Genetik

Canlılar, hücre adı verilen milyonlarca küçük bağımsız bileşenden oluşur. Her hücrenin içinde Deoksiribonükleik asit adı verilen uzun ve karmaşık moleküller bulunur. DNA, hücrelere o canlıyı nasıl yaratacaklarını söyleyen bilgileri depolar. Bu bilginin, canlının küçük bir parçasının ya da özelliğinin - kızıl saç, mavi göz ya da uzun boylu olma eğilimi - nasıl oluşturulacağını söyleyen kısımları gen olarak bilinir.

Aynı canlıdaki her hücre aynı DNA'ya sahiptir, ancak her hücrede bunun sadece bir kısmı kullanılır. Örneğin, karaciğerin parçalarının nasıl yapılacağını söyleyen bazı genler beyinde kapatılır. Hangi genlerin kullanıldığı da zaman içinde değişebilir. Örneğin, hamileliğin erken dönemlerinde bir çocuk tarafından kullanılan birçok gen daha sonra kullanılmaz.

Bir kişi, biri annesinden diğeri babasından olmak üzere her genin iki kopyasına sahiptir. Tek bir genin farklı talimatlar veren çeşitli türleri olabilir: bir versiyon bir kişinin mavi gözlere sahip olmasına neden olabilirken, diğeri kahverengi olmasına neden olabilir. Bu farklı versiyonlar genin alelleri olarak bilinir.

Bir canlı, her bir genin iki kopyasına sahip olduğundan, aynı anda iki farklı alele sahip olabilir. Genellikle bir alel baskın olur, yani canlı sadece o alele sahipmiş gibi görünür ve davranır. İfade edilmeyen alele resesif denir. Diğer durumlarda, iki olasılık arasında bir şey elde edersiniz. Bu durumda, iki alel eş baskın olarak adlandırılır.

Bir canlıda görebileceğiniz özelliklerin çoğunda onları etkileyen birden fazla gen vardır. Ve birçok genin vücut üzerinde birden fazla etkisi vardır, çünkü işlevleri her dokuda aynı etkiye sahip olmayacaktır. Tek bir genin çoklu etkilerine pleiotropizm denir. Tüm gen kümesine genotip, genlerin vücut üzerindeki toplam etkisine ise fenotip denir. Bunlar genetikteki anahtar terimlerdir.

Mendel öncesi fikirler

İnsanoğlunun evcil hayvan yetiştirmeye çok erken zamanlarda, muhtemelen tarımın icadından önce başladığını biliyoruz. Kalıtımın ilk kez ne zaman bilimsel bir sorun olarak değerlendirildiğini bilmiyoruz. Yunanlılar ve özellikle de Aristoteles, canlılar üzerinde çalışmış ve üreme ve kalıtım hakkında fikirler öne sürmüşlerdir.

Muhtemelen Mendel'den önceki en önemli fikir, pangenesis fikrinin iki bölümü olan Charles Darwin'e aitti. Birincisi, kalıcı kalıtsal birimlerin bir nesilden diğerine aktarıldığı fikri oldukça doğruydu. İkincisi ise bunların somatik (vücut) dokulardan gelen 'gemmüller' tarafından yenilendiği fikriydi. Bu tamamen yanlıştı ve bugün bilimde hiçbir rol oynamamaktadır. Darwin bir konuda haklıydı: evrimde ne olursa olsun kalıtım yoluyla gerçekleşmelidir ve bu nedenle doğru bir genetik bilimi evrim teorisi için temeldir. Genetik ve evrim arasındaki bu 'çiftleşmenin' organize edilmesi uzun yıllar aldı. Bunun sonucunda modern evrimsel sentez ortaya çıktı.

Mendel genetiği

Genetiğin temel kuralları ilk olarak 1865 civarında Gregor Mendel adında bir keşiş tarafından keşfedilmiştir. Binlerce yıl boyunca insanlar, özelliklerin ebeveynlerden çocuklara nasıl miras kaldığını zaten incelemişlerdi. Ancak Mendel'in çalışması farklıydı çünkü deneylerini çok dikkatli bir şekilde tasarlamıştı.

Mendel, deneylerinde bezelye bitkilerinde özelliklerin nasıl aktarıldığını inceledi. Çaprazlamalarına doğru yetiştirilen bitkilerle başladı ve doğada ya/ya da olan karakterleri (uzun ya da kısa) saydı. Çok sayıda bitki yetiştirmiş ve sonuçlarını sayısal olarak ifade etmiştir. Resesif karakterlerin varlığını ve oranını ortaya çıkarmak için test çaprazlamaları kullandı.

Mendel deneyinin sonuçlarını iki bilimsel yasayı kullanarak açıklamıştır:

• 1. Daha sonra genler olarak adlandırılan faktörler normalde sıradan vücut hücrelerinde çiftler halinde bulunur, ancak cinsiyet hücrelerinin oluşumu sırasında ayrılırlar. Bu faktörler organizmanın özelliklerini belirler ve ebeveynlerinden miras alınır. Mayoz bölünme ile gametler üretildiğinde, iki faktör birbirinden ayrılır. Bir gamet yalnızca birini ya da diğerini alır. Mendel buna ayrışma yasası adını vermiştir.
• 2. Farklı genlerin alelleri, gametler oluştuğunda birbirinden bağımsız olarak ayrılır. Buna Bağımsız Asorti Yasası adını vermiştir. Böylece Mendel, farklı özelliklerin birbirinden bağımsız olarak kalıtıldığını düşündü. Artık bunun yalnızca genler aynı kromozom üzerinde değilse doğru olduğunu biliyoruz, bu durumda birbirleriyle bağlantılı değillerdir.

Mendel'in yasaları, bezelye bitkilerinde gözlemlediği sonuçları açıklamaya yardımcı oldu. Daha sonra genetikçiler onun yasalarının diğer canlılar, hatta insanlar için de geçerli olduğunu keşfettiler. Mendel'in bezelye bitkileri üzerinde yaptığı çalışmalardan elde ettiği bulgular genetik alanının kurulmasına yardımcı oldu. Katkıları keşfettiği temel kurallarla sınırlı kalmadı. Mendel'in deney koşullarını kontrol etmeye gösterdiği özen ve sayısal sonuçlara gösterdiği dikkat, gelecekteki deneyler için bir standart oluşturdu. Yıllar içinde bilim insanları Mendel'in fikirlerini değiştirdi ve geliştirdi. Ancak Gregor Mendel'in ilk çalışmaları olmasaydı bugün genetik bilimi mümkün olmazdı.

Mendel ve modern genetik arasında

Mendel'in çalışmaları ile 1900 yılları arasında hücrelerin incelenmesi olan sitolojinin temelleri geliştirildi. Çekirdek ve hücre bölünmesi hakkında keşfedilen gerçekler, Mendel'in çalışmasının doğru bir şekilde anlaşılması için gerekliydi.

1832: Barthélémy Dumortier, çok hücreli bir organizmada hücre bölünmesini gözlemleyen ilk kişi.

1841, 1852: Polonyalı-Alman bir Yahudi fizyolog olan Robert Remak (1815-1865), hücre biyolojisinin temelini ortaya koyan ilk kişidir: hücrelerin yalnızca diğer hücrelerden türediği. Bu görüş daha sonra Alman doktor Rudolf Virchow (1821-1902) tarafından popüler hale getirilmiş, Virchow ünlü omnis cellula e cellula (tüm hücreler diğer hücrelerden) ifadesini kullanmıştır.

1865: Gregor Mendel'in Bitki Hibridizasyonu Üzerine Deneyler adlı makalesi yayımlandı.

1876: Mayoz bölünme ilk kez Alman biyolog Oscar Hertwig (1849-1922) tarafından deniz kestanesi yumurtalarında keşfedildi ve tanımlandı.

1878-1888: Walther Flemming ve Eduard Strasburger mitoz sırasında kromozom davranışını tanımladı.

1883: Mayoz bölünme, Belçikalı zoolog Edouard van Beneden (1846-1910) tarafından Ascaris (yuvarlak solucan) yumurtalarında kromozom düzeyinde tanımlandı.

1883: Alman zoolog Wilhelm Roux (1850-1924) kromozomların doğrusal yapısının önemini fark etti. İki eşit uzunlamasına yarıya bölünmeleri, her yavru hücrenin aynı kromozom tamamlayıcısına sahip olmasını sağladı. Bu nedenle kromozomlar kalıtımın taşıyıcılarıydı.

1889: Hollandalı botanikçi Hugo de Vries, "organizmalarda belirli özelliklerin kalıtımının parçacıklar halinde geldiğini" öne sürer ve bu parçacıklara (pan)genler adını verir.

1890: Mayoz bölünmenin üreme ve kalıtım için önemi ancak 1890 yılında Alman biyolog August Weismann (1834-1914) tarafından tanımlanmış ve kromozom sayısının korunması gerekiyorsa bir diploid hücrenin dört haploid hücreye dönüşmesi için iki hücre bölünmesinin gerekli olduğunu belirtmiştir.

1902-1904: Alman biyolog Theodor Boveri (1862-1915), bir dizi makalede kromozomların davranışları ile Mendel tarafından elde edilen sonuçlar arasındaki uyuma dikkat çekti. Kromozomların "dinlenme halindeki çekirdekte bile bağımsızlıklarını koruyan bağımsız varlıklar" olduğunu söyledi... Çekirdekten ne çıkarsa içine o girer".

1903: Walter Sutton, Mendel tarzında ayrışan kromozomların kalıtsal birimler olduğunu öne sürdü. Sutton'ın öğretmeni ve biyoloji alanındaki en ünlü ders kitaplarından birinin yazarı olan Edmund B. Wilson (1856-1939) buna Sutton-Boveri hipotezi adını verdi.

Bu noktada, sitolojideki keşifler Mendel'in yeniden keşfedilen fikirleriyle birleşerek sitogenetik (cyto = hücre; genetik = kalıtım) adı verilen ve günümüze kadar devam eden bir füzyon oluşturdu.

Mendel'in çalışmalarının yeniden keşfi

1890'larda birçok biyolog üreme üzerine deneyler yapmaya başladı ve kısa süre içinde Mendel'in sonuçları, makaleleri okunmadan önce bile kopyalandı. Carl Correns ve Hugo de Vries, Mendel'in yazılarını ve yasalarını yeniden keşfeden başlıca kişilerdi. Her ikisi de Mendel'in önceliğini kabul etmekle birlikte, de Vries'in Mendel'i okuyana kadar kendi sonuçlarını anlamamış olması muhtemeldir. Erich von Tschermak da başlangıçta yeniden keşifle anılsa da, Mendel'in yasalarını anlamadığı için bu artık kabul edilmemektedir. De Vries daha sonra Mendelizm'e olan ilgisini kaybetse de, diğer biyologlar genetiği bir bilim haline getirmiştir.

Mendel'in sonuçları tekrarlandı ve genetik bağlantı kısa sürede çözüldü. Mendel'in teorisini duyurmak için belki de en çok çabayı William Bateson göstermiştir. Genetik kelimesi ve diğer terminoloji Bateson ile ortaya çıkmıştır.

Mendel'in deneysel sonuçları daha sonra bazı tartışmalara konu olmuştur. Fisher, F2 (ikinci döl) oranının sonuçlarını analiz etmiş ve bunları 3'e 1'lik tam orana mantıksız bir şekilde yakın bulmuştur. Bazen Mendel'in sonuçlarını sansürlemiş olabileceği ve yedi özelliğinin her birinin ayrı bir kromozom çiftinde meydana geldiği öne sürülmektedir ki bu, rastgele seçildiklerinde son derece düşük bir olasılıktır. Aslında, Mendel'in üzerinde çalıştığı genler sadece dört bağlantı grubunda meydana gelmiştir ve sadece bir gen çifti (mümkün olan 21 taneden) bağımsız çeşitlilikten sapma gösterecek kadar yakındır; bu Mendel'in üzerinde çalıştığı bir çift değildir.

Mutasyonlar

DNA replikasyonu işlemi sırasında bazen hatalar meydana gelir. Mutasyon olarak adlandırılan bu hatalar, bir organizmanın fenotipi üzerinde etkili olabilir. Bu da genellikle organizmanın uygunluğu, yani başarılı bir şekilde yaşama ve üreme yeteneği üzerinde bir etkiye sahiptir.

DNA polimerazların "düzeltme" yeteneği nedeniyle hata oranları genellikle çok düşüktür -her 10-100 milyon bazda bir hata-. Hata oranları birçok virüste binlerce kat daha yüksektir. Düzeltme okuma yeteneğinden yoksun DNA ve RNA polimerazlarına dayandıkları için, daha yüksek mutasyon oranlarına sahip olurlar.

DNA'daki değişim oranını artıran süreçlere mutajenik denir. Mutajenik kimyasallar, genellikle baz eşleşmesinin yapısına müdahale ederek DNA replikasyonundaki hataları artırırken, UV radyasyonu DNA yapısında hasara neden olarak mutasyonları tetikler. DNA'da kimyasal hasar doğal olarak da meydana gelir ve hücreler DNA'daki yanlış eşleşmeleri ve kırılmaları onarmak için DNA onarım mekanizmalarını kullanır, ancak onarım bazen DNA'yı orijinal dizisine geri döndüremez.

DNA değişimi ve genlerin rekombinasyonu için kromozomal geçişleri kullanan organizmalarda, mayoz bölünme sırasında hizalamadaki hatalar da mutasyonlara neden olabilir. Çapraz geçişteki hatalar, özellikle benzer diziler eş kromozomların yanlış bir hizalama benimsemesine neden olduğunda olasıdır; bu, genomlardaki bazı bölgeleri bu şekilde mutasyona daha yatkın hale getirir. Bu hatalar DNA diziliminde büyük yapısal değişiklikler yaratır - tüm bölgelerin duplikasyonları, inversiyonları veya delesyonları veya tüm parçaların farklı kromozomlar arasında kazara yer değiştirmesi (translokasyon olarak adlandırılır).

Punnett kareleri

Reginald Punnett tarafından geliştirilen Punnett kareleri, biyologlar tarafından yavruların belirli bir genotipe sahip olma olasılığını belirlemek için kullanılır.

B siyah saça sahip olma alelini ve b beyaz saça sahip olma alelini temsil ediyorsa, iki Bb ebeveynin yavrularının iki beyaz saç aleline (bb) sahip olma olasılığı %25, her birine sahip olma olasılığı %50 (Bb) ve sadece siyah saç aleline sahip olma olasılığı %25 (BB) olacaktır.

Soyağacı tablosu

Genetikçiler (genetik üzerine çalışan biyologlar) bir ailedeki kişilerin özelliklerini kaydetmek için soyağacı çizelgelerini kullanırlar. Genetikçiler bu çizelgeleri kullanarak bir özelliğin kişiden kişiye nasıl miras kaldığını inceleyebilirler.

Genetikçiler ayrıca soyağacı çizelgelerini, bir ailede özelliklerin gelecekteki çocuklara nasıl aktarılacağını tahmin etmek için de kullanabilirler. Örneğin, genetik danışmanlar genetik hastalıklardan etkilenebilecek ailelerle çalışan profesyonellerdir. İşlerinin bir parçası olarak, aile için hastalığın nasıl kalıtılabileceğini incelemek için kullanılabilecek soyağacı çizelgeleri oluştururlar.

İkiz çalışmaları

İnsanlar deneysel olarak yetiştirilemediği için, insan genetiği başka yollarla incelenmelidir. Bunun son yollarından biri de insan genomunu incelemektir. Uzun yıllar öncesine dayanan bir başka yol ise ikizleri incelemektir. Tek yumurta ikizleri doğal klonlardır. Aynı genleri taşırlar, kalıtımın bireylere ne kadar katkıda bulunduğunu araştırmak için kullanılabilirler. İkizlerle yapılan çalışmalar oldukça ilginçtir. Karakteristik özelliklerin bir listesini yaparsak, kalıtıma ne kadar borçlu olduklarına göre değiştiklerini görürüz. Örneğin:

• Göz rengi: tamamen kalıtsal
• Kilo, boy: kısmen kalıtsal, kısmen çevresel
• Bir kişinin hangi dili konuştuğu: tamamen çevreseldir.

Çalışmaların yapılış şekli şu şekildedir. Bir grup tek yumurta ikizi ve bir grup çift yumurta ikizi alın. Onları çeşitli özellikleri açısından ölçün. İstatistiksel bir analiz yapın (varyans analizi gibi). Bu size özelliğin ne ölçüde kalıtsal olduğunu söyler. Kısmen kalıtsal olan bu özellikler tek yumurta ikizlerinde önemli ölçüde daha benzer olacaktır. Bu gibi çalışmalar, birlikte büyüyen tek yumurta ikizleri ile farklı koşullarda büyüyen tek yumurta ikizlerini karşılaştırarak daha da ileri götürülebilir. Bu, koşulların genetik olarak aynı olan insanların sonuçlarını ne kadar değiştirebileceğine dair bir fikir verir.

İkiz çalışmalarını ilk yapan kişi, Darwin'in üvey kuzeni olan ve istatistik biliminin kurucularından Francis Galton'dur. Onun yöntemi, ikizleri yaşam tarihleri boyunca takip etmek ve birçok ölçüm yapmaktı. Ne yazık ki, tek yumurta ve çift yumurta ikizlerini bilmesine rağmen, gerçek genetik farklılığı takdir edemedi. Modern türde ikiz çalışmaları 1920'lere kadar ortaya çıkmadı.

Bakteri, arke ve virüslerin genetiği önemli bir araştırma alanıdır. Bakteriler çoğunlukla eşeysiz hücre bölünmesi ile çoğalırlar, ancak yatay gen transferi ile bir tür cinsiyete sahiptirler. Bakteriyel konjugasyon, transdüksiyon ve transformasyon onların yöntemleridir. Buna ek olarak, birçok bakteri, arke ve virüsün tam DNA dizisi artık bilinmektedir.

Staphylococcus aureus gibi pek çok bakteriye genel ve özel isimler verilmiş olsa da, cinsiyetleri olmayan ve kromozomları çaprazlanmayan bir organizma için tür fikri oldukça anlamsızdır. Bunun yerine, bu organizmaların suşları vardır ve laboratuvarda bu şekilde tanımlanırlar.

Gen ifadesi

Gen ifadesi, DNA baz çiftleri dizisi olan bir gendeki kalıtsal bilginin protein veya RNA gibi işlevsel bir gen ürününe dönüştürüldüğü süreçtir. Temel fikir, DNA'nın RNA'ya kopyalanması ve bunun da proteinlere çevrilmesidir. Proteinler, bir hücre veya organizmadaki yapıların çoğunu ve tüm enzimleri oluşturur.

Gen ifadesi sürecindeki birkaç adım modüle edilebilir (ayarlanabilir). Bu, hem transkripsiyonu hem de DeepL çevirileri ve bir proteinin son katlanmış halini içerir. Gen düzenlemesi genleri açıp kapatır ve böylece hücre farklılaşmasını ve morfogenezi kontrol eder. Gen düzenlemesi evrimsel değişim için de bir temel oluşturabilir: gen ifadesinin zamanlaması, yeri ve miktarının kontrolü organizmanın gelişimi üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir. Bir genin ifadesi farklı dokularda çok değişkenlik gösterebilir. Buna genetikte yaygın bir fenomen olan pleiotropizm denir.

Alternatif ekleme, büyük önem taşıyan modern bir keşiftir. Tek bir genden çok sayıda varyant proteinin bir araya getirilebildiği bir süreçtir. Belirli bir Drosophila geni (DSCAM) alternatif olarak 38.000 farklı mRNA'ya eklenebilir.

Epigenetik ve gelişimin kontrolü

Epigenetik, DNA dizilimindeki değişikliklerden kaynaklanmayan gen aktivitesindeki değişikliklerin incelenmesidir. Gen ifadesinin, genlerin fenotipik etkilerini ortaya çıkarma şeklinin incelenmesidir.

Gen aktivitesindeki bu değişiklikler hücrenin yaşamının geri kalanı boyunca kalabilir ve hücre bölünmeleri yoluyla birçok hücre nesli boyunca da sürebilir. Ancak organizmanın temel DNA diziliminde herhangi bir değişiklik olmaz. Bunun yerine, kalıtsal olmayan faktörler organizmanın genlerinin farklı davranmasına (kendilerini ifade etmesine) neden olur.

Hox genleri, proteinleri hedef genlerin düzenleyici bölgelerine bağlanan bir gen kompleksidir. Hedef genler daha sonra organizmanın nihai gelişimini yönlendirmek için hücre süreçlerini aktive eder veya baskılar.

Çekirdek dışı kalıtım

Hücre çekirdeğinin dışında gerçekleşen bazı kalıtım türleri vardır. Normal kalıtım, döllenmiş bir yumurta hücresinin çekirdeğindeki kromozomlar aracılığıyla her iki ebeveynden gelir. Bunun dışında bazı kalıtım türleri de vardır.

Organel kalıtımı

Mitokondri ve kloroplastlar kendilerine ait bazı DNA'lar taşırlar. Yapıları kromozomlardaki genler ve organeldeki genler tarafından belirlenir. Carl Correns 1908'de bir örnek keşfetti. Saat dört yönü bitkisi, Mirabilis jalapa, beyaz, yeşil veya alacalı olabilen yapraklara sahiptir. Correns polenin bu kalıtım üzerinde hiçbir etkisi olmadığını keşfetti. Renk, kloroplastlardaki genler tarafından belirlenmektedir.

Bulaşıcı kalıtım

Bu, bir mikroorganizma ile simbiyotik veya parazitik bir ilişkiden kaynaklanır.

Anne etkisi

Bu durumda dişi gametteki nükleer genler kopyalanır. Ürünler yumurta sitoplazmasında birikir ve döllenmiş yumurtanın erken gelişimi üzerinde etkili olur. Bir salyangoz olan Limnaea peregra'nın kıvrılması bu şekilde belirlenir. Sağ elli kabuklar Dd veya dd genotipleriyken, sol elli kabuklar dd'dir.

Maternal etkinin en önemli örneği Drosophila melanogaster'de görülmektedir. Anne etkisi genlerinin protein ürünü diğer genleri aktive eder, onlar da daha fazla geni aktive eder. Bu çalışma 1995 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü kazanmıştır.

Modern araştırmaların çoğunda genetik, hücre biyolojisi ve moleküler biyolojinin bir karışımı kullanılmaktadır. Kimya ya da fizyoloji alanında Nobel Ödüllerine konu olan konular arasında şunlar yer almaktadır:

• Bir genin çeşitli ilgili protein ürünlerini kodladığı alternatif ekleme.
• Genomik, genomların işlev ve yapısının dizilimi ve analizi.
• Genetik mühendisliği, biyoteknoloji kullanılarak bir organizmanın genomunun değiştirilmesi.
• Mobil genetik elementler, genomda konum değiştirebilen DNA türleri.
• Yatay gen transferi, bir organizmanın başka bir organizmadan, o organizmanın yavrusu olmaksızın genetik materyal almasıdır.

İnsan davranışının genetiği

İnsan davranışının iyi bilinen birçok bozukluğu genetik bir bileşene sahiptir. Bu, kalıtımlarının kısmen davranışa neden olduğu veya sorunun ortaya çıkma olasılığını artırdığı anlamına gelir. Örnekler şunları içerir:

• Otizm
• DEHB (dikkat eksikliği bozukluğu)
• Uyuşturucu kullanımı ve istismarı
• Risk alma
• Şizofreni

Ayrıca, normal davranışlar da kalıtımdan büyük ölçüde etkilenir:

• Öğrenme ve bilişsel yetenek
• Kişilik

·          

·          

• ENCODE: insan genomunun eksiksiz analizi
• Gen tedavisi