Genetik 101 [3 ed.] 9786050207293

Citation preview

HERKES

İÇİN GENETİK

DNA'MIZOAKi HER GEN. KÜÇÜK BiR PARÇAHIZI YAPMAK iÇiN GEREKEN

NiTELiKLERiNiN EBEVEYNDEN ÇOCUGA, BAZEN BiR

1800'LERDE GREGOR MENDEl BEZELYELERiN

TALiMATLARI iÇERiR.

NEILi ATLAYACAK \EKiLDE AKTARILDIGINI FARK mi.

•

GENETIK 101 KROMOZOMLAR VE iKili SARMAl'DAN KlONLAMA VE DNA TESTlERi'NE GENlER HAKKINDA BiLMENiZ GEREKEN HER �EY

NÜKLEOTiDLER BiR PARÇA KIVRIMLI OLDUKLARlNDAN DÜZGÜN BiR HERDiYEN GiBi DiZiLMEZLER; BUNUN YERiNE DÖNEN BiR HERDiYEN GiBi KIVRILIRLAR. SONUÇ, iKili IARMALDIR.

BETH SKWARECKI Çeviren: Samet Öksüz

;y

Beth Skwarecki

lifehacker.com'un sağlık editörüd ü r. Daha önce ser­

best bir sağlık ve bilim yazarı olarak çalışmıştır. Çalışmaları Medscape,

Performance Menu, Pub/ic Health Perspectives, Bitch dergisi, The Pitts­ burgh Post-Gazette, Science ve Scientific American'da yer bulmuştur. Outbreakl SO Ta/es of Epidemics That Terrorized the World'ün (Patlama! Dünyayı Terörize Eden 50 Salgın H i kayesi) yazarıdı r.

Samet Öksüz

20 Haziran 1984'te Trabzon'da doğdu. 2009 yılında

ODTÜ Moleküler Biyoloji ve Genetik bölümünden mezun oldu. Ha­ cettepe Üniversitesi Temel Onkoloji Anabilim Dalı'nda, University of Cincinnati'de immünoloji alanında yüksek lisans eğitim i aldı. Cincin­ nati'de yaşıyor. Türkçeye çevirdiği diğer kitaplar şöyle: Zafer Sarhoşlu­

ğu (Say Yayınları, 2014), ikinci Dünya Savaş1 (Say Yayınları, 2016), Ku­ antum Çaği (Say Yayınları, 2016), Ben Bilmem Genim Bilir (Say Yayınları, 2016).

Beth Skwarecki

•

GENETIK 101 KROMOZOMLAR VE iKiLi SARMAL'DAN KLONLAMA VE DNA TESTLERi'NE GENLER HAKKINDA BilMENiZ GEREKEN HER �EY

Ingilizceden çeviren:

Sarnet Öksüz

SayYayınları Herkes Için Genetik Genetik 101: Kromozomlar ve Ikili Sarmaldan Klonlama ve DNA Testlerine Genler Hakkında Bilmeniz Gereken Her Şey 1 Beth Skwarecki

Özgün adı: Genetics 101: From Chromosomes and The Double He/ix To Cloning and DNA Tests, Everythmg You Need To Know About Genes

© 2018 Simon & Schuster, Ine. Tüm hakları saklıdır. Bu kitabın tamamı ya da bir kısmı hiçbir koşulda çoğaltılamaz. Ileti­ şim adresi: Adams Media Subsidiary Rights Department, 1230 Avenue of the Americas, New York, NY 1 0020. Adams Media, bir Simon and Schuster markasıdır. Türkçe yayın haklan Kesim Ajans aracılığıyla ©Say Yayınları Bu eserin tüm hakları saklıdır. Tanıtım amacıyla, kaynak göstermek şartıyla yapılan kısa alıntılar hariç yayınevinden yazılı izin alınmaksızın alıntı yapılamaz, hiçbir şekilde kop­ yalanamaz, çoğaltılamaz ve yayımlanamaz. ISBN 978-605-02-Q729-3 Sertifıka no: 10962 ingilizceden çeviren: Sarnet Öksüz Yayın koordinatörü: Levent Çeviker Yayıma hazırlayan: Eda Okuyucu Kapak uygulama: Artemis Iren Baskı: Lord Matbaacılık ve Kağıtçılık Topkapı-Istanbul Tel.: (0212) 674 93 54 Sertifika no: 45501 1. baskı: Say Yayınları, 2019 3. baskı: Say Yayınları, 2020

SayYayınları

Ankara Cad. 22/12 • TR-3411O Sirked-Istanbul Tel.: (0212) 512 21 58 ·Faks: (0212) 512 SO 80 www.sayyayincilik.com • e-posta: [email protected] www.facebook.com/sayyayinlari • www.twitter. om/

ayyaylnl.ul

www.instagram.com/sayyayincilik

G n 1 da ıtım: Say Dağıtım ı td. Şti. Ankara ad. 22/11 ·TR 411O irked Tt'l.: (OJ 12) 528 1/ r.4

lnh'rn!'l

•

1

,ık�: (OJ 1J)

. .ılı): www.\.ıyk11.ıp ı oııı

•

•

l•.t.ırılıul

'ı 1

J

'ı O 110

ı• pıı•.ı.ı ıl.ıql1iıll••·

ıvlııııı

• "'"

iÇiNDEKiLER

Giriş

......................................................................................................................

Hücrelerinizin Kullanım Kılavuzu Atomlar ve Molekü ller

..............................................................

................ ...............................................................

N ü kleotidler

...................................................................................................

ikili Sarmal

................................................................................... ...................

Tü m Bu DNA H ücrelere Nasıl Sığıyor? Kalıtyazım ve RNA

............. .....................................

.......................................................................................

Protei nler Ne Ya parlar?

..............................................................................

Kalıtokuma ve Proteinler

..........................................................................

? 9

12 16 19 23 26 31 35

Genleri Açıp Kapatma k

38

M utasyonlar

42

..............................................................................

...................................................................................................

RNA Ne Yapabilir?

........................................................................................

Kromozomlar ve H ücreler Bakteriler ve M ikrobiyom

..................................................... ...................

.........................................................................

Virüsler

.............................................................................................................

Manta rlar ve Mayalar Bitkiler ve Ekinler

.................................................................................

.........................................................................................

Da ha Çok Hücre Yapmak DNA Eşlenmesi

..........................................................................

.............................................................................................

Sperm H ücreleri Yapmak

.......................................................... ................

Yu m u rta H ücrelerin Yapımı ve Döllenmesi Eşey Kromozomları Neden iki Kopya?

........................................

.....................................................................................

.........................................................................................

N iteli klerimiz Nasıl Miras Alırız?

.............................................................

46 49 53 59 62 66 70 74 78 82 86 91 94

Baskın ve Çekinik

.

. . ..

..... .... . ..

. ... . .

.... ..

.. ... ..............

X'e Bağl ı N itel ikler . .... . . . ... ...

. 99

................................... ...

.. .

.. . ... .......................... . ... ....

Mitokond riyel DNA .. .. . .. .. .

..

...

.. .

.

.. .... ...

.

...................................... ....

...

.............

Soyağaçları ve Otozornal Kahtım Motifleri.. . .. .. . .... . .

Özel Kahtım Motifleri ... . . ... . . . ...

Doğaya Karşı Yetiştirme Epigenetik ..... . .. . . ..

. ...

..

.

.

. ..

.... ...... ................. ....

..

.....

. .... .. .. . ..

................. .... . .

.

.

Hastalık Riskinizi Anlamak. .

.. .

. .

.......

..

..........

..

......

.

. 1 20

.... 1 24

.

1 29

...... ....................

.

.... ........

..

....

... 1 33 .

.

1 37

.................. ..............................

.

. ...

. ........ ... .... ...... ....

I nsanlar Nereden Geldi?

...

. .......... ....

Basit Olan ve O Kadar da Basit O lmayan Nitel ikler .

. .. 1 1 6

. . ... .

..... .. ...

Birden Çok Gen Tarafından Beli rlenen Nitelikler Kişisel Genomik

. 1 13

.............. ...

.

. . . ...... ..

..

... 1 08

......... . ................................ ................ .

.......................... ... ... ..

. .. ..

. ...... ..

...

...... 1 04

.................

.

.

..... ....

. . ... . . ..

...... ............. . ..

... .. ..

... .

. . 141

. ................ . .

.....

..

...................

1 45

Bir Yabancıyla DNA'n ızın Ne Kadarını Payiaşıyorsun uz? . .. .. 1 49 .. ..

Kişisel DNA Atalık Servisleri Nasıl Çalışır? ..... ..

I rk, Etn i k Köken ve Atal ı k ... ..

Akrabalarınızla ilişkiniz

.

. ..

....... ........ .

.....................

.. .

. .....

..

.. .. ..

...............

... .. ... ... .... ..

....

...

..

...

.

. ....

..... ...

....

.

.

................... ...... ... ..

Farmakogenomik

..

..

.

.

....

.

.... . ............... ..............

Antibiyotik Direnci . .

.

.. .... .....

..

....

1 62

. ...................

.. .....

. . ...... ............... ........... .....

.

.

...

.

. . .. .. ... .. .... .

.

...

... .. ...

.....

...

.. .... ...

...................

.. . .

...

. . 1 72

.

. .. 1 77

...... ......... ..

.

. . ........ ......................

..

.....

.. . .

.

Genetiği Değiştirilmiş Organizmalar .

. 1 84

. ... .... .............. .

...

CRISPR ve Gen Düzeltmesi.. ... ...

..

..

...

. . . 1 87

......

..

.....

.

.............. .....

Genetik M ühendisliği Araçları . . Klonlama ve Soyu Geri Getirme .

.. .....

.. ....

. . . . ..

....... . ... . ...

..

...

........

.. .

. . 1 93

..... .. .

.

......... .... .....

...........................

.

......................... ......................

.

. ................. .......................................

Geleceği n Bebekleri .. ... ... ... ...

Sözlük . Dizin

..........................

.. ... ..

...

..

....

..

1 81

.. .... . ................................. . ..

.

... . ................ ..............

.. ... ....

. 1 67

.................. .

.. . .. ... . . .

Soru lar ve Eti k i kilemler . . .

1 53 1 57

..... ..........................

Kanser Genetiği

.

.

.... .

.

.

. . ..

....

.......... .... ....... ......................

DNA Tamiri ... . . .. .. .... ... . ...

..

........... .............. .......

. . ...

............................. . ...

Tü m Yaşam için Bir Soyağacı Evrim

.

...

...................... . . . . . . . . ........ ..................

.

..... ............................................... .....................

......................................... ............................... .......................................

1 97 202 206 21 O 214 217 229

GiRiŞ iki yüzyıldan kısa bir zaman önce insanları n g enetik hakkında tüm bildikleri, çocukların görünüşlerin i n ebeveyn lerininkini andırdı kları ve köpeklerin, atların veya ekin ierin dikkatli bir şekilde ıslah ed ilmesiyle daha büyük ve daha iyi köpekler, at­ lar ve ekinler elde edilebileceğiydi. O zamandan bu zamana çok şey öğrendik. 1 800'1erde G regor Mendel adlı bir keşiş, bezelyeterin -sarı veya yeşil olmaları g ibi- nitelikleri nin ebeveynden çocuğa, bazen bir nesli atiayacak şekilde aktarıldığını fa rk etti. Gizli bir n iteliğin bir daha ortaya çıkıp çıkmayacağını ve çıkarsa ne za­ m a n ortaya çıkacağını buldu. Aşağı yukarı aynı zamanlarda doğa bilimci Cha rles Darwin, türterin zamanla evrim geçirdiğini keşfetti. Evcil hayvanların ve ekinierin nitelikleri onları ıslah eden çiftçinin etkisi altın­ dadır; ancak Darwin'in doğal seçilim ile evrim kuramına göre hangi yaratıkların döl verebilecek kadar uzun süre hayatta ka­ lacağına insan yargısı değil, doğa karar verir. Darwin tüm bu fi krin ebeveynterin niteli klerini çocuklarına aktardığı gizemli bir yola dayandığının fa rkındaydı ancak bunun nasıl gerçek­ leştiği hakkında hiçbir fikri yoktu. Sonra 1 950'1erde Rosalind Franklin DNA'yı kristal haline getirip yapısı n ı ortaya çı kartan bir x-ışını fotoğ rafı çekmeyi ba­ şardı. James Watson ve Francis Crick, Frankl in'in çal ışmasına dayanarak DNA metekü l ü n ü n ikili bir sarmal şeklinde olduğu ve DNA'nın yapısının, n itelikleri bir nesilden diğerine aktar­ mak için eşsiz şekilde uyg u n olduğu sonucuna ulaştı. Bundan sonraki onyıllar boyunca ise bilim insanları, DNA'nın bizi tam olara k nasıl olduğumuz kişi yaptığının ayrıntıları ve DNA'yı na­ sıl ku rcalayabileceği miz üzerine çalıştılar.

1

Genetik 1 0 1

Bu kitap, canlıların döllerine belirli nitelikler için tal imatları, yani genlerin nasıl a ktardıklarını inceleyen genetiği açıklaya­ caktı r. Ayrıca DNA'nızda bulunan bilginin külliyatıyla ilgilenen konu muzia ilgili başka bir alan olan genemikten de bahsede­ ceğiz. Yol boyunca i htiyacı m ız oldukça biyolojinin diğer alan­ larına da değineceğiz. Tüm bunları sizlere ve vücudunuzda olup bitenlere oda klanara k, ayrıca haberlerde görmüş olabi­ leceğiniz bazı şeylere deği nerek yapacağız. Önce deoksiribo n ü kleik asidin -DNA- içini dışını öğrene­ ceğiz. DNA, mikroskobi k ölçekte inanılmaz derecede uzun olan tel g ibi bir moleküldür. Vücudunuzdaki her bir hücrenin çekirdeğine bu ipliklerden kırk altı tane sı kıştırılmıştır ve her bir iplik, vücudunuzun her bir parçasının i nşası ve bakımı için gerekli olan talimatları içerir. Bu talimatlar, deşifre etmeyi öğ­ reneceğimiz kimyasal bir dille yazılmıştır. H ücrelerimizin bu şifreyi nasıl okuduğu n u ve tal i matları nasıl takip ettiğini öğreneceğiz. Talimatlar genellikle hücreye bir proteinin nasıl yapı lacağını anlatır ve bu yüzden bu pro­ teinlerin neler yaptığını da öğreneceğiz. Bazıları gözlerinize, saçlarınıza ve cildin ize ren k verir. Bazıları vücudunuzun g ıda­ ları ve ilaçları işlemesin e yardı mcı olur. Bazı ları vücudunuzun işlev görmesi için o kadar önemlidir ki eğer tam olarak doğru şekilde i nşa edilmemişlerse kendin izi kanser veya başka has­ tal ı klara yakalanma riskiniz a rtmış halde bulabilirsiniz. Ayrıca DNA'nızın en başta size nasıl u laştığını da, yani ebe­ veynlerinizden size nasıl geçtiğini ve soyağacınız hakkında sizlere neler söyleyebileceğ i n i öğreneceğiz. Ve bir tükürük numunesinden en derin sırlarınızı ortaya çıkarmayı vaat eden kişisel genemik servislerinden neler öğrenebileceğinizi gö­ receğiz. Son olarak bilim i nsanlarının ve şi rketlerin DNA ile ekinierin genetiğini değiştirmekten kanser tedavilerini iyileş­ tirmeye kadar neler yaptıklarına bir bakacağız.

8

HÜCRELERINIZIN KULLANIM KILAVUZU DNA Ne Iş Yapar?

DNA bizi olduğumuz kişi yapar. Peki, bunu nasıl yapar? Bu soruya ceva p vermek için mikroskopların görebileceğinden bile daha küçük bir seviyeye yakı ndan bakmam ız gerekiyor. DNA, işi bilgi taşımak olan uzun, ipliksi bir moleküldür. Bunu kavraya­ bilmek için bir an elinizdeki kitabı düşünün. Sadece birbiri ardına gelen harflerden oluşmaktadı r ve bu harfler bir arada kelimeleri, cümleleri ve bölümleri oluşturur. Bir DNA i pl iği, harfler gibi işlev gören ve bir i nsan vücud unun (veya hayvan vücudunun, hatta bir bitkinin veya bakterinin; her ca nlının DNA'sı vardır) inşası ve çalıştırılması için gerekl i tü m bilgiyi içeren m ilyonlarca kimyasal bileşenden oluşmaktad ı r.

Kodlamayan DNA Ancak DNA'mız sadece bir yemek tarifi olmaktan daha fazlasıdır. Genomu bir yemek partisinin nasıl planlanacağı ya da haftalık ye­ rnek menüsü önerileri gibi fazladan bir ton bilgi içeren lüks bir ye­ rnek kitabı olarak düşünün. Bu bilgi, yemek tariflerini ne zaman yapacağınızı söylediği için kullanışlıdır. Ancak aynı zamanda baş­ tan savrna bir yemek kitabıdır: Bir yerneğin üç farklı tarifi olabilir ve bu tariflerden sadece bir tanesi pişirrneye değerdir. Belki de say­ falar arasına nereden geldiğinden emin olarnadığınız ancak atmaya da kıyarnadığınız yemek tarifi kartları ve kağıt parçaları sıkıştırıl­ rnıştır. DNA'mızda da aynı böyle parçalar vardır.

D N A'da bir kitabın içerd iğinden çok daha fazla bilgi mevcut­ tu r Eğer geno m u m uzu -DNA içerisinde taşınan tüm bilgiyi- bir .

kitaba basarsan ız, bu kitap büyü klüğünde on iki bin cilt doldu­ ru rsu n uz. 9

Genetik 1 0 1

Genom u muz tek bir DNA ipliği değildir; kromozom denilen parçalara böl ünmüştür. Yirmi üç kromozomumuzu yirmi üç de­ vasa ci ltten oluşan bir yemek tarifi koleksiyonuna benzetrnek hoşu ma g idiyor. Tıpkı gerçek bir yemek kitabı gibi DNA da kısa kısa ta limatlar içerir; bu n ları yemek tarifleri gibi düşünün. Her bir yemek tarifi veya gen, küçü k bir parça mızı yapmak için gereken talimatları içerir. Her birimiz birbirimizden farklı olduğumuz için, bizi biz yapan tarifler de nispeten birbirlerinden farkl ıdır. Benim genlerim kah­ verengi bir pigmentin yapılması ve saç foliküllerime konulması için gereken talimatları içerir. Ancak eğer sizin genleriniz farklı bir pigment için bir tarif içeriyorsa saçınız farklı bir renkte olabilir. Ya da tarif kitabınızdaki o sayfa boş olabil i r ve saçınıza h iç pigment koymazsınız. Vücudu nuzdaki her bir hücrede bu yemek ansiklopedisinden iki kopya bulunmaktadır. H ü creler bir bakıma tarifierin yapıldığı mutfaklardır.

H ÜCRE N EDIR Vücudunuzda otuz yedi trilyondan fazla hücre vard ı r. Bu çok bü­ yük bir sayı, değil mi? Vücud u nuzda kamu borcundan veya Sa­ manyolu'ndaki yıldızlardan daha fazla hücre bulunur. Bunların birkaçın ı deri h ücrelerin iz, kas h ücrelerin iz, yağ hüc­ relerin iz, sinir hücreleriniz ve kem ik hücreleriniz olarak saya bili riz. Her biri o kadar küçüktür ki onları sadece bir m ikroskopla görebi­ lirsiniz. Bir yerinizi her kaşıdığı n ızda yüzlerce deri h ücresi dökülür ve bunu fark etmezsin iz bile. Bu hücrelerin neredeyse her bi ri, az önce bahsettiği miz DNA'nın tamamını içerir. Aslında her biri, birini annenizden ve diğerini de babanızdan aldığınız iki kopya taşıdığınız için i ki katını içerir.

lO

Hücrelerinizin Kullanım Kılavuzu

Mitokondrilerin de DNA'sı Vardır Organellerimizin pek çoğu oldukça sıkıcıdır; ancak besinleri enerji­ ye dönüştüren mitokondri adlı özel bir organelimiz vardır. O kadar özeldir ki bizlerle paylaşmadığı kendi DNA'sı bile vardır. Bilim in­ sanları bunun sebebinin, mitokondrinin geçmişte daha büyük bir hücre tarafından yutulan ancak sindirilmeyen bağımsız bir bakteri olduğunu düşünmektedirler. Milyonlarca yılın ardından sıkı dost olduk: Etle tırnak gibiyiz.

HOcrelerlmlzde birbirleri nden zarlarla ayrı lan organel adlı fark­ lı böl meler vard ır. Sahip olduğumuz iki takım DNA'yı çekirdek adı verilen kendi organellerinde taşırız. Bu şekilde h ücrenin kalanında s ü regelen kaostan korunu rlar. (Bunu yemek kitabı koleksiyonu­ muz için özel bir kütüphane gibi düşünün.)

TA R I F L E R D E N S E Ç i M YA P M A K Eğer tüm hücrelerimizde aynı yemek kitabı koleksiyonu varsa, ne­ den her zaman aynı talimatları izlem iyorlar? Eğer böyle yapsalardı otuz yedi trilyon hücremizin her biri birbirine benzerdi. Aslı nda olan şey ise deri hücrelerinin kendi yapacağı şeyleri yapmak için gerekli olan g enleri kullanmasıdır. Kas hücreleri de keza kendi yapacağı şeyleri yapmak için gerekli genleri kulla nır. (Elbette deri hücreleri ve kan hücrelerin i n pek çok ortak noktası vardı r, bu yüzden pek çok tarif her ikisi tarafı ndan da kullanılır.) Tek bir hücre tipinde bile her şey s ü rekli değişim içerisinde­ d i r. Örneğin beyin hücreleri gece ve g ü ndüz zamanı farkl ı genler ku llan ırlar. Mide hücreleriniz besinleri sind i ri rken farklı, öğünler arasındaki uzun bekleme süreleri arasında fa rklı genler kullanırlar. Erişkin olduğunuzda, bir bebekken kullandığınızdan farklı bir gen karışımı kullanırsınız.

11

ATOMLAR VE MOLEKÜLLER DNA'nin Yap1taşlar1

DNA, m i lyonlarca atomdan meydana gelen devasa bir molekül­ dür. Atomlar ve moleküller arası ndaki farkı anlamanın en iyi yolu, bir molekül model kitin i n başına oturmaktır. Bunları kimya sınıfla­ rında veya ün iversite kitabevlerinde bulabi l i rsiniz. Oldukça ciddi görünmesine karşın asl ı nda çok eğlenceli bir oyuncaktır.

Alkol İnfa Etmeye ÇalıfıD Eğer su çok sıkıcı ise, bira ve şarabın içindeki alkol olan etanol ya­ pabilirsiniz. Bir karlıonla işe başlayın ve üç hidrojen ekleyin. Dör­ düncü kürdana ikinci bir karbon ekleyin ve bu karbona iki hidrojen verin. İkinci karhonda şimdi üç kürdan olmalı, dördüncü kürdana da hidroksil grubunu, yani bir hidrojen eklenmiş olan bir oksijen atomunu takacaksınız. Bu -OH grubu molekülü bir alkol yapar.

Eğer sizde bir tane yoksa sorun değil! Evi nizin sıcağında bir tor­ ba şekerleme ve bir kutu kürd a n la kendi kitin izi yapabilirsiniz. Basit bir molekülle başlayal ı m : su. Suyun kimyasal formülünü muhtemelen bil iyorsunuz:

Hp. Bu iki hidrojen ve bir oksijen ato­

mu oldu ğ u anlamına gelir. Eğer bu uygulama n ı n şekerleme versi­ yonunu yapıyorsanız, kırm ızı bir şekerleme alın ve ona iki kürdan takın. Bu kırmızı şekerleme oksijen atomunuzd ur. iki hidrojen ato­ munu simgeleyen iki beyaz şekerleme alın ve kürdanların diğer ucuna takın. Az önce Hp ya ptınız. Eğer bir model kitin iz olacak kadar şanslı iseniz hidrojen atom­ ları, bir ara parça n ı n sığabiieceği tek bir soketle gelecektir. Oksijen

atomları n ı n iki soketi olacaktır. Bunun sebebi gerçek hayatta oksi12

Atomlar ve Möleküller

jenin (normalde) sadece iki bağ yapmasıdır. Hidrojen sadece tek bir bağ yapar.

Üzerinde Çalışacağımız Atomlar Hücrelerimizdeki moleküllerin pek çoğu sadece altı atomla yapıla­ bilir. Bunları organik kimya başlangıç kitimiz olarak düşünün: • • • • •

Karbon (4 bağ) Hidrojen (1 bağ) Oksijen (2 bağ) Fosfor (karmaşık) Sülfür (bu da öyle)

DNA için bu atomlardan sadece ilk beşine ihtiyacınız olacak.

Öte yandan karbon dört bağ yapabilir, yani karbonu temsil eden siyah kürelerde dört soket olacaktır. Bir model kitinin avan­ tajı budur: Her bir parçada uyg un sayıda soket vard ı r. Eğer şeker­ leri k u llanacaksanız her bir atoma kaç tan e kürdan sokacağı nızı bilmeniz gerekir.

ATO M N E D i R Elementlerin periyodik cetvelini hiç d uyd u n uz m u ? Bilinen her bir e l ement için bir karenin olduğu tuhaf şekilli çizelgedir. Kim i n i d a h a önce duymuşsunuzd u r: örneğin karbon, hidrojen ve oksijen. Bazıları metal lerdir ve bunları da daha önce duymuşsunuzdur: al­ tın, g ümüş, alümi nyum, bakır. Parlak neon ışıklardaki tüpleri dol­ d u ran neon da bir elementtir. B u elementler aslında sadece atomların bulunabileceği çeşni­ lerd i r. Bir atomun çeşnisini ne belirler? Atomdaki protonların sayı­ sı belirler. Hidrojenin bir, helyumun iki protonu vardır. Eğer bah­ setmiş old uğumuz bazı elementleri merak ediyorsanız karbon u n 13

Genetik 7 0 7

altı, azotun yedi ve oksijenin sekiz protonu vardı r. Altında yetmiş dokuz ve uraoyumda doksa n iki proton vard ı r. Protonlar pozitif yüklüdür, yani bir atomda ne kadar çok pro­ ton varsa o kadar fazla negatif yüklü elektron toplayabilir. Bu kitabı anlayabilmek için proton ları ve elektronları (veya yüksüz olan arkadaşları nötronla rı) bilmenize gerek yok, o yüzden kimyadan çok fazla bahsettiği m izi düşünüyorsanız meraklanma­ yın. Bunlardan bahsediyoruz çünkü elektronlar, bir atomun kaç tane bağ yapabileceği n i belirten şeylerdir.

DEV MOLEKÜLLER Şekerlemeleri ve kürdanları kurcalarken kendinizi kaptırabilir ve yapabileceğiniz en büyük molekülü yapmaya karar verebilirsiniz. Elinizde çok büyük bir şekerleme paketi varsa, bu molekü l lerin de devasa olabileceğini göreceksiniz! Örneğin, bir glikoz molekü l ü n ü nasıl yapacağınıza baktınız diyelim: Bir halka şeklindedir, yani dikenleri olan bir taç gibidir. Bunlardan birkaç tane yaptığın ızda ekmek, makarna ve pirinç gibi besinlerdeki kalorilerin çoğ u n u sağlayan karbonhidrat olan nişas­ ta için g l i kozları birbi rine eklerneye başlayabilirsiniz. Kendilerini tekrarlayan küçük ya pıtaşlarından yapılan moleküllere polimer adı veri l i r. DNA da başka bir polimerd i r ancak nişastadan biraz daha ka­ rışıktır. Tekrarlayan tek bir ya pıtaşı yerine DNA'da dört farklı ya­ pıtaşı va rd ı r. Ayrıca parçala rı, ikili sarmal adı verilen eşsiz bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelir. Bu molekül ü n nasıl bir araya geldiği hakkı nda önümüzdeki bölümlerde daha çok şey öğrene­ ceğiz.

14

Atomlar ve Möleküller

YA P I TA Ş L A R I B u g ü n pek çok şey inşa ettik ve etmeye d e devam edeceğiz. işte neyle neyin ya pı lacağına dair liste: •

Atomlar bir elementi n m ümkün olan en küçük parçasıdır. Mo­

•

Moleküller su veya DNA gibi bir bileşiğin m ümkün olan en kü­

leküllerin yapıtaşiand ı r. çük parçasıdır. (Bir bardak su hayal edin; bardaktaki en küçük öğe tek bir Hp molekül ü olacaktır). •

Bir şeker olan g l i koz, nişastanın yapıtaşıdı r.

•

Am inoasitler proteinlerin yapıtaşiand ı r.

•

N ü kleotidler DNA'nın yapıtaşlarıdır.

ıs

NÜKLEOTIDLER Dört Harflik Bir Alfabe

Artık atomların molekül leri oluşturmak için nasıl bir araya geldiği­ ni öğrendiğinize göre DNA'yı nasıl yaptıklarına geçebiliriz. DNA'nın yapısı, bir sonraki parti niz için devasa bir şekerleme- kü rdan DNA modeli inşa edebi lmeniz için d eğil (ama iyi fikir, değil mi?) DNA'nın hücreler için talimatları nasıl taşıdığını anlamanız için önemlidir. DNA yapısı ayrıca ebeveynlerin bilgiyi çocuklarına aktarmak için nasıl kopyalayabileceğini de beli rler. Yani eğer genetiği anlamak istiyorsak, moleküler seviyeye bakmamız gerekir.

Moleküler Yapı Eğer kimya okumadıysanız, kimyasalların sıvı olduğunu düşüne­ bilirsiniz. Ancak moleküllere baktığınızda her birinin üç boyutlu bir şekli olduğunu görürsünüz. Moleküller birbirlerine toslayabilir. Birbirlerinin etrafına dolanabilirler. Yer tutarlar. Bir molekülün üç boyutlu şekline molekülün yapısı deriz.

Tek bir DNA ipliği -birbirini tekrarlayan birimlerden yapılan­ bir polimer olduğu için, elimizde doğru birimler yoksa DNA'yı inşa etmeye başlayamayız. Birbirini tekrarlayan bu birimlere nükleotid adı verilir. Birkaç farklı nükleotid türü vardır ancak her birinin ortak üç bi­ leşen i bulunmaktadır: •

A, T, G ve C şekl inde kısaltılan dört farklı versiyonu olabilen azotlu bir baz. Daha sonra bu bazlar hakkında daha çok şey öğreneceğiz.

•

Deoksiriboz adlı özel bir şeker. Bu çayınıza attığınız sofra şe­ kerinden farklı; ancak bir açıdan aynı kimyasal ailedendir. De-

16

Nükleotidler

o ksiriboz beş kenan olan bir halka şekl inded i r ve azotlu baza bağ lıdır. •

Oksijen atomları tarafından çevretenmiş olan bir fosfor atomu olan bir fosfat. Bu da şekere bağlıdır. B i r nükleotidi diğerine eklemek için, yeni n ü kleotidin fosfat

grubunu önceki n ükleotidin şekerine bağ lamanız gereklidir. Gerçekte hücrelerinizde şekerlemeleri uzatıp ekieyecek bir çift el yoktu r. Bunun yerine özel proteinler, daha çok DNA yapıl ma­ sı gerektiğinde hücrenin içinde dolanan n ükleotidleri toplar. Bu n ü kleotidleri büyüyen DNA zincirinin dibine yapıştırırlar.

ATP Eğer daha önce biyoloji dersi aldıysanız, nükleotidin yapısını -baz, şeker, fosfat- hatırlayabilirsiniz. ATP, yani adenozin trifosfat aynı yapıya sahiptir. Üç fosfat grubu arasındaki yüksek enerjili bağlar sayesinde ATP, hücrenin enerji kaynağı olarak bilinir. DNA'nın ya­ pısına katılabilecek olan nükleotidler de aynı şekilde inşa edilir: Hücrenin içerisinde dolanıdarken genellikle üçlü fosfat grupları yaparlar. Büyümekte olan DNA ipliğine eldenrnek için gerekli olan enerjiyi sağlamak için kendi pillerini taşıyor gibidirler.

(Buradan itibaren milyonlarca şekerlemeyle uğraşacağız, o yüzden gerçek n ükleotidler yerine haya l i şekerlemelerle devam etmek daha iyi olabilir.)

A Z OT L U D Ö R T B A Z Nasıl sözcükleri hecelemek için alfabedeki yirmi dokuz harfi kul la­ nıyorsak, DNA'daki bilgi de dört kimyasaldan oluşan bir alfabe ile "hecelenir': Doğru laboratuvar ekipmanı ile DNA ipliğini yukarıdan aşağı okuyabilir ve ne söylediğini bulabilirsin iz. Şunun gibi olabilir: 17

Genetik 1 0 1

...ATCGTCTGACTGACGACTGATCGTAGTCGATCGATGCGTACGAT­ GCGTA... Bu dört harften her biri -A, T, G ve C- farklı bir nükleotidi temsil eder. Aralarındaki fark, n ükleotidin azotlu baz olarak ad landırılan kısmındadır. Bazların uzun isi m leri şun lard ı r: •

•

•

•

Adenin Ti min Guanin Sitezin Bazik -asidiğin tersi- oldukları ve yapılarında pek çok azot ol­

duğu için azotlu baz adını alırla r.T imin ve sitezin düz halka şekli n­ deyken adenin ve guaninin sekiz rakamı g ibi, iki halkadan oluşan yapıları vardır.

18

IKILI SARMAL Spiral Bir Merdlven

Dünya tarihinde şu ana geldiğimizde, bu kitabı okumakta olan her­ kes m u htemelen DNA'yı temsil eden bir resim görmüştür. Örneğ i n genetik veya biyoteknoloji i l e i l g i l i olan tüm şirketlerin logolarında bir DNA çizimi vardır. Genlerden veya h ücrelerden bahseden tüm videolarda tuhaf şekilde aydınlatılmış top top bir DNA ipliği ani­ masyonu vardır. Ancak bu tasvirler her zaman yanlışsız değildir. Bu yüzden haydi DNA'nın nasıl yapıldığına bakalım.

DNA'nın Gerçek Şekli Gerçek DNA'nın çarpık, asimetrik bir görünüşü vardır. Bir merdi­ veniniz olduğunu hayal edin -bu DNA'nız olsun- ancak bu mer­ diveni bir sarmal haline gelecek şekilde hükmeden önce, yukarı bakan uçlarını birbirlerine doğru çekerek basamakları eğeceksiniz. Gerçek DNA'da merdivenin bir tarafı (kenarların birbirine daha ya­ kın olduğu yerler) küçük yiv, diğer taraf ise büyük yiv olarak adlan­ dırılır. Döndürdüğünüzde spiral düzgün ve simetrik olmaz. DNA da hayatın kendisi gibi dağınıktır.

BAZLA R l N EŞLE Ş M E S I Bir önceki bölü mde bahsettiğimiz azotlu bazlar DNA'nın çok önemli bir özelliğinden soru mludur. Diğer azotlu baziara yapış­ mayı severler ve her birinin belirli bir eşi vardı r. Örne k olarak adenini ele alalım. iki düz halka şeklindedi r ve DNA'n ın bir parçası olarak şeker-fosfat o m u rgas ı na bağlıdır. Ancak omurgaya bağ lı ol mayan tarafında, hid rojen bağı yapabilen bazı ato m ları vardır. 19

Genetik 7 0 7

Şekerlemeler v e kürdanlar oyununu hatırl ıyor musunuz? Kür­ danlar iki atomu oldukça sıkı bir şekilde bağ l ı tutan kimyasal bağlar olan kovalent bağ ları simgeler. Hidrojen bağları ise böyle deği ldir. Atomların elektrik yüklerinin sonucu olan, iki atom veya molekü l a rasındaki daha geçici bağlard ı r. H i d rojen bağını, ku­ rutma makinesinden çıkan çorabın pantolonun uza yapışmasına sebep olan statik elektrik g ibi d üşünmek yerinde olabilir. Panto­ lonun uza daimi olarak bağlan madığından isted iğiniz zaman ayı­ ra bilirsiniz. Adenin ve tim in, birbirleriyle hidrojen bağı yapabilecek şeki lde şekillenm i ştir. (Adeninin tirni ndeki oksijene yapışmak isteyen bir hidrojeni, timinin de adeninin oksijenine yapışmak isteyen bir hid­ rojen i va rdır.) Diğer iki baz olan sitozin ve guanin de bir çift yapar, ancak iki yerine üç hidrojen bağ ı kurarlar.

Sıkı Dostlar Bazların eşleşmesi şöyle olur: •

Adenin tirnin ile eşleşir.

•

Guanin sitozin ile eşleşir.

Bu eşleşmeler özgüldür: İki adenini veya bir adenin ve bir sitozini bir araya getirirseniz iyi hidrojen bağları yapmazlar. Ancak adenini bir timinin yanına veya sitozini bir guaninin yanına getirirseniz, kurutma makinesinden çıkan çoraplar gibi birbirlerine yapışırlar.

i Ki i PLiK Şu ana kadar DNA'nı n tek bir ipliğini tanımladık: serbest sal lanan azotlu bazlarla birlikte bir şeker-fosfat omurgası. Ancak hücreleri­ mizde DNA tek başına bulunmaz. Genellikle bir bütünleyici iplik ile eşleşmiş olarak bulunur. 20

ikili Sarmal

i ki nci iplik, birinci iplik için mükemmel bir karşıt olduğu için bütü n leyici olarak adlandırılır. Eğer iplikl erden biri sadece ade­ n i nlerle dol uysa, karşıtı timi nlerle dolu olacaktır. Gerçekte ise DNA iplikleri karmaşık veya bazen rasgele azotl u baz dizilerinden meydana gelir. ikinci iplik birincinin yansımasıdır. Örneğin bir iplik CTAGGC ise diğeri de GATCCG olmak zoru ndad ı r.

Aralıkiara Dikkat Edin Bazlardan bazılarının tek bir halka, diğerlerinin de çift halka şek­ linde olduklarını hatırladınız mı? Şu işe bakın ki eşleşen her çift bir tane tek halkalı, bir tane de çift halkalı baz içerir. Bunun anlamı, D NA'nın omurgalarının birbirlerine her zaman eşit mesafede ol­ masıdır (üç halka).

D N A E Ş i N i N A S I L YA PA R ? Hücre iki ayrı iplik ya pıp bunları birbirine ya pıştı rmaz. Azotlu baz­ ların d iğer azotlu baziara nasıl yapışmak istediklerini hatı rladınız mı? Bir çocuğun eline koli bandı tutuştu rmuş gibi olursunuz: O ka­ dar çok yerden birbirine ya pışır ki çöpe atı p en baştan başlamanız gerekir. Bunun yerine hücrelerimizde ikinci DNA ipliğini yaratmak için çok yaratıcı bir yol vardır. i l k olarak bunun nerede ve ne zaman ol­ d u ğ u na bakalım. Bir hücrenin ikiye bölü n mesi gerektiğinde -me­ sela bir yaranın iyileşmesi için daha çok deri hücresi yapıyorsanız­ her h ücrenin kendi DNA kopyasına ihtiyacı olacaktır. H ücrenin makinesi iki ipliği birbirinden ayırır ve bazların ya pı­ şacak bir şey bulamadığı kısa bir DNA d izisi olur. Neyse ki hücrenin bu kısmındaki sıvı, bir nükleotid çorbası içerir. Bu "serbest" nü kleo­ tidler, DNA'nın yeni açılan kısımlarında eşierini bulu rlar. Enzim adı verilen özel proteinler nükleotidleri birbirlerine ekleyerek iki yeni 21

Genetik 1 0 1

DNA ikili ipliği oluşturur. "DNA eşlenmesi" a d l ı bölümde b u sü reç hakkı nda daha fazla şey öğreneceğiz.

SON ÜRÜN Bazlar diğer bazlarla eşleşerek iki DNA ipliğini bir araya getirir. Nü kleotidler bir nebze kıvrıml ı olduklarından d üzgün bir merdi­ ven gibi d izilmezler; b u n u n yerine dönen bir merdiven g ibi kıvrı­ lırlar. Bu ol uşan şekle bir ikili sarmal denir. Bilmeniz gereken bir tu hafl ı k daha var: i pl i klerden biri baş aşa­ ğıdır. Teknik olarak hücrede "aşağı" ve "yukarı" yoktur ama ipi ikierin yönleri vardır. Bir DNA ipliğini genellikle fosfat yukarıda, şeker aşa­ ğıda olacak şekilde çizeriz. Biyokimyacılar şekerdeki karbon atom­ larını 1 'den S'e numaralandırmayı severi er. Fosfat beşinci karbon atom u na bağlıdır, bu yüzden DNA'nın fosfat ucuna beş üssü ucu (S' ucu) adını veririz. i pliğin diğer ucu ise, şekerin diğer bağ ucu olan üç üssü ucu (3' ucu) adını alır. Bir DNA ipliğine ek ya pıldığında yeni nükleotidler 3' u ca eklenir.

22

TÜM BU DNA HÜCRELERE NASIL SIGIYOR? DNA Ne Kadar Büyüktür ki?

DNA aynı zamanda hem büyük, hem de küçüktür. Bir moleküldür, o yüzden çok ama çok küçü ktür. Mercekler ne kadar g üçlü olursa olsun normal bir mi kroskopta göremezsi niz. öte ya ndan DNA i p­ likleri çok, ama çok uzundur.

DNAÖlçümü Bir DNA ipliğinin önemli ölçüleri şunlardır: •

• •

2 nanometre: omurgalar arasındaki mesafe (merdivenin bir basamağının genişliği) 3,6 nanometre: bir tam dönüş yapan DNA uzunluğu 0,34 nanometre: baz çiftleri (merdivenin basamakları) arasın­ daki dikey mesafe. Bunun anlamı, sarmalın bir tam dönüşünün yaklaşık on basamak almasıdır.

Bir kopya insan DNA'sının bu kitap boyunda on iki bin cilt bas­ maya yetecek kadar bilgi içerdiğini söylemiştik. Şimdi bunun baz çiftleri açısından ne anlama geldiğine baka l ı m . DNA'mızda üç mil­ ya r baz çifti vardır. Eğer bunların hepsi tek bir uzun molekü lde ol­ saydı (ki değildir; 23'e bölü n m üştür) yaklaşık 1 metre uzunluğun­ da neredeyse görünmez bir ipim iz olurdu. Asl ında elim izde bu bilg iden iki kopya bulunmaktadır. Bunu söylerken ikili sarma lın iki ipliğini kastetm iyoruz! Bu iki iplik mü­ kem mel bir şekilde eşleşirler, yani bilginin farklı kopyalan sayıl­ mazlar. Bunun yerine, sahip olduğunuz her bir ikili sarmala karşı, neredeyse aynı bilgiyi taşıyan başka bir eksiksiz ikili sarmalınız var­ dır. Her birini, ayrı ayrı biyolojik ebeveynlerin izden alırsın ız, yan i birbirlerinden b i r miktar farklı olacaklard ır. Bu kafanızı karıştırdıy23

Genetik 1 0 1

s a meraklanmayın, ebeveynlerin DNA'yı çocu klarına nasıl aktar­ dıklarını i leriki bir bölümde göreceğiz. i plikler, onları göremeyeceği m iz kadar i nce olsa da aslında iki metreden daha fazla uzayabilecek DNA'mız vard ı r.

Demek DNA'nızı Görmek istiyorsunuz DNA çıplak gözle görülemeyecek kadar ince olsa da eğer çok sayıda DNA ipliğini birbirine dolarsanız -bir tabak spagetti gibi- bir sıvı gibi değil de iplik iplik yapışkan bir şey gibi davranacaktır. Neredey­ se herhangi bir hücrey i kaynak olarak kullanarak kendi mutfağınız­ da bu DNA spagettisini yapabilirsiniz: Çilek popüler bir seçimdir ancak üniversitedeki fen laboratuvarında karaciğerle yapmıştık. http://learn.genetiks. utah.edu/content/labs/extraction/howto/, adresinde talimatları bulabilir veya "evde DNA özütlemesi" diye in­ ternette arayabilirsiniz.

H i S TO N L A R DNA hücrelerimizdeyken nasıl oluyor da kendi üstüne dolanmı­ yor? Ceva bın bir kısmı, h iston adı verilen çok küçük makaralar et­ rafında sarılmış olmasıdır. Ama tüm bir DNA ipliğini tek bir makaranın etrafına sarama­ yız. Bir makara dikiş ipliğini gözünüzde canlandırın: i pliğin sade­ ce dış katmanları erişilebi l i rd i r ve ipliğin kalanı yüzeyin altındaki katmanlara gömülmüştür. H ücren in DNA içerisindeki "tarifleri" okuyabil mesi için molekü l ü n b u ndan daha erişilebilir olması ge­ reklidir. Bunun aksine makaralar o kadar küçüktür ki DNA ipliği bir ta­ nesinin etrafında sadece 1 ,65 tur atabilir. Bu iki ta m turdan daha azdır. Hücreleri mizin her bi ri, histon adı veri len bu makaralardan yüz mi lyonlarca içerir. H istonlar, h ücre içerisinde rastlayacağımız ilginç şeylerin çoğu gibi proteinlerden yapı l m ı ştır. 24

Tüm Bu DNA Hücrelere Nasıl Sığıyor?

DNA mı Protein mi? Yirminci yüzyılın ilk yarısında biyokimyacılar hücreler içerisinde ebeveynlerden çocuklara bilgi taşıyalıilen bir çeşit "kalıtım mad­ desi" olduğunu fark ettiler. Bunun her bir hücrenin kendi çekirde­ ğinde olduğunu dahi keşfettiler. Ancak buldukları madde DNA ve histon proteinlerinin bir karışımı olduğundan, DNA'nın mı yoksa proteinin mi kahtım maddesi olduğu konusunda onyıllar boyunca tartıştılar. (Söylüyorum: DNA)

PA K EY L E M E K DNA histonlar etrafı nda sarılı olduğunda dahi oldukça büyüktür. Kromatin adı veri len bu DNA ve protein karışımı silindirik bir şekil halinde sıkı sıkı sarılır {yine de çok uzundur a ncak bir tel iplik değil de bir halat gibi düşünün). Normal olarak DNA'mızın bir kısmı böy­ le yoğ un şekilde bulunurken diğer kısımlar daha gevşektir. B i r hücrenin böl ünme zamanı geldiğinde DNA halatları daha da sıkı kıvrılarak şişman bir sosis şeklini a l ı r. Sı kıştı klarında m i k­ roskopla görülebilir bir hal alırlar, bu d u ru mda onlara kromozom adını veririz. Eğer kromozom resimlerini sosis halkaları veya büyük şişma n bir X harfi şeklinde görmüşseniz onları en yoğ un hallerin­ de görmüşsünüz demektir.

Kromo- ön eki Yunanca "renk" anlamına gelen bir kelimeden ge­ lir. Bilim insanları hücrelere mikroskopla ilk baktıkları nda, numune­ lere bir boya ekleyip daha sonra duruladı klarında her şeyi daha iyi görebildiklerini fark ettiler. Hücrenin bazı parçaları boyayı tutarken diğer kısımları renksiz kal ı r. Bilim insanları bunu, hücrenin farklı kı­ sımlarını boyamak için fa rklı boyalar kullanarak hala yapmaktadırlar. Kromatinler boyayı kolay tutarlar, yan i eski hücre biyologları görd ü kleri şeyi tasvir ederken sosis benzeri yoğ unlaşmış DNA'yı "kromozomlar'; yani kelimesi kelimesine tercüme edecek ol ursak "ren kli ci si mler" olarak adlandırdı lar. 25

KALITYAZIM VE RNA Tarifi Kopyalamak

DNA'nı n tariflerden ol uşan bir koleksiyon olduğundan bahsettik. Bu böl ümde bu tarifierin nasıl yapıldığını göreceğiz. Tariflerimizin çoğu, yan i genlerimiz, bel irli bir protein yapmak için gerekli olan tal i matlard ı r. Bu proteinler ha kkında "Proteinler Ne Yapar?" adlı bölümde daha çok şey öğreneceğiz, ancak şimdilik ton larca farklı protei n yapıyor olduğumuzu bil meniz yeterli. Me­ sela kasları m ız kuvvetlerin i, kası kısaltmak için kası labilen aktin ve miyozin adlı proteinlere borçl u d u r. Kanın ız, kırm ızı kan hücreleri­ nizdeki hemoglobin adlı bir protein sayesinde hayatta kalabi lme­ niz için size oksijen taşıyabilir. Sindirim sistemin iz, m ide, pa nkreas ve ince bağırsak tarafından ü retilen çeşitli sindirim enzi m leri sa­ yesinde besinleri parçalayabilir. Bu proteinlerin her biri ve daha binlercesi, genlerinizde taşınan talimatla r kul lanı larak dikkatle üretilrnek zoru ndadı r. Protein ya pım ındaki iki ana adım şunlardır: 1. Eşleşen bir baz dizisi kullanıp yeni bir RNA molekülü yaratarak geni kopyalama k. Buna kalıtyazım adı verilir. 2. RNA'daki ta li matiara göre proteini inşa etmek. Bu adıma da ka­

lıtokuma adı veri l i r. Eğer hangisinin hangisi olduğunu hatı rla makta zorlanıyorsa­ nız, gerçek hayatta bir şeyi yazdığımızda genel li kle olmuş olan bir şeyi kayda geçiyor olduğ u m uzu hatırlayın. Hem konuşma hem de yazı aynı d i ldedir. Benzer şekilde RNA da DNA'n ın nükleotid leri ile aynı "d ildedi r'; sadece fa rklı bir lehçedir. Anca k nükleotidlerin di­ lini protein diline çevi rmek daha zor bir iştir ve aslında daha çok tercüme ya pmaya benzer. 26

Kalıtyazım ve RNA

Merkezi Dogma 1957 yılında, DNA'nın yapısının keşfindeki rolü dolayısıyla şöhrete ulaşmış olan Francis Crick, bir hipotezini açıkladığı konuşmasında şunları söylüyordu: "Kalıtım maddesinin ana işlevi . . . protein sen­ tezinin kontrolüdür." RNA gibi nükleik asitlerdeki bilginin protein yapımında kullanılabileceğini ancak bunun tersinin geçerli olmadı­ ğını öne sürüyor ve bu fikrini moleküler biyolojinin "Merkezi Dog­ ması" olarak adlandırıyordu. Bunun farklı bir hali, DNA'nın RNA olarak yazıldığı ve RNA'nın protein olarak okunduğu temel kural, tüm genetik öğrencilerinin eğitiminin bir parçasıdır. Tek sorun bunun aslında bir dogma olmamasıdır. Dogma, bir çeşit otorite tarafından gerçek olduğu ve herkesin buna inanması gerektiği ilan edilen bir ilkeler dizisi için kullanılan dini bir terim­ dir. Bilim bu şekilde iş görmez! Bir fikir, ancak kanıtlar tarafından desteklendiği sürece ayakta kalabilir. Crick, daha sonra kelimeyi yanlış anladığını itiraf etmiştir. Ama artık çok geç. Kelime yapıştı kaldı.

RNA NEDiR? RNA, ribonükleik asittir. Bunu, DNA'nın uzu n ismi olan deoksiribo­ nükleik asitle karşılaştı rın. Bu iki molekül ya kın a krabad ır. Aynı DNA gibi RNA'da her biri bir fosfat, bir şeker ve bir azot­ lu bazdan oluşan nükleotidlerden meydana gelmekted ir. DNA'da şeker kısmı, deoksiri boz adlı bir şekedir; RNA'da ise ri boz. Araları n­ daki fark, isimden de ta hmin edebileceğiniz g i bi ribozun, deaksi ri­ bazda bul un mayan fazladan bir oksijen atom u taşımasıdır. Bu ki myasal farkın bazı sonuçları vard ı r. RNA kolayca parçala­ n ı rken DNA daha kararlıdır. (Genomunuzun DNA içerisinde ko­ ru nduğuna şükred in!) RNA ayn ı za manda daha katı ve dolgun olan DNA'ya göre daha esnektir, bu yüzden RNA'yı sadece uzun bir ikili sarmal olarak değil, pek çok fa rklı şekilde görebilirsiniz. Bu 27

Genetik 7 0 1

katianma sayesinde RNA da kendi kendine baz çiftleri yapabilir, bu şekilde eşi olarak iş görecek başka bir ipliğe i htiyaç duymaz. ilerideki böl ümlerde RNA'nın bu özelliklerden nasıl faydalandığını göreceğiz. Son olarak RNA ve DNA, r:ı ü kleotid kodunda da farklılık göste­ rir. DNA'da adeni nin timin ile, guaninin ise sitozin ile eşlendiğini hatırlıyorsunuz. Ancak RNA timin kullanmaz, bu yüzden adeni n urasil ile eşleşir. (Guan i n v e sitozin ise normal şekilde çalışır.)

DNA VE RNA ARASINDAKİ FARKLAR DNA

RNA

Şeker: deoksiriboz

Şeker: riboz

Baz çiftleri: AIT, G/C

Baz çiftleri: NU, G/C

Iki iplikli

Genellikle tek iplik, ancak kendi üzerine katlanarak çeşitli şekiller oluşturabilir

Oldukça kararlı

Kolayca parçalanır

N E D E N K A L I T YAZ I M ? Hücrelerimizde DNA'n ı n büyük kısmı çekirdek adı veri len bölü­ mün içinde yaşar. Ancak proteinler bu çekirdeği n dışında, hücre­ nin sitoplazma adı verilen esas kısmında üretilir. Protein yapma süreci çift iplikli DNA gerektirmez zaten, bunun yerine gendeki bilgiyi bir mesajcı RNA ya da m RNA adı verilen bir RNA ipliğine kopyalarız. DNA'yı değerli yemek kita plarından oluşan bir koleksiyon gibi düşünün. Çok ağırdırlar, on larla uğraşmak zordur ve mutfa kta üzerlerine spagetti sosu sıçratmayı da istemezsiniz. Bu yüzden kitabı otu rma odasında rafta bırakır, tarifi de müsvedde bir kağıt parçasına geçirirsin iz. M utfa k vakti! 28

Kalıtyazım ve RNA

Bakteriler DNA'larını çekirdek içerisinde tutmazlar ancak buna rağmen genlerin i mesajcı RNA'ya kalıtyaza rlar. Genleri n ne zaman kalıtyazılacağını kontrol etmek, bir genin ürününün ne zaman ü retileceğini kontrol etmenin iyi bir yoludur, bu sebeple çekirdek olsun veya olmasın, kalıtyazım adımı her türlü yaşam biçimi için faydalıdır.

N A S I L O L U YO R ? Hücrelerimiz DNA'yı RNA kopyalan ha line kalıtyazacak enzimle­ re sahiptir. Bu enzimler proteinlerdir ve şekil leri DNA ve RNA'ya tutu nmalarına ve kalıtyazıyı yapmak için gereken tüm küçük m i k­ roskobik şeyleri yapmalarına izin verir. Ve evet, bu proteinler de bizatihi kalıtyazım ve kalıtokuma sü­ recin i n ürünleridi r. Önemli enzim lerden biri RNA poli m erazdı r; çünkü tam bir RNA i pl iği olarak bildiğimiz poli meri yapmak için nü kleotidlerden bir zincir yapabilir. Nükleotidin doğru yere süzülüp DNA ile eşien­ mesini bekler; RNA polimeraz daha sonra bunu uzayan RNA zinci­ rine kaçmaması için kil itler. Kal ıtyazımı başlatmak için ekip halinde çalışan yaklaşık yüz protei n vardır, bunlardan biri diğer proteinlerin DNA'ya u laşıp iş­ leri n i yapabilmeleri için ikili sarmalı açan helikazdır. RNA polime­ raz ve bu diğer proteinlerden bazılarından o l uşan bir bileşik, RNA zincirini yaratırken DNA üzerinde hareket eder. işleri bittiğinde proteinler DNA'dan ayrı lır ve ikili sarmal geri kapanır.

S O N R ÖT U Ş L A R Kal ıtyazıyı yaptıktan sonra işimiz bitmez. B u kalıtyazı nın bir dizi son rötuşa ihtiyacı vardır, bu sebeple diğer protein ler ve özel RNA'Iar, RNA'ya biraz makyaj yapmak için toplan ı rlar. 29

Genetik 7 0 1

Önemli adımlardan b i r i uçbirleştirmedir. Bakteriler b u açıdan şanslıdır; genleri tam olara k doğru miktarda bilgi içerir, bu yüz­ den mRNA'Iarı doğ rudan kalıtyazımdan kal ıtekumaya geçer. Ama bizimkiler çok uzundur. Ekzon adı verilen ve kullanışlı genetik tali matlardan oluşan parçalar içerirler. Anca k bu ekıonların ara­ larında protein kodla maya yardı mcı olmayan uzun RNA zincirleri vard ır. Bu çöp dizilere intron adı verilir ve uçbi rleştirmenin amacı bu i ntrenları kesip on lardan kurtulmaktır. Öyleyse neden intronları m ız var ki? Çünkü çoğu zaman bir gen birden fazla şekilde okunabilir. Bu intrenları keserseniz bir protei­ niniz olur. Ya da farklı i ntrenları keserseniz tamamen farklı bir şey elde edersiniz. Buna alternatif uçbirleştirme adı verilir. Başka işlemler de olur tabii. Mesela bir enzim ekibi m RNA'ya yüzlerce adenozin n ü kleotidden oluşan bir "kuyruk" ekler. Bu kuy­ ruk mRNA'yı hızlı bir şekilde bozulmaktan veya parçalanmaktan korur. Ayrıca diğer proteinlerin m RNA'yı çekirdeğe taşınması ge­ reken bir şey olarak tanıyabilmelerini sağ lar. mRNA bir defa ü retildikten, işlendikten ve düzenlendikten sonra, artık çekirdeği terk ederek ri bezornların beklediği yere doğ­ ru yola çı kma zamanı gelmiştir.

30

PROTEINLER NE YAPARLAR? Aslında Pek Çok Şey

Protei nler ne yapmaz, cevaplaması daha kolay bir soru olabilir. Vücudumuzdaki neredeyse her şey protein, DNA, karbonhidrat ve yağlardan oluşur. Yağlar kalarileri depola m a k için ve karbon hid­ ratla r da bazı özel işlerin yanı sıra kalerilere kolayca erişim içindir. DNA'nın neler yaptığını beraber gördük. Yan i neredeyse kalan her şeyi -vücudu muzun yapısını, işlevlerini- proteinlere borçluyuz.

BiLDIG i M IZ BAZI PROTEI N L E R Kaslarımız esas olarak proteinlerden yapı l m ı ştır. {Bu yüzden vücut geliştirme yapıyor ve kas geliştirmek istiyorsanız yeterli miktarda protein yemeye d ikkat etmeniz gerekir.) Kas hücrelerimiz uzun ve i ncedi r, proteinden yapılan miyofibril adlı uzun i nce yapılarla doludur. Her miyofibrilde aktin ve miyozin adlı i ki farkl ı protei n va rdı r. Her ikisi de uzun halatlar şekl inde birbirine yapışan daha küçü k proteinlerden yapılmıştır; ancak m iyozin halatının üzerinde a ktine tutunabilen küçü k çı kıntılar vard ır, bunları eller veya kanca­ lar g i bi düşünebilirsiniz. Kaslarım ızı kasmak istediğim izde miyozin akti ne tutunur ve aynı halat çekme yarışmasında halatı çektiğiniz gibi çeker de çeker. Bu şekilde aktin ve m iyozin beraber kayarlar. Kaslarımızı gevşettiğim izde veya esnettiğim izde ise aktin ile m iyo­ zin başlangıç pozisyonlarına geri kayarlar. Derimizin ve saçlarımızın gözle görü lebilen kısı m ları keratin adlı sert ve su geçirmez bir proteinden yapılmıştır. Deri hücrele­ rimizin en üstteki katmanları canlı deği ldir; ölü ve keratinleşm iş­ lerd i r, yani dış dünya ve hassas dokularımız arasında bir bariyer oluşturmak için keratinle doludurlar. Saç, büyük oranda keratin­ den oluşmaktad ır. 31

Genetik 1 0 1

Ancak proteinler h e r zaman sert değildir. Derimizde bulunan başka bir protein, isminden d e an laşılacağı üzere esneyebilen

elastindir. Bağ dokularımızın büyük kısmını oluşturan ve ismini muhtemelen d uymuş olduğ u n uz halat benzeri başka bir protein de kolajendir. Eğer vücudu n u z kolajen yapmayı bırakırsa, bir za­ manlar iskorpite yakalanan den izciler gibi kas ağrıları hissetmeye ve dişierinizi kaybetmeye başlarsı nız. Denizciler, beslenme d ietleri yeteri kadar C vitamini içermedi­ ğinde iskorpite yakalanırlar. C vitamini ve kolajen arasındaki bağ, tahmin edeceğiniz gibi bir d iğer proteind i r. Hidroksilaz adlı bu protei n, kolajen zincirlerini birbirine bağlama görevini üstlenen bir enzimdir. Ancak işini yapabilmesi için özel bir bileşene, C vita­ minine i htiyaç duyar. Aslında beslenme rej i m i m izde ihtiyaç d uy­ duğumuz vitamin ve m i nerallerin çoğu, enzimleri m iz için yardım­ cı molekül lerdir.

Enzim Nedir? Enzim, görevi olan bir proteindir. Açıklamak gerekirse enzimler kimyasal tepkimelen katalize ederler. Belirli bir molekül türünü parçalarına ayırabilir veya bir molekülü bir araya getirebilirler. Her enzimin özel bir görevi vardır ve bir enzim başka bir enzimin yerini dolduramaz. Özelleşmiş binlerce farklı enzime ihtiyacımız vardır ve bu yüzden DNA'mız bu enzimler için binlerce farklı tarif içerir.

Sindirim enzimleri m u htemelen en meşhu r olan enzimlerdir. Yiyecekleri yuttuğunuzda midenizin etrafında çalkalanarak asit banyosu yaparlar. Asit kulağa yiyecekleri parça layabilecek gibi ge­ liyor ama besinler çok sağlamdır! Besin molekül lerini parça larına ayı rmak için özelleşmiş aletiere i htiyacımız vardır. Yediklerimizin büyük kısmını proteinler ol uştu rur, bu yüzden midemizde işleri proteinleri parçalarına ayırmak olan proteaz adlı enzimler vardır. (Pek çok enzimin adı -az eki ile biter.) Besinler mideyi terk edip in32

Proteinler Ne Yaparlar?

cebağı rsağa geldiklerinde daha da çok enzi m le karşılaşırlar: prote­ inleri parçalayan proteazların yanı sıra, yağları parçalarına ayıran li­ pazlar ve nişastayı küçük şeker parçalarına bölen amilazlar vardır. Başka önemli bir protei n kategorisi de almaçlard ı r. Hücreleri­ mizin her biri, trilyon larca başka hücre ile iletişim ku rmak zorun­ dadı r. H ücreler çoğunlukla kanda dolaşan ki myasal mesajcı lar yo­ l uyla iletişim kurarlar. Gözleri olmadığından bu mesajcıları birebir gözlemezler. Gözleri yerine, h ücrenin dış zarına gömülü protei nler olan a l maçları vard ır. Tıpkı kapınızdaki kilidi n, sadece tek bir anah­ tarın uyabileceği bir şekle sahip olması g i bi her bir al macın da be­ lirli bir şekli vard ı r. Büyüme faktörleri, insülin ve d iğer şeyler için almaçlar vardır. Beyin hücreleri nörotransmitterler salgılayarak birbirleriyle kon uşurlar. Alıcı uçtaki beyin h ücresi, nörotransmitte­ rin geldiğini nasıl anlar sanıyorsunuz? Evet, a l maçlar.

PROTE i N LE R VE A M I N OA S I T L E R Vücudumuzun proteinleri i nşa edebileceği yirmi aminoasit mev­ cuttur. Bir kolye haline getirebileceğiniz yirmi farklı renkte şeker­ leme olduğunu hayal edin. Eğer inşa etmeye çalıştığınız belirli bir ren k motifiniz varsa, ancak şekerleme kavanozu nda renklerden biri eksikse rüyalarınızın kolyesini yapamazs ı nız. Vücudumuzun aminoasitlerle ilişkisi de böyledi r. i htiyacımız olan tüm proteinleri i nşa edebil memiz için yirmi am inoasidin ta­ mamına ihtiyacımız vard ı r. Eğer aminoasitlerden biri eksikse, o aminoasidi içeren proteini yapamayız. Bu aminoasitlerden bazı larını, artık i htiyacımız olmayan eski proteinleri parçalarına ayırarak elde edebil i riz. Ama yediğimiz be­ sinlerden de protei n alırız. Biftek veya tofu gibi protei n açısından zengin şeyler yediğimizde sindirim sistemi miz proteinleri yapıtaş­ ları na, ami noasitlere ayırır. Bu ami noasitler h ücrelerim ize nakledi­ lerek yepyeni bir protein olarak yeni bir hayata başlarlar. 33

Genetik 7 0 1

B i R A M i N OA S i T N E D I R K i ? Aminoasitler molekü llerd i r. Onları "Atomlar ve Moleküller" adlı bölümde görmüş olduğ umuz g ibi şekerlemelerden ol uşan model kitin izle i nşa edebilirsiniz. Her a m inaasitte bi rkaç hidrojenin bağl ı oldu ğ u bir azot atomu vardır; bu amino gru budu r. Molekülün diğer ucunda iki oksijen ve bir hidrojeni olan bir karbon, açık seçik bir asit grubu vardır. Ortada da üzerinde dört fa rklı şey olan bir merkez karbon vardır (karbonun dört bağ yaptığını hatı rladınız m ı?): •

Amino g rubu

•

Asit g rubu

•

Bir hidrojen

•

"R" g rubu adlı bir joker böl ü m Yirmi adet farkl ı "R" g ru bu, yan i yirmi farklı aminoasit mevcuttur. Ami noasitlerin hepsinin farklı özellikleri vard ı r. Bazı ları hidro­

fı likken, yani suya yakın olmayı severken diğerleri hidrofobiktir, yani yağsı moleküller bulunan ancak pek fazla su bu l unmayan hücre za rı içerisinde kümeler oluşturmayı tercih ederler. Bazı ami­ noasitlerin pozitif yükü vardı r ve negatif yükü olan aminoasitlerle etkileşirler. Bazı aminoasitler her yere sığabilecek kadar küçü kken diğerlerinin hantal R g ru pları vard ı r. Çılgınca farklı olan bu özel l i kler yüzünden bir dizi aminoasitten bir iplik yaparsanız, pozitifler ve negatifler bir a raya gelene, büyük gruplar kendilerine hareket yeri açana ve hid rofobik g ruplar dışar­ daki tü m su molekül lerinden saklanmak için bir arada büzüşene kadar kıvrıl ı p dönmeye başlarla r. N ihai sonuç bir katlanmış prote­ indir ve katlandıktan sonraki şekil, aminoasit d izisine ve birbirle­ riyle nasıl etkileştikleri ne bağl ı d ı r. Bir proteinin işlevi protei nin şekl ine bağ lı olduğundan ve şekil de diziye bağ l ı olduğundan ötürü, protein dizisi için var olan tali­ matlar, proteinin nihai olara k nasıl bir iş yapacağını belirler. 34

KALITOKUMA VE PROTEiNLER Pişirme Zamanı

Kalıtyazımdan sağ çıktık ve elim izde artık bir protei n inşa etmek için temizce düzenlenmiş talimatlarıyla bir m RN A'mız var. Bundan sonra m RNA'nın bir ribozom bulması gerekir. R i bezornların her biri devasa bir protei n ve DNA bileşi midir. Evet, RNA'yı okuyan fa brikanın kendisi de yüzde 60 RNA'dan mey­ dana gelmektedi r. R ibozomun iki ana kısmı bulunmaktad ı r. Bir tanesi diğerinden daha büyüktür ve birlikteyken daha küçük düz parça altta, daha büyük kubbemsi parça üstte olacak şekilde bir hamburger ekme­ ğine benzerler. (Aslında ekmekten çok daha uzundurlar, bir kilo­ metre uzunluğu nda bir sosisli sandviç hayal edin.) m RNA sitoplazmaya çıktığında her türlü molekülle çarpışı r. N ihayetinde bunlardan bi ri, ribozomun küçü k bir parçası olacak­ tır. m RN A'nın başladığı yerdeki belirli bir noktaya ya pışmak için m ü ke mmel şekildedir. Bir defa yapıştığında büyük olan parça da g ruba katılır ve protein yapmak için gerekli olan makine bir araya gelmiş olur. Ancak başka malzemelere de ihtiyacı m ız vard ı r. Proteinler ami­ noasitlerden meydana gelir, bu yüzden onlara da ihtiyacımız va r. Ayrıca tarif için hangi aminoasitlerin gerektiğ ini de bir şekilde öğ­ ren m e m iz gerekir.

t R N A V E KODO N LA R Artık sadece mRNA'da ki harflerin ribozom a hangi aminoasitleri art a rda dizeceğini söylediğini anlamamız gerekiyor. RNA'da sadece dört baz (A, U, G ve C) olduğundan ve yirmi fa rklı a m inoasit olduğundan ötürü her bir a m i noasit için üç baz 35

Genetik 1 0 1

gereklidir. Ü ç bazlık d iziler, RNA d i linden protein diline tercüme yapabilmemiz için gerekli olan birer "kod" parçası olduklarından, kodon olarak adlandırılırlar. Olası altmış dört kodon mevcuttur ve bunlardan altmış biri bel li bir a m inoasidi kodlar. Kalan üçü, ri bozo­ ma işin bittiğini söyleyen durdurma kodonudur. Bu ami noasitlerin hücrede h ü r bir şekilde dolandığını hatıriı­ yar musunuz? Proteinlerin yapısına dahil olmaya hazı r olanlarda aslında başka şeyler olup bitmektedir. Birer tRNA'ya bağlanmışlar­ dır. ("t" transfer anlamına gelir çünkü inşa halindeki protein ami­ noasitleri taşır, yani tra nsfer ederler.) tRNA, tahmin edebileceği n iz üzere bir RNA parçasıd ı r. Bir ucu­ na bir a m i noasit bağlıdır. RNA molekül leri kolayca kendi üzerlerine katlana bildiklerinden, bir tR NA aslında "T" harfine benzeyen kıvrık bir şekle sahiptir. RNA dizisinin bir parçasında, tRNA üzerindeki diğer herhangi bir baza bağl ı ol mayan üç baz bulunmaktadı r. Bu üç baz, tRNA'nın denk gelebileceği diğer herhangi bir DNA veya RNA dizisiyle bağ yapabilir ve uzun güzel mRNA dizisine toslamak zorundadı r.

P R OT E i N i N Ş A S Ü R E C i Ribozomun hamburger ekmekleri mRNA'nın başlangıç noktasına bir defa bağlandığı nda, bir tRNA'nın bağlanabilmesi için ilk üç baz hazır hale gelir. tRNA, mRNA üzeri ndeki rasgele bir yere değil de ilk kodona bağlanır; çünkü ribozom bu parçanın yapışabilmesi için özel bir bağlanma yerine sah ipti r. Yen i tRNA, ribozomdaki boşluğa yerleşir ve mRNA'nı n ilk kodonu ile eşleşir. Bu noktadan son ra ribozom bir defada üç baz olmak üzere mRNA boyunca adım adım i lerler. Ri bozom her adım attığında, gereken bir sonraki tRNA bağ lanma yerini alır. Ribozom yeni arni­ noasidi önceki lere ekler ve zamanla devasa ve g iderek büyüyen 36

Kalıtokuma ve Proteinler

bir zincirimiz olur. tRNA işini tamamladığında ve artık protein i l e bir bağı kalmadığında ayrıl ı p serbestçe dolaşmaya devam eder. (Başka bir aminoasidi alıp işini tekrar baştan yapmaya bile başla­ yabilir.) R ibozom mRNA'nın öteki ucuna vard ı ğ ı nda tam bir protei n ü retil m iştir. Katlanarak ihtiyaç d uyulan yere nakledilebilir; belki hücrenin başka bir kısmına veya bel ki de h ücreyi terk etmesi için paketlenebilir de.

Her Gen Bir Protein Yapmaz Şu ana kadar genlerden protein tarifleri olarak bahsettik; ancak bazı genler, proteine hiç dönüşmeyen RNA'lar yaparlar. Bu RNA'ların farklı türleri vardır ve şimdiden iki tanesini gördük bile: tRNA'lar ve ribozomun bileşeni olan RNA'lar.

N E D E N m R N A' YA i H T i YAC l M l Z VA R K i ? •

Bir genin pek çok kopyasını yapabilir ve ayn ı anda hepsinin üzerinde çal ışabil i rsiniz.

•

R N A zamanla parçalanacaktır ve artık ortada olmadığında, protein de üretilmeyecektir. Bu protein sentezin i kapatmanın otomatik bir yoludur. (Eğer proteini yap maya devam etmek is­ tiyorsanız, kalıtyazıma devam etmeniz gereklidir.)

•

H ücre kal ıtyazım ı açıp kapatarak ne kadar protein yapılacağı n ı kontrol edebilir. Bu şekilde protein üreten makinenin, proteini n e za man yapacağı konusunda endişelenmesi gerekmez.

•

Bahsi geçen ribozom çalışı rken muhtemelen başka ribozomlar da çalışmaktadır ve aynı m RNA kalıtyazınından kendi protein­ lerini yapmaktadırlar.

37

GENLERi AÇlP KAPATMAK Bir Anahtarı Çevirmekten Daha Zordur

Vücudum uz, genleri m izin her birinin ne zaman ifade edileceğini, hatta ifade edilip edilmeyeceği n i bilmek zorundadır. Nihayetinde beyin h ücrelerimizi kas l ifleriyle veya deri h ücreleri mizi sindirim enzimleriyle doldurmayız. Her bir genin ifade edil mesi için bir za­ man ve bir yer vardır.

Gen ifadesi Bir gen açıldığında, bilim insanları buna "ifade ediliyor" derler. Yani hangi genlerin bir deri kanseri hücresinde ifade edildiği ve normal deri hücresinde ifade edilmediğini bulmak için deneyler yapıyor olabilirler. Veya akıllarında belirli bir gen olabilir ve ne tür hücre­ lerin bu geni ifade ettiğini görmek için deneyler yapıyor olabilirler. Gen ifadesi çalışmaları, genellikle bir hücrenin etrafında dolanan mRNA'lara bakar çünkü bir gen mRNA olarak kalıtyazılıyorsa, ifa­ de ediliyor olduğuna emin olabiliriz.

K R O M O Z O M L A R I PA K E T L E M E K V E A Ç M A K Bir genin kalıtyazılması için (bkz. "Kal ıtyazım ve RNA" adlı bölüm) mRNA ya pan RNA poli meraz, DNA'ya genin veya tarifin başladı­ ğı yerden bağlanmak zorundadı r. Bu her zaman kolay bir görev değildir çünkü DNA'm ızın büyük bir kısmı oldulça yoğ unlaşmıştır. DNA yoğunlaştığı nda h iston proteinleri etrafı na sarılır ve daha sonra kendi üzerine dolan ı r. Şen l i k süslerinden ol uşan şeritleri ma­ ka ralara sard ığın ızı, daha sonra bu makaraları bir kutuya koydu­ ğu nuzu, daha da sonra kutuyu çatı katına, diğer kutuların yanına kaldırdığınızı hayal edin. Bu süsleri tekrar kullan mak istediğinizde tüm paketi geri açman ız gereklidir. 38

Genleri Açıp Kapatmak Kromozomları mızın, yan i DNA iplikleri nin h ücrenin ihtiyaçları­ na göre bazı kısımları paket halinde bazı kıs ı mları da daha erişilebi­ lirdir. Bir böl ümü geri açmanız gerektiğinde aktivatör adlı özel pro­ teinler kromatini açarlar. Daha sonra represörler geri katlayabilirler. DNA'nın üzerinde sarı ldığı makaralar olan histon proteinleri de bir genin kalıtyazıl ı p yazılmayacağını kontrol edebil irler. Eğer his­ ton lara belirli bir bölgede bel irli bir kimyasal grup bağlanmışsa, DNA'n ın bu bölgesindeki genin kal ıtyazı l m a olasıl ığı artar. Farklı bir g rupla da gen baskılanır.

K A L I T YA Z I M I KO N T R O L E T M E K DNA'n ın ihtiyacı m ız olan bölgesi bir defa açı ldıktan son ra, kalıtya­ zıma başlamak için doğru proteinleri gene g etirmemiz gereklidir. B u n ların en önemlisi RNA polimerazdır ve nereden başlayacağ ına ka ra r vermek için kalıtın başlangıç noktasında promotör adlı bir baz d izisi arar. Ama RNA poli meraz tek başına çalışmaz. Ya rdı m edecek ta m bir protein ekibine ihtiy·aç d uyar. Bu protei nlerin bazılarına ka­

lıtyazım faktörleri adı verilir. Bir tanesi, RNA'nın doğru bölgeyi bulmasına yard ı m etmek için DNA'ya bağ lanır. Diğerleri ise, ka­ lıtyazım gerçekleşirken DNA'nın açı lmasına yard ı mcı olur. Ve ka­ lıtyazmak istediğim iz genin tam önündeki promotör dizisine ila­ veten DNA'n ın farklı bir bölgesinde güçlendirici adlı bir şey de va rdı r. Eğer güçlendirici açılmış ve müsaitse, proteinler kalıtyazı m bileşiğinin yanı sıra g üçlendiriciye de bağla n ırlar.

Bir Protein DNA'ya Nasd Bağlanır? Kalıtları açıp kapatmanın pek çok yolu, proteinlerin DNA'ya bağ­ lanmasını gerektirir. Genellikle DNA ipliklerinin birbirlerine bağ­ lanması ile aynı şekilde bağlanırlar. Bir baz çifti, bir taraftaki nega­ tif yükün diğer taraftaki pozitif yükle etkileştiği iki ila üç hidrojen 39

Genetik 7 0 7

bağına sahip olacaktır. DNA'ya bağlanan proteinlerde, DNA dizi­ sinin belirli bölgeleri ile hidrojen bağları yapabileceği on ila yirmi bölge vardır.

Bu proteinlerin bazıları işleri n i ancak kendileri de açıldı klarında yapabilirler. Örneğin bel i rl i genleri n kalıtyazı l masına yard ı m eden bir protein, aynı zamanda bir steroid hormenu için bir almaçtır. Bu hormon kan dolaşımındayken hücrelerden birine girebilir. Bu hormonu n al macı da DNA'nın belirli bir yerine bağlanır. Bunun an­ lamı, hormonun hücreye belirli kalıtları ifade etmeye başlamasını anlatan bir sinyal olarak iş görmesidir!

m R N A'd a D Ü Z E N L E N M E V E U Ç B I R L E Ş T I R M E Kalıt bir defa kalıtyazıldıktan ve m RNA yapıldıktan sonra dahi, hücrenin bundan son ra olup bitenleri kontrol edebilmek için ya­ pabileceği pek çok şey vard ı r. mRNA'nı n çekirdeği terk etmeden önce uçbirleştirmeden geç­ tiğini hatı rlıyorsunuz. B u n u n anlamı hücre içerisindeki makinenin, intren adlı gereksiz kısı m ları kesip atarak kalan parçalar olan ek­ zonları birleştirmesidir. Aynı gen, fa rklı protei nler yapabilmek için birden fazla yolla birleştirilebilir. Örneği n tiraitteki hücreler, dört ekzonu birleştirerek kalsitenin adlı bir hormon yapa rlar. Ancak beyin yakınları ndaki hipotala­ mustaki h ücreler, tama men aynı geni kullanara k farklı bir protein yaparlar. i l k üç ekzon, kal siton inin ilk üç ekzon u ile aynıdır, ancak dördüncü ekzonu atlar ve kalsitenin kalltının dışarı attığı pek çok diğer kısmı keser. Nihai ürün sıkıcı ancak açıklayıcı olarak "kalsito­ nin gen i l işkili peptid" anlamına gelen KG iP şekl inde adlandırılır. mRNA daha küçük şekillerde de düzenlenebilir. Örneğin kara­ ciğer, kolesterolün vücutta taşı nmasına yard ı m eden Apo B-1 00 adlı bir protein yapar. 4563 ami noasit uzunluğundadır. Ancak ba40

Genleri Açıp Kapatmak

ğ ı rsaklardaki hücrelerin Apo B-1 00 yapmala rı gerekmez. Bunun yerine kahtın sadece i l k yarısını gerektiren APO B-48 adlı bir prote­ in kullanırlar. Kal ıt bağırsakta kalıtyazıldıktan sonra özel bir enzim gelir ve küçük bir ayar çeker: m RNA'nın ortasındaki bir sitozini bir urasile çevirir. Bunun sonucu, normalde bir a m inoasit anlamına gelen bir kodonun artık bir durdurma kodonu haline gelmesidir. Bu ayardan son ra, kalıtyazı proteine çevrild iğinde ribozom tal i­ matların ortasındaki durd urma kodonunu bulacak ve işi bıraka­ caktır. Sonuç, bağı rsak hücreleri için tamamen m ü kemmel olan yarı büyüklüğünde bir proteindir.

41

MUTASYONLAR Aramızda ki Küçük Farklılıklar

DNA'nız başka kimsen inkine benzemez. Anneniz ve babanızın bir karışımı ol manızı bir kenara b ı ra kalım, anneniz ve babanız birbir­ lerinden nasıl bu kadar farklı olabildi ki? Ni hayetinde geçmişe ba­ karsanız tüm insanlar olara k aynı atayı paylaşıyoruz. Buradaki cevap mutasyondur. Mutasyon kulağa korkutucu gelebilir ancak aslında sadece değişim anlamına gelen başka bir sözcüktür. Muhtemelen DNA'nızda ebeveyn inizin DNA'sıyla eşieş­ meyen en az birkaç yer vardır; yeni bir mutasyon, tamamen size ait, belki sadece bir h ücreyken yaptınız. Veya bel ki de ebeveyni­ nizden biri daha son ra size dönüşecek olan sperm veya yumurtayı yaparken meydana geldi. Bu küçük değişikliklerin çoğu zararsızdır. Birkaç tanesi yararlı olabilir. Ama ne yazık ki bazı m utasyonlar hayatı zorlaştı rabilen has­ talıklara veya sakatlıklara yol açabilir. Bazıları ölümcül dahi olabilir.

T E K N Ü K L E OT i D D Ö N Ü Ş Ü M L E R I Eğer DNA'nızı herha ngi bir -hatta tamamen bir yabancı bile ola­ bilir- insa n ınkiyle karşılaştırırsan ız çoğunun benzer, hatta özdeş old uğunu göreceksiniz. i nsa nların neredeyse tamamı, üzerlerinde aynı sayıda genlerle aynı sayıda kromozom taşır. Ancak DNA'nızı başkasının kiyle harf harf karşılaştırırsanız, genlerden biri nin sade­ ce tek bir harf (veya baz) farklı olduğu pek çok yer bulursunuz. Bunlara tek nükleotid varyantiarı veya SNV adı veril i r. (Bazen SNP, yan i tek nükleotid pol imorfizmleri olarak da ad landı rı ldıkla­ rını d uya bilirsiniz. Araları ndaki fark, SNP bir popülasyon içerisin­ de, insanların en az yüzde 1 'i nde görülürken SNV terimi çok nad ir olan veya frekansını bilmed i ğ i m iz bir varyasyon u ifade etmenin doğru biçim idir.) 42

Mutasyonlar

Bazı SNV'Ier bir genin nasıl çalışacağı konusunda büyük fark yaratabilir, hatta kalıtyazıl ı p yazılmayacağına veya kalıtokunup oku nmayacağına etki edebi lir. Mesela bir S NV, işini görebilen bir proteindeki aminoasitlerden birini değiştirerek proteini işini yapa­ maz hale getirebilir. Hatta bir aminoasit kodonunu bir durma ko­ donuna dönüştürebilir ve protein tamamlanamaz bile. Öte yandan pek çok SNV, fazla hasar veremeyecekleri yerlerde meydana gelir. Eğer biri annen izden ve öteki babanızdan gelen iki DNA kop­ ya nızı karşılaştı rırsanız, ikisi arasında farklı olan pek çok SNV bulur­ sunuz. Ancak babanızdan gelenler, m u htemelen onun da kendi ebeveynlerinden aldı klarıdır. Her bir nesilde ton larca değil, sadece bir avuç yeni mutasyon üretiriz. Tamamen yabancı biriyle aran ızda farklı olan SNV'Ierin çoğu, ailelerinizden m i ras kalmıştır. Eğer "23andMe" gibi genotipleme servisleri ile DNA'nızı analiz etti rirseniz, DNA'nızın veritaba niarındaki binlerce SNV'nin hangi versiyonlarını taşıdığı test edilir. (Bu servislere kitapta daha sonra tekrar döneceğiz.)

EKLEME VE S i Li N M E L E R M utasyonların tek nükleotid değişikli kleri olması gerekli değildir. Asl ında bazı mutasyonlar DNA ipliğini biraz daha uzun veya kısa ya pabili rler. Eğer DNA'nın bir kısmı eksikse buna silinme adını veririz. Si­ linme sadece tek bir nükleotid uzunluğunda olabilir, bu durumda sadece bir harf eksiktir. Veya bir genin yarısından ya da tamamın­ dan sizi mahrum bıra kacak kadar koca man olabilir, hatta pek çok geni içeren bir DNA parçası bile eksik ola bilir. Eğer silinme yeteri kadar büyükse ölümcül olabilir. Bazı genler o kadar önemlidir ki onlar ol madan yapamayız. B u n u n tersi, mutasyonun belirli bir noktada öncekinden daha fazla DNA'ya sah i p olmam ıza sebep olan eklemedir. Ekiemelerin yaygı n bir kaynağı, kendi DNA'larını kaçak yolcular g ibi bizim ki43

Genetik 1 0 1

lere ekleyen virüslerd i r. DNA'nı n kullanmad ığı m ız b i r parçasında (mesela bir intronun ortasında) meydana gelirlerse oldukça zarar­ sıziard ı r. Ancak yeni DNA kullanışlı bir gen in ortasına veya DNA'nı n kal ıtyazım ı n başlatı l masına yard ımcı olan özel alanlarına eklenirse geni bozup kul lan ışsız hale getirebilir.

Ç E R Ç E V E K AY M A S I M U TA S YO N L A R I Kodonlar üç baz uzu n l uğ u nda oldukları ve bi rbirlerini izledikleri için, bir ekleme veya silinme sert bir değişikliğe sebep olabilir: Çer­ çeve kayma sı, her bir kodonun başlama noktasının yanlış yere gel­ mesid i r. Bir dizi metioni n kodonu olan bir protei n hayal edin: AUG AUG AUG AUG AUG. Bir harfi, ikinci U'yu silerseniz elinizde şu kal ı r: AUG AGA UGA UGA UGA UG. Bu, bir metionin (AUG), bir arjinin (AGA) verir ve bir son raki kodon (UGA) ribozoma işi bırakmasını söyleyen bir d urma kodonudur. Bu keskin sonuç, sadece tek bir harf değişikliğinden kaynakla n ı r.

T R A N S LO K A S YO N Translokasyon, silinme ve eklemenin aynı anda meydana gelmesi gibidir: Bir parça DNA olağan yerinden ayrıl ı r ve başka bir yerde ortaya çıkar. Hala ayn ı genlere sah i p olursu nuz ve eğer şanslıysa­ nız sil i n me ve ekleme önemli hiçbir şeyi bozmamıştır. Öte yandan çocu klarınıza silinen parçayı içeren kromozomu aktarır ama ekle­ nen parçayı aktarmazsanız, önemli bir parçadan mahrum kalabi­ li rler. Neyse ki translokasyonlar nadirdir.

M U TA S YO N L A R G E N R E G Ü L A S YO N U N U DEGiŞTi REB i Li RLER Mutasyonlar her zaman genlerin protein kod layan parçalarını et­ kilemezler. Bazen de, bir önceki böl ümde öğren miş olduğumuz 44

Mutasyonlar

şeylere; hangi genlerin açı lacağını ve hangi proteinlerin veya RNA'Iarın ifade edileceğ ini düzenleyen pek çok zekice yola müda­ hale ederler. Örnek olarak, RNA poli merazın bir genin başlangıcında pro­ motör adlı beli rli bir baz d izisini nasıl aradığını hatırladınız mı? Bu promotörun bir kısm ı, bakterilerde genellikle TAATIA dizisine sah i p olduğu için "TATA kutusu" olarak bilinir. Bu dizinin hepsi de iş gören birden fazla çeşidi vardır ancak bazıları RNA polimerazı çağı r mada ve yapışmasına yardımcı olmada daha iyidir. Eğer belirli bir genin başlangıcında TATA kutusunda bir mutas­ yona sahipseniz, RNA poli merazın bağlanma i htimali azalır. Belki DNA'yı bulacaktır ancak kalıtyazım faktör kompleksinin bir araya gel mesine izin verecek kadar uzun dayanamaz. Eğer mutasyon küçükse, RNA pol imeraz büyük ihtimalle bazen bağ lanacak, ancak çoğu zaman bağ lanamayacaktır. Bunun a n lamı, bahsi geçen ge­ nin hala kalıtyazılacağı, ancak pek çok kopya ya pılamayacağıdır. Aynı TATA kutusu nda m utasyonlar olabileceği g ibi, promotö­ ru n d iğer parçalarında veya uzaklardaki pekiştirici d izilerinde de m utasyonlar ola bilir. RNA polimeraz veya ribezornun kendisinde bile m utasyonlar olabilir. Veya belirli bir gen için kapatma düğme­ si olarak iş görebilecek bir engelleyici RNA üzerinde bir mutasyon olabi lir. Bunun anlamı mutasyonun daha fazla protein (veya başka gen ürünlerinin) üretil mesine yol açacağıdır. Bunlar g ibi mutas­ yonlar etkilenen genlerin dizilerini değiştirmeyebilir a ncak genel­ l ikle genin nasıl kal ıtyazılacağını etkilerler.

45

RNA NE YAPABILIR Pek Çok I nce Iş

DNA sahne ışıklarının büyük kısmını kendine toplayabilir ancak derme çatma kuzeni RNA da olağanüstü ve yeteri kadar takdir görmeyen pek çok iş yapabilir. DNA'nı n genel likle yal nızca bilgi depoladığını, bu esnada tüm eğlenceli işlerin proteinlere kaldığını düşünebili rsiniz. (Mesela protei n enzimler molekülleri birbirlerine yapıştırabilir veya birbir­ lerinden ayırabilir.) Öyle gözüküyor ki RNA bir taşla iki kuş vurabi­ lir: Enzim RNA'Iar ve bilgi taşıyan RNA'Iar mevcuttur.

Bir RNA Dünyası Dünya üzerindeki hayatın genç ve yeni olduğunu zamanlarda var olan büyük biyolojik moleküllerin RNA'lar olduğunu söyleyen bir kurarn bile vardır. Eğer bu doğruysa DNA'lar ve proteinler partiye sonradan katılmıştır ve sadece işlerinde çok başarılı uzmanlar ol­ dukları için kalabilmişlerdir. Ancak başlangıçta her şeyi RNA yap­ maktaydı.

Aşağıda RNA'nın, m RN A olarak mesajlar taşımanın ya nı sıra hangi işleri görebildiği sıralanmıştır.

P R OT E I N L E R I K A L I T YA Z M A K Bir protein için gerekli olan talimatların bir mRNA (mesajcı RNA) ola­ rak kalıtyazıldığını ve daha son ra ribozomun bu talimatları protein olarak kal ıtokuduğunu görmüştük. Peki, ribezornun yapısı nedir? Eğer cevabınız proteinlerse bu sadece yarı yarıya doğrudur. Ri­ bozomlar protein ve RNA'n ı n bir karışımıdır. i nsan ri bozomlarının 46

RNA Ne Yapabilir

her biri yaklaşık 6880 RNA n ükleotidi (ri bozomal RNA anlamına gelen rRNA olarak adland ırı l ı r) ve yetmiş dokuz fa rklı protein içerir. (Her bir protein pek çok aminoasitten meydana gelir, ya ni protein toplamda yaklaşık yüzde 60 RNA'd ır.) Bu esnada transfer RNA (tRNA) molekül leri, amionasitleri bü­ yü mekte olan proteine taşır. A'lar, U'lar, G'ler ve C'lerden oluşan genetik kodu proteine kal ıtokumadan bunlar sorumludurlar. Ken­ d i leri de RNA'dan oluştukları ve uygun kodondaki üçl üyle eşieşe­ bilecek üç bazları olduğundan bunu başa rabili rler.

( Ö K A RYOT L A R D A ) U Ç B I R L E Ş T i R M E Bir gen kalıtyazı ldıktan sonra otomatik olara k bir mRNA halini al­ maz. Önce işlenmesi gerekir ve bu işin büyü k kısmı küçük nükleer (hücrenin çekirdeğinde bulunan) RNA'Iar tarafından yapı lır. Bu sn­ RNA'Iar (küçük nükleer RNA'Iar) küçük n ü kleer ribonükleoprotein­ leri ya pmak için protein lere katıl ır: snRNP'Ier. Bu RNA/protei n hibritleri, pre-mRNA kalıtyazı n ı na katılarak spliceozom adlı bir kompleks ol uştu ru r. s n RN P'ni n RNA kısmı her bir i ntronun başlangıç ve bitiş dizilerini tan ı r, bu bir proteinin tek başına yapamayacağı bir iştir. snRN P'nin bi leşenleri, hep birl ikte nereyi kesmeleri gerektiğini tanımlar, daha sonra ka lan böl ümleri bağlar veya uçbirleştirir.

RNA iNTERFERANSI (RNAi) RNA i nterferansı, genleri ifade edildikleri za manlarda dahi sustur­ manın bir yol udur. Bu muhtemelen virüslerden korunmanın bir yol u olarak ortaya çıkmıştır. Ökaryotların çoğunda Dicer (Keser) adlı bir enzim vard ır. Gö­ revi çift i plikli RNA'Iarı bulup küçük parçalara ayırmaktır. Yani bir gen i susturmak için ihtiyacı n ız olan tek şey, susturmak istediğiniz 47

Genetik 7 0 7

mRNA'yı tümleyen t e k bir RNA ipliğidir. B u RNA'ya "küçük engel­ leyen RNA" anlamına gelen siRNA adı verilebili r; m ikro RNA, yani

miRNA adlı başka bir tür de mevcuttur. Her iki d u ru mda da hedef mRNA'ya bağlanarak Keser'in parçalara ayı rması için iki iplikli bir molekül yaratır. Ama işimiz henüz sona ermedi. Eğer bir gen ifade ediliyorsa ortada sadece tek bir mRNA değil, binlereesi dolanıyor olacaktır. Özelleşmiş bir protein, bu küçük parçalardan birine tutunur ve iki ipliği ayırır. Bu tek iplikli RNA parçası ve bağlı bulunduğu proteine RISC adı verili r: RNA indü kleyen susturma kom pleksi. RNA bi leşeni bağlanacağı yen i bir mRNA ararken protein orta­ da kalır. Eğer RISC bir m RNA'ya bağlandıysa, mRNA yakın zaman­ da kal ıtyazı lmayacaktı r. Susturma tamamlan m ı ştır.

V i RA L G E N OMLAR RNA'n ın her zaman bir ta kım oyuncusu olması gerekmez. Bazı vi­ rüsler RNA'ya o kadar ada n mışla rdır ki genemiarı nda hiç DNA taşı­ mazlar. Kızamık, influenza ve çocuk felci virüsleri, RNA virüslerine birer örnektir. Bazı RNA virüsleri, RNA'da n okuyarak DNA ü retebilen revers

transkriptaz adlı bir protein kod larlar. Bu, hücreleri mizin genel­ likle yaptığının tam tersi olduğundan (DNA'dan kalıtyazar ve RNA kopya lan üretiriz) bu virüslere retrovirüs adı verilir. H IV, yani insan immünyetmezlik virüsü, en meşhur retrovirüslerdendir. Virüs kendi genomunu DNA olarak kopyalamak için revers transkri ptazı kullandı ktan sonra, bir sonraki adım genellikle bu DNA'nı n konak genomun içine eklen mesi olacaktır. Bundan sonra sonsuza kadar bu virüsü taşırsınız.

48

KROMOZOMLAR VE HÜCRELER DNA'yı Oradan Oraya Nasıl Taşırız?

Sonraki birkaç bölümde h ücrelerimiz böl ü n ü rken ve büyürken DNA'ya neler olduğuna ve iki hücrenin DNA'larının nasıl bir araya gelerek bir bebeğin temellerini attığına bakacağız. Her bir kromozom çok ama çok uzun bir DNA molekülüdür. Yirm i üç kromozoma bölü nmüş üç milyar baz çiftine sahip oldu­ ğ u muzdan, bu kromozomlardan her biri ortalama 4 cm uzu n l u­ ğ u ndadır. Bu kocaman bir moleküldür. "Tüm Bu DNA H ücrelere Nasıl Sığıyor?" adlı bölümde öğrenmiş olduğ unuz gibi, bu DNA ipliği histon adlı proteinlerin etrafına do­ la nmıştır. Daha sonra bu DNA/histon bileşimi kıvrı labilir ve kıvrıl­ mış fiber kendi üzerine biraz daha katlana bilir. DNA'nız çoğunlukla kıvrılmış ve kıvrı lmamış parçaların bir karışı mıdır. Ancak hücrenin bölünme zamanı geldiğinde, DNA'nın her parçası olabilecek en sıkı şekilde toplanır. Oluşan kromozomlar daha kısadır -dört san­ tim uzunluğunda değil, mikroskobiktirler- ve mikroskop altında kolayca görülebilecek kadar kalındırlar. En yoğun şekliyle paketlenmiş olan bir DNA molekü lü için

kromozom sözcüğ ünü ku llanırız. (Bilim i nsan ları bazen paket­ lenmemiş versiyonun da bir kromozom o l u p olmadığı hakkında ta rtışmaya girerler. Bu tartışmada taraf tutmak zorunda değil iz.) Paketlenmiş her bir insan kromozomunun bazı özellikleri vardı r: •

Telomerler: Bir kromozomun her iki ucundaki DNA h içbir pro­ tein kod lamaz. Bunu yerine TIAGGG g i bi tekrarlayan bir diziyi üst üste heceler. Bu tekrarlar, önem li bir şeyi kaybetmek için end işelenmememizi sağlayan tampon bölgeler g ibidir. Özel­ leşmiş bir grup protein ve RNA telemerleri çevreler ve korun­ malarına yard ı mcı olu rlar. 49

Genetik 1 0 1

•

Sentromer: Kromozom u n merkezinin kendine özgü bir dizisi, sentromeri vard ı r. i nsanlard a tekrarlanan bölge GGAAT şeklin­ ded i r. Sentromer, isminin d e belirttiği gibi kromozomun tam ortasında da ola bilir ancak bazı kromozomlarda bir uca diğe­ rinden daha yakındır. Sentromerin, hücre bölü nmesinde daha sonra öğreneceği m iz önemli bir rolü vardır.

•

Iki kol: Kromozomun sentromerin üzerinde ve altında kalan kısımlarına kollar denir. Kromozomlarda ü st ve alt olmadığı için, bilim insanları kromozom lar hakkında hep aynı şekilde kon uştuğumuzdan emin olmak için bir yol gel iştirmişlerdir. Kromozomlara kısa kol yukarıda ve uzun kol aşağıda kalacak şekilde bakarız. Kısa kola "p" deriz; evet, sadece "p" harfi. Uzun kola ise "q" den ilir. Bu harfler her zaman küçü k harfi e yazılır.

•

Bir bant yapma motifi: B i l i m insanları nın h ücreleri nasıl bo­ yad ığını ve DNA'nı n boyayı nasıl aldığını hatırladınız mı? Öyle gözüküyor ki, DNA'nı n her kısmı boyayı eşit derecede tutmaz. Kromozomun bazı parçaları d iğerlerinden daha çok boya emer. Bunun anlamı m ikroskop altında bakı ldığında çizgi çizgi gözükmesidir; çizg i ler de DNA'n ın sıkı paketlendiği (karanlık çizgi ler) ve daha gevşek pa ketlendiği (daha açık renkli çizgi­ ler) yerlere işaret etmektedi r. Bu motif hücreden hücreye tu­ tarlıdır, yani bilim i nsanları hangi kromozomda, hangi kolda (p veya q) ve hangi boyanmış bantta olduğuna bakarak DNA'nın bel irli bölgelerin i isimlendi rebi lirler; örneği n 7q3'teki bir gen, yedinci kromozom u n uzun kol u n u n merkezden üçüncü ban­ dındad ır.

K A Ç K R O M O ZO M ? Biz insanların, her bir ebeveynden yirmi üç tane olmak üzere top­ lam kırk altı kromozom u vard ı r. Onları görmenin en dolaysız yolu, mükemmel bir şekilde pa ketlenmiş kromozomların görülebilir so

Kromozomlar ve Hücreler

old u ğ u zamanda (bölünme sürecinin ta m ortasında) hücreyi aç­ maktır. Karyotip adlı bu teknik 1 950'1erde icat edildiğinde, bilim insa n ları bir fotoğraf çekip kromozomları makasla keserlerdi. Tü m bu kromozomları birbirlerinden nasıl ayırt edersiniz? Kolay. Boyla­ rına göre sıraya dizersiniz. En büyük kromozom 1 nu maralı kromozomdur, bir sonraki 2 n u m a radır ve böylece 22 n u maralı kromozoma kadar gider. Bazı kromozomlar aynı uzunlukta g ibi gözü kürler, aslında mükemmel bir şekilde sıralanmamışlard ı r. Ancak kromozomlar numaraları n ı çoktan almış durumdalar v e isimleri üzerlerine ya pıştı.

Neyin En Çok Kromozomu Vardır? Sıçrayan karıncanın sadece tek bir çift kromozomu vardır ve bu sa­ dece dişiler için geçerlidir; bu türün erkekleri haploittir ve sadece tek bir yalnız kromozoma sahiptir. Diğer yaratıklar içerisinde mey­ ve sineklerinin dört çift ve domateslerin on iki çift kromozomu vardır. Denizyıldızının on sekiz çift. Yunusların yirmi iki çift kro­ mozomu vardır, neredeyse bizle aynı. Atların otuz iki, tavukların otuz dokuz ve köpekbalıklarının kırk bir çift kromozomu vardır. Karadut yüz elli dört çift kromozom ile hepimizi geçer. Ama birin­ cilik kürsüsü, on altı bin adet çok ama çok küçük kromozomu olan Oxytricha trifallax adlı tek hücreli bir protozoaya aittir.

N u maralandırılmış bu kromozomlara otozornlar adı verilir ve çoğ u m uz bunlardan yirmi iki çift taşırız. ( Down sendromu gibi bazı g enetik hastalıklar farklı sayıda kromozomla rla sonuçlanabi­ l i r.) Yirmi üçüncü çift, ya iki adet X kromozom u (kadı nların çoğ u) veya bir X ve bir Y'dir (erkeklerin çoğ u). Bu çifte, cinsiyet kromo­

zomları adı veri lir. Arada sırada bizi hasta eden tek hücreli ya ratıklar olan bakte­ riler, işlerini biraz daha farklı görürler. Tek bir kromozomları vard ı r ve kollar veya telarnerler yerine sadece dairesel bir D N A döngüsü 51

Genetik 7 0 1

yaparlar. Ayrıca bakteriler arada sırada, rastladıkları diğer bakteri­ lere aktara bilecekleri plazmid adlı ufak DNA halka ları da yapabi­ li rler.

M i T O KO N D R i L E R i N D E K R O M O Z O M L A R I VA R D I R Mitokondrileri hatırladınız m ı ? H ücrelerimizin içerisindeki kalari yakan bu organelierin kendi DNA'ları vard ı r; bunun anlamı her birinin kendi kromozo m u n u n ol masıdır. (Evet, sadece bir tane.) Ilerleyen bölümlerde çekirdekteki yirmi üç çift kromozomun nasıl bölündüğü ve birleştiği hakkında daha çok şey öğreneceğiz. Ama mitokond riler bu kadar karmaşık bir şey yapmazlar. Tıpkı bakteri­ ler gibi tek bir dairesel kromozoma sahiptirler; sadece tüm hücre bölünürken değil, isted ikleri her zaman böl ü nebil irler. Hatta tek bir insan h ücresinde onlarca veya yüzlerce mitokond rilik bir po­ pülasyon va rdır.

52

BAKTERILER VE MIKROBiYOM Mikropların da DNA'sı Vardır

Bakteriler gezegenimizdeki en küçük ve en basit yaşam biçim­ lerinden bazılarını içerir. Her bir bakteri sadece tek bir hücreden oluşur. Bakteri hücreleri, tipik hayvan h ü crelerinden çok daha kü­ çüktür. Hücreleri mizin çoğ unda yüzlerce m itokondrinin olduğ u n u hatırlayın; bakteriler de ya rım mikrondan on mikrona kadar olan bir aralıkta aşağı yukarı bir mitokondri büyüklüğündedir. (Bir mik­ ren, bir metre uzunluğ undaki bir çubuğu bir m ilyon pa rçaya böl­ d ü ğ ü n üzde elde ettiğiniz uzunluktur. Karşılaştırma yapmak için bir i n san teli yaklaşık elli m ikron ka lınlığındadır.)

Antik Tarih Bildiğimiz kadarıyla, bakteriler günümüzde hala hayatta olan en eski yaşam biçimleridir. Yolda bir yerde aile ağaçlarının bir dalı bak­ terilerden o kadar farklılaşmıştır ki artık onları tamamen farklı bir gruba koyuyoruz. Bunlara arke adı verilir. Arke grubundan farklı bir yaratık türü dallanmıştır. Bunlar da ökaryotlardır.

Bakteriler ve arkelere, çekirdekleri olmadığından prokaryotlar denir. Bunun zıttı, tüm hayvanlar, bitkiler ve mantarlarla birlikte insanları da içeren ökaryotlard ı r. Ökaryotun kel i me an lamı "gerçek çeki rdek"tir; çünkü tüm ökaryotlar hücreleri n i, DNA'ya ev sa hipliği ya pan çekirdek adlı bölme de dahil farklı bölmelere ayırırlar. Bu arada bakteriler ve arkeler ise herhangi bir böl ü m ü ol mayan küçü­ cük hücrelerdir ve çekirdekleri de yoktu r.

53

Genetik 7 0 7

DA H A B A S I T K R O M O ZO M L A R Bakteri DNA'sı da bizi mkiyle ayn ı yapıdadı r: adenin, timin, sito­ zin ve guanin nükleotidlerini içeren ikili bir sarmaL Ama bizim DNA'mızdan önemli farkları va rdı r: •

Ökaryotik DNA, histon proteinlerinin etrafı nda dolanmışken prokartot DNA'sı nda histon yoktur. (Bazı arkelerde histon mev­ cuttur.)

•

Bakterilerde bizden çok daha az DNA vard ı r. Üç mi lyar baz çif­ timiz ve yaklaşık yirmi bin geni miz vard ı r. Ama i nsanların sin­ dirim sisteminde yaşayan ve en sık çal ışılan bakteri türleri nden biri olan E. co/i'nin sadece beş m ilyon baz çifti ve yaklaşık beş bin geni vardır.

•

Bakteri DNA'sı bir çember şeklindedir. (Buna karşın insan kro­ mozomları, çember şeklinde ol mayan uzun DNA pa rça larıdır.) Anca k birden fazla kromozomu olan birkaç bakteri de vardır ve bakteri ler, plazmid adlı küçü k DNA parçaları da taşırlar.

•

Pek çok bakteri sadece tek bir kromozom taşır. iki ebeveynleri olmadığı için bizi mkiler g i bi eşlenmiş kromozomları olamaz. Her bir bakteri hücresinin sadece tek bir ebeveyn i mevcuttur.

•

Yen i bakteri ler, bir h ücre böl ü n d üğünde doğarlar. Tek ve yalnız kromozomları ndaki DNA kendini eşler ve yen i iki kromozom kendilerini hücrenin iki zıt ucundaki hücre za rına bağlar. Daha sonra h ücre bölünür ve her birine bir kromozom kalır. iki yeni hücre bi rbirleri ve ebeveynleri ile özdeştir.

P LA Z M i D L E R Bakteriler, ana kromozoma ilaveten plazmid adlı ufak DNA halka­ larına sahip olabili rler. H ücre böl ündüğ ünde, yavru hücreler kendi plazmid kopyalarını alabilsin d iye plazmidler böl ünür. Ama plaz­ midler bundan başka hava l ı şeyler de yapabili rler. 54

Bakteriler ve Mikrobiyom

Bazı plazmidler, bakterilerin sekse benzeyen bir şey yapmalarını sağlayan bir "fertilite faktörü" taşır. Bakteriler eşeyli üremezler ancak başka bir bakteriye bir plazmid verebilirler. Yani esas üreme yön­ tem leri eşeysiz olsa dahi başka bir bireye DNA'larını aktarabilirler. Fertilite fa ktörü, plazmid üzerinde taşınan bir gendir ve bak­ teriye pilus adlı ufak bir t ü p yapma yeteneği verir. Bakteri daha sonra başka bir bakteriyle eşlenmek ve tüp yol u ile bir plazm id akta rmak için bu pilusu kullanır. Eğer fertil ite faktörü içeren bir plazm id aktarırsa, alıcı da pilus yapma ve karşı laştığı diğer bakteri­ lere plazmidleri aktarma becerisini kazanır. Eğer plazmid bakterinin işine yaraya bilecek diğer genleri içe­ riyorsa, plazmidi taşıyan bakteri orta m ında daha yaygın hale gelecektir. Antibiyotik d i renç genleri bazen plazm idler üzerinde bulunur. Bunun anlamı, bazı anti biyotiklere karşı dayanıklı olan bakterilerin, bu özelliği karşılaştıkları ve m u htemelen patojenik (te h l i keli) olan mi kroplara a ktarabi lirmelerid i r. Yani plazmidler kötü haber anlamına gelebi lir. Ama iyi şeyler de yapabi lirler! Bir bakteri içerisinde yaşayan her türlü plazm idi kopyalayacağından, bilim i nsa nları çalışmayı d üşündükleri geni taşıyan bir plazmid yaratabilirler. Bu plazm idi bir bakteriye verir­ ler ve bu ndan sonra bakteri her çoğa ldığında plazmidi de çoğa ltır. Bakteri plazmidi taşıdığından, plazmid üzeri ndeki geni de m u h­ temelen ifade edecektir. Eğer bir proteinden çok fazla miktarda yapmak istiyorsanız, gerekli gen i bir plazmide koya bilir ve bir grup ba kteriye aktarabilirsin iz. Şeker hastası olan insanlar için insül i n bu şekilde yapı lır. insülin hormon olarak iş gören bir proteindir. Bilim insanları insülin içeren insan genini kopyalamış, bir plazmide d i kmiş ve bu plazmidi de bir grup bakteriye verm işlerdir. Bir fa brikada koca man tanklarda büyütülen bu bakteriler, devasa mikta rlarda insülin ü retirler. Şeker hastaları, kan şekerlerini d üzenlemek için i htiyaç duydukları insü­ lini buradan alırlar. ss

Genetik 1 0 1

M i K R O B i YOM Bakteriler dünya üzerinde h e r yerdedirler (evet, Antarktika dahil). Her bir avuç toprakta, okyanus suyunun her bir l itresinde cirit atar­ lar. Midenizi bulandırmak g i bi o l masın ama görebildiğiniz ve do­ kunabildiğiniz her yüzey -bu kitap da dahil- bakterilerle kaplıdır. Deriniz bu ufaklıklardan oluşan görünmez bir katmanla kaplıdır. Ağzınız onla rla doludur ve sindirim sisteminizde, vücudunuzdaki hücre sayısından daha fazla bakteri vardır. (Bakteri hücreleri daha küçüktür; bu sayede bu kadar fazlasını taşıyabiliriz.) Herhangi bir yerde yaşamakta olan bakteri popü lasyonuna o yerin mikrobiyomu adı veril i r. Örneğin sindirim sistemimizde ya­ şayan bakteriler ve diğer mikroskobik canl ı lar, mide biyomu olarak adlandırı l ı r. Pek çok farklı bakteri mevcut olduğundan, sağlıklı mikrobi­ yarnlar genellikle bir ekasistem içerisi nde, her biri diğeri ile etkile­ şim halinde olan pek çok fa rklı tür içerir. Ağaçla rın yaprak yaptığı, böceklerin yaprakları, ku rbağaların böcekleri vs. yediği bir yağmur ormanı hayal edin. Yağm u r orman ları her türlü işi ya pan ve birbir­ lerini fa rklı şekillerde etkileyen zengin bir tür çeşitliliğine sahiptir. Belki hayvanların bazıları birbirleri ile dövüşüyordu r; bel ki bazen iki türü n bi rbirine yard ı m ettiği bir ortak yaşam mevcuttur. Mikrobiyal ekasistemler de böyledir. Bir bakteri tü rü, bir diğeri­ nin besin olarak tüketmeyi sevdiği bir kimyasalı atı k olarak ürete­ bilir mesela. Eğer is hal olursak m i krobiyomumuz rayında n çıkar ve bazı türler baskın hale gelirken diğerleri yok olabi lir. Veya probiyo­ tik bir hap alırsak haptaki "iyi bakteri ler'; içimizdeki kalıcı sa kinlerle onları d üzene sokacak ve içinde yaşadıkları insana daha iyi baka­ cak şekilde etkileşebilirler. (Probiyotiklerdeki bakteriler genellikle çok uzun s ü re yaşamazlar; bu yüzden bir şişede birden fazla hap olur. Eğer onlardan faydalanmak istiyorsanız yutmaya devam et­ mek zorundasınız.) 56

Bakteriler ve Mikrobiyom

D N A' L A R I YO L U Y L A B A KT E R i L E R Ü Z E R i N D E ÇA L l Ş M A K Artık pek çok DNA dizileme tekniğimiz olduğu ndan, m ikrobiyom hakkında daha önce olduğundan çok daha fazla bilgi sah ibiyiz. Eskiden bel irli bir alanda hangi bakteri türlerinin yaşadığını bul­ mak isteyen mi krobiyologların işi çok zord u . N um u n e topla mala­ rı, eğer mide bakterileri üzerinde çalışıyorla rsa bir dışkı numune ­ s i n e b i r kulak tem izleme çubuğu daldırmaları gerekiyordu. Daha sonra bu çubuğu bir Petri kabına sürtmeleri veya bakteri büyüm e orta m ı içeren b i r şişede çalkalamaları gerekiyordu. Bakteri kapta veya ş işede büyü meye başiardı ve bilim i n san ları, ne tür bir bak­ teriye benzediklerini incelemek için di kkatlice çalışmak zorunda kal ı rlardı. Ancak DNA dizileme artık (göreceli olara k) ucuz ve kolay oldu­ ğ u ndan, bilim insanları çubuğu alıp DNA'sını analiz ediyorlar. Her bakterinin aynı bizler gibi ribozomu vard ı r ve bu ribozomun bir parçasına 1 65 rRNA adı verilir. Öyle gözüküyor ki tüm bakterilerde bir 1 65 gen i vardır; ancak bu gen in tam dizisi, bir bakteri türünden d iğerine değişiklik gösterir. Bilim insanları, tek bir çubuktaki bak­ teriden bu geni d izileyebilirler. Bu teknik eski yoldan sadece daha h ızlı olmakla kal maz; aynı zamanda daha ayrı ntılı sonuçlar da verir. Eğer bir Petri kabında bakteri büyütüyorsanız bunların oksijenli ortamda büyüyen bak­ teri ler ol ması gereklidir. Ancak pek çok bakteri oksijen le temas et­ tiğinde ölür. (Sindirim sistemimizde bir hava a kışı olmadığını ha­ tırlayı n; akciğerlerimizle sol u k alıyoruz, kıçım ızia değil!) Dizileme ile her bir bakteri türünün özel bakım ve beslenme gerekliliklerini bilmek zorunda değiliz; yal n ızca diziyi kontrol edip hangi tür ol­ d u klarını öğrenebili riz.

57

Genetik 7 0 7

Mikrobiyom Nerededir? Vücudumuzun her yerinde bakteriler vardır ancak bazı kısımlar di­ ğerlerinden daha çok bakteri taşır. Asidik ortamı sayesinde mide­ mizde sadece yaklaşık on milyon bakteri vardır. Cildimiz toplamda yüz milyar bakteri taşır. Bağırsak bakterileriınİzin esas adresi olan kalınbağırsağımız ise okkalı bir yüz trilyon bakteri taşır.

58

ViRÜSLER Küçük DNA ve RNA Paketleri

Virüsler bakteri lerden bile küçüktür. Aslında bilim insanları, virüs­ lerin bir yaşam formu olarak sayılıp sayı lmayacakları hakkında her zaman fikir birliğinde değild irler. Şimd ilik tam olara k canlı olma­ d ı klarını söylemek muhtemelen en doğ rusu olacaktır. Ama kendi genetik materyalleri vardır -bazen DNA, bazen de RNA- bu yüz­ den en azından onlara kendi bölümlerini vereceğiz. Virüslerin sadece iki bileşeni vardır: protein bir kabuk ve bir n ü kleik asit yükü. Çiçek, uçuk ve suçiçeğine sebep olan virüsle­ rin hepsi genetik materyal olarak iki sarma li ı DNA içerir. Bu açıdan bize benzerler. Diğerleri genetik materyal olara k RNA taşırlar. HIV, RNA vi rüslerine bir örnektir. Bir virüsün nükleik asidi ister RNA ister DNA olsun, proteinden yap ı l m ış bir paket içerisindedir. Bir virüs sadece budur: sadece pa­ ketlenmiş nükleik asit. Can l ı bir yaratık olmadığını, sadece kimya­ sa llardan bir paket olduğ unu iddia edebi li rsin iz. Ancak bir virüs bir hücreyi enfekte ettiğinde, bu proteinler ve nü kleik asit işe koyulur. Hücrenin makinesini gasp eder ve hücre değerli kayna klarını, kendi DNA'sı nı kalıtyazmak ve kal ıtoku mak yerine virüsün genlerini ka lıtyazıp kal ıtoku mak için kullanır.

BAZI ViRÜSLER VE TİPİK GEN OM BÜYÜKLÜKLERİ i nfluenza

Tek sarmal

RNA

1 4.000 baz

Kıza m ık

Tek sarmal

RNA

1 5 .894 baz

Adenovirüs

Çift sarmal

DNA

36.000 baz çifti

Çift sarmal

RNA

1 8.000 baz çifti

Ç ift sarmal

DNA

1 86.000 baz çifti

(soğuk algınlığı) Rotavirüs (ishalli

hastalık) Variola (çiçek hastalığı)

Genetik 1 0 1

BiR ViRÜS BiR HÜCREYi N A S I L E N F E KT E E D E R ilk önce virüs hücreye yaklaşır. Pek çok virüs bir yirmiyüzlü şeklini alır, yan i bir elektron mik­ roskobu altında tırtıklı küçük çemberler şeklinde görü l ü rler. (Çoğu sadece birkaç nanometre genişliğinde olup normal ışık mikresko­ bu a ltında görülemeyecek kadar küçüktürler.) Her virüsün enfekte etmeyi sevdiği, tercih ettiği bir h ücre veya h ücre türü vardır. Bakte­ rileri enfekte eden bakteriyofaj adlı virüsleri n biraz farklı bir yapısı vard ı r. Yirm iyüzlü şeklindeki paketin altında bir tüp ve örümcek baca kları gibi dışarı çıkan altı bacak vardır. Hep birl ikte, 1 969'da aya inen uzay aracı g i bi gözükmektedirler. Virüs, hücreye bağlanmak için bir yol bulmak zorundadı r. Bakteriyofaj lar enfekte ettikleri bakteriye doğrudan DNA'larını enjekte edebi lir; ancak i nsan la rı enfekte eden virüslerin çoğu yü­ zeylerinde, insan hücrelerinin yüzeyinde karşılaşmayı bekledikleri özelleşmiş protei nleri tanımak için proteinlere sahiptir. Bu pro­ teinlere bağlanırlar ve virüsün içeri girmesine izin vermeleri için tetiklemeye çalışı rlar. M esela soğ uk algınlığına sebep olabilecek pek çok virüsten biri olan bir ri novirüs, hücreyi bir şeyin sindiril me zamanı geldiğine dair kand ırır ve kendini hücrenin içine sokar. Vi­ rüs daha sonra küçük sindirim haznesinden d ı şarı çıkmaya çalışır. H ücrelerin çoğu buna aldan maz veya enfekte olsalar da bağışıklık sistemim iz, virüs yayıl madan önce enfekte olan hücreyi öldü rmeyi başarır. Ama eğer hasta olursak, bazı virüsler kurtul mayı başarmış demektir.

B i R V I R Ü S N A S I L ÇOGA L I R Bir virüsün DNA'sı veya RNA'sı h ücrenin içine g i rdiğinde, genleri kalıtyazmak ve kalıtokumak için h ücrenin araçla rından faydalanı r. 60

Virüsler

Eğer viral genom DNA'dan yapılmışsa ve bir i nsan gibi bir ökar­ yotu enfekte ediyorsa, DNA'nın çekirdeğe u laşması gerekir. Ne de olsa kalıtyazım makinemiz oradadır. Eğer virüs RNA içeren bir retrovirüsse, bir revers transkriptaz kodlar. Ribozomlar viral RNA'yı bulur ve kal ıtyazarak viral geno­ rn u n bir DNA kopyasını ya pabilecek revers transkri ptazı yaratır. iki türlü de başarılı bir enfeksiyon, virüsün genlerinin bizim genleri m izle aşağı yukarı aynı şekilde ka lıtyazı l ı p kalıtokunmasıyla son uçlanır. Viral yaşam döngüsünün bir çeşidi olan litik döngüde, hücre tüm kaynaklarını yeni virüsler yapmak için hemen tüketir ve virüsler hücreyi patiatı p dışa rı çıkarak onu öldürür. Ama başka bir yol daha mevcuttur: lizojenik döngü. Bu du­ rumda virüs, DNA'sını konak hücrenin genomuna ekler. Daha sonra beklernede kalır ve konak hücrenin g enomu her kopyalan­ dığında o da kopyalanır. Gelecekte bir g ü n etki nleşerek yeni bir virüs serisinin yapılmasına sebep olabilir. Dudak uçuklarına sebep olan virüsler bunu ya par. Virüsten ta­ mamen kurtulamazsınız ancak virüs eyleme geçmeye karar ver­ diğinde fark edebilirsiniz. Bu çoğunlukla, konak bağışıklık sistemi gard ı n ı d üşürdüğünde, mesela stres altı nda olduğun uıda meyda­ na gelir. Nasıl bir sincap sonbaharda bir fı ndığı gömer ve daha sonra çıkarmayı unutabilirse, lizojenik yola giren bazı virüsler de orta­ ya çıkıp bizi hasta etmeyi unutabili rler. Binyıllar boyunca, insan DNA'sının yüzde 1 ila yüzde 8'ini ol uşturacak şekilde pek çok işlev­ siz virüs biriktirdik.

61

MANTARLAR VE MAYA Tuhaf Bir Krallık

Mantarlar hayatta az takd i r gören krallıklardan biridir ancak tuhaf ve m uhteşemdirler. Onları kesinlikle görmüşsü nüzd ü r ve muhte­ melen şu anda yakınlarınızda biraz vardır. Eğer bu kitabı okurken yemek yiyorsa nız ve elinizde bir por­ tobella manta n sandviçi veya mantar ve soğanlı bir hamburger varsa, bunlar manta rlard ı r. Eğer d ışardaysanız yere bakın: Toprak mikroskobik ma nta rla rla dol u d u r, hatta belki ya bani mantarlar­ la. Eğer kapalı bir yerdeyseniz de onları görebili rsiniz: Ekmekteki küf ve duşunuzdaki pas da m a ntar krallığına a itti r. Bunu daha da kişisel bir seviyeye getirirsek, mikrobiyomun uzu hatırlad ınız mı? içinizde, üzerinizde ve özellikle de bağırsaklarınızda yaşayan mik­ roskobik canlı ekasistemini yani? Minik manta rlar bu ekasistemin parçasıdır. Mantarlar besin tü ketirler. Bazen bitki gibi gözükebilirler ama bitkilerin yaptığı gibi g ü neş ışığı ve hava ile hayatta kalamazlar. Mantarlar etrafiarında ne varsa -çürüyen bir kütük veya bir dilim ekmek- on ları çözündüren kimyasallar salgılar ve daha sonra salı­ nan besinleri emerler. Eğer bir yiyeceği buzdolabında çok bekletir ve üzerinde büyü mekte olan küf görürseniz, bilin ki küf de sizi nle aynı şeyi yapmaktadı r: Leziz şeyler yemektedi r.

D O S T C A N L I S I K O M Ş U N U Z M A N TA R L A R Mantar deyince aklın ıza m u htemelen yerden biten bir şapka ge­ liyor. Ancak mantar aslında sadece daha büyük bir organizmanın üreme organıdır; tekn ik olarak "meyve veren organ': Eğer yerde büyüyen bir mantar görü rseniz toprak altında bir h if ağı olmalıdır. Hitler, dalianan ve miselyum adlı bir kütle oluşturan ince fılament62

Mantarlar ve Maya

lerd i r. H ifler mantar hücrelerinden yapı lmıştır. Meyve veren organ da, sağlam bir yapı halinde sıkı sıkıya paketlenmiş h itlerden mey­ dana gelir. Pek çok mantar hücresi haploit çekirdeğe sahiptir, ya ni her bir kromozomdan sadece tek bir kopyaya sahiptirler. i ki farklı bi­ reyde n hitler buluştuğunda hücreler birieşebil i r ama çekirdekler birleşmez. Bu dikaryotik ("iki çekirdekli") h ücreler bölünmeye ve bebek sahibi olma zamanı gelene kadar yemeye devam ederler. Daha sonra bir meyve veren organ yapmak için beraber çalışı rlar.

Seks, Mantarlar İçin İsteğe Bağlıdır Mantarları meydana getiren funguslar, mantar yapmak zorunda değildirler. Yalnızca büyümeye ve (ister haploit ister dikaryotik olsalar da) eşeysiz olarak sürekli daha çok hücre yapmaya devam edebilirler. Besinler bollaştığında genelde bunu yaparlar. Ama besin kıtlaştığında ve durum umutsuz gözüktüğünde fun­ guslar bir meyve veren organ yapmaya ve spor dağıtmaya daha yat­ kın olurlar. Bu sporlar iki ebeveynin DNA'sının bir karışımı oldu­ ğundan, her ebeveynlerden biraz farklıdır. Mantarlar daha büyük çeşitlilik için karışır ve DNA'larını eşlerler.

Meyve veren organ, ma ntarların ku laklarında b u l u nan spor­ lar hariç dikaryotik hitlerden oluşmuştur. Her bir h ücreden i k i çekirdek, b i r an d iploit o l a n bir hücre yap m a k i ç i n birleşir. Da ha sonra bu hücre mayoz geçirerek dört haploit hücreye böl ü n ü r. Bu haploit hücrelerin her biri bir spor o l u r. Sporlar daha sonra ya havaya ütlenerek ya da geçmekte olan bir yaratığa ta kılara k d ü nyada kendi yol ları n ı b u l u rlar. Bir haploit spor doğru orta m ı bulduğunda kendi haploit h ifine doğru büyümeye başlar. Bu şe­ kilde b i raz daha büyüyebil i r ya da başka bir ha p loit m iselyu mla b u l u şa b i l i r.

63

Genetik 1 0 1

M AYA : B i R M O D E L O R G A N i l M A M ikroskopik olanlar dahil tüm mantarlar ökaryottur. Bunun anla­ mı, h ücrelerinde DNA'larını tutacak bir çekirdek de dahil böl meler olduğu d u r. M ikroskobik mayalar, bilim insanlarının laboratuvarda büyütebileceği en basit öka ryotlardan biridi r, bu yüzden maya üzerinde genetik ve h ücre biyolojisi çalışan pek çok bilim insanı vard ı r. (Daha kesin konuşmak gerekirse, Saccharomyces cerevisiae adlı tü rü -bira mayalamada kullanılan tür- kullanırlar.) Mayaların bakımı meyve sinekleri, fareler veya insanlar gibi diğer ökaryot­ lardan çok daha kolaydı r. Eğer tü m ökaryotlarda olan bir sü reç üzerinde çal ışıyorsan ız, m uhtemelen işi basit tutarak mayadan başlarsınız. Bu maya tü rünün ayrıca küçük bir genomu da vardır: sadece on iki m ilyon baz çifti. Dizileme pahalıyken laboratuvar mayası, genomu tamamen bilinen ilk birkaç türden biriydi. Mayalar sahip olduğ u m uz"referans genlerini n" aynılarına sahiptir; bunun anlamı her bir h ücrenin yaptığı sıkıcı, temel görevler için talimatları taşı­ dıklarıdır. Mayayla aslında pek çok ortak nokta m ız var. Bakteriler sadece tek bir kromozoma sahi pken ve eşeysiz ola­ rak ürerken, mayalar isterlerse seks yapabilirler. Mayaiar tek hücre­ li mantarlardır. H if yapmazlar. B u n u n yerine h ücreler tek başlarına yaşarlar. Bu hücreler di ploit veya hapiait olabilirler ve mitazla bö­ lünürler. Bir maya kolonisinde h ücrelerin çoğu diploittir. Diploit hücreler bol l u k olduğu sürece mitazla ürerler; ancak stres altındayken veya kıtl ı k d u rumunda yavru yapma kumarını oynarlar. Mayazia böl ü n ü r ve dört hapiait hücre yaparlar. Hapiait hücreler de kendi başlarına yaşaya bilirler ancak güç­ lü bir şekilde diğer hapiait hücrelere çekilirler. a ve

a

adı verilen

iki "çiftleşme tipi" halinde b u l u n u rlar. Bir tanesi nin ürettiği ve di­ ğerinin tepki verdiği bir feromon, yani bir kimyasal çekici madde yoluyla birbirlerini kokla rlar. Zıt çiftleşme tipinden iki hücre buluş­ tuğunda, d i ploit bir h ücre oluşturmak için birleşebili rler. 64

Mantarlar ve Maya

H aploit bir maya hücresiyseniz, ancak ya ortada başka bir hap­ loit h ücre veya zıt çiftleşme tipinden bir h ücre yoksa? Şansınıza tipler a rasında geçiş yapmak mü mkünd ü r. Eğer bir a iseniz bir a'ya dönüşebilir, böylece etrafı n ızdaki a tiplerle çiftleşme şansına sa­ h i p olabilirsiniz. Bu şekilde tam bir yaşam döngüsü hala mümkün ola bilir. Ancak eğer belirli bir gen setini taşıyan bir maya üzerinde çalı­ şan bir araştırmacıysanız, tüm bu değişim ve rekombinasyon sinir bozucu olabil ir. Bu yüzden la boratuvarda büyütülen maya ların, çiftleşme tiplerini değiştirmemeleri için genellikle DNA'ları değiş­ tirilmiştir.

65

BiTKILER VE EKiNLER Çiçeklere Asla Eskisi Gibi Bakamayacaksınız

Kaldırı mdaki bir çatlaktan çıkan karahindibayı kopardığın ız zaman, bu otla pek çok ortak noktanız olduğunu hayal etmek zor olabilir. Ancak bu doğrudur; en azından genetik seviyede. Bitki lerin de aynı bizler gibi kromozomları vard ı r; çoğu zaman aynı bizler gibi her bi­ rinden iki kopyala rı vardı r. Ayrıca bizler gibi bu genarnları birleştirir, genlerini çocuklarına aktarmak için d iğer bireylerle çiftleşirler. Günü müzde hayatta olan bitkilerin yüzde 90'ını ol uşturan to­ humlu bitkilere mu htemelen aşinasınızdır. Bunlara az sonra deği­ neceğiz ancak önce bitki lerin bi rleşip DNA'larını yaydığı bazı diğer yollara bir bakalım.

Y O S U N L AR Yosunlar, diğer bitki lerin kökten uca kadar su taşımada kullandı­ ğı vasküler dokuları hiç gel iştirmemiş olan bir bitki grubudur. Bu, yosunların yumuşak, yapraksı ve kısa olmalarını sağlar. Yasunun hayatının bu aşamasına gametofit denir ve yumuşak, sü ngerimsi kısı mları aslında hapiait h ücrelerden oluşan küçük yaprak benze­ ri yapılardır. Bunun anlamı, bir ormanda yosunla rdan oluşan bir halıya baktığınızda, her bir kromozomdan sadece bir tane taşıyan canlı lara bakıyor oldu ğ u nuzd u r. Bu ya praksı bitkinin hapiait h ücreleri gametler yapmak için mi­ tozla böl ü nür: bitkide bir cepte yuvalanan yu m u rta hücreleri veya yüzen minik spermler. Spermlerin bir eş bu lmak için yüzebil meleri gerektiğinden bu bitkiler bataklık alanlarda yaşama eğiliminde­ dirler. Bir sperm bir yu m u rtayla buluştuğunda bir zigot ol uşturmak üzere birleşirler. Ebeveyn bitkiye bağlı olan zigot, di ploit hücre66

Bitkiler ve Ekinler

lerden bir yapı oluşturmak için mitozla böl ü n ü r. Eğer bir yosun kümesine çok dikkatli bir şekilde bakarsan ız lolipoplar gibi dışa rı uzanan yapılar görürsünüz. Bu lolipopların, yan i sporanjiyu mun içinde, hücreler spor adlı ha ploit hücreler yapmak için mayoz bö­ l ü n ü rler. Bu sporlar daha sonra yepyeni bir yapraksı, haploit, yu­ m u şa k, kabarık bir yosun yatağı yapmak içi n toprağa düşüp ma­ yoz yapmaya başlayabilir.

E G R E LT i OT L A R I Eğreltiotlarının da haploit ve diploit aşa maları vardır; ancak bu vakada bitkinin büyük, görünen parçası d i ploittir. {Bitkilerin çoğu gözle görülen yaşam döngü lerinin büyü k kısmında diploittir; yo­ sunlar ve akrabaları istisnadır.) Yı lın doğru zamanında bir eğreltiotun u n bileşik yaprakları nın altına bakarsanız, sporanji adlı kabarık kahverengi noktalar görür­ sünüz. Devekuşu eğreltisi gibi bazı eğreltiotları, herhangi bir ye­ şil kısmı ol mayan, tamamen sporanji ile kaplı olan tamamen ayrı kahverengi bir bileşik yaprak yapar. Sporanjiyi haploit hücrelerle dold u rmak için eğreltiotun u n bazı hücreleri mayoz geçi rir. Şu ana kadar bize çok benziyorlar. Ama sporları hemen başka bir bitkinin sporları na katılmaz. Bu­ nun yerine sporlar iyi bir yerde toprağa düştü kleri nde, hücrelerin m itoz böl ünmesiyle büyü meye başlarlar. Sonuç haploit hücreler­ den ol uşan bir gametofittir ve genel likle m i n i k bir kal p şeklinde­ d i r. B u gametofit yumurta ve sperm üretebilir ve sperm yine yu­ m u rtaya ulaşabilmek için nemli bir ortamda yüzrnek zorundadı r. Sperm ve yumu rta buluştuğunda birleşip bir zigot oluştururlar ve bu zigot başka bir büyük eğreltiotu yapmak için m itozla bölüne­ rek büyü r.

67

Genetik 1 0 1

Ç A M L A R VE D i G E R K O Z A L A K L I A G A Ç L A R Kara bitkileri spermlerin bata k l ı kta yüzmesine bel bağlamaz. Bu­ nun yerine polenleri vardı r. Çam ağaçları di ploitti r. Erkek ve dişi çam kozalakları yaparlar ve her bir kozalakta h ücreler, gametleri oluşturmak için mayoz geçirir. Erkek kozalaklar polen tanelerini, d işi kozalaklar da ovül­ leri meydana getirir. Polen ovü le ulaştı ktan sonra, ovül mayozu tamamlar ve polen ta neciği, spermini bıra kmak için yumu rtaya u laşan bir tüp meydana getirir. Bu ağaçların hala bir haploit nesli vard ı r ancak çam kozalağın ı n içerisinde çok kısa sürer. Her bir çam kozalağının dibinde ol uşan toh u m haploittir. Yere düşüp çimlen­ diğinde, bir çam ağacı olmak üzere büyürnek için m itoz geçirir.

Tozlaşma Tozlaşma sadece arıların işi değildir. Çam ağaçları rüzgarla tozlaşır ve rüzgarcia süzülebilen minik polen tanelerinden çok büyük mik­ tarda üretirler. Mısır bitkisi de dahil çiçekli ağaçlar ve otların büyük kısmı rüzgarla tozlaşır. Hayvanlarla tozlaşma arıları içerebilir an­ cak aynı zamanda (bitkiye bağlı olarak) kelebekler, güveler, karın­ calar, sinekler, böcekler, sinekkuşları hatta yarasalada bile olabilir.

ÇiÇEKLi BiTKiLER Çiçekler eşey organlarıdır. La leyi örnek alalım: Eğer içine bakarsa­ nız, çiçeği n ortasında, üstte stigma adlı küçük, yonca yaprağı şek­ linde d uran bir kolon göreceksiniz. Bu kolon d işi kısım, karpeldir. Bunu genellikle, her biri tepesinde polenle kaplı bir anter içeren altı stamen çevreler. Bunlar da çiçeğin erkek kısımlarıdır. Laleler gibi bazı çiçeklerin hem dişi hem de erkek kısımları var­ dır. Mendel'in bezelyeleri gibi bazılarının dış d ünyaya açı lmaları

68

Bitkiler ve Ekinler

hiç g erekmez; çiçek gelişirken polenleri anterden stigmaya taşıya­ rak kendilerini dölleyebilirler. Diğer bitkiler erkek ve dişi parçaları­ n ı fa rklı çiçeklerde ayrı tutarlar. Bazıları cinsiyetlerden birini seçer ve buna bağlı kalırlar: Bir dişi Osange portakalı veya gingko ağacı asla erkek çiçekler yapmayacaktır; yakı nlarda bir yerde erkek bir ağaç olacağına güvenmek zorundadır. Tıpkı çam ağaçları g ibi, çiçekli bitki ler genelde d i ploitti rler ve gamet olarak iş görecek haploit hücreler yaparlar. Bu hücreler çi­ çek döllendiğinde birleşirler ve diploit zigot, bir toh u ma dönüşür. Toh u m ları çevreleyen yu m u rta da bir meyve o l u r. E l ma lar ve por­ taka l l a r meyvedi r; ancak biber ve kabak g i bi bazı sebzeler de öyle. Ağaçların arasında yürürken kıyafetlerinize takılan kozalaklar da meyvedi r. Botanik olarak konuşmak gereki rse, kabuklu yemişler ve tahıl lar da meyvedir. Bir mısır koçanındaki her bir tane, bir mey­ ved i r. B i r karahindibaya üflediğinizde uçuşan beyaz, havalı şeyler? Onlar da meyvedir.

Model Bir Bitki Arabidopsis thaliana, biyologların üzerinde çalışmayı en kolay

gördüğü bitkidir. Sadece on ila yirmi santim büyüyen hardal aile­ sinden bir ottur. Ayrıca küçük bir genomu vardır: beş kromozomda sadece 1 35 milyon baz.

69

DAHA FAZLA HÜCRE YAPMAK Sadece Bir Bölme Sorunu

Bir hücre asla yeterli değildir. Eğer bir bakteri gibi tek hücreli bir yaratıksanız, eninde sonu nda kendinizden daha fazlasını yapmak istersi niz. Eğer çok h ücreli bir yaratıksan ız, büyümeniz gerekir. Bir sperm ve yumurtan ı n birleşmesinden oluşan tek bir hücre olarak hayata başladınız. Daha sonra yalnız ve tek olan hücreniz böl ünür ve şimdi iki hücreniz olur. Bunların da her biri bölünür ve dört tane olurlar. Onlarca bölü n me ileri sararsanız elinizde trilyon­ larca hücreden oluşan bir küme olur. Ancak bölünmeyi tamam la madınız. Her g ü n derin izin derin katmanlarındaki hücreler bölü n ü r, böylece derinizin üst katmanı için tükenmeyen bir kaynağ ı n ız olur. Eğer bir yerinizi keserseniz hücreler oluşan boşluğu kapatmak için daha da hızlı böl ünür. Bu esnada m ide asidiniz mide yüzeyindeki hücrelerinizi kem irip dur­ maktadır, yani mide h ücrelerin iz de sürekli bölün mektedir. Eğer kolları n ızın ve bacaklarınızın hala büyüyeceği kadar gençsen iz, bu uzun kem i kleri n her birinin ucu nda, özel hücrelerin sizi daha uzu n yapmak için daha fazla kem i k yaratmak üzere böl ündüğü büyüme tabakaları vardır. Bir h ücre her bölündüğünde bir ton iş yapmak zorundadır. Bir i nsan hücresinde olan her şeyi aklınıza getirin: m itokondriler, ribo­ zomlar, tüm küçük bölmeler, h ücrenin şeklini koruyabilmesi için gerekli tüm protein iskele (evet, hücrelerin de iskeleti vardır). Tüm bunların, i ki küçük hücre arasında paylaşılması gerekecektir. H üc­ reni n böleceği en a lengirli şeylerden biri, spagetti benzeri tüm DNA'sı ile çeki rdektir.

70

Daha Fazla Hücre Yapmak

B i R TA N E S A N A , B i R TA N E D E S A N A i nsan hücresindeki DNA'yı bölmek kolay bir i ş deği ldir; eğer DNA büyük bir spagetti yığını halindeki olağan şekl ini korusaydı, bu daha da zor olurdu. Neyse ki hücre böl ü nmeye hazırlanırken, DNA'yı öğrenmiş olduğumuz kromozomlar adlı yoğ un yapılar ha­ linde paketlerneye yardım edecek olan protein ve RNA'Iar ifade eder. Hazırlanma aşaması esnasında meydana gelen önemli bir şey daha vardır. Tüm hücre giderek büyü mekte, g iderek daha fazla şey toplamaktad ır. N i hayetinde elde edilecek olan hücreler orijinal h ücrenin yarısı büyü klüğündedir, bu yüzden pek çok hücre yavru hücrelerine (evet, teknik terim budur) bir avantaj verebilmek için böl ü n meden önce büyürler. Bu aşama esnasında çeki rdekteki DNA kendi hazı rlıklarını ya­ par. Daha kesin konuşmak gereki rse kendini kopyalar veya eşle­

nir. Bu şekilde her bir yavru h ücre için bir tane olmak üzere iki DNA kopyası meydana gelir.

Eşlenme (Replikasyon) DNA'nın kendini kopyaladığı sürece eşlenme adı verilir. Bu, biraz kalıtyazıma benzer: DNA ipliğinin açılması gerekir ancak bu sefer bir RNA polimeraz yerine bir DNA polimeraz gelir. Nasıl DNA yapı­ lacağını bilen bu enzim, artık açık kalmış olan iplikle eşlenir. Mer­ divenin diğer tarafında başka bir DNA polimeraz aynı şeyi yapıyor olacaktır. Aslında tüm genomumuzu kopyalamak için çok, ama çok fazla DNA polimerazın aynı anda çalışması gerekir.

Bir dakika durup tam olarak nelerin iki katına çıktığına bakalım. Ama önce, şunlar iki katına çıkmamıştır. Bölü nmeyen normal bir hücrenin kırk altı kromozomu vardır. (Eğer dişiyseniz her birinden yirmi üç tane. Erkeklerin de kırk altı kromozom u vardır; ancak çift71

Genetik 1 0 1

lerden biri e ş değildir. Başka bir bölümde bu konuya döneceğiz.) Bu kırk altı kromozomun her biri "ikili sarma l" şeklinde olan bir DNA ipliği nden yapılmıştı r. Bunların tümü, yaşlı normal bir insan hücresin i n eksiksiz bir DNA setidir. Ancak DNA eşlendiğinde bu kırk a ltı ipliği n her biri kopyalanır. Böylece annenizden gelen her şeyden iki kopya ve babanızdan gelen her şeyden iki kopyan ız olur. Kısa bir süre için kulağa doksan iki kromozomumuz olacağı a n lamına geliyormuş gibi; ancak bu tam olara k doğru değildir.

K A LÇ A L A R D A N B A G L I Bir kromozomun DNA'sı eşlendiğinde iki ayrı iplik şeklinde sonuç­ lanmaz. iki ipl iği n orta kısı m ları, siyam ikizleri g i bi birbirlerine ya­ pışık kalır. N ihai kromozom "X" harfi şeklinded i r. Bu yen i iki ipliğin her birine bir kromatit, bağ landıkları orta kısma da sentromer adı veril i r. Bu tüm böl ü n me olayı, kromo­ zomların sentromerlere sahip olmasının tek sebebidir. H ücre bö­ lünmeye hazırlanırken sentromer, kinetakor adlı bir grup proteini kendine çeker. Kinetokor, DNA'nın her bir hücreye eşit olarak pay­ laştırılmasına yardım eden şeydi r.

BÖLÜ N M E KEYFi Kromozom ları ayıran sü rece mitoz adı verilir. i nsanlar ve diğer memelilerde, çekirdeğin etrafındaki çekirdek zarı olur. (Diğer yara­ tıklar, eğer bir çekirdekleri varsa kromozomları genellikle çekirde­ ğin içerisinde ayırır ve daha sonra çekirdeğ in kendini ikiye böler. Ama hayır, biz işleri karmaşıklaştı rmak zorundaydık.) Çekirdek zarı gittikten sonra hücrenin her iki tarafındaki yapı­ lar, kromozomların etrafı ndaki kinetokorları, hücrenin iki ucun­ daki sentrozom adlı yapılara bağlamak için uzun protein tüpler ol uşturmaya başlar. Bu tüplerin tamam ına mitotik iğcik adı verilir. 72

Daha Fazla Hücre Yapmak

H ücre böl ünürken kromozomları ayırma işi bu iğciğe düşe r. H ücrenin her bir ucundan bir mikrotübül, kromozomlardan her birine kinetokordan tutun u r. Diğer tübüller, h ücrenin diğer ucun­ dan gelen karşıtlarını kavrarlar. Daha sonra, birbirine bağlayan m ikrotübül ler hücreyi ayı rmak için birbirini iterken, kromozomla­ ra bağlı olan mikrotübüller kısalmaya başlar. Kromozomlara sıkı bir şekilde bağlı oldu kları için kromozomlar birbirinden ayrıl ı r. H ücrenin her bir ucuna bir kromatit g ittiği nden bu şekilde emin olabiliriz. Örneğin Kromozom ı 'e h ücrenin i ki tarafından da bağlanan mikrotübüller olacaktır. Kromatitlerden biri yavru hüc­ relerden birine, diğer kromatit de diğer yavru hücreye g idecek şekilde ayrılır. Bundan son ra her bir hücre kendi Kromozom ı 'ine sah i p olacaktır. Diğer tüm kromozomlarda da aynı şey olur. B u sadece mitoz, yani olağan hücre böl ü n mesi olduğundan, cinsiyet kromozomlarıyla ilgili özel hiç bir şey olmaz. Eğer olağan XX'e sahip bir kadı nsan ız, X şekl inde 2 adet kromozom ı 'e, X şek­ linde 2 adet kromozom 2'ye ve iki adet X şekl i nde X kromozomu­ na sah i p olacaksınız. Eğer XY cinsiyet kromozomlarına sa hip bir erkeksen iz, ikisi de bükülen ve geçici olarak X şeklini almış olan bir X ve bir Y kromozomunuz olacaktır. H e r bir yavru kromozom, her bir kromozomdan bir taneye sa­ h i p olu nca iğciğin mikrotü bülleri dağıl maya başlar ve iki yeni çe­ kirdeğ in de etrafında çekirdek zarı tekrar oluşur. Hücrenin kalanı da böl ünmeyi tamamlar ve sonunda elimizde başlangıçtakinin iki katı h ücremiz olur. H ücre işte böyle böl ü n ü r; sadece tek bir taneyle başlayıp iki hücreye böyle ulaşı rız. Yen i hücreler, ebeveynin DNA'sının özdeş bir kopyası ile orij inal hücreyle aşağı yukarı aynı büyüklüktedir.

73

DNA EŞLENMESI Kopyalar Nasıl Yapılır?

Hücrelerin bölünmesi, her bir yavru hücrenin kendi kopyasına sahip olabil mesi için DNA'larını iki katına çıkarmaları gereklidir. Bunu ta m olarak nasıl ya parlar? Hadi başlayalım. DNA'n ın iki ipliğinin farklı yönlerde eşlen miş olduğunu hatır­ layı n. (Eğer iplikleri i nsanlar olarak hayal ederseniz biri ayaklarının üzerinde, diğeri de kafasın ı n üzerinde durmaktadır.) Her bir ipliğin iki ucuna 5' ("beş üssü") ve 3' ("üç üssü") adı verilir. DNA eşlenmesini bir m i ktar karmaşık yapan şeylerden biri, DNA yapan enzimierin sadece tek bir yönde çalışabil mesidir: ipli­ ğin sadece S' ucuna nü kleotid leri ekleyebilirler, 3 ' ucuna değil. işte başka bir sorun: işin ana kısm ı n ı yapan enzim -DNA poli meraz­ sadece iki sarma li ı bir DNA üzerinde çalışabi lir. M evcut olan tek bir ipliğin ortasına nükleotidler ekleyemez. insanlardan bahsetmeden önce bakterilerin DNA'larını nasıl eşled iklerine bir bakalım. Bilim i nsanları nın üzerinde ça lışmaya bayıldığı bir bakteri olan E. co/i'nin yaklaşık 4,2 m ilyon baz çiftin­ den oluşan tek bir kromozo m u va rd ı r. Bakteri kromozomları tipik olarak daireseldirler, yan i asl ı nda "uçları" yoktur. Kromozomun üzerinde eşlenme kökeni adlı tek bir nokta va rdı r, yani bakteri kendisinden daha fazla ü retmek istediğinde bir protein kompleksi bu kökenden başlar ve iki DNA ipliğini buradan ayırır. DNA sentezini başlatmak için bir ikili sarmala i htiyacınız vardır. Neyse ki pri maz adlı bir enzi m i mdada yetişir. Tek sarmaldaki DNA neyse onunla eşieşecek bir d üzine RNA nü kleotidi döşeyebil i r. Daha son ra DNA pol imeraz gelip üzerinde çalışabi ieceği ikili bir sarmal bulur. (Bu ikili sarmalın yarısı DNA ve yarısı RNA'dır ama çok öneml i değil; daha sonra başka p roteinler RNA'yı DNA ile değişti­ recektir.) 74

DNA Eşlenmesi

Tü m bu DNA'yı eşiemek için bir DNA polimerazdan daha fazla­ sına i htiyacınız olaca ktır. i ki DNA ipliğini ayırmaya başladığın ızda ne olduğunu düşünün: Ayrıldıkları eşlenme baloneuğu adlı kü­ çük bir alanınız olur ve bu şeklin iki ucunda da eşlenme çatah var­ d ı r. Her iki ipliği eşlenme çatalının her iki ta rafı nda da eşiernemiz gerekir; yani en az dört eşlenme makinesi seti gerekl idir. Ama aslında bundan biraz daha karmaşıktır. Bu enzim komp­ lekslerine bir bakalım. Bir tanesi kökende başlar ve baloncu k bü­ yüd ü kçe DNA boyunca h ızlanarak 5'-3' yön ü boyunca nü kleotid üzerine nükleotid ekler. Diğer iplikte, öteki yönde iki nci bir komp­ leks de aynı işi yapar. Bu kompleksierin çal ışıyor old uğu yerlerde eşiplik de eşlenmek zorundadır.

Ne Kadar Sürer? Ökaryotik DNA polimerazlar dakikada SOO ila 5000 nükleotid dö­ şeyebilir. Bu hızla, eşlenme, kromozom başına bir hafta sürebilir. Neyse ki genomumuzda 30.000 eşlenme kökeni vardır, yani pek çok farklı yerden aynı anda eşleyebiliriz. Süreç sadece birkaç dakika veya saatte sonlanabilir.

Eşlenme çatallarının sadece birine ya kından bakalım. (Burada ne olup bitiyorsa, diğer ta rafta da aynı şeyler olmaktadır.) Eşien­ me çatalı açıldıkça, bir DNA polimeraz sadece sentez yapmaktadır. Ancak diğer iplikte DNA zıt yönde, eşlenme çatalı ndan uza klaşa­ rak sentezlenmek zorundadır. Ancak bir defa başlad ıktan sonra çatal daha da açılmıştır, yan i başka bir pri maz ve DNA polimeraz işe başlar ve eşlenme çatalı ndan uzaklaşır. Bu DNA i pliğine ta kip ipliği adı veril i r çünkü pol i merazlar "öncü" ipl ikte olup biten şeyle­ re yetişmeye çalışırken küçük DNA parçacı kları (okazaki parçala­

rı) ü reti lmektedir. Takip ipl iğindeki tüm küçük boşluklar ni haye­ tinde doldurulur.

75

Genetik 7 0 1

i N S A N D N A'S I N I N E Ş L E N M E S i N i N A D l M L A R I Insan DNA'sı bakteri DNA'sından biraz daha karmaşıktır. B u kısmen bakterilerin çok basit olmasındandır, yani birkaç enzimle yapabil­ dikleri her şeyi, biz çok daha fazlasıyla yaparız. Ancak insan DNA'sı bakteri DNA'sından aynı zamanda çok daha büyüktür. Adımiarsa işte bunlar: 1.

Başlatma: i nsan genomunda eşlenmeni n başlayabileceği yak­ laşık 30.000 yer vardı r. H ücre DNA'sını eşlemeye hazır olduğun­ da, bu kökenierin her birine bir lisanslama proteini bağlanır. H ücre döngüsünde daha sonra eşlenme makinesi, lisansian­ mış kökenierden eşien meyi başlatır. Kökende eşlenme başla­ dıktan sonra lisans faktörü, kökeni n bir daha eşlenmemesi için uzaklaştı rılır. (Aksi halde bazı parçaların birden fazla eşlendiği, iki l i neer molekül yerine dalianmış bir DNA ağı şeklinde kromo­ zom larınız olabi lir.) Geminin adlı başka bir protein, lisanslama faktörünün yerini alır. M itozun sonunda geminin i mha edilir ve hücre bir daha böl ündüğünde eşlenmenin tekrar başlamasına izin verir.

2.

Uzatma: Eşlenme çatalı kromozom boyu nca ilerlerken topoi­ zomerazlar, takılıp dolanmaması için DNA'yı açarlar. (Bakteriler genel l i kle giraz adlı bir enzim l e aynı şeyi yaparlar.) DNA poli­ merazlarımız, bakterilerdekinden biraz farklı çalışır; kendi RNA/ DNA melezini yapabilen bir polimerazımız vardır, bunu daha son ra sadece DNA ya pan farklı bir polimeraz takip eder. Bir tip öncü iplikte çalışırken, diğeri takip ipliğinde çalışır. Ayrıca gö­ revi mitokondri DNA'sı nı eşiemek olan özel bir DNA polimera­ zımız da vardır.

3. Nükleozomların bir araya toplanması: DNA'mızı organize etmek için histaniara sahip olduğ umuz için, ihtiyaç oldukça onları da yeni DNA i plikl erine eklememiz gerekl idir.

76

DNA Eşlenmesi

Plazmidler Nasd Eflenir? Plazmidlerin eşlenme için basit ve zekice bir çözümleri vardır. İp­ liklerden biri kalıp olarak iş görür ve diğer iplik, omurgasında bir yerden kırpılır. Bir polimeraz buraya atlar ve artık işlevsiz olan orijinal iplik soyulurken yeni DNA döşemeye başlar. Bu, gerektiği kadar tekrarlanabilir ve bir dizi doğrusal kopya yapılır. (Bakteriyel konjugasyon esnasında diğer hücreye enjekte edilen, bu doğrusal kopyalardan biridir.) Sonunda bu ipliklerden her biri, bir çember yapmak üzere birleşir ve DNA polirneraz eşleşen ipliği yapmak için geri döner.

77

SPERM HÜCRELERi YAPMAK Yarı DNA'ya Tam Eğlence

Bebekler nereden gelir? El bette ki sperm ve yumurtalardan. Peki sperm ve yumurtalar nereden gel ir? Öyle gözüküyor ki özel bir hücre böl ü n mesi türünden. Sperm ve yumu rta gibi gametler, tam bir set DNA'nın sadece ya rısına sahiptir. Kromozomlarınızın yarısı­ nı annenizden, yarısını da babanızdan aldığınızı hatırladınız mı? Bunun sebebi, ebeveynlerinizin her birinin size sadece yarım bir set vermiş olmasıd ır. Ama annenizin ve babanızın kromozomlarını bir araya getirdiğinizde kırk altılık tam bir sete sahip olursu nuz.

S P E R M N A S I L YA P I L I R Sağlıklı i nsan testisleri her g ü n yaklaşık yüz m i lyon canlı sperm üretir. Ama sperm üretme sü reci uzun zaman; ya klaşık yetmiş dört gün alır. (Bir defada pek çok sperm serisi birden ü retilir.) Testislerin içerisinde sem i niferöz tübüller adlı kıvrımlı uzun tüpler vardı r ve bunların içinde de sürekli olarak m itoza, son bö­ lümde öğrenmiş olduğ u m uz h ücre bölün mesi sürecine giren spermatogon adlı kök hücreler vard ı r. Bu kök hücrelerden biri bö­ lündüğünde, sadece kend isi i l e özdeş olan daha fazla hücre üretir. Bu süreç, bu tür hücreden sonsuz bir kaynak sağ lar. Ama daha sonra olup biten şey özeldir. Spermatogonlar, sperm hücrelerini yaratmak için mayoz adlı iki adımlı bir sü rece girer. Bir mitoz raundu yerine özel bir sü rece ihtiyacımız vardır çünkü sperm hücreleri nin haploit olması gerekir; bunun anlamı da her bir kromozom çiftinden sadece bir tane taşıyor ol mala rıdır: kırk altı yerine yirmi üç ayrı kromozom.

78

Sperm Hücreleri Yapmak

M AYOZ Mayozun birinci adımı, hedefim iz orijinal DNA'n ın yarısına sa­ h i p olan hücreler yapmak olsa da, tıpkı m itozda yaptığımız gibi DNA'nın eksiksiz bir ikinci kopyasını yapmaktır. Bunun anlamı, hücrelerimizin toplamda dört hücre yapmak üzere iki defa böl ü n­ mesi gerektiğidir. Her bir hücre orijinal hücrenin DNA'sının yarısı­ na sah i p olacaktır. Yan i her kromozomdaki DNA eşlenerek X şekli ndeki kromo­ zom ların, özdeş ipi ikierin ortadan birleşeceği şekilde sonuçlan ı r. Anca k h ücre hemen bölü nmek yerine, profaz ı adlı bu birinci faz­ da biraz daha zaman geçirerek kromozomların DNA'larının kay­ naşmasına izin verir. Bunun anlamı, eğer bir sperm yapıyorsanız babadan gelen kromozom l 'in ve anneden gelen kromozom l 'in eşlenmesid i r. Daha sonra babanın ve annenin kopyalan biraz ta kılır ve bekler­ ken birbi rleriyle etkileşime g i rer. Babanın eşlenen kromozomları annenin kilere yapışır. Aynı şey tüm çiftler için gerçekleşir. X ve Y kromozom larının mükemmel eşleri yoktur, bu yüzden bi rbirleriyle eşleşirler. X kromozom unun üzerinde Y kromozomuna, bu iki krc­ mozorn u n birbirine yapışmasına izin verecek kadar yakın olacak kısı mlar mevcuttur.

H Ü C R E B Ö L Ü N M E S I N I TA M A M L A M A K Daha sonra mayoz ı adlı birinci bölün meye devam edebiliriz. Bu defa, m i krotübül ler X şeklindeki eşlenmiş kromozomları ayırmak yerine kromozom çiftlerini ayırır. Annen in eşlenen kromozom l 'i bir hücreye ve babanın eşlenen kromozom l 'i ötekine gider. Aslı nda annenizin DNA'sının tamamına sah i p olan ve babanı­ zın DNA'sına sahip olan hücreler elde etmezsiniz. Karışım aslında rasgeled i r: Belki bir hücrede kromozom 1 ve 2 anneden, kromo-

79

Genetik 1 0 1

zom 3 babadan v e kromozom 4 tekrar annedendir. Hangisinin hangi hücrede son uçlanacağı tamamen şansa bağlıdır. Hücreler bölünmeyi tamamlar ve artık elin izde iki primer sperm h ücresi vardır. Her birinin sadece yirmi üç kromozomu vardır; ancak bu yirmi üçün her biri, özdeş iki ikili sarmalı olan X şekli ndeki bir kromozomdur. işimizin sadece yarısı bitti ancak bu noktada sperm hücrelerini yapacak olan hücrelerden birinin bir erkek (bir Y kromozom u olduğundan ve X kromozomu olmadı­ ğından) ve diğeri nin de bir kız yapabileceğini (bir X kromozomu olduğundan ve Y kromozomu ol madığından) söyleyebilirsiniz. Az sonra X ve Y kromozomları hakkı nda daha fazla şey öğreneceğiz.

Mitoz Mayoza Karfı İsimlerin sizi aldatmasına izin vermeyin; bunlar hücre bölünmesi­ nin iki farklı türüdür! Mitozda bir hücre yirmi üç çift kromozom ile işe başlar ve aynı yirmi üç kromozom çiftine sahip olan iki yavru hücre üretir. Mayozda hücre yine yirmi üç çift ile başlar ama sonda dört hücre oluşur ve her bir hücre yirmi üç tek kromozoma sahip­ tir, çifte değil.

Şimdi ikinci hücre böl ünmesinin zama nı. Bu m itoza daha fazla benzer: X şeklindeki her bir kromozoma mi krotü büller yapışır ve mikrotübü ller X şekli ndeki kromozomu ikiye ayırır. Bu dört hücre­ den her biri yirmi üç tek yalnız kromozoma sah i ptir. Bu dört hücre daha son ra sperm makyajı ile uzun kuyruklara ve karakteristik bir sperm şekline sahip olur ve d ünyaya açılmaya hazı rlanır.

D N A KARI LMASI Diyelim k i bir sürü sperm ü retmekte olan bir erkeksiniz. Her bir sperm hücresine paketiediğiniz DNA her neyse, gelecekteki ço­ cuğ unuzun genom u n u n ya rısı bu olacaktır. Ancak bir sürü özdeş 80

Sperm Hücreleri Yapmak

sperm yapmayacaksınız değ i l mi? Bu sıkıcı ol urdu. Ayrıca aynı eş­ ten olan tüm çocu klarınızın özdeş ikizler g i bi aynı DNA'ya sa h i p olacağı anlamına gelirdi. H e r bir sperminizi diğerlerinden farklı yapman ı n birkaç yolu vard ı r. Bir tanesi kromozomların rasgele karışmasıdır; yani herhan­ g i bir spermin orijinal olarak anneden almış olduğunuz kromozom 1 'e, başka bir spermi n de babadan gelen kromozom 1 'e sahip ola­ bilmesidir. Her bir sperme DNA'nızın yarısını a ktardığınızdan emin olabi l i rsiniz ancak tam olarak hangi yarı olduğunu bilemezsiniz. Ancak DNA'nızın karılmasının başka bir yolu daha vard ı r. Her kromozomun iki kopyası nın (diyelim ki kromozom 1 ) mayoz 1 esnasında yapıştığını hatı rladınız mı? Bu zamanda iki DNA ipliği sadece takılmazlar. Aslında birbirlerine o kadar sıkı sıkıya sarıl ırlar ki aralarında parça değiştirebilirler. Birbirlerinden ayrıldıkları nda, başlan gıçta babanızdan almış olduğunuz kromozom annenizin DNA'sının bir kısmını taşıyabilir veya bunun tersi de m ü mkün ola­ bilir. Buna çaprazlama, yani rekombinasyon adı veril i r.

81

YUMURTA HÜCRELERININ YAPIMI VE DÖLLENMESI Alçakgönüllü Başlangıçlar

Yum u rtalar da mayoz yaparlar ancak bu çok farklı gözükür. i l k olarak b i r defada sadece b i r yumurta hücresi yaparız; dört değil, kesinl ikle bir m ilyon tane değil. Eğer yetmiş dört günün bir hüc­ reni n birkaç defa böl ü n mesi için uzun bir süre olduğunu düşünü­ yorsan ız yumurta hücreleri size yen i bir bakış açısı kazandıracaktır: Yum u rtalar için mayoz on yılla r sürer. Yu m u rta hücresine dönüşecek kök hücre olan oogon, yumur­ talığa sa h i p olan kişi uteroda gelişirken son m itoz raundunu (nor­ mal hücre bölünmesi) yapar. Oogon gerçek bir yumurta hücresi üretmek için aynı spermlerin yaptığı gibi mayoza girmek zorun­ dadır. Ancak süreç, hücre mayoza başladığı anda d u rur. Bebek kız doğduğu nda yu murta lığındaki h ücreler mayazun ilk aşamasında donm uştur ve on yıllar boyunca bu şekilde kalırlar. Yen i doğan bebeği n y u m u rtalığında yum u rta hücrelerinin her birinin içindeki DNA çoktan eşlenm iştir, kromozomlar X şeklinde­ dir ve her çiftin iki X'i birbirine yapışm ıştır. Sü reç burada duraklar. Bu X şeklindeki kromozomlar, bu küçük kız ergenliğe varana dek yan yana kalır.

A S K l YA A L I N M I Ş A N i M A S YO N Süreçteki yumurta hücresi (primer oosit) kromozomların birbirine yapışık kaldığı mitoz l'de onlarca yıl kalabilir. Kişi ergenliğe ulaştı­ ğında bu oositlerden biri olgu nlaşarak bölün meyi tamam layabii ir. Bu on üç yıllık bir bekleme olabilir. Kişi menopoza ulaştığında en son oositi olgunlaşmak için daha da uzun beklemiş olacaktır; belki elli yıl. 82

Yumurta Hücrelerinin Yapımı ve Döllenmesi

Kromozomlar birbirlerine dolandığında parçalarını nasıl değiş­ tirdiklerini hatırladınız mı? Bunu yapabilmek için birbirlerine gü­ venli bir şekilde bağlanmış olmaları gerekir. Arada sırada, birbirleri­ ne uzun bir süre bağlı olduktan sonra temiz bir şekilde ayrılmazlar. Down sendromu gibi bir hastalığın riskin i n annenin yaşı ile art­ masın ı n sebebi budur. Kromozomlar ne kada r uzun süre bir arada kalırlarsa nondisjonksiyon (ayrılmama) adlı nadir vakayı yaşama olasıl ı kları artar. Oluşan yum u rta hücresi fazladan bir kromozoma sah i p olabilir ve çocuğun üç kopyası olabilir. Down kromozomu, bir çocuğun kromozom 2 1 'den üç kopyası olduğu nda, yani trizo­

mi si old uğunda meydana gelir. Diğer trizomilerin çoğu bir embriyo olarak gelişmez. Eğer bir yu m urta hücresinde kromozomlardan biri ta mamen eksikse -non­ disjonksiyon, beli rli bir kromozomun normal sayısını iki katına çı­ karmak yerine sıfıra düşürüyorsa- o hücrenin canlı bir hamilelikle son uçlanma olasılığı düşüktür. Rekombinasyonun gerçekleştiği ve kromozom ların normal bir şeki lde ayrıldığı ancak rekombinasyon esnasında DNA değişimi­ nin tamamen mükemmel bir şekilde olmadığı vakalar da vard ı r. Belki kromozomlardan biri aldığından biraz daha fazlasını verir ya da tersi olur. Bunun sonucu olarak çocukta bir kromozomdan bir pa rça eksik veya fazla olabilir. Bunun ciddi bir hastalık olup olma­ ması hangi genleri n etki lenmiş olduğuna bağlıdır.

T E K R A R U YA N M A K Ergenlikten menopoza kadar bu oositlerden sadece yaklaşık on ila yirmi tanesi her ay uyanacak ve mayozu tamamlayacaktır. Bu bir­ kaç hücre, hormonları üretmeye başlar. En çok hormonu hangisi en hızlı şekilde üretirse o kazanır ve gel işmeye devam eder. Bu sü reçte bir oosit hayatta kalır ve olgu nlaşır. (Arada sırada birden fazlası hayatta kalır, ikizler bu şeki lde o l u r.) Bu şanslı oosit, 83

Genetik 7 0 7

mayoz sürecine devam eder. Uzun süredir bir arada olan kromo­ zom çiftleri sonunda ayrıl ı r ve birinci mayoz böl ünmesi tamam­ lanır. Ancak hücre benzer büyüklükteki i ki yumurta hücresine böl ü nmez; neden bölünsün ki? Sadece bir yumurta hücresi yap­ mamız gerekl idir ve yu m u rta h ücreleri büyüktü r (en azından diğer hücrelerle karşılaştırıldığında). H ücre, güzel büyük bir yumurta hücresi ve sadece kullanmayacak kromozomları taşıyan küçük bir şey ile asimetrik olarak böl ü n ü r. Bu küçük şeye kutup küreciği adı veri l i r. Tı pkı spermde olduğu g ibi, hücre artı k yirmi üç eşlenmiş kro­ mozoma sahiptir: Belki a nneden bir eşlenmiş kromozom 1 , bel­ ki babadan bir eşlenmiş kromozom 2 ve böyle gider. (Belirli bir kromozom u n anneden m i babadan mı geliyor olduğu tamamen şansa bağlıdır. Her ikisi de olabilir.)

N A S I L YA P I L D I N I Z ? (Aşağıdaki ler eski usulün bir tanı mıdır. Eğer tüp bebek gibi bir üre­ me teknolojisi kullanılarak ana ra hmine d üştüyseniz, ayrıntıların birkaçı farklı olacaktır.) Artık sekonder oosit diyebileceğimiz hücrenin sü reci bitirmesi için bir defa daha böl ü n mesi gereklidir. Bu arada hala yumurtalık­ tadır. i ki nci hücre böl ü n mesi başlar ve tekrar büyük bir hücre ve çöpe atılacak bir kutup küreciği yapar. Ama daha sonra bu süreç de yarı yolda duraklar. Kısa bir süre boyunca metafaz ll adlı bir aşamada döllenene kadar donmuş bir şekilde kalır. Kromozomlar hala X şekli nded ir ancak her bir çiftten sadece bir tane vardır. Hüc­ renin her iki ucundan mikrotü büller uzanır ve her bir kromozo­ mun merkezindeki kinetokorlara tutunur. Bu X şekli ndeki kromo­ zomları çekmeye hazırdırlar a m a beklemeleri gereki r. Bölünme durakladığında ovülasyon zama nı gelmiştir. Oosit yumurtalıktan atı lır ve fa llop tüpünde ilerler. Eğer hiç sperm mev84

Yumurta Hücrelerinin Yapımı ve Döllenmesi

cut değilse olay burada biter; oosit, uterus boyunca yolculuğuna devam eder ve menstrüal döngü ile atıl ı r. Bir sonraki ay için bol şans. Ancak eğer ortamda sperm hücreleri varsa -üre me kanalı, ola­ sılığı a rtırmak için spermleri birkaç gün boyunca depolayabilir­ oosit sonunda bölünmeyi tamamlayabilir.

Kırk Altı Kromozomu Nasd Aldınız? Bu adım biraz tuhaftır ama genetiği anlamak için bunu anlamak zorunda değilsiniz. Ancak eğer meraklıysanız işte böyle olur: Specm ve yumurta buluştugunda spermin DNA'sı (yirmi üç kro­ mozom) ve yumurtanın DNA'sı (yirmi üç kromozom) kendi küçük çekirdeklerindedir. Daha sonra her bir DNA seti eşlenir ve her biri her kromozomdan özdeş iki kopyaya sahip olur. Ama bu küçük çe­ kirdekler henüz birleşmezler! Çekirdek zarları parçalanır ve hücre bölünerek kırk altı kromozomu iki uca çeker. Artık iki hücrelik bir zigotumuz vardır ve iki hücrenin her birinde çekirdek zarı tekrar oluşur. Hücreleriniz sonunda normal kromozom sayısına ve konfi­ gürasyonuna sahiptir (her bir ebeveynden yirmi üç, toplamda kırk altı); mükemmel bireyinizi inşa etmek için tekrar tekrar bölünmek için mitozu kullanabilirler.

Sperm ve yu murta genel likle fallop tüpünde buluştuğunda spermin çekirdeği oosite gi rer. Oosit mayozu ta mamlar (bi r tane daha kutup küreciği üretir), yani spermin taşıdığı yirmi üçlü k sete karşı sonu nda yirmi üç kromozomu olur.

85

EŞEY l