker olarak kullanılırlar. 42

Şekil 1. db. SNP’te 2005’den 2012’ye kadar girilen SNP sayısı (Matullo et al. 2003) 43

Mikrosatellit DNA dizileri Genellikle 1, 2, 3, veya 4 nükleotidlik kısa tandem tekrar (STR) dizilerinden oluşan 100 bç’den küçük dizilerdir. TGCCACACACAGC TGCCACACA------GC TGCTCATCAGC TGCTCATCA------GC TGCTCAGTCAGGC TGCTCAG----GC İnsan genomunda ikinci sırada sık gözlenen (%3) varyasyonlardır. Kromozomların tümüne dağılmışlardır. Fonksiyonel etkileri, genomda bulundukları bölgeye göre değişir. 44

Mikrosatellit tekrar sayısı varyasyonlarının fenotipik etkileri n n n Mikrosatellit tekrar artışının neden olduğu 30’a yakın nörolojik hastalık bilinmektedir. Kararsız olan tekrar dizileri kodlanan ve kodlanmayan bölgelerde yer alabilir. Replikasyon sırasında, ilmik oluşan zincirde polimerazın kayması tekrar sayısının artmasına neden olmaktadır. 45

Şekil 2. Mikrosatellit tekrar artışının mekanizması 46

Şekil 3. Frajil X sendromunda, FMR 1 geninde mikrosatellit tekrar artışı 47

Minisatellit DNA dizileri n n n DNA’da 10 -50 bç’lik dizilerin tekrarından oluşan 0. 1 -20 kb uzunluğundaki dizilerdir Kromozomların telomerlerinde ve subtelomerik bölgelerde bulunurlar Eşit olmayan rekombinasyonla meydana gelirler http: //eichlerlab. gs. washington. edu 48

Yapısal Varyasyonlar n Yapısal varyasyonlar; DNA’da genellikle 1 kb ve daha büyük bölgelerde meydana gelen değişimlerdir. I. Mikroskobik değişimler n Anöploidiler n İnversiyonlar, n Dengeli translokasyonlar II. Submikroskobik değişimler n İnsersiyon ve delesyonlar (indels) n Kopya sayısı varyasyonları (CNV) 49

Şekil 6. Yapısal varyasyonlar (Cell. 2013 152(3): 394– 405. 50

Şekil 7. İnsan genomunda mikroskobik yapısal varyasyonlar 51

Kopya sayısı varyasyonları n n n Kopya sayısı varyasyonları daha çok 1 kb’dan büyük ve kopyaları özdeş (>%90) olan DNA dizilerinin üste segmental duplikasyonlarıdır. Populasyonda CNV’lerin sıklığı %1’den fazla ise kopya sayısı polimorfizmi (CNP)olarak tanımlanır. Genomik varyant verilerine (Database of Genomic Variants, DGV) göre insan genomunun %18. 8’ini CNV’ler oluşturmaktadır. 52

Kopya sayısındaki değişimlerin biyolojik etkileri n n n İnsanda DNA kopya sayısındaki değişimler genellikle zararlı etkiye sahiptir. Genlerin delesyon ve duplikasyonları pek çok defektler oluşturabilmektedir Kromozomun tamamının veya segmental anöploidilerinin analiz edilen bütün türlerin organizmalarında, daima ciddi gelişim anomalileri ya da ölüme yol açtığı bilinmektedir. Diğer taraftan mikroorganizmalardaki kopya sayısı değişimlerinin hayatta kalma sürelerindeki artış gibi yararlı etkisi olduğu tespit edilmiştir. 53

Epigenetik Mekanizmalar RNA Interferens Gen Ekpresyonu Histon Modifikasyonları DNA Metilasyonu 54

Epigenetik Varyasyon n n Epigenetik düzenleme başlıca mikro. RNA’lar (mi. Rs), DNA metilasyonu, histon modifikasyonları ve ubiquitinasyon ile gerçekleştirilir. Bunlar arasında en çok çalışılan mi. Rs’dır. mi. R’ler m. RNA parçalanması veya translasyonun engellenmesi ile hedef genlerden protein sentezini engelleyen tek zincirli küçük (20 -23 nt) doğal RNA molekülleridir 55

Mikro RNA’lar n n n İnsanda şimdiye kadar 1872 mi. RNA tanımlanmıştır (http: //www. mirbase. org). mi. RNA’lar, hücre metabolizması, proliferasyon, apopitozis, immun fonksiyon, doku gelişimi ve farklılaşma gibi önemli hücresel işlemlerin regülatörüdür. İnsanda tüm transkriptlerin üçte birini etkilemektedirler. 56

Sonuç n n Her kompleks fenotip, kalıtsal faktörlerin kombinasyonu ile kontrol edilmektedir ve bunların büyük bir kısmı genetik varyantlar ve çevresel etkileşimler ile oluşturulmaktadır. İnsan genom projesinin tamamlanmasından sonraki yıllarda, varyasyonlar üzerine yapılan tartışmalar sonucunda; Yaygın hastalık- Yaygın Varyant hipotezine göre “kompleks özellikler büyük oranda küçük etkileri olan yaygın gözlenen varyantlar ile oluşurlar” görüşünde birleşilmişti. 57

n n Son iki yıldır çalışmalarından elde edilen sonuçlar yaygın hastalık-yaygın varyant hipotezinin geçerliliğini zayıflamıştır. Nadir Varyant hipotezi ön plana çıkmış ve buna göre, “kompleks özellikler düşük frekanslı, yüksek penetranslı nadir varyantlar ile oluşturulmaktadır” görüşünde birleşilmiştir. 58

KAYNAKLAR n n n Klug WS, Cummings MR. Genetik Kavramlar Çeviri Editörü; Prof. Dr. Cihan Öner Thompson, Nussbaum, Mc. Innes, Willard Tıbbi Genetik Çeviri Editörü; Prof. Dr. Ergül Tuçbilek Prof. Dr. Nurettin Başaran, Tıbbi Genetik 59