Gen Mutasyonu, DNA Onarımı ve Yer Değiştirebilen Elementler. Doç. Dr. Ercan ARICAN

Doç. Dr. Ercan ARICAN

Gen Mutasyonu, DNA Onarımı ve Yer Değiştirebilen

Elementler

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

Nokta ve çerçeve kayması mutasyonlarına analoji olarak üç-harfli kelimelerden oluşan bir cümlede, bir harfin insersiyonu (katılması), delesyonu (eksilmesi) ve yer değiştirmesinin (substitüsyonunun) etkisi.

Kedi köpeği gördü Yarasa köpeği gördü Kedi domuzu gördü

Bir harfin katılması Bir harfin

kaybı Bir harfin

değişmesi

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

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

Fenotipik Etkilere Dayalı Sınıflandırma

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 (baz- eşleşmesi 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.

Mutajenik olduğu bilinen ve sık kullanılan birkaç alkilleyici etken

Alkilleyici Ajanlar

Alkilleyicili Bazların Yanlış-Eşleşmesi

Şekil 5. Etilmetan sülfonat (EMS) tarafından guaninin 6-

etilguanine 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