Genetik

1. Genetik, genotip ve çevre

Aynı ebeveynlerden gelen bireyler birbirlerine ve ebeveynlerine başkalarından daha çok benzer; buna kalıtım denir. Öte yandan iki birey ne kadar yakın akraba olursa olsun aralarında farklar vardır; buna da varyasyon denir. Genetik, bu benzerlik ve farklılıkların nedenlerini açıklamaya çalışan bilimdir.

• Genotip: Bir özelliğin ortaya çıkmasında etkili olan genlerin tamamı.
• Fenotip: Bireyin üzerinde durulan özellik bakımından gözlenen ya da ölçülen değeri. Fenotip, genotip ile çevrenin birlikte etkisiyle oluşur: F = G + Ç.
• Modifikasyon: Yalnızca çevreden kaynaklanan, kalıtsal olmayan değişiklikler; örneğin iyi beslenen bir buzağının daha hızlı büyümesi.
• Fenokopi: Çevre koşullarının, bir genin etkisine benzer bir etki yapması.
• Mutasyon: Genetik yapıdaki ani ve kalıcı değişiklikler.

Kalitatif ve kantitatif özellikler

2. Hücre bölünmesi ve gamet oluşumu

Hayvanlarda erkekte sperm oluşumuna spermatogenez, dişide yumurta oluşumuna oogenez denir; oogenezde bir ana hücreden yalnız bir yumurta ve küçük kutup hücreleri oluşur. Bitkilerde ise mayozla polen (mikrospor) ve embriyo kesesi (makrospor) oluşur. Döllenmeyle iki haploit gamet birleşir ve türe özgü kromozom sayısı yeniden kurulur.

3. Kromozomlar

Kromozomlar, hücre çekirdeğinde DNA ve proteinlerden oluşan, genleri taşıyan yapılardır. Bir organizmanın genetik bilgisinin tamamına genom denir. Somatik hücrelerinde her kromozomdan iki tane bulunduran canlılara diploit (2n), bir takım bulundurana haploit (n) denir. Biri anneden biri babadan gelen, aynı genleri aynı sırayla taşıyan kromozom çiftine homolog kromozomlar denir. Bir genin kromozom üzerindeki yerine lokus, aynı lokustaki genin farklı biçimlerine allel denir.

İkileşmiş bir kromozomun iki yavrusuna kromatit denir. Türe özgü kromozom takımının, mitozun metafaz evresindeki görünümüyle büyüklük ve şekillerine göre dizilmesine karyotip denir. Kromozomlar eşey belirlemede rol oynayan eşey kromozomları ve diğerleri olan otozomlar olarak ikiye ayrılır.

4. Mendel kuralları

Gregor Mendel, 1856–1863 yıllarında bezelyeyle yaptığı denemelerle kalıtımın temel kurallarını ortaya koydu. Bezelyeyi seçmesi bilinçliydi: kendine döllenir, kolay melezlenir, kısa sürede çok döl verir ve tohum rengi, şekli gibi birbirinden açıkça ayrılan özellikleri vardır.

• Dominant ve resesif: Heterozigot bireyde etkisini gösteren allel dominant (büyük harfle gösterilir, A), etkisi örtülen allel resesiftir (a).
• Homozigot ve heterozigot: Bir lokusta aynı allelleri taşıyan (AA, aa) bireyler homozigot, farklı allelleri taşıyanlar (Aa) heterozigottur.

1. Açılma (segregasyon) kuralı

Her birey bir özellik için iki allel taşır ve bu alleller gamet oluşurken birbirinden ayrılır; her gamete yalnız biri geçer.

2. Bağımsız açılma kuralı

Farklı kromozomlardaki genlerin allelleri gametlere birbirinden bağımsız olarak dağılır.

Dominant fenotipli bir bireyin homozigot mu heterozigot mu olduğunu anlamak için resesif homozigot bir bireyle melezlenir (test melezi): döllerin hepsi dominant fenotipliyse birey homozigot (AA), yarısı resesif fenotipliyse heterozigottur (Aa).

5. Bağlı genler ve gen haritalama

Aynı kromozom üzerindeki genler birlikte kalıtılma eğilimindedir; bunlara bağlı (linkajlı) genler denir ve Mendel’in bağımsız açılma kuralına uymazlar. Mayozda homolog kromozomların kromatitleri arasında parça değişimi (crossing over) olduğunda ise bağlı genler ayrılabilir ve ebeveynlerde bulunmayan yeni bileşimler (rekombinantlar) ortaya çıkar.

İki gen birbirinden ne kadar uzaksa aralarında parça değişimi olasılığı o kadar artar. Bu yüzden rekombinasyon oranı genler arasındaki uzaklığın ölçüsü olarak kullanılır: yüzde 1 rekombinasyon, 1 harita birimine (HB, centimorgan) karşılık gelir. Bu şekilde genlerin kromozom üzerindeki sırası ve uzaklıkları belirlenerek genetik harita çıkarılır.

Dominant allellerin aynı kromozomda bulunduğu düzene (AB//ab) eşleşme (coupling), farklı kromozomlarda bulunduğu düzene (Ab//aB) itilme (repulsion) denir. Üç lokusun birlikte incelendiği melezlemelerde, bir bölgedeki parça değişiminin komşu bölgedekini azaltmasına engelleme (interference) denir.

6. Allel genler arasındaki etkileşimler

• Tam dominantlık: Heterozigotun fenotipi dominant homozigotla aynıdır; F₂’de 3:1 oranı görülür.
• Eksik dominantlık: Heterozigot iki homozigotun arasında bir fenotip gösterir. Örneğin kırmızı ve beyaz çiçekli bazı bitkilerin melezi pembe çiçeklidir ve F₂’de genotip ile fenotip oranı aynıdır: 1 kırmızı : 2 pembe : 1 beyaz.
• Eş baskınlık (kodominantlık): Heterozigotta iki allelin etkisi de ayrı ayrı görülür; AB kan grubu ve sığırlarda kırçıl (roan) renk gibi.
• Çok allellik: Bir lokusta populasyonda ikiden fazla allel bulunması; ABO kan grubu sisteminde A, B ve 0 allelleri gibi.
• Öldürücü (letal) genler: Homozigot hâlde bireyin ölümüne yol açan genler. Heterozigotlar melezlendiğinde dölde 3:1 yerine 2:1 oranı ortaya çıkar.
• Çok etkililik (pleiotropi): Bir genin birden fazla özelliği etkilemesi.
• Etki derecesi (ekspresivite) ve geçiş kabiliyeti (penetrans): Aynı genotipteki bireylerde genin etkisinin farklı şiddette görülmesi ve genin bazı bireylerde hiç etkisini göstermemesi.

7. Allel olmayan genler arasındaki etkileşimler

Farklı lokuslardaki genler de birbirini etkileyebilir; bu durumda dihibrit melezin F₂’sinde 9:3:3:1 oranı değişir. Bir genin başka bir lokustaki genin etkisini örtmesine genel olarak epistasi denir.

Ayrıca etkisini yalnız bir cinsiyette gösteren genler (süt verimi yalnız dişilerde ölçülebilir, ama boğalar da bu genleri taşır ve yavrularına aktarır), etkisi cinsiyete göre değişen genler (bazı koyun ırklarında boynuzluluk) ve başka genlerin etkisini artıran ya da azaltan değiştirici genler vardır.

8. Cinsiyet ve eşeye bağlı kalıtım

Memelilerde dişiler XX, erkekler XY eşey kromozomlarına sahiptir; cinsiyeti babadan gelen kromozom belirler. Kuşlarda ise durum terstir: erkekler ZZ, dişiler ZW’dir ve cinsiyeti anneden gelen kromozom belirler.

X kromozomu üzerinde bulunup Y’de karşılığı olmayan genlerin kalıtımına eşeye bağlı kalıtım denir. Erkeklerde X’ten yalnız bir tane olduğu için X’e bağlı resesif bir gen erkekte her zaman etkisini gösterir. İnsanda renk körlüğü ve hemofili bunun örnekleridir: XᴴXʰ genotipli bir kadın taşıyıcıdır ve oğullarının yarısı hastalıklı olabilir.

Hayvancılıkta eşeye bağlı genlerden pratik olarak yararlanılır: tavuklarda tüy rengi ya da tüylenme hızını belirleyen Z’ye bağlı genler sayesinde civcivlerin cinsiyeti yumurtadan çıktıkları gün belirlenebilir.

9. Kantitatif özellikler ve kalıtım derecesi

Verim ve canlı ağırlık gibi kantitatif özellikler çok sayıda genin küçük etkileriyle ve çevrenin etkisiyle şekillenir; populasyonda sürekli bir dağılım gösterir. Bu özelliklerde fenotipik varyans genetik ve çevresel varyanslara ayrılır: V_F = V_G + V_Ç. Genetik varyansın döllere aktarılabilen kısmına eklemeli genetik varyans (V_A) denir.

Kalıtım derecesi (h²), fenotipik varyansın ne kadarının eklemeli genetik varyanstan kaynaklandığını gösterir: h² = V_A / V_F. 0 ile 1 arasında değer alır. Kalıtım derecesi yüksek özelliklerde seleksiyon (ıslah) hızlı sonuç verir; düşük özelliklerde ise çevrenin iyileştirilmesi daha etkilidir.

Kantitatif özellikleri etkileyen genlerin kromozom üzerindeki yerlerine QTL (kantitatif özellik lokusu) denir; moleküler markörlerle bu bölgelerin belirlenmesi, markör destekli seleksiyona olanak verir.

10. Populasyon genetiği

Populasyon genetiği, bir populasyondaki gen ve genotip frekanslarını ve bunları değiştiren etkenleri inceler. Bir lokusta iki allel (A ve a) varsa, A’nın frekansı p, a’nın frekansı q ile gösterilir ve p + q = 1’dir.

Hardy-Weinberg dengesi

Büyük, rastgele çiftleşen ve mutasyon, göç ve seleksiyonun olmadığı bir populasyonda gen frekansları kuşaktan kuşağa değişmez ve genotip frekansları p² (AA) + 2pq (Aa) + q² (aa) = 1 şeklinde dengede kalır.

Gen frekanslarını değiştiren güçler

• Mutasyon: Yeni allellerin ortaya çıkması; etkisi yavaştır.
• Göç: Başka populasyonlardan birey ve gen girişi.
• Seleksiyon: Bazı genotiplerin daha çok döl bırakması; doğal ya da yapay (ıslah) olabilir.
• Şans (genetik sürüklenme): Özellikle küçük populasyonlarda gen frekanslarının rastgele değişmesi.

11. DNA: kalıtım maddesi

Kalıtım maddesinin DNA olduğu bir dizi deneyle gösterildi:

• 1928, Griffith: Öldürülmüş hastalık yapıcı bakterilerin, zararsız bakterileri hastalık yapıcıya dönüştürebildiğini (transformasyon) gösterdi.
• 1944, Avery ve arkadaşları: Dönüşümü sağlayan maddenin DNA olduğunu kanıtladı.
• 1952, Hershey ve Chase: Bakterileri enfekte eden virüslerin (bakteriyofaj) bakteriye proteinini değil DNA’sını soktuğunu radyoaktif işaretleme ile gösterdi.

1953’te James Watson ve Francis Crick, Rosalind Franklin’in X-ışını görüntüleri ve Erwin Chargaff’ın baz oranları kuralından yararlanarak DNA’nın ikili sarmal yapısını ortaya koydu. DNA, birbirine sarılmış iki zincirden oluşur; her zincir şeker (deoksiriboz), fosfat ve bazlardan yapılmış nükleotitlerin dizisidir. Bazlar karşılıklı olarak eşleşir: adenin–timin ve guanin–sitozin. Bu yüzden bir zincirin baz dizisi diğerini belirler.

RNA ise genellikle tek zincirlidir, şekeri ribozdur ve timin yerine urasil taşır. Hücrede üç temel RNA tipi vardır: genetik bilgiyi taşıyan mesajcı RNA (mRNA), amino asitleri getiren taşıyıcı RNA (tRNA) ve ribozomun yapısına katılan ribozomal RNA (rRNA).

12. DNA replikasyonu

DNA kendini eşleyerek (replikasyon) yeni hücrelere aktarılır. 1958’de Meselson ve Stahl, ağır azot izotopuyla yaptıkları deneyle replikasyonun yarı korunumlu (semikonservatif) olduğunu gösterdi: her yeni DNA molekülü eski zincirlerden birini ve yeni sentezlenen bir zinciri taşır.

Replikasyon belirli başlangıç noktalarında (orijin) başlar ve replikasyon çatalında ilerler. Başlıca enzimler şunlardır:

• Helikaz: İki zinciri birbirinden ayırır.
• Primaz: Sentezin başlaması için kısa bir RNA başlatıcı (primer) yapar.
• DNA polimeraz: Kalıp zincire uygun nükleotitleri ekleyerek yeni zinciri yalnız 5′→3′ yönünde uzatır ve hataları düzeltir.
• Ligaz: Kesintili sentezlenen parçaları birleştirir.

Zincirlerden biri (öncü zincir) kesintisiz, diğeri (gecikmeli zincir) Okazaki parçaları denilen kısa parçalar hâlinde sentezlenir. Ökaryotlarda kromozomlar çok uzun olduğu için replikasyon aynı anda birçok başlangıç noktasından başlar.

13. Genetik şifre ve gen ifadesi

Genlerdeki bilgi iki adımda proteine dönüşür:

1. Transkripsiyon: DNA’daki genin bir zinciri kalıp olarak kullanılır ve RNA polimeraz enzimi bunun tamamlayıcısı olan mRNA’yı sentezler. Ökaryotlarda ilk oluşan RNA’dan proteine çevrilmeyen kısımlar (intronlar) çıkarılır, kodlayan kısımlar (eksonlar) birleştirilir.
2. Translasyon: Ribozomlarda mRNA okunur; her üç bazlık dizi (kodon) bir amino asidi belirler. tRNA’lar, mRNA’daki kodona karşılık gelen antikodonlarıyla eşleşerek uygun amino asidi getirir ve amino asitler birbirine bağlanarak protein zinciri oluşur.

Genetik şifre 64 kodondan oluşur: 61 kodon 20 amino asidi belirler, 3 kodon (UAA, UAG, UGA) sentezi durdurur. AUG hem başlangıç kodonudur hem de metiyonini belirler. Şifre dejeneredir (bir amino asidi birden fazla kodon belirleyebilir) ve hemen bütün canlılarda ortaktır; gen aktarımı ve biyoteknolojinin temeli bu ortaklıktır.

14. Mutasyonlar

Gen (nokta) mutasyonları

DNA’daki tek bir bazın değişmesi, eklenmesi ya da çıkmasıdır. Baz değişimi kodonu değiştirerek farklı bir amino aside (yanlış anlamlı), durdurma kodonuna (anlamsız) ya da hiçbir değişikliğe (sessiz mutasyon) yol açabilir. Baz eklenmesi ya da çıkması ise okuma çerçevesini kaydırarak (çerçeve kayması) proteinin tamamen bozulmasına neden olur.

Kromozom yapısındaki mutasyonlar

Kromozom parçasının kaybı (delesyon), tekrarlanması (duplikasyon), ters dönmesi (inversiyon) ve homolog olmayan bir kromozoma geçmesi (translokasyon). Bu mutasyonların ıslahta kullanımı Bitki Islahı dersinde anlatılmaktadır.

Kromozom sayısındaki mutasyonlar

• Anöploidi: Bir ya da birkaç kromozomun eksik ya da fazla olması; tek bir kromozomun eksik olduğu monozomi (2n − 1) ve fazla olduğu trizomi (2n + 1). İnsanda Down sendromu 21. kromozomun trizomisidir.
• Öploidi: Kromozom takımlarının bütün olarak artması ya da azalması: haploidi (n), triploidi (3n), tetraploidi (4n). Aynı genomun katlanmasına otopoliploidi, farklı türlerin genomlarının birleşmesine allopoliploidi denir. Ekmeklik buğday (6x = 42) üç farklı türün genomunu taşıyan doğal bir allopoliploittir; poliploidi bitkilerde yaygındır, hayvanlarda ise nadirdir.

Kavramlar sözlüğü

Kalıtım

Özelliklerin ebeveynlerden yavrulara aktarılması.

Genotip

Bireyin taşıdığı genlerin tamamı.

Fenotip

Genotip ile çevrenin etkisiyle ortaya çıkan gözlenebilir özellik.

Lokus

Bir genin kromozom üzerindeki yeri.

Allel

Aynı lokustaki genin farklı biçimleri.

Homozigot

Bir lokusta aynı allelleri taşıyan birey.

Heterozigot

Bir lokusta farklı allelleri taşıyan birey.

Dominant

Heterozigotta etkisini gösteren allel.

Resesif

Heterozigotta etkisi örtülen allel.

Mayoz

Kromozom sayısını yarıya indiren, gamet oluşturan bölünme.

Crossing over

Homolog kromozomlar arasında parça değişimi.

Test melezi

Dominant fenotipli bireyin resesif homozigotla melezlenmesi.

Harita birimi (cM)

Yüzde 1 rekombinasyona karşılık gelen genetik uzaklık.

Epistasi

Bir genin başka bir lokustaki genin etkisini örtmesi.

Eşeye bağlı kalıtım

X kromozomundaki genlerin kalıtımı.

Kalıtım derecesi (h²)

Fenotipik varyansın eklemeli genetik varyansa bağlı kısmı.

Hardy-Weinberg dengesi

İdeal bir populasyonda gen ve genotip frekanslarının kuşaklar boyunca değişmemesi.

Semikonservatif replikasyon

Her yeni DNA’nın bir eski, bir yeni zincir taşıdığı eşlenme.

Kodon

Bir amino asidi belirleyen üç bazlık mRNA dizisi.

Poliploidi

Hücrede ikiden fazla kromozom takımı bulunması.

Kendini dene

Her soruda bir seçeneğe tıkla; doğru cevap ve açıklaması hemen görünür.