Karşılaştırmalı Genomik Bilimi

Yazdır Karşılaştırmalı Genomik Bilimi

Tüm genom dizilerinin karşılaştırılması, organizmaların genetik düzeyde birbirleri ile ne kadar ilişkili olduğu hakkında detaylı bilgiler verir. Genomların nasıl karşılaştırıldığı ve genlerin genel yapısının ve genomun nasıl evrimleştiği hakkındaki bu bulgular bize neler anlatır?

 

Karşılaştırmalı genomik bilimi, farklı türlerin - insan, fare ve bakteriden şempanzeye kadar diğer birçok organizmanın- genom dizilerinin karşılaştırıldığı biyolojik bir araştırma alanıdır. Farklı organizmaların genomlarını karşılaştırarak, bilim insanları farklı yaşam formlarını moleküler düzeyde birbirinden ayıran özelliklerin ne olduğunu anlayabilirler. Karşılaştırmalı genomik bilimi, türler arasında ortak veya korunmuş genlerin yanı sıra, her bir organizmaya özgün karakterleri kazandıran genleri de belirlemeye yardım eder ve bu sebeple organizmalar arasındaki evrimsel değişiklikleri anlamak için güçlü bir araçtır.

 

Genomu Oluşturan Şey Nedir?

Yeryüzündeki canlılar birçok farklı şekilde görünmelerine ve farklı davranış şekilleri göstermelerine rağmen, genomlarının tümü, birbirinden farklı tipte protein kodlayan genleri taşıyan kimyasal bir zincir olan DNA’dan (Deoksiribo Nükleik Asit’ten) oluşur. DNA içerisinde, bir organizmanın oluşması için gerekli bilgiyi taşır ve bu sayede organizmalar, yavrularına bu bilgiyi aktarırlar. Göze çarpar şekilde, bu bilgi sadece 4 nükleotid tarafından kodlanır; Adenin (A), Sitozin (S/C), Guanin (G) ve Timin (T). Lineer DNA moleküllerinde bulunan bu nükleotidlerin sırasının anlaşılması, DNA’nın çift iplikli yapısının keşfedilmesinden (Watson ve ark. 1953) bu yana önemli bir uğraş haline gelmiştir. Aslında DNA dizileme, moleküler biyoloji araştırmalarında önemli bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bir araştırma aracı olarak DNA dizilemenin gücü, daha fazla genomun dizilenmesine olanak tanıyan ve herhangi bir yaşam formunun çalışılmasında karşılaştırmalı genomiği ulaşılabilir hale getiren DNA dizileme teknolojilerinde önemli ilerlemelere sebep olmuştur.

 

Hangi Genomlar Dizilendi?

‘İnsanın genetik bilgi kitabındaki’ 3 milyar harfi dizilemenin yanı sıra (Lander ve ark. 2001), İnsan Genom Projesine katılan bilim insanları birçok önemli model organizmanın genomunu da dizilemişlerdir. Bunların içerisinde, şempanze (Lander ve ark. 2005), fare (Waterston ve ark. 2002), sıçan (Gibbs ve ark. 2004), 2 kirpi balığı (Jaillon ve ark. 2004; Aparicio ve ark. 2002), meyve sineği (Adams ve ark. 2000), 2 deniz üzümü (Dehal ve ark. 2002; Small ve ark. 2007), 2 yuvarlak solucan (Stain ve ark. 2003; Stein ve ark. 1998), ekmek mayası (Goffeau ve ark. 1996) ve E.coli bakterisi (Blattner ve ark. 1997) yer alır. İnsan genomunun tamamlanmasından bu yana tavuk (Blattner ve ark. 2004), inek (Elsik ve ark. 2009), köpek (Lindblad-Toh ve ark. 2005), bal arısı (Lindblad-Toh ve ark. 2006), deniz kestanesi (Sodergren ve ark. 2006) ve Rhesus maymununun da (Gibbs ve ark. 2007) genom taslağı dizilenmiştir.

1000’in üzerinde prokaryot genomu ile birlikte toplamda 1300’ün üzerinde türün genomu tamamen dizilenmiştir ve bunlar yayınlanmıştır (ca. 2010) ve bu sayı müthiş bir hızda artmaya devam etmektedir. Böylece tüm bunlar, genomik verilerin karşılaştırılmasında zengin bir bilgi kaynağı sunar.

 

Genomlar Nasıl Karşılaştırılır?

Genom büyüklüğü, genlerin sayısı ve kromozomların sayısı gibi genomun genel özelliklerinin basit bir şekilde karşılaştırılması, karşılaştırılmalı genomik analizinin başlangıç noktasını oluşturur. Tamamen dizilenmiş birkaç model organizmanın verisi Tablo 1’de gösterilmiştir. Bu karşılaştırmalar, bazı göze çarpan bulguların altını çizer. Örneğin; küçük çiçekli bir bitki olan Arabidopsis thaliana (157 milyon baz), meyve sineği Drosophila melanogaster’den (165 milyon baz) daha küçük bir genoma sahip iken, neredeyse 2 kat daha fazla gene sahiptir (Arapidopsis 25 bin, Drosophila 13 bin). A. thaliana, insan (25 bin) ile yaklaşık aynı sayıda gene sahiptir. Böylece, genom çağında öğrenilen ilk ders, genom büyüklüğünün evrimsel durum ile bağlantılı olmadığı ve gen sayısının genom büyüklüğü ile orantılı olmadığıdır.

Organizma Tahmini Büyüklük (baz çifti) Kromozom Sayısı Tahmini Gen Sayısı
İnsan (Homo sapiens) 3 milyar 46 ~ 25.000
Fare (Mus musculus) 2,9 milyar 40 ~ 25.000
Meyve Sineği (Drosophila melanogaster) 165 milyon 8 13.000
Bitki (Arabidopsis thaliana) 157 milyon 10 25.000
Yuvarlak Solucan (Caenorhabditis elegans) 97 milyon 12 19.000
Maya (Saccharomyces cerevisia) 12 milyon 32 6.000
Bakteri (Escherichia coli) 4,6 milyon 1 3.200

Tablo 1. İnsan ve diğer model organizmaların karşılaştırmalı genom büyüklüğü

Daha iyi çözünürlüklü karşılaştırmalar, türler arasında direkt DNA dizi karşılaştırmaları ile mümkündür. Şekil 1,  iki memeli arasındaki sinteni düzeyini gösteren insan ve fare genomunun kromozom düzeyinde karşılaştırmasını gösterir. Sinteni, farklı türlerde genlerin benzer kalıplarda düzenlendiği bir durumdur. Örneğin; X kromozomu tek, karşılıklı sintenik kalıplar olarak temsil edilir. İnsandaki 20. kromozom tümüyle, sadece çok küçük merkezi bir segment tarafından bozulan, ancak neredeyse tüm uzunluk boyunca sıranın mükemmel bir korunmasıyla faredeki 2. kromozoma karşılık gelir. İnsandaki 17. kromozom tümüyle farenin 11. kromozomunun bir kısmına karşılık gelir. Ancak diğer kromozomlar daha yoğun kromozomlar arası yeniden düzenlenme gösterirler.  Bunun gibi sonuçlar, 75-80 milyon yıl önce fare ve insanın ortak atalarından ayrıldığından bu yana genomlarını şekillendiren kromozomal değişimlere sıra dışı bir bakış açısı sağlar.

Şekil 1: İnsan ve fare genomunda korunmuş segmentler.  Fare genomunda korunmuş, sıralı en az iki gen içeren segmente sahip insan kromozomları siyah ile gösterilmiştir. Her bir renk özel bir fare kromozomundan sorumludur. 1,9, 16. kromozomların subsentromerik heterokromatinleri ve sentromerleri ve 13, 14, 15, 21 ve 22. kromozomların tekrarlı kısa kolları siyah ile gösterilmiştir. (International Human Genome Sequencing Consortium; Lander, E. S. et al. 2001)

Genomların farklı segmentlerinin karşılaştırılması, farklı türlerden homolog DNA’nın hizalanması ile mümkündür. Böyle bir hizalama örneği, bir insan geni olan pirüvat kinazın (PKLR) makak, köpek, fare, tavuk ve zebra balıklarındaki ilgili homologlarının hizalandığı Şekil 2’de gösterilmiştir. PKLR geninin 12 kilobazlık bir bölgesi boyunca, insan ile yüksek DNA dizi benzerliği gösterdiği bölgeler, her bir organizma için işaretlenmiştir. İnsan ve makak maymunu arasındaki (2 primat), PKLR geninin intron (kırmızı) ve translasyona uğramayan bölgelerinin (açık mavi) yanı sıra ekzonlarında (mavi) yüksek derecede dizi benzerliği fark edilecektir. Bunun aksine, insan ile tavuk ve zebra balığının hizalamaları, sadece kodlama yapan ekzonlardaki dizilere benzerlik gösterirken, dizinin kalanı insan DNA dizisi ile güvenilir olarak hizalanamayacağı bir noktaya kadar farklılaşır. Milyarlarca yıl boyunca organizmalarda korunan genomik özelliklere odaklanmak için bilgisayara dayalı analiz kullanan araştırmacılar, gen ekspresyonunu düzenleyebilen dizilerin yanı sıra, genlerin yerlerini gösteren sinyalleri de belirleyebiliyorlar. Gerçekten de insan genomunun birçok işlevsel kısmı, bu tip dizi karşılaştırmaları ile keşfedilmiş veya doğrulanmıştır (Lander ve ark. 2001) ve şu anda her yeni genom dizisinin analizi için standart bir bileşendir.

Şekil 2: Makak, köpek, fare, tavuk ve zebra balığı genomları ile karşılaştırılan insan PKLR gen bölgesi.  Dikey eksendeki sayılar, çizim üzerindeki bir nokta için 100 baz çiftindeki identik (özdeş) nükleotidlerin oranını gösterir. Yatay eksendeki sayılar, 12 kb insan genomik dizisinin başlangıcından itibaren nükleotid pozisyonunu gösterir. Koyu mavi pikler PKLR geninde kodlama yapan bölgelere karşılık gelir.  Açık mavi pikler PKLR mRNA transle olmayan bölgelere karşılık gelir. Kırmızı pikler, ortalama benzerliğin %75’den fazla olduğu bölgeler olarak tanımlanan korunmuş kodlama yapmayan bölgeleri (CNS’ler) gösterir. Hizalama, dizi karşılaştırma aracı VISTA (http://pipeline.lbl.gov) kullanılarak oluşturulmuştur.

İki genomu birlikte karşılaştırarak elde edilebilen bilginin, bu iki tür arasındaki filogenetik uzaklığa büyük ölçüde bağlı olduğunu homolog dizi hizalamalarından öğrenmiş bulunmaktayız. Filogenetik uzaklık, genellikle biriken dizi değişimlerinin sayısı, yıl sayısı veya jenerasyon sayısı olarak ifade edilen bir evrimsel ölçekte iki organizma veya onların genomları arasındaki ayrılma derecesinin bir ölçüsüdür. Bu uzaklık genellikle organizmalar arasındaki ilişkiyi gösteren filogenetik ağaç üzerine yerleştirilir (Şekil 3). İki organizma arasındaki mesafe arttıkça, onlar arasındaki dizi benzerliği veya paylaşılmış genomik özellikler azalacaktır.

Şekil 3. Farklı filogenetik mesafelerde genomların karşılaştırılması özel soruların ele alınmasını sağlar.

Böylece oldukça uzun filogenetik uzaklıklardaki (örneğin; ayrıldıktan sonraki 1 milyar yıl boyunca) genomik karşılaştırmalar ile sadece paylaşılan genler hakkında genel bilgi toplanabilir. Böyle oldukça uzun mesafeler boyunca, genlerin sırası ve bu genlerin transkripsiyonunu düzenleyen dizilerin izi nadiren korunmuştur.

Daha yakın filogenetik uzaklıklarda (ayrılmanın gerçekleştiği 50-200 milyon yılda) korunmuş segment içinde hem işlevsel hem de işlevsel olmayan DNA dizileri bulunur. Bu durumda işlevsel diziler, işlevsel olmayan DNA’dan daha yavaş bir şekilde veya daha az değişikliğe uğramış dizilerden dolayı seçilimin izlerini gösterecektir. Ayrıca, işlevsel DNA’yı işlevsel olmayan DNA’dan ayırma yeteneğinin ötesinde karşılaştırmalı genomik bilimi, genlerin kodlama yapan ekzonlarını, kodlama yapmayan RNA’larını ve bazı gen düzenleyici bölgeleri gibi önemli DNA dizileri sınıflarının da belirlenmesine katkı sağlamıştır.

Bunun aksine, evrim sürecinde yaklaşık 5 milyon yılda ayrılan oldukça benzer genomlar, (insan ve şempanzede olduğu gibi) biyolojik formlarda çok küçük değişimleri açıklayabilen dizi farklılıklarını bulmak için oldukça kullanışlıdır. Bunlar doğal seçilimin tek bir fenotipi desteklediği ve alel frekansının sürekli olarak bir yönde kaydığı bir süreç olan yönlendirilmiş seçilim altındaki dizi değişiklikleridir. Böylece karşılaştırmalı genomik bilimi, genomik dizi verisi biriktikçe daha bilgi verici hale gelen biyolojik keşifler için umut vadeden güçlü bir yaklaşımdır.

 

Karşılaştırmalı Genomiğin Yararları Nelerdir?

Hızla gelişen karşılaştırmalı genomik biliminden önemli sonuçlar ortaya çıkmıştır. İnsan genomu ile meyve sineğinin genomunun karşılaştırması, genlerinin yaklaşık %60’ını paylaştıklarını göstermiştir (Adams ve ark. 2000). Yani, iki organizma çekirdek bir gen setini paylaşıyorlar. Araştırmacılar ayrıca kanserde rolü olduğu bilinen insan genlerinin 3’te 2’sinin meyve sineğinde bir karşılığı olduğunu bulmuşlardır.

Karşılaştırmalı genomik, insan sağlığı için uygulanmasının yanı sıra, daha geniş hayvan dünyası ve ekolojik çalışmalar için de yararlı olabilir. Dizileme teknolojileri daha kolay ve ucuz hale geldikçe, hayvan ve bitki türleri arasında çok küçük farklılıkları ayırmak için bir araç olarak tarımda, biyoteknolojide ve zoolojide geniş uygulama alanı bulacaktır. Bu çabalar belki de nadir ve nesli tükenmekte olan türlerin korunmasında yeni stratejilerin ortaya çıkmasının yanı sıra, evrimsel ‘yaşam ağacı’nın’ bazı dallarındaki bildiklerimizin değişmesine sebep olabilir.

 

Yazan: Jeffrey Touchman (Fen Bilimleri Bölüm, Arizona Eyalet Üniversitesi) © 2010 Nature Education

Teşekkür: Bu çeviri için Gülsevinç AY'a teşekkür ederiz.

Düzenleyen: Ayşegül Şenyiğit

Orijinal Kaynak: Nature

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. Adams, M. D., Celniker, S. E. et al. The genome sequence of Drosophila melanogaster. Science 287, 2185-2195 (2000).
  2. Aparicio, S., Chapman, J. et al, Whole-genome shotgun assembly and analysis of the genome of Fugu rubripes. Science 297, 1301-1310 (2002).
  3. Blattner, F. R., Plunkett, G. et al. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science 277, 1453-1462 (1997).
  4. Blattner, F. R., Plunkett, G. et al. Sequence and comparative analysis of the chicken genome provide unique perspectives on vertebrate evolution. Nature 432, 695-716 (2004).
  5. Deha, P., Satou, Y. et al. The draft genome of Ciona intestinalis: insights into chordate and vertebrate origins. Science 298, 2157-2167 (2002).
  6. Elsik, C. G., Tellam, R. L. et al. The genome sequence of taurine cattle: a window to ruminant biology and evolution. Science 324, 522-528 (2009).
  7. Gibbs, R. A,. Rogers, J. et al. Evolutionary and biomedical insights from the rhesus macaque genome. Science 316, 222-234 (2007).
  8. Gibbs, R. A., Weinstock, G. M. et al. Genome sequence of the Brown Norway rat yields insights into mammalian evolution. Nature 428, 493-521 (2004).
  9. Goffeau, A., Barrell, B. G. et al. Life with 6000 genes. Science 274, 546, 563-547 (1996).
  10. Jaillon, O., Aury, J. M. et al. Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto-karyotype. Nature 431, 946-957 (2004).
  11. Lander, E. S., Linton, L. M. et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409, 860-921 (2001).
  12. Lander, E. S., Linton, L. M. et al. Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome. Nature 437, 69-87 (2005).
  13. Lindblad-Toh, K., Wade, C. M. et al. Genome sequence, comparative analysis and haplotype structure of the domestic dog. Nature 438, 803-819 (2005).
  14. Lindblad-Toh, K., Wade, C. M. et al. Insights into social insects from the genome of the honeybee Apis mellifera. Nature 443, 931-949 (2006).
  15. Small, K. S., Brudno, M. et al. A haplome alignment and reference sequence of the highly polymorphic Ciona savignyi genome. Genome Biol 8, R41 (2007).
  16. Sodergren, E., Weinstock, G. M. et al. The genome of the sea urchin Strongylocentrotus purpuratus. Science 314, 941-952 (2006).
  17. Stein, L. D., Bao, Z. et al. The genome sequence of Caenorhabditis briggsae: a platform for comparative genomics. PLoS Biol 1, E45 (2003).
  18. Stein, L. D., Bao Z. et al. Genome sequence of the nematode C. elegans: a platform for investigating biology. The C. elegans Sequencing Consortium. Science 282, 2012-2018 (1998).
  19. Waterston, R.H., Lindblad-Toh, K., et al. Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome. Nature 420:520-562 (2002).
  20. Watson, J.D., Crick, F.H. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171(4356):737-738 (1953).
0 Yorum