Genetik Bilimi,Tarihçesi ve Gelişimi
Genetik (Yunancadan genno γεννώ=doğurmak) veya kalıtım bilimi, biyolojinin bir dalı olup, canlı organizmalardaki kalıtım ve çeşitliliğin bilimidir. Bir başka deyişle, gen adı verilen özel bir molekül türünden ayrılmaz kimyasal fonksiyonları inceleyen ya da canlı organizmaların bütün özelliklerinin eski kuşaktan yenisine nasıl geçtiğini inceleyen bilim dalıdır.
Genetik bilimi 20. yüzyılın ilk yarısında bilim insanları arasında heyecan ve merak uyandırmışsa da, asıl etkisini ikinci elli yılda DNA'nın moleküler yapısının keşfedilmesiyle göstermiştir. Bir anda bilimcilerin göz bebeği haline gelen genetik 1980'li yıllara gelindiğinde, "gelecek yüzyılın bilimi" olarak nitelendirilmiştir. 1990'lı yıllara gelindiğinde, yıllardır bilim insanlarının hayallerini süsleyen insan DNA diziliminin haritasının çıkarılma fikri için ilk kez somut bir adım atılmıştır. Uluslararası bir şirketler birliği anlaşmasıyla İnsan Genom Projesi başlatılmıştır. Tarihin en önemli bilimsel gelişmelerinden biri olarak kabul edilen söz konusu ‘harita’ sayesinde, hem ölümcül hastalıkları önceden teşhis ederek önleme, hem de kişiye özel ilaç ve tedavi yöntemlerinin geliştirilebilmesi yolunda çok önemli katkılar sağlanmıştır. Bugün, genetik bilimi sayesinde birçok hastalığın erken teşhisinin mümkün olabilmesinin yanısıra, tedavi yöntemlerinin gelişiminde de oldukça yararlı olmaktadır.
Anlaşıldığına göre, karakteristik özelliklerin kalıtsal bilgisi, tarımda bitkilerin ıslahı, hayvancılıkta hayvanların elenerek çoğaltılması amacıyla da olsa, tarih-öncesi zamanlardan beri kullanılagelmiştir. Bununla birlikte, kalıtımsal aktarım mekanizmalarını anlamaya çalışan modern genetik bilimi ancak 19.yy.’ın ortalarında Gregor Mendel’in çalışmasıyla başlamıştır.[4] Kalıtımın fiziksel temelini bilemediyse de, Mendel bu aktarımın esas olarak, ayrık bir süreç olduğunu gözlemlemişti; bu süreçte özelliklerin bağımsız bir tarzda (günümüzde genler dediğimiz temel kalıtım birimleriyle) miras kalması sözkonusuydu.
Kalıtımın temel molekülü olan DNA molekülünün üç boyutlu yapısı. DNA’nın ikili bir merdivenin basamakları gibi baz çiftleriyle ortadan birbirine birbirine tutturulmuş iki sarmal ipliğinden her biri bir nükleotitler zinciridir.
Ön bilgiler
Büyükten küçüğe doğru sırasıyla birimler: Hücre, hücre çekirdeği, kromatit, kromozom, DNA çift sarmalı, histon, baz çiftleri.
Bir canlının, bir organizmanın kalıtımsal özelliklerini ardılına (döle, yavrusuna) geçiren şey genlerdir. Genler, hücrenin çekirdeğindeki kromozomlarda yer alırlar. Her gen, bir polipeptit zincirinin veya bir ribonükleik asit (RNA) zincirinin senteziyle nitelenen deoksiribonükleik asidin (DNA) bir dizilimidir (dizi). DNA molekülünün yapı taşları ise nükleotit denilen kimyasal birimlerdir, yani her DNA molekülü dört farklı nükleotit tipinden (adenin, guanin, sitozin, tiyamin) oluşan bir zincirden ibarettir. İşte bu nükleotitlerin dizilişi, organizmaların kalıtını belirleyen "genetik enformasyon"dur. Yani deyim yerindeyse, kalıtımın bütün sırrı, bu dört nükleotitin değişik kombinasyonlar oluşturacak şekilde zincirlenme dizilişindedir. Bu diziliş genetik şifreyi belirleyici bir özellik taşır. Kalıtımsal bilgi (genetik enformasyon) bu dört bazın dizilişiyle kodlanır, şifrelenir. DNA molekülleri nükleotid zincirlerinin aminoasitlere dönüşmesine "genetik kod" adı verilir. DNA dizileri olan genler, genetik şifrenin protein yapımını kodlayan kısmını oluştururlar; bir başka deyişle, canlıların yapı taşı olan hormonlar ya da insülin gibi proteinleri kodlarlar. Her gen bir protein zincirinin sentezi için gerekli bilgiyi taşır.
Bir çift molekül olan DNA, doğal olarak, bir sarmaşığı andırırcasına çift sarmal yapıya sahiptir, yani birbiri etrafında dolanan bir çift iplik biçimi gösterir; her iplik üzerinde birbirini tamamlar tarzda nükleotitler dizilidir. Her iplik, yeni iplik partnerinin “DNA ikileşmesi” için bir şablon, yani bir kalıp olabilme özelliğine sahiptir; bu, genetik enformasyonun kopyalanması ve kalıtımı için işleyen fiziksel bir mekanizmadır.
Nükleotitlerin DNA’daki dizilişi hücrelerce, proteinleri yaratan özel aminoasit dizilişlerini üretmede kullanılır (genetik kod). Aminoasitlerin bir proteindeki bu dizilişi üçboyutlu bir yapıda nasıl kıvrılacağını belirler; proteinlerin fonksiyonundan da döner biçimli bu yapı sorumludur. Hücrelerin yaşamaları ve üremeleri için gerekli hemen hemen tüm fonksiyonları proteinler icra ederler. DNA dizilişindeki bir değişim bir proteinin yapısını ve davranışını değiştirebilir ve bu da hücrede ve onun bağlı bulunduğu canlıda normal olan veya olmayan sonuçlara yol açabilir.
Kalıtım, organizmaların görünüşünün ve davranışının belirlenmesinde önemli bir rol oynuyorsa da, sonucun oluşmasında, çevre ile etkileşimi ve organizmanın deneyimleri gözardı edilemeyecek ve son sözü söyleyecek etkenlerdir. Örneğin genler kişinin boyunun, beslenmesinin ve sağlığının belirlenmesinde bir rol oynuyorsa da, bu belirlenmede kişinin çocukluk çağındaki deneyimlerinin de önemli bir etkisi olduğu yadsınamaz.
Tarihçe
Genetik bilimi kökenini Mendel’in 19.yy. ortalarındaki çalışmasından alıyorsa da, kalıtım hakkında birçok varsayım Mendel’den daha önce ortaya atılmıştır. Bu varsayımlar genellikle, edinilmiş özelliklerin kalıtım yoluyla aktarımını öne sürmüşlerdir; bu varsayımlarda kişiye ebeveyndeki baskın özelliklerin miras kalması inanışı hakimdi. Günümüzde, evrim teorisi genellikle, türlerin birbirlerinden değişerek oluştuklarını ileri sürmüş Jean-Baptiste Lamarck’a dayandırılır. Lamarck kalıtım örneğini türlerdeki çeşitli özelliklerin evrimini açıklamada kullanmıştır (fakat bu değişimler günümüzde, Lamarck’ın düşündüğü tarzda bir kalıtımsal sonuç olarak değil, doğal ayıklanmanın bir sonucu olarak kabul edilmektedir
Tarihte genetik bilimi
İnsanların gelişim sürecinde ilk olarak, doğan çocuğun kime benzediği sorusu, kalıtımın ilk gözlemleridir. Çocukların akrabalarına benzemesinin bir rastlantı olmadığı çok eski zamanlardan beri bilinmekteydi. Bu yüzden, kimi kültürlerde yakın akrabalar arasındaki evlilikler yasaklanmış, evcilleştirilen hayvanların istenilen özellikteki bireyleri çiftleştirilmiştir. Yaşı 6000 yıldan eski bir Babil yazıtında, beş nesillik bir at şeceresinde, yele başının değişimi gösterilmiştir. Kimi kültürlerde tohum seçiminde en iyi bitkiler seçilmiş, yapay olarak tozlaşmalar yapılmıştır. Bununla beraber, genetiğin bilimsel olarak açıklanması, 19.yy.'ı bulmuştur. Kalıtımla ilgili ilk kurgular Yunan filozoflardan gelmiştir; bugün komik olarak görülen bu ilk fikirlerin, kalıtımın ilk ana fikirleri olması nedeniyle büyük önemi vardır.
Pisagor
Pisagor (M.Ö.580 - M.Ö.500), çocukların babalarına benzerliklerini şöyle açıklamıştır: Vücudun çeşitli bölgelerinden süzülerek gelen bir tür süptil buharın erkeğin eşeysel organında yoğunlaşmasıyla tohum (sperm) oluşur ve eşeysel çiftleşme sırasında dişi eşey organlarına iletilir. Bu, vajinada katılaşır ve rahimde büyüyecek bir embriyo oluşturur. Olayda esas teşkil eden tohumun babadan gelmesi nedeniyle bu varsayım “patrocline” adıyla bilinir. Bu varsayımda, annenin işlevi embriyonu kanıyla beslemekten ibarettir.
Pisagor'un düşüncesinde, çocuğun anne ile benzerliği, embriyonun anne vücudu içerisindeki gelişimiyle açıklanmıştır.
Empedokles
Empedokles (M.Ö. 494 - M.Ö. 434), tohumun ebeveynden (anne ve baba) geldiğine inanmıştır. Ona göre, çiftleşme sırasında hem anneden hem babadan gelen sıvı, tohum şeklinde organlarda toplanmakta, birleşmelerinde ise embriyoyu oluşturmaktaydı. Çocukların ebeveyne benzemelerini ve birbirine benzemeyen kardeşlerin oluşumu ise şöyle açıklamıştır: Vücudun her parçasından gelen tohuma katkı hep aynı oranda olmadığından, her yeni çiftleşme farklı çocukların oluşmasını sağlar.
Aristo
Aristo (M.Ö.384 – M.Ö.322), birçok konuda olduğu gibi, kalıtım üzerine de fikirler ileri sürmüştür. Düşünceleri yüzyıllarca tartışılmadan kabul görmüştür. Erkek tohumunun kandan saflaşarak oluştuğuna ve her organa ulaştığı için kanın organları yeniden yapabilme gücü olduğuna inanmıştır. Kadındaki tohumun aybaşlarında görülen adet kanı olduğunu düşünmüş, ama ondaki kanın erkekteki gibi tam olarak saflaşmamasından dolayı, aybaşlarında bu şekilde geldiğini ileri sürmüştür. Aristo'ya göre, çiftleşme sırasında tohumların ikisi birleşerek embriyo haline gelip, çökelir. Bu fikir, 2000 yıl kadar kabul edilmiştir; günümüzde de kullanılan asil kanlı, kan bağı, bozuk kanlı vb. deyimlerinin buradan geldiğine inanılır.
Harvey
1620 yılında İngiliz araştırmacı Harvey'in yapmış olduğu bazı deneyler bu görüşün uzun yıllar sonrasında sarsılmasını sağladı. Geyikleri çiftleştirdikten sonra öldürerek rahimlerine bakan Harvey, çökelmiş bir embriyo taslağı bulunmadığını görmüştü. Buna karşılık kendisi de, çiftleşme sırasında oluşan sürtünmeden doğan mıknatıslanmanın embriyo oluşumuna yol açtığını savundu. Mikroskobun icadı sayesinde eşey hücrelerinin keşfi, erkekte sperm, dişide yumurta hücresinin bulunduğunun anlaşılmasını sağladı. Böylece, eşey hücrelerinin birleşmesiyle meydana gelen hücreden yeni bir yaşamın doğduğu anlaşılmış oldu.
Pangenezis ve Germ-Plazma varsayımları
Pangenezis
Çoğu insan, bulunan eşey hücrelerine rağmen, hala vücut parçalarının kalıtıma etki ettiğine inanmaktaydı. Lamarck da bu görüşü desteklemiş, kazanılmış özelliklerin aktarıldığı yönünde fikirler ileri sürmüştür. Darwin de ilk zamanlarında bu görüşü desteklemiş ve pangenezis denilen varsayımı ileri sürmüştür. Bu varsayımda her vücut hücresinin kana küçük bir gemmula ya da pangenezis denilen yapılar verdiği ve bunların üreme hücrelerinde toplandığı görüşü sözkonusuydu. Bazı ilkel canlılarda görülen kuyruk kopması vs. gibi olaylarda gemmulaların buralarda toplanarak onarım yaptığı, bazı çocukların büyük aile bireylerine benzemelerinde ise gemmulaların bazen -embriyo oluşumunda görev almadan- doğrudan eşey hücresine geçerek bir sonraki dölde etkisini gösterdiği düşünülüyordu.
Germ-Plazma varsayımı
19.yy'ın sonlarına doğru Weismann, pangenezis kuramı üzerine bazı çalışmalar yaparak, tekhücrelilerde protoplazmanın sürekli olmasına değinmiştir. Ona göre, tekhücreliler bölündüklerinde oluşan yavrularda anadakiyle aynı protoplazma bulunuyordu. Böylece, çokhücrelilerde de bu tür bir sürekliliğin olabileceğini düşünerek, Germ-Plazma varsayımını ortaya attı. Bu varsayıma göre, yüksek canlılar, vücudu meydana getiren somatoplazma kısmıyla, üreme hücrelerini oluşturan germ-plazma'dan oluşmuştur. Germ-plazma embriyon evrelerinde diğer dokulardan oluşmuş, fakat somatoplazma ile alakası olmamıştır. Germ-plazma, sperm ve yumurta olarak embriyoyu yapar; bazı hücreler embriyoda germ plazmayı oluşturup değişmeden kalırken, diğer hücreler somatoplazma olarak farklılaşırlar. Bu varsayım, nesiller boyunca farelerin kuyruklarının kesilmesine rağmen yeni nesil farelerin halen kuyruklu doğduğunun görülmesi üzerine, kazanılmış özelliklerin kalıtımsal olmadığı gerekçesiyle çürütülmüştür.
Hugo De Vries'nin mutasyon kuramı
Hugo De Vries, Darwin'in kuramlarını bazı noktalarda benimsemekle birlikte pangenezisi kabul etmemiş ve türler arasındaki büyük varyasyonların temelini bulmaya eğilmiştir. Laleler ile yaptığı gözlemlerinde aniden ortaya çıkan değişik türlerin nedenini mutasyon olarak açıkladı. Daha sonra, yetiştirdiği eşekçiçekleri ile saf varyeteler elde etti. Mendel'in bezelyede aynı şeyleri fark etmiş olduğunu gördü. Buluşunu 1900 yılında yayımlamış ve kalıtsal birimlerin değişebileceği hakkındaki görüşünü kabul ettirmiştir.
Önemli olayların kronolojisi
Drosophila’da (meyve sineği) beyaz gözlere neden olan bir mutasyonun “cinsel bağlantı”sını gözlemlemesi, Morgan’ın genlerin kromozomlarda konumlandığı kuramını ortaya atmasını sağladı.
Bir kromozom üzerinden genlerin görünüşü.
DNA 4 farklı bazdan oluşur: Adenin, Timin, Guanin ve Sitozin (A,T,G ve C)
[img]]http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Dna-split.png/200px-Dna-split.png[/img]
DNA ikileşmesi.
• 1865’de doğa bilimlerine tutkun Avusturyalı keşiş Gregor Mendel manastırının avlusundaki bahçede 7 özellik (tanenin biçimi ve rengi, kabuğunun rengi vs.) gösteren yenilebilir bezelyeler üzerinde çalışmaya karar verdi. Deneylerinden yola çıkarak, yazdığı “Bitki melezleri üzerinde denemeler” adlı makalesinde, bazı kalıtımsal özelliklerin aktarılma yasalarını açıkladı. Bu makaleyi dünyanın dört bir tarafındaki bilim adamlarına yolladı; tepkiler olumlu olmamakla birlikte yumuşaktı. Makalesinde ileri sürdükleri ancak 1900'lerin başında farklı bilim adamlarınca da yeniden keşfedildikten sonra kabul edildi[.
• 1869’da DNA İsviçreli hekim Friedrich Miescher tarafından yalıtılabildi. İrinde fosfat halindeki zengin bir cevheri yalıttı. Bu cevhere “çekirdek özü” anlamında "nüklein" adını verdi. Nükleinin tüm hücrelerde, somon balığı sperminde bile mevcut olduğunu buldu.
• 1879’da Walther Flemming ilk kez bir mitozu tanımladı. Gerçi mitoz, kendisinden 40 yıl önce Carl Nageli tarafından keşfedilmişti ama, Nageli mitozu anormal bir doğa olayı olarak değerlendirmişti. Walther Flemming hücrenin bölünmesini tanımlarken profaz, metafaz ve anafaz terimlerini ortaya attı. Çalışması 1882’de yayımlandı.
• 1880’de Oskar Hertwig ve Eduard Strasburger döllenmedeki temel öğenin spermatozoit (İng. spermatozoon) denilen sperm hücreleri ile yumurta hücresinin birleşmesi olduğunu keşfetti.
• 1891’de Theodor Boveri kromozomların yaşamın vazgeçilmez unsurları olduğunu gösterdi.
• 1900’de kalıtım yasaları keşfedildi; Hugo de Vries, Carl Correns ve Erich von Tschermak-Seysenegg birbirlerinden ayrı olarak, “Mendel yasaları”nı keşfettiler.
• 1902’de Walter Sutton ilk defa, kalıtım hakkındaki kromozom kuramına, yani genleri taşıyan unsurların kromozomlar olduklarına işaret eden bir mayoz bölünmeyi gözlemledi. Kromozomların ayrılma modelinin Mendel’in varsayımını tümüyle desteklediğini belirtti. Aynı yıl bu çalışmasını bir makale yayımladı Varsayımı Thomas Morgan’ın çalışmalarıyla kanıtlandı. Yine aynı yıl, Archibald Garrod insanlardaki bir hastalığın kalıtım yoluyla geçen bir hastalık olduğunu tanımladı: Alkaptonüri
• 1905'de William Bateson, kalıtımsal çeşitliliklerin artık adlandırılması gerekliliğinden söz ederek, bir mektubunda ve bir makalesinde "genetik" terimini kullandı, genetik biliminin akademik anlamda kurucusu ve isim babası oldu.
• 1909’da Wilhelm Johannsen "gen" terimini ortaya attı ve bir varlığın “görünüm”ü (fenotip) ile geni (genotip) arasındaki farkı ortaya koydu.
• 1911’de Thomas Morgan mutasyona uğramış bir beyaz gözlü Drosophila (meyve sineği) sayesinde mutasyonların varlığını ortaya koydu. “Genetik bağlantı”ların ve "genetik rekombinasyon"un keşfi sayesinde genlerin taşıyıcılarının kromozomlar olduğunu ortaya koydu. Alfred Sturtevant, Hermann Muller ve Calvin Bridges ile birlikte çalıştı. 1933’de Nobel tıp ödülü aldı. Deneyleri kalıtım hakkındaki kromozom kuramını iyice sağlamlaştırdı.
• 1913’de Morgan ve Alfred Sturtevant, genlerin kromozom boyunca birbirini izleyen dizilişini ve düzenini gösteren, Drosophila sineğinin X kromozomuna ait ilk “genetik harita”yı yayımladılar.
• 1928’de Fred Griffith Streptococcus pneumoniae türündeki bakteriler üzerinde gerçekleştirdiği deneyler sayesinde, bakterilerin “genetik dönüşüm”ünü keşfetti. Dönüşüm, iki hücre arasında "genetik enformasyon aktarımı"na olanak sağlıyordu. Bununla birlikte buradaki “dönüştürücü ilke”nin doğasını çözebilmiş değildi.
• 1941’de George Beadle ve Edward Tatum Neurospora crassa’yı inceleyerek her genin bir (özellikle bir) enzimi kodladığı varsayımını ortaya attılar.
• 1943’de DNA’nın William Astbury tarafından X ışınlarıyla kırınımı sözkonusu molekülün yapısına ilişkin ilk varsayımın ortaya atılmasına olanak sağladı: Düzenli ve periyodik bir yapı sözkonusuydu.
• 1944’de Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty DNA’nın kalıtımsal bir enformasyona ilişkin bir molekül olup, bir hücreyi dönüştürebilir özellikte olduğunu ortaya koydular. Barbara McClintock genlerin yer değiştirebildiğini ve genomun sanıldığından çok daha az statik olduğunu gösterdi; 1983’de Nobel tıp ödülü aldı.
• 1952’de Alfred Hershey ve Martha Chase şunu keşfettiler: Enfeksiyon kapma olayında bir hücreye girmesi gereken, yalnızca, virüsün DNA’sı idi. Çalışmaları DNA’nın genlerden oluştuğu varsayımını büyük ölçüde güçlendirdi.
• 1953’de Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin’in DNA molekülünün klişesini belirleyen araştırma çalışmalarının ardından, James Dewey Watson ve Francis Crick genetik enformasyonun DNA molekülünce taşınabileceğini açıklayarak, DNA’nın çift sarmal biçimli modelini sundular.[46]Watson, Crick ve Wilkins bu keşiflerinden dolayı 1962’de Nobel Tıp Ödülü aldılar.
• 1955’de Joe Hin Tjio insan kromozomlarının sayısını tam olarak saptadı: 23 çift idiler. Arthur Kornberg DNA’nın “DNA ikileşmesi”ne olanak veren bir enzim olan DNA polimerazı keşfetti.
• 1957’de “DNA ikileşmesi”nin mekanizması (işleyişi) iyice aydınlığa kavuştu.
• 1958’de “Down sendromlu” denilen bir çocuğun kromozomlarının incelenmesi sırasında Jérôme Lejeune 21. kromozom çiftinde fazladan bir kromozom daha bulunduğunu keşfetti.[51] Böylece, dünyada, zihinsel engellilik ile kromozomlara ilişkin bir anormallik arasında bağ bulunabileceği ilk kez ortaya konmuş oluyordu. Lejeune daha sonra, çalışma arkadaşlarıyla, kromozom kaynaklı diğer hastalıkların mekanizmasını da keşfederek, "sitogenetik" dalının ve modern genetiğin yolunu açmış oldu.
• 1960’lı yıllarda Fransız biyolog François Jacob ve Fransız biyokimyacı Jacques Monod “protein biyosentezi”nin mekanizmasını aydınlığa kavuşturdular. Genetik kod ilkesi kabul edilmekteydi. Jacob ve Monod “protein biyosentezi”ndeki sentezin düzenlenmesinin proteinlere başvurduğunu gösterdiler ve “gen ifadesi”nde rol oynayan “DNA dizileri”nin varlığını gün ışığına çıkardılar. 1965’de genetik kodun deşifre edilmesinden dolayı Nobel ödülü aldılar.
• 1968'de "Genetik kod"un çözülmesinden dolayı Nobel Ödülü verildi.
• 1975'de virüslerin işleyiş mekanizmasının keşfinden dolayı Nobel Ödülü verildi. 1975’den itibaren "genomik" önemli ekonomik ilgilerin odağı haline geldi.
• 1977’de DNA’daki nükleotit dizilişleri belirlendi.
• 1983'de Kary Banks Mullis tarafından keşfedilen polimeraz zincir reaksiyonu, DNA izolasyonunu ve DNA parçalarının istenen bölgelerinin çoğaltılmasını sağladı.
• 1983'de İlk genetik hastalık haritalandı (Huntington hastalığı).
• 1985'de polimeraz zincir reaksiyonunun geliştirilmesi.
• 1989’da, genetik hastalıkların anlaşılması, araştırılması, taranması, önceden tahmin edilmesi ve mümkünse tedavi edilebilmesi amacıyla, genlerin kimliklerinin tek tek saptanması için, insan “genom”unun 3 milyarı bulan “nükleotit” çiftlerinin kodlarının çözülebilmesi konusunda bir proje oluşturulmaya karar verildi. Bu amaçla yola çıkan, 18 ülkedeki bilimcilerden oluşan ve ABD’ndeki National Institutes of Health tarafından düzenlenen ilk çalışma ekibi “İnsan Genom Projesi” adı altında çalışmalara başladı. Uzun soluklu bu büyük çalışma, ister istemez iş bölümünü gerektiriyordu; örneğin Fransa 14. kromozomun DNA dizilimini çözmekten (14. kromozomla ilgili nükleotit kodlarının çözülmesinden, dizilişlerin saptanmasından) sorumluydu.
• 1990’lı yıllarda Fransa’da genomik kaynaklı tüm enformasyonu denetlemek üzere robotlardan yararlanan yöntemler geliştirildi.
• 1992-1996 yıllarında Évry’deki (Fransa) bir Généthon laboratuarında insan genomunun ilk "genetik harita"ları Weissenbach tarafından yayımlandı.
• 1994'de genetik olarak değiştirilmiş ilk besin elde edildi: domates.
• 1997'de E. coli genomu dizilendi.
• 1998’de, insan genomu verilerini, Craig Venter ve Perkin Elmer tarafından kurulan, merkezi ABD’nde bulunan Celera Genomics adlı özel şirket de, National Institutes of Health’ınkinden farklı bir teknik kullanarak toplamaya başladı.
• 1999’da 22. kromozom dizilenmesi tamamlandı. Büyük Britanya’daki Sanger Institute tarafından düzenlenen bir ekip, ilk kez bir insan kromozomunun tüm DNA dizilimini belirlemiş bulunuyordu: Bu, 22. kromozomdu.
• 2000 yılının Haziran ayında hem NIH - NHGRI (National Human Genome Research Institute - "Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü"), hem de Celera Genomics insan genomunun DNA dizilimlerinin % 99’unu “saptamış” olduğunu açıkladı. National Institutes of Health araştırma sonuçlarıyla ilgili bir makaleyi "Doğa" adlı bir bilim gazetesinde, Celera Genomics şirketi de araştırma sonuçlarıyla ilgili bir makaleyi “Bilim” adlı bir bilim gazetesinde yayımladı.
• 2002 yılının Temmuz ayında Tokyo Üniversitesi’ndeki Japon araştırmacılar Escherichia coli türündeki bir bakteri üzerinde, mevcut 4 nükleotitin (A,T,G,C) yanısıra, 2 nükleotiti (S ve Y) daha saptadıklarını belirttiler. İlginç nokta, bu iki yeni nükleotitle ilgili genetik kalıtın canlı varlıkların genetik kalıtıyla hiçbir ortak yana sahip olmamasıydı; üstelik bu araştırmacılar, onlardan doğada henüz bulunmayan, meçhul bir protein ürettiler. Kimileri bu yeni “yaratılış”tan söz etmekten çekinmemektedir.
• 2003 yılının 14 Nisan günü, insan genomunun DNA dizilimlerinin saptanması projesinin tamamlanmış olduğu açıklandı; DNA dizilenmesinin tamamlanmasıyla, gen kodlayan bölgelerin tümü gün ışığına çıkarılmış oldu.
İlk genetik deneyi, Mendel ve Klasik Genetik
Baskın ve çekinik gametlerle çaprazlama ve Punnet karesi ile sonucun gösterimi
Modern genetik biliminin kökü, Avusturyalı (Alman-Çek) bir Augustin’ci keşiş ve bir botanikçi olan Gregor Johann Mendel’in gözlemlerine dayanır. Günümüzün bu popüler biliminin babası olarak kabul edilen Mendel, bitkilerde kalıtım özellikleri üzerine ayrıntılı çalışmalar yapmıştır. Mendel 1856 yılından itibaren çeşitli bezelye (Pisum sativum) varyetelerine (türlerine) ait tohumları toplamaya ve onları manastır bahçesinde yetiştirerek aralarındaki farkları incelemeye başladı. 10 yıl süren gözlem ve deneylerinin ardından, bu çalışmasının önemli bulgularını “Versuche Über Pflanzenhybriden” (“Bitki melezleri üzerinde denemeler”
adlı ünlü inceleme yazısıyla yayımladı ve bu yazıyı 1865’de Brunn Doğa Tarihi Kurumu’na (Brunn Natural History Society) sundu. Mendel bezelye bitkilerindeki bazı özelliklerin kalıtımsal tekrarını izlemiş ve bunların matematiksel olarak tanımlanabileceklerini göstermiştir.
O tarihlerde DNA, kromozom, mayoz bölünme gibi kavramların henüz ortaya konmamış olduğu ve bilinmediği göz önüne alınırsa, Mendel’in sadece fenotipik (gözlenebilen) karakter ayrılıklarına göre yapmış olduğu değerlendirmelerin son derece başarılı oldukları söylenebilir.
Mendel'in çalışmaları ve keşifleri yaşadığı dönem içinde hiçbir ilgi uyandırmamış ve 20. yy. başlarına kadar gözlemlerinin anlam ve önemini kimse fark etmemiştir. Bu fark ediş, ancak ölümünden sonra, araştırmasının benzer meseleler üzerinde çalışan başka bilimcilerce keşfinden sonra mümkün olmuştur: Ölümünden 16 yıl sonra Hollanda’da Hugo De Vries, Almanya’da Correns ve Avusturya’da E. Von Tschermak adlı üç biyolog, çeşitli bitki türlerinde, birbirlerinden habersiz yaptıkları araştırmalarda, Mendel yasalarının geçerliliğini gösterdiler ve tüm sonuçları "Mendel yasaları" adı altında toparladılar. Mendelin çalışması aynı zamanda, kalıtım çalışmalarında istatistik yönteminin kullanımını önermekteydi.
Genetik terimi 1905’de Mendel’in çalışmasının önemli savunucularından William Bateson tarafından Adam Sedgwick’e gönderilen bir mektupta ortaya atılmıştır. Bateson 1906’da Londra’da yapılan Üçüncü Uluslararası Bitki Melezleri Konferansı’nda yaptığı açılış konuşmasında kalıtım çalışmasını tanımlarken “genetik” terimini kullanarak, bu terimin yaygınlaşmasını sağlamıştır. (Fakat terimin biyolojik anlamdaki ilk kullanılışı 1860 yılına dayanır)
Mendel’in çalışmasının yeniden keşfinin ve popüler hale gelişinin ardından, DNA moleküler temelini gün ışığına çıkarmaya yönelik birçok deney yapılmıştır. Mutasyon geçirmiş beyaz gözlü Drosophila (meyve sineği) üzerindeki gözlemlerinden yola çıkan Thomas Hunt Morgan 1910’da genlerin kromozomlarda yer aldığını ileri sürmüş ve 1911’de mutasyonların varlığını ortaya koymuştur.Morganın çalışmalarından yararlanan, fareler üzerinde çalışan öğrencisi Alfred Sturtevant ise "genetik bağlantı"[82] fenomenini kullanmış ve 1913’de genlerin kromozom boyunca birbirini izleyen dizilişi ve düzenini gösteren, ilk “genetik harita”yı yayımlamıştır.
Moleküler genetik
Ana madde:
Moleküler Genetik
James Dewey Watson (fotoğraftaki) ve Francis Crick DNA’nın yapısını 1953’te çözdüler.
Önceleri, kromozomların genleri içerdikleri ve protein ile DNA’dan oluştukları bilinmekteyse de, kalıtım için hangisinin daha önemli olduğu ve sözkonusu sürecin nasıl meydana geldiği bilinmiyordu. 1928’de Frederick Griffith yayımladığı makalesinde dönüşüm (transformasyon) fenomenini keşfettiğini açıkladı. Bundan 16 yıl sonra da, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod ve Maclyn McCarty bu buluşu dönüşümden sorumlu molekülü (DNA’yı) yalıtma ve tanımlamada (teşhiste, kimliğini belirlemede) kullandılar.1952'deki Hershey-Chase deneyi, DNA'nın (proteinden farklı olarak) virüslerin genetik materyali olduğunu, diğer molekülün kalıtımdan sorumlu olamayacağını kanıtladı.
James D. Watson ve Francis Crick 1953' de DNA'nın kararlı yapısını çözdüler ve Rosalind Franklin'in çalışması olan X ışını kırınımını kullanarak DNA molekülünün sarmal bir yapısı olduğunu gösterdiler. Onların çift sarmal modeli, nükleotid dizisinin diğer iplikte tamamlayıcı eşleri olduğunu gösterdi. Bu yapı, nükleotitlerin sıralanmalarıyla kodladıkları bilginin fiziksel açıklamasını vermekle kalmadı, aynı zamanda ipliklerin ayrılıp eş nükleotidlerle tekrar birleşerek çoğalmalarının fiziksel mekanizmasını gösterdi.
Bu yapı kalıtım sürecini açıklamaktaysa da, DNA’nın hücre davranışlarını nasıl etkilediği henüz bilinmiyordu. Sonraki yıllarda, bazı bilim adamları, DNA'nın, ribozomlardaki protein üretim süreçlerini kontrol mekanizmasını anlamaya çalıştılar ve DNA'nın genetik kodunun mRNA ile okunduğunu ve çözüldüğünü buldular.Kalıtım konusunda yapılan bu moleküler düzeydeki buluşlar, DNA'nın moleküler yapısının anlaşılmasını ve biyolojideki yeni bilgilere uygulanan bir araştırma patlamasını sağlamıştı. 1977’de DNA dizisi üzerindeki incelemelerin gelişimi, DNA’daki nükleotit dizilişlerinin belirlenmesini ve PCR metodunun geliştirilmesini sağladı. 1983'de Kary Banks Mullis tarafından geliştirilen polimer zincir reaksiyonu, DNA izolasyonunu ve DNA parçalarının istenen bölgelerinin çoğaltılmasını sağladı. Bu ve diğer teknikler, bir yandan İnsan Genom Projesi’nin ekip çalışması sayesinde, diğer yandan Celera Genomics’in özel çalışması sayesinde, 2003’de insan genomu dizilerinin tümüyle gün ışığına çıkarılmasını sağlamış bulunmaktadır.
Kalıtım özellikleri
Saf özellikler ve Mendel yasaları
Ana madde:
Mendel yasaları
Mor (B) ve beyaz (b) çiçeklere ilişkin iki farklı alele sahip iki bezelye bitkisi arasındaki bir çaprazlamayı betimleyen bir Punnett karesi.
En temel düzeyde, organizmalardaki kalıtım, günümüzde genler adını verdiğimiz "saf (ayrık) özellik"ler aracılığıyla meydana gelir. Bu konuda gözlemde bulunan ilk kişi, bezelye bitkisi üzerinde kalıtımsal özelliklerinin ayrımı üzerinde çalışmış George Mendel olmuştur.
Mendel farklı bitki çeşitlerinin her birinden tohumlar toplayarak bahçesinde ekti. Bezelye bitkilerini düzenli “tozlaşma”lara tabi tutan Mendel, bunlarda 7 özelliğin değişmediğini keşfetti ve bezelyelerdeki bu 7 özelliğin (tanelerin biçimi, rengi, bitkilerin boyu vs.) dölden döle nasıl aktarıldığını gözlemledi. Her dölde elde ettiği bireyleri, birbirlerine ve ebeveynine benzeyip benzemediklerine göre ayrıma tâbi tuttu. Böylece özellikleri farklı 7 saf döl elde etti. Bunlarla yaptığı “çaprazlama”larda bazı belirli özelliklerin değişmediğini saptadı. Bu özelliklerin her birine “saf özellik” adını verdi. İki eş "saf özellik" çaprazlandığında, sadece bu saf özellik ortaya çıkmaktaydı ki, Mendel yasalarının esasını teşkil eden de bu husustur.
Ayrıca, yaptığı çaprazlamalarda bazı özelliklerin baskın olduğunu gözlemledi. Örneğin, uzunluk karakteri, kısalık karakterine baskın olduğundan, melez bireyler uzun görünümdeydi. İki uzun melezin çaprazı sonucunda ise % 25 oranında saf uzun, % 25 saf kısa, % 50 melez uzun çıkmaktaydı.
Mendel, bezelye bitkisinin çiçeklerinin rengi üzerindeki deneme çalışmasında, rengin ya mor ya da beyaz olduğunu ve asla bu iki rengin karışımı bir rengin oluşmadığını gözlemledi. Aynı genin bu farklı versiyonlarına alel adı verilir. Bezelye bitkilerinde her organizma her genin iki aleline sahiptir. İnsan da dahil olmak üzere birçok organizmada bu kalıtım modeli geçerlidir. (Genetikte böyle bir organizmadaki genin iki alelinden birinin anneden, diğerinin babadan geçtiği kabul edilir.) Aynı alelin iki kopyasını içeren organizmalara homozigot, iki farklı alele sahip organizmalara ise heterozigot adı verilir. Bir organizmadaki aleller bütününe (çiftine) genotip,organizmanın sahip olduğu gözlemlenebilir özelliğe ise fenotip adı verilir.
Heterozigot organizmalarda genellikle alellerden birinin nitelikleri organizmada diğerine oranla tam anlamıyla baskın rolde olur; alellerden nitelikleri organizmanın fenotipine hakim olanına (baskın çıkana) "baskın" (dominant), niteliklerinin fenotipe hakim olmadığı gözlemlenen öteki alele ise "çekinik" (resesif) adı verilir. Bununla birlikte, bazen bir alelin tam anlamıyla baskın olmadığı görülmüştür ki, bu duruma “eksik baskınlık” adı verilir. Bazen de her iki alelin niteliklerinin birden etkili olduğu gözlemlenir ki, bu duruma da “birlikte baskınlık” (ortaklaşa baskınlık) adı verilir.
Farklı iki cinsin birleşmesiyle bir çiftleşme olduğunda, döl (yavru), rastgele bir biçimde, iki alelden birini anneden, diğerini babadan miras alır. Saf (ayrık) kalıtım ve alellerin ayrımı üzerine yapılmış bütün bu gözlemler, toplu olarak, "Mendel’in ilk yasası" (Law of Segregation) adıyla bilinir.
Genetik soyağacı çizelgesi, özelliklerin kalıtımsal örneklerinin izlenmesine yardımcı olur.
Sembolik gösterim sistemi ve şemalar
Genetikçiler kalıtımı tanımlamada şema ve semboller kullanırlar. Bir gen bir veya birkaç harfle temsil edilir. Bu temsilde büyük harf baskın aleli, küçük harf çekinik aleli temsil eder. Genellikle bir “+” sembolü bir gen için mutant olmayan aleli temsil etmede kullanılır. Döllenmede ve Mendel’le ilgili üretme deneylerinde ebeveyn "parents" sözcüğünün başharfi olan “P” ile, döl (yavru) "filial" sözcüğünün başharfi olan “F” ile, ilk döl sözkonusuysa “F1” ile temsil edilir. Çaprazlamanın sonucunu öngörmede kullanılan yaygın şemalardan biri "Punnett karesi" olarak bilinir. Genetikçiler insandaki genetik hastalıkları incelerken genellikle, özelliklerin kalıtımını temsil etmede "soyağacı çizelgesi" kullanırlar.
Genlerin etkileşimi
İnsanın boyu karma bir özelliktir. Francis Galton'un 1889 verileri anne ve babanın ortalaması olan boy ile evladın boyu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Fakat sonradan bu özelliğin miktarında çevrenin de payı olduğu anlaşılmıştır.
Organizmalar binlerce gen içerir ve cinsel çiftleşme organizmalarında bu genlerin her biri genellikle diğerlerinden bağımsızdır. Bu, sarı renkli bir bezelye aleli kalıtımının (aktarımının) çiçeklerin beyaz veya mor oluşunu belirleyen alellerinkinden tümüyle bağımsız olduğu anlamına gelir. “Mendelin ikinci yasası”olarak bilinen bu fenomen de, ebeveynin her ikisinden gelerek karışan farklı genlerin alellerinin, dölü oluştururken farklı pek çok kombinasyonla bir araya gelebileceği anlamına gelir. ("Genetik bağlantı" gösteren bazı genler bağımsız olarak kabul edilmezler.)
Sıkça görüldüğü gibi, farklı genler birbirlerini aynı özelliği vermesini sağlayacak tarzda etkileyebilirler. Avrupa kökenli Omphalodes verna bitkisinin genleri bu duruma örnek olarak gösterilebilir. Bu bitkide, çiçeklerin renginin mavi ya da magenta olmasını sağlayan iki alelli bir gen vardır. Fakat bu bitkide bir de, çiçeklerin renkli olup olmayacağını, yani renkli veya beyaz olacağını denetleyen, iki alelli bir başka gen daha vardır. Bitki bu ikinci genin beyaz alelinin iki kopyasına sahip olduğu zaman, birinci gendeki mavi ile magenta rengi alellerden birinin bitkide etkili olmasına meydan verilmeksizin, çiçekler beyaz olur. Genler arasındaki bu etkileşime "epistasis" adı verilir.
Birçok özellik "saf özellik" olmamakla birlikte (beyaz ya da mor çiçekler örneğinde olduğu gibi) süreklilik gösteren özelliklerdir (insanın boyu ve deri renginde olduğu gibi). Bu karma özellikler birçok genin ürünüdür. Bu genlerin etkisi, organizmanın deneyimlerde bulunduğu çevrenin etkileriyle çeşitli derecelerde dengelenir. Bir organizmanın genlerinin böyle bir karma özelliğe katılım derecesine “kalıtsallık” (heritability) adı verilir. Bir özelliğin kalıtsallık ölçüsü, çevrenin o özellik üzerindeki değişen etkilerine bağlı olarak, görece ve görelidir. Örneğin insanın boyu dediğimiz karma özelliğin kalıtsallığı A.B.D.’nde %89 olarak belirlenmişken, beslenme ve sağlık sorunlarının bulunduğu Nijerya gibi yoksul bir ülkede çevrenin etkisi daha büyük olduğundan, bu oran ancak %62 olarak belirlenmiştir.
Kalıtımın moleküler temeli
DNA ve kromozomlar
DNA’nın moleküler yapısı. İplikler arasında bir uçtan bir uca hidrojen bağıyla birbirlerine tutturularak düzenlenmiş (dizilmiş) baz çiftleri.
Genlerin moleküler temeli deoksiribonükleik asittir (DNA). DNA da 4 tipteki bir nükleotitler zincirinden oluşur: adenin (A), sitozin (C), guanin (G), ve tiyamin (T). Genetik enformasyon (kalıtım bilgisi) nükleotitlerin dizilişinde bulunmakta olup, genler DNA zinciri boyunca uzanan diziler olarak mevcuttur. Bu kuralın dışında kalabilen tek istisna virüslerdir; virüsler bazen DNA yerine benzeri olan RNA molekülü kullanırlar; çünkü virüslerin genetik materyeli RNA’dır.
DNA, normal olarak, ikili sarmal biçimde dolanan iki “iplik”li bir moleküldür. DNA’nın iki ipliğinden birindeki her nükleotit, karşıt iplikteki nükleotit partneriyle bir çift oluşturur; yani A, T ile bir çift oluşturur, C de G ile… Dolayısıyla iki iplikten her biri, diğer iplikten gelen fazladan enformasyon sayesinde, tüm gerekli enformasyona sahip bulunur. DNA’nın bu yapısı, kalıtımın fiziksel temelidir. DNA ikileşmesinde, ipliklerin bölünmesiyle ve her ipliğin yeni iplik partnerinin bir şablonu (kalıbı) olarak kullanılmasıyla, genetik enformasyon kopyalanır.
Genler, kromozomlar dediğimiz, DNA dizisi zincirleri boyunca çizgisel bir düzende sıralanmışlardır. Bakterilerde her hücrenin, basit bir dairesel kromozoma sahip olmasına karşılık, bitki ve hayvanların da dahil bulunduğu ökaryot organizmalar çoklu çizgisel kromozomlar halinde düzenlenmiş DNA’lara sahiptirler. Bu DNA iplikleri son derece uzundur; örneğin en uzun insan kromozomu 247 milyon baz çiftini içerecek uzunluktadır.
Bir kromozomun DNA’sı, kromatin denilen bir madde oluşturarak DNA’ya girişleri yöneten ve denetleyen yapısal proteinlerle birleşmiş durumdadır. Ökaryotlarda kromatin genellikle nükleozomlardan oluşur. Bir organizmadaki kalıtımsal materyel bütününe (yani, genellikle, tüm kromozomlarındaki DNA dizilerinin tamamına) genom adı verilir.
Haploit organizmaların her kromozomundan yalnızca bir kopyaya sahip olmalarına karşın, hayvanların çoğu ve birçok bitkinin dahil olduğu diploitler, her kromozomundan iki kopyaya ve dolayısıyla her geninden iki kopyaya sahip olmakla nitelenirler.Bir genin ebeveynden (biri anneden, biri babadan) alınmış iki aleli “kardeş kromatitler”in “lokus”larında yer alırlar.
Hücrelerin üç tip bölünme biçimi:
Basit bölünme, mitoz bölünme, mayoz bölünme
Organizmanın cinsiyetinin belirlenmesinde rol oynayan, özelleşmiş kromozomlar olan “cinsel (cinsiyeti belirleyen) kromozomlar”da bir istisna sözkonusudur. Bu kromozomlardan (örneğin insandaki 23. kromozom çiftinden), insanlarda ve memelilerde çok az gene sahip olan Y kromozomu erkeklik özelliklerinin gelişimini başlatmasına karşın, diğeri, Y kromozomu, öteki kromozomlara benzemekte olup, cinsel belirlenmeyle ilgili olmayan birkaç gen içerir. Dişiler X kromozomundan iki kopyaya sahip olurlarken, erkekler bir X, bir de Y kromozomuna sahip olurlar. Dolayısıyla, “cinsel bağlantı” (İng. sex-linked) düzensizlikleri (hastalıkları) olarak ortaya çıkan alışılmadık kalıtım örnekleri de X kromozomunun kopyasındaki bu sayısal farklılıktan ileri gelir.
Üreme
Ana madde:
Üreme
Hücreler bölündüğünde, onların tüm genomu kopyalanır ve her kardeş (benzer, eş) hücre bir kopyasını miras alır. Mitoz adı verilen bu süreç, en sade üreme biçimi olup, “eşeysiz üreme”nin temelidir. Eşeysiz üreme, çokhücreli organizmalarda da, anne veya babadan birinin genomunu miras alan bir döl üremesini sağlayacak şekilde, oluşabilir. Döl genetik (kalıtım) olarak, “klon”ları denilen ebeveyne özdeş sayılır.
Ökaryotik organizmalarda ise genellikle “eşeyli üreme” olur. Eşeyli üremede ebeveynin her ikisinden gelen kalıtımsal materyelin karışımını içeren bir döl üretilir. Eşeyli üreme sürecinde, genomun içerilen kopyalarının tek (haploit) ya da iki oluşuna (diploit) bağlı olarak gelişen iki farklı biçim arasında bir alternatif olanağı sözkonusudur. Haploit hücreler genetik materyelleri birleştirerek çift kromozomlu bir diploit hücre yaratırlar. Diploit organizmalar haploitleri, DNA ikileşmesinin sözkonusu olmadığı bir bölmeyle biçimlendirerek kardeş hücreler yaratırlar. Bu hücreler her kromozom çiftinden birini ya da diğerini rastlantısal olarak kalıt (miras) almışlardır. Hayvan ve bitkilerin çoğu, yaşamlarının büyük kısmında diploit olmakla birlikte, tekhücreli gamet hallerinde haploit sayılırlar.
Eşeyli üremenin bu haploit/diploit yöntemini kullanmayan bakteriler ise, yeni kalıtımsal enformasyonun edinilmesinde birçok farklı yöntem kullanırlar. Örneğin, bazı bakterilerde "konjugasyon" denilen yolla, genetik materyelin (dairesel DNA parçasının) bir bakteriden diğerine aktarımı sözkonusudur. Bakteriler aynı zamanda, çevrelerinde bulunan DNA parçalarını alıp genomlarına dahil edebilirler ki, bu fenomen, “dönüşüm” olarak bilinir. Böylece bu süreç, organizmalar arasında kalıtımsal enformasyon parçalarının naklinin sözkonusu olduğu “yatay gen aktarımı” ile sonuçlanmış olur.
Thomas Hunt Morgan'dan "sarılma" ya da "kromozomal parça değişimi" çizimi, "Evrim Teorisinin bir Eleştirisi" (1916)
Kromozomal parça değişimi ve genetik bağlantı
Ana madde:
Sarılma (genetik)
Kromozomların diploit tabiatı, farklı kromozomlardaki genlere, eşeyli üreme sırasında, yeni gen kombinasyonları oluşturacak şekilde "bağımsız ayrışım" olanağı sağlar. Genlerin yeni gen kombinasyonları oluşturacak şekilde bu birleşmelerinde, aynı kromozomdaki genler teorik olarak asla birleşmezler; fakat bu, sarılma ya da "kromozomal parça değişimi" denilen süreçte geçerli değildir. Bu süreç sırasında kromozomlar, gen alellerini kromozomlar arasında değiş tokuş yapıp karıştırarak, DNA sıralanmalarını değiştirebilirler (diziler üzerinde değiş tokuş yapabilirler). Bu kromozomal parça değişimi süreci genellikle mayoz bölünme sırasında, yani gametin haploit "ata hücreleri"ni (germ cells) yaratan bir dizi hücre bölünmesi sırasında meydana gelir. (Bu ata hücreler de daha sonra birleşerek yavrunun organizmalarını meydana getirirler.)
Kromozomdaki belirli iki nokta arasında meydana gelebilecek "kromozomal parça değişimi" olasılığı bu iki nokta arasındaki uzaklığa bağlıdır. Nisbeten uzak bir mesafe için bu olasılık yüksek, yanaşık genler için bu olasılık düşüktür. Olasılığın düşük olması genlerin “genetik bağlantı” göstermesi anlamına gelir; her iki genin alelleri birlikte kalıt olmaya eğilimlidir. Genlerin dizileri arasındaki bağlantı miktarı bir çizgisel “bağlantı haritası” oluşturur ki, bu harita genlerin kromozom boyunca düzenlenişini aşağı yukarı tanımlar.
Gen ifadesi
Genetik kod
Hemoglobinin dinamik yapısı, memelinin kanındaki oksijen aktarımından sorumludur.
Tek bir aminoasit değişikliği hemoglobinde, liflerin biçimlendirilmesinde bozukluklara yol açabilir.
Genler, fonsiyonel etkilerini, genellikle, hücredeki fonksiyonların çoğundan sorumlu karma moleküller olan proteinlerin üretimiyle ifade ederler.[142] Proteinler amino asit zincirleridir ve bir genin DNA dizisi (aracı RNA sayesinde) özel bir protein dizisini üretmede kullanılır.Yazılım (transkripsiyon) denilen bu süreç, genlerin DNA dizisinin kopyalanmasının sözkonusu olduğu bir RNA molekülü üretimiyle başlar. Ardından, bu mRNA molekülü translasyon denilen bir süreçle, uygun bir amino asit dizisi üretmede kullanılır. Kodon denilen, diziler halindeki üç nükleotitlik her grup, proteindeki muhtemel 20 amino asitten her birine tekâbül eder ki, bu tekâbüle genetik kod adı verilir. Bu enformasyon akışı tek yönlü olur; yani enformasyon nükleotit dizilerinden proteinlerin amino asit dizisine aktarılır, proteinden DNA dizisine aktarılmaz. Bu fenomen Francis Crick tarafından “moleküler biyolojinin merkezî dogması” olarak adlandırılmıştır.[145]
Genetik kod:
Aracı bir mRNA vasıtasıyla, protein için üçlü bir kod kullanılıyor.
Amino asitlerin özel dizisinin (diziliminin) bir sonucu olarak, o proteinin yapısı üç boyutlu, benzersiz bir yapı olur ki, proteinlerin bu üç boyutlu yapıları fonsiyonlarıyla yakından ilişkilidir.Bunlardan bazıları, kollajen proteinince oluşturulmuş lifler gibi, basit yapılı moleküllerdir. Proteinler başka proteinlere bağlanabilirler ve basit moleküller, bağlı moleküllerdeki kimyasal reaksiyonları (proteinlerin kendi yapısını değiştirmeksizin) kolaylaştırarak enzim rolü oynarlar. Proteinin yapısı dinamiktir; örneğin hemoglobin proteini, memeli kanında oksijen moleküllerinin alınması, taşınması ve salınmasını kolaylaştırırken farklı biçimler alacak şekilde hafifçe kıvrılmalarda, eğilip bükülmelerde bulunur.
DNA’daki tek bir nükleotitin farkı bile, bir proteinin amino asit dizisinde bir değişikliğin olmasına neden olabilir. Proteinlerin yapıları onların amino asit dizilimlerinin sonucu oldukları için de, böyle bir değişiklik o proteinin özelliklerini değiştirebilir; örneğin proteinin özelliklerini, o proteinin yapısında istikrarın bozulmasına veya o proteinin diğer protein ve moleküllerle etkileşiminde değişiklikler olmasına yol açacak şekilde, değiştirebilir. İnsanlardaki kalıtımsal hastalıklardan “orak hücreli anemi” denilen kan bozukluğu bu duruma örnek olarak gösterilebilir. Bu hastalık, hemoglobinin β-globin seksiyonunu belirleyen kodlama bölgesindeki tek bir baz farklılığından kaynaklanır; bu bir bazın farklı olması, hemoglobinin fiziksel özelliklerinin değişmesine yol açan bir amino asiti doğurmaya yeterli olmaktadır. Hemoglobinin fiziksel özelliklerinin değişmesinin sonucunda ortaya çıkan “orak hücre” versiyonları, lifleri biçimlendireceklerine, kendi kendilerine saplanarak yığılıp kalırlar ki, bu da, proteini nakleden alyuvarların biçiminin bozulmasına yol açmaktadır. Alçalma ve tıkanma eğilimindeki bu orak biçimli hücrelerin, kan damarlarındaki akışı pek uzun sürmez ve sonunda kişide hastalıkla ilgili tıbbi rahatsızlıklara yol açarlar.
Bazı genler RNA’da kopyalanmakla birlikte proteine çevrilmezler ki, bunlara “kodlamayan RNA” molekülleri denir. Bu ürünler, bazı durumlarda, kritik hücre fonksiyonlarının kapsadığı yapılarda rol alırlar. (Ribozomal RNA, taşıyıcı RNA). RNA aynı zamanda, diğer RNA molekülleriyle “melezleme” etkileşimleri yoluyla düzenleyici etki rolüne sahip olabilir. (Örneğin microRNA)
Doğuştan gelenler - sonradan kazanılanlar
Siyam kedilerinin, pigment üretiminde ısıya-duyarlı bir mutasyonları vardır.
Genler, bir organizmanın işleyişiyle ilgili tüm enformasyonu içermekteyse de, çevre, nihai fenotipin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Genetik faktör ile çevre faktörü ikilemi, “doğuştan gelenler ile sonradan kazanılanlar” anlamında kullanılan “nature versus nurture” (kısaca, nature vs. nurture) deyişiyle ifade edilir. Bir organizmanın fenotipi kalıtım ile çevrenin etkileşimine bağlıdır. “Isıya duyarlı mutasyonlar” olgusu bu duruma örnek olarak gösterilebilir. Genellikle, bir protein dizisi içinde değişen bir amino asit, onun davranışını ve diğer moleküllerle etkileşimini değiştirmez; fakat yapının istikrarını bozar. Bu olay, moleküllerin daha hızlı hareket ettikleri ve birbirleriyle çarpıştıkları yüksek ısılı ortamlarda olduğunda, proteinde "denatürasyon" denilen, yapısının bozulmasıyla ve işleyişinin zayıflamasıyla kendini gösteren bozukluklara yol açar. Düşük ısılı ortamlarda ise proteinin yapısı istikrarlı kalır ve işleyişi normal halde devam eder. Bu mutasyon türü siyam kedisinin kürkünde renk bakımından gözle görülür halde kendini gösterir: Pigment üretiminden sorumlu bir enzimdeki mutasyon, derideki yüksek ısılı bölgelerde yapısal istikrarının bozulmasına ve işleyişinin zayıflamasına yol açmaktayken bacak, kulak, kuyruk gibi daha soğuk bölgelerde protein, işleyişini zayıflatmadan sürdürür; böylece kedi, uç bölgeleri koyu renkte olan bir kürke sahip olur.
Gen düzenlemesi
Transkripsiyon faktörleri ilgili genlerin transkripsiyonuna etkide bulunarak DNA’ya bağlanırlar.
Bir organizmanın genomu binlerce gen içermekle birlikte, bu genlerin hepsinin de belirli bir anda aktif olmaları gerekmez. Bir gen, mRNA transkripsiyonu gerçekleştiğinde (ve proteine çevrildiğinde) “ifade olmuş” demektir (Bkz. gen ifadesi,transkripsiyon). Genlerin ifadesini denetleyen birçok hücre yöntemi vardır. Mesela proteinler yalnızca hücre ihtiyaç duyduğunda üretilirler. “Transkripsiyon faktörleri”[154] genin transkripsiyonunu ya teşvik etmek ya da engellemek suretiyle düzenleyici proteinlerdir.[155] Örneğin Escherichia coli bakterisinin genomunda tryptophan[156] amino asitinin sentezi için gerekli bir dizi gen vardır; fakat tryptophan’ın hücrede kullanıma hazır hale gelmesinden sonra, bu genlere artık ihtiyaç duyulmaz. Tryptophan’ın varlığı genlerin faaliyetini doğrudan etkiler; tryptophan molekülleri “tryptophan baskılayıcısı”na[157] (bir transkripsiyon faktörü) “baskılayıcı”nın yapısını öyle değiştirerek bağlanırlar ki, "baskılayıcı" genlere bağlanır. “Tryptophan baskılayıcısı” "transkripsiyon"u ve genlerin “ifade”sini durdurur ve dolayısıyla, tryptophan sentezi sürecinin “olumsuz ürün denetim” (negative feedback)[158] düzenlemesini yaratır.[159]
Gen ifadesindeki farklılıklar, özellikle, hücrelerin aynı genomu içermelerine karşın, farklı gen takımlarının "ifadesi"nden kaynaklanan çok farklı yapı ve davranışlara sahip oldukları "çokhücreli organizmalar"da,[160] açıktır. Çokhücreli bir organizmadaki tüm hücreler, dış ve “hücrelerarası işaretler”e[161]karşılık olarak farklı hücre tipleri halinde farklılaşarak ve farklı davranışları yaratmada gen ifadesinin farklı modellerini derece derece saptayarak, tek bir hücreden türerler. Çokhücreli organizmalarda yapıların gelişiminden tek bir gen sorumlu değildir; bu modeller birçok hücre arasındaki karmaşık etkileşimlerden doğarlar.
Ökaryotlarda bazı değişikliklerle genlerin transkripsiyonunu etkileyen yapısal kromatin[162] tertibatı mevcuttur.[163] Bu tertibat “epigenetic”[164](üst-kalıtım) olarak adlandırılır; çünkü DNA dizisinin tepesinde bulunur ve bir hücre kuşağından diğerine aktarılan kalıta haizdir. Epigenetic tertibattan dolayı, aynı ortamda oluşan farklı hücre tipleri çok farklı özelliklere sahip olabilirler.
Kalıtımsal değişim
Gen duplikasyonu gereksiz kromozomal eşlemeyle farklılık getirir: Bir gen mutasyona uğrayabilir ve organizmaya zarar vermeksizin orijinal fonksiyonunu yitirebilir.
Mutasyonlar
Ana madde:
Mutasyon
DNA ikileşmesi süreci sırasında ikinci ipliğin "polimerizasyon"unda[165] tesadüfi hatalar olur. Mutasyonlar adı verilen bu hatalar, özellikle bir genin protein kodlama dizisinde meydana geldikleri takdirde organizmanın fenotipi üzerinde güçlü bir etkide bulunabilirler. Fakat “DNA polymerase”[166] enziminin, hataları düzeltme yeteneği sayesinde bu hataların oranı son derece düşüktür; hata oranı, her 10-100 milyon bazda 1 hata olarak gözlemlenmiştir.[167][168] DNA’daki değişim oranını arttıran süreçler mutajen ya da mutajenik[169] olarak adlandırılır. Mutajenik kimyasal ürünler genellikle baz çiftinin oluşma yapısına müdahale ederek, DNA ikileşmesindeki hataların büyümesine ve artmasına yol açarlar. Morötesi ışınım ise, DNA yapısına zarar vermek suretiyle mutasyonlara neden olur.[170] DNA’daki kimyasal zarar doğal biçimde meydana gelmekteyse de ve hücreler uyumsuzlukları ve bozulmaları tamir etmek üzere “DNA tamiri” mekanizmalarını kullanmaktaysalar da, tamir bazen DNA’yı -dizisi bakımından- orijinal haline geri döndürememektedir.
DNA takasında kromozomal parça değişimini kullanan ve genleri yeniden birleştiren (rekombine eden) organizmalarda mayoz bölünme esnasındaki sıralanma hataları da mutasyonlara neden olabilirler.[171] Bu hatalarda özellikle, benzer dizilerin neden oldukları, partner kromozomların hatalı bir sıralanmayı kabul etmeleri sözkonusudur; bu da genomlardaki bazı bölgeleri mutasyona daha eğilimli ve daha dayanıksız kılar. Bu hatalar DNA dizisinde büyük yapısal değişimler yaratırlar; tüm bölgelerde duplikasyonlar, inversiyonlar, delesyonlar gibi anomaliler veya farklı kromozomlar arasında parçaların kazara takası (translokasyon) sözkonusu olabilir.
Doğal seçilim ve evrim
Mutasyonlar farklı genotipi olan organizmaların ortaya çıkmasına neden olur ve bu farklılıklar da farklı fenotiplerin oluşmasıyla sonuçlanır. Birçok mutasyonun organizmanın fenotipi, sağlığı ve (doğal seçilimle ilgili) üreme uyumu (fitness) üzerinde az bir etkisi vardır. Zararlı mutasyonların yanı sıra, bazen, organizmanın içinde bulunduğu çevre koşulları bağlamında yararlı denebilecek mutasyonlar da olur.
Çeşitli (ortolog gen) dizilerinin karşılaştırılmalarıyla hazırlanmış, ökaryotik organizmaların bir evrim ağacı.
Popülasyon genetiği popülasyonlardaki bu genetik farklılıkların kaynaklarını, dağılımlarını ve bu dağılımların zamanla nasıl değiştiğini araştıran bir genetik altdalıdır.[172] Bir alelin bir popülasyondaki sıklığı doğal seçilimle etkilenebilir; belirli bir alelin hayatta kalma ve üremeyle ilgili yüksek oranı, o alelin zamanla o popülasyonda daha sık olmasına neden olabilir.[173] Aynı zamanda, “genetik sürüklenme”[174] denilen, şans faktörünün etkisiyle, yani olayların tesadüfi akışıyla oluşan değişimler de olabilir.[175] Genetik sürüklenme bir popülasyonun gen havuzunda, doğal seçilimden farklı olarak, uygun genlerin seçilmesi gibi bir yönlendirmeyle değil de, tamamen rastlantı eseri sayılan, kuşaktan kuşağa ortaya çıkan değişiklikler şeklinde tanımlanır.
Organizmaların genomları, birçok kuşak boyunca, evrim denilen fenomenle sonuçlanmak üzere, değişebilirler. Mutasyonlar ve yararlı mutasyonlar geçirerek ayıklanma (seçilim), evrim geçirmiş bir türün oluşumuna, yani bir türün çevresine daha uyumlu biçimlere dönüşerek evrimine neden olabilir ki, burada “adaptasyon”[176] denilen bir süreç sözkonusudur.[177] Yeni türler, “türleşme”[178] denilen, genellikle, birbirlerinden genetik olarak uzaklaşan farklı popülasyonların oluşmasına zemin hazırlayan coğrafik ayrılmaların yol açtığı süreçle oluşurlar.[179]
Evrim esnasında dizilerin birbirinden uzaklaşma ve değişimi olduğundan, diziler arasındaki bu farklılıklar, aralarındaki evrimsel uzaklığı hesaplamada bir “moleküler saat”[180] gibi kullanılabilir.[181] Genetik kıyaslamalar genellikle, türler arasındaki ilgiyi nitelemede, fenotipik kıyaslamalarla edinilmiş bazı yanıltıcı değerlendirmeleri de düzelten, en doğru yöntem olarak kabul edilir. Türler arasındaki evrimsel uzaklıklar “evrim ağacı” ya da “genetik ilişki ağacı”[182] denilen şemalarla temsil edilir ki, bu ağaç şemaları türler arasındaki (“yatay gen aktarımı”[183] olarak bilinen) ilgili genetik materyel aktarımını göstermemekle birlikte, “ortak ata”yı[184] ve zaman boyunca türlerin birbirinden uzaklaşmalarını gösterir.
Araştırma ve teknoloji
Yaygın meyve sineği (Drosophila melanogaster) sık kullanılan bir model organizmadır.
Model organizmalar
Genetikçiler başlangıçta organizmalar silsilesindeki kalıtım üzerinde çalışmışlarsa da, araştırmalar artık organizmaların bir altkümesi üzerinde özelleşmeye başlamıştır. Böylece model organizmaların bazıları günümüzdeki genetik araştırmaların önemli bir kısmı için temel oluşturmaya başlamıştır.[185] Model organizmalar genetiğindeki ortak araştırmaların konusu “gen düzenlemesi” çalışması, morfogeneze[186] ilişkin gelişim genleri ve kanserdir.
Geniş ölçüde kullanılan model organizmalar arasında, bağırsak bakterisi Escherichia coli, turpgiller familyasından Arabidopsis thaliana bitkisi, bir maya türü olan Saccharomyces cerevisiae, iplik kurdu Caenorhabditis elegans , yaygın meyve sineği Mus musculus sayılabilir.
Farklı araştırma alanları
Genetik bilimindeki gelişmelerin yanı sıra, araştırmaların gitgide farklı alanlarda özelleşmeye başlaması bu bilim dalının altdallarının oluşmasına neden olmuştur. Genetiğin altdallarından bazıları şunlardır:
•Evrimsel gelişim genetiği (Génétique évolutive du développement): Döllenmiş tekhücreli yumurta aşamasından başlayarak organizmanın oluşmasındaki tüm moleküler etkenleri ve dolayısıyla onları kodlayan genleri inceler. Yoğun olarak, özellikle iki taraflı simetri düzenlenmesiyle ve basit bir biyolojik sistemden (tekhücreliler, ışınsal simetri) karmaşık bir organizmaya (çokhücreli, genellikle metamerize ve özelleşmiş organlar halinde yapılaşmış organizmalar) geçişi sağlayan mekanizmalarla ilgilenir. Organizmanın oluşum mekanizmalarını incelemek için model organizma türleri (Drosophila , yuvarlak solucanlar, zebra balığı, tavuk vs.) kullanır. Fransızca'da evrimsel gelişim genetiği adıyla bilinen bu dal, İngilizce'de evrimsel gelişim biyolojisi olarak bilinir.
•Medikal genetik: İnsan genetik hastalıklarına ilişkin kalıtımı, hasta ailelerindeki "ayrışım"ı inceler. Bu yolla, tedavi biçimlerini sağlamak amacıyla, insan hastalıklarından sorumlu mutasyonları tanımlamaya çalışır.
•Genomik: İnsan genomunun (kromozomlarda yapılanmış üç milyar baz çiftinin, DNA bütününün) yapısını, bileşimini ve evrimini inceler ve DNA’da biyolojik bir anlamı olabilecek birimleri (genler, çevrilmeyen transkripsiyon birimleri, mikroRNA’lar, düzenleme üniteleri, transkripsiyon faktörleri olan promotörler, CNG alfa ve beta kları vs.) tanımlamaya çalışır.
•Kantitatif genetik : Genetik bileşenleri, niceliksel özelliklerin (boy, tüy rengi, büyüme hızı vs.) varyasyonunu (değişme, çeşitlenme) ve kalıtsallıklarını açıklayarak inceler.
•Evrim genetiği : Türlerin genomlarında doğal seçilimin izlerini inceler ve türlerin değişen çevrelerde (ortamlarda) hayatta kalmasında ve adaptasyonunda baş rolü oynayan genleri tanımlamaya çalışır.
•Popülasyon genetiği: Popülasyonların ve türlerin çeşitliliğini etkileyen güçleri (ve etki ya da sonuçlarını) matematiksel ve istatistikî yöntemler geliştirerek inceler. Bir başka deyişle popülasyonlardaki fertlerin benzerlik ve farklılıklarının kaynaklarını araştıran bir genetik altdalıdır. Dört ana madde üzerinden yola çıkarak araştırmalar yapar: Bunlar doğal seçilim, gen havuzu, mutasyonlar ve gen devamlılığıdır.
•Moleküler genetik: Canlıların kalıtım materyali olan genlerin yapılarını ve işlevlerini moleküler düzeyde inceleyen bir genetik altdalıdır. Moleküler genetik, moleküler biyolojinin ve genetiğin yöntemlerini kullanarak çalışır.
•Ekolojik genetik: Genetik çalışmaları ekolojik alanda sürdüren bir genetik altdalıdır. Ekolojik genetik, canlıların oluşturduğu popülasyonları "popülasyon genetiği" ile yakından ilişkili olarak araştırır.
Medikal genetik araştırmaları
Medikal genetik, genel olarak, kalıtımsal varyasyonun, insan sağlığı ve hastalıklarıyla ilişkilerini araştırmaktadır.[187]Bir hastalığa neden olabilecek bilinmeyen bir gen araştırıldığında, araştırmacılar, hastalıkla ilgili genomun konumunu saptamada genellikle “genetik bağlantı”dan ve genetik “soyağacı çizelgesi”nden[188] yararlanırlar. Popülasyon düzeyindeki araştırmalarda, araştırmacılar genomdaki, hastalıklarla ilgili genlerin konumlarını saptamada “Mendelci rastgelelik” yönteminden[189] yararlanmaktadır; bu teknik bilhassa, yalnızca tek bir genle kesin olarak belirlenemeyen, birkaç gene ilişkin (multigenic) özelliklerde[190] yararlı olmaktadır.[191] Hastalık geni olabilecek herhangi bir gen aday olarak saptanır saptanmaz, artık sonraki araştırmalar genellikle, orthologous geni[192] denilen bu gen üzerinde, model organizmalar kullanarak yapılır. Kalıtımsal hastalıklar çalışmasında ayrıca, genotipin kopyasını çıkartma tekniklerinin gelişmiş olması farmakogenetik alanına yol göstermektedir.[193]
Kanser kuşaktan kuşağa kalıtım (miras) yoluyla geçen bir hastalık olmasa da, günümüzde genetik (genetiğin konusu olan, genetik bilimiyle açıklanabilen) bir hastalık olarak ele alınmaktadır.[194] Kanserin vücuttaki gelişim süreci çeşitli olayların bir ara gelmesiyle oluşmaktadır. Bazen vücuttaki hücrelerde onların bölünme geçirmesine neden olan tesadüfi mutasyonlar olmaktadır ki, herhangi bir döl yoluyla aktarılmamış bu mutasyonlar, hücrelerin davranışını etkileyebilmekte ve kimi zaman onların büyümelerine ve daha hızlı bölünmelerine neden olmaktadırlar. Hücrelerin ölümlerine yol açacak bu anormal ve uygunsuz bölünme karşısında, kuşkusuz, mevcut bulunan biyolojik mekanizmalar bu süreci durdurmak üzere harekete geçerek sözkonusu hücrelere sinyaller gönderirler; fakat bazen oluşan ek mutasyonlar gönderilen sinyalleri sözkonusu hücrelerin alamamalarına, bu mesajlardan habersiz kalmalarına neden olur. Böylece, vücutta, bir çeşit “doğal seçilim iç süreci” meydana gelir; sonunda mutasyonlar gelişimlerini arttırarak hücrelerde iyice yoğunlaşırlar ve bir kanser tümörünü yaratmış olurlar. Tümör büyüyüp gelişerek vücudun çeşitli dokularını istila eder.
Hücresel klonlamaya bir örnek olarak, bir agar tabağında E. coli kolonileri
Araştırma teknikleri
Günümüzde DNA, laboratuvarda birçok bakımdan istenildiği gibi değiştirilebilmekte, üzerinde istenilen birçok düzenleme yapılabilmektedir.
