Genomik Nedir? Genom, Transkriptom ve Proteom Gibi Genetik Terimler Ne Anlama Gelir?

Genomik, genlerin birbirleriyle ve canlının çevresiyle etkileşimini anlamak, genomların yapısını ve işlevini sıralamak, bunları birleştirmek ve analiz etmek için rekombinant DNA, DNA dizileme yöntemleri ve biyoinformatik gibi alanların birlikte çalışması ile oluşan bir moleküler biyoloji ve genetik alanıdır. Bir seferde bir gen veya gen ürünü yerine bir organizmanın kalıtsal materyalinin tamamını incelemesi bakımından klasik genetikten ayrılır. Dahası genomik, genom içindeki lokuslar ve aleller arasındaki etkileşimlere ve epistaz, pleiotropi ve heteroz gibi diğer etkileşimlere de odaklanır. Hem Frederick Sanger'in çalışmaları hem de yeni nesil dizileme teknolojileri sayesinde genomik alanı gelişmiştir.

National Human Genome Research Institute

Genomik ile İlişkili Kavramlar

DNA Nedir?

Deoksiribonükleik asit (DNA), neredeyse tüm canlı organizmaların faaliyetlerini geliştirmek ve işlevleri yönlendirmek için gereken talimatları içeren kimyasal bileşiktir. DNA molekülleri genellikle çift sarmal adlandırılan bükülmüş bir çift şeritten oluşur. Her bir DNA zinciri, genetik alfabeyi oluşturan, nükleotid adı verilen dört kimyasal birimden oluşur. Bazlar adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanindir (G). Zıt iplikçikler üzerindeki bazlar spesifik olarak eşleşir. Bir adenin daima bir timinle eşleşir ve bir guanin daima sitozinle eşleşir. Bu nükleotid sıralamaları, tıpkı harflerin sıralanarak anlamlı kelimeler oluşturması gibi, DNA'nın anlamını belirler.

Genom Nedir?

Bir organizmanın tam DNA setine, onun genomu denir. Vücuttaki hemen hemen her hücre, insan genomu oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin tam bir kopyasını içerir. Dört harfli dili ile DNA, tüm insan vücudunu inşa edebilmek için gereken bilgiye sahiptir.

Gen, geleneksel olarak, belirli bir protein ya da protein setini yapmak için talimatlar taşıyan DNA birimi olarak tanımlanır. İnsan genomunda tahmin edilen 20.000-25.000 genin her biri, ortalama 3 protein kodlar. Bir insan hücresinin çekirdeğine yerleştirilmiş 23 çift kromozom üzerinde bulunan genler, enzimlerin ve haberci moleküllerin yardımıyla proteinlerin üretimini yönetir.

Spesifik olarak bir enzim, bir genin DNA'sındaki bilgiyi, haberci ribonükleik asit (mRNA) adı verilen bir moleküle kopyalar. mRNA, çekirdeğine dışına ve hücrenin sitoplazmasına gider; burada mRNA, ribozom adı verilen küçük bir moleküler makine tarafından okunur ve bilgi, belirli bir protein oluşturmak için, aminoasitler adı verilen molekülleri doğru sırada birbirine bağlamak için kullanılır. Bu proteinler ise organlar, dokular gibi vücut parçalarını oluşturur, kimyasal reaksiyonları kontrol eder ve hücreler arasında sinyaller taşır. Bir hücrenin DNA'sı mutasyona uğrarsa, anormal bir protein üretilebilir, bu da vücudun olağan süreçlerini bozabilir ve kanser gibi hastalıklara yol açabilir.

Genomik Kütüphane Nedir?

Gen kütüphaneleri ya da DNA kütüphaneleri, belirli bir organizmadan her genin en az bir kopyasını içerecek kadar büyük, klonlanmış gen koleksiyonlarıdır. Bu genleri klonlamak ve kütüphane şekilde depolamak için hangi vektör organizmaların kullanılacağını, genlerin ve organizmanın genomunun büyüklüğü belirler. Prokaryotik organizmaların genleri, her biri ortalama 1000 baz çifti olmak üzere, genelde kısadır ve karmaşık olmayan vektör sistemleriyle, kolayca kütüphaneler hazırlanabilir. Buna karşılık, özellikle insanı içeren ökaryotik genler, çok daha fazla ve uzundur. Bu nedenle daha karmaşık kütüphane hazırlama ve vektör kullanımı metotları gerektirir. Gen kütüphaneleri ayrıca çevresel DNA örneklerinden alınabilir. Bu tür metagenomik kütüphaneler, belirli bir ortamda bulunan çok sayıda canlıdan elde edilen genleri içerir.

Transkriptom Nedir?

Önceden de belirtildiği gibi DNA'nın işlevini gerçekleştirebilmesi için uğradığı adımlardan biri mRNA şeklinde okunmasıdır ve bu olaya transkripsiyon denir. Bir transkriptom, bir hücrede bulunan tüm gen okumalarının bir koleksiyonunu içerir.

Hücrede çok çeşitli RNA türleri vardır, mRNA proteinin oluşması için gerekli amino asit sırasını belirtir, rRNA ribozomun yapısında bulunur ve proteinin sentezi sırasında görev alır, tRNA ise amino asitleri ribozomlara hedefleyen, taşıyıcı RNA tipidir. Diğer küçük, çeşitli görevlere sahip RNA'lar ve 3 temel RNA'nın hepsi, kopyalandığı DNA'nın dizisini yansıtır. Sonuç olarak bir hücrenin transkriptomunu inceleyerek araştırmacılar, bir organizmanın hücrelerinde protein ifadesinin yerini ve zamanını belirleyebilir.

İnsanlarda ve diğer organizmalarda hemen hemen her hücre organizmanın genomuna dahil olan her geni içerir fakat her gen her hücrede ve her zaman ifade olmaz. Yani hücreler farklı ifade kalıpları içerir. Araştırmacılar bu gen ifade düzeyi farklılıklarının hangi sonuçlar doğurduğunu, hastalıklarla ilişkilerini ve olası tedavi yöntemlerini bulabilmek için transkriptom çalışmalarına başvururlar.

Proteom Nedir?

Bir proteom, bir organizma tarafından üretilen tüm protein dizilerinin eksiksiz bir koleksiyonu anlamına gelir. Transkriptomda olduğu gibi proteom da bir canlının genomunun yansımasıdır. Bunun yanında stabil bir özellik gösteren genomun aksine proteom, organizmanın gelişim aşaması ve hem iç hem de dış koşullar dahil olmak üzere çeşitli faktörlere yanıt olarak aktif bir şekilde değişir.

Proteomun çalışılması, proteomik olarak adlandırılır ve proteinlerin nasıl çalıştığı ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğinin anlaşılmasını içerir. Örneğin proteinler, işlevleri doğrultusunda karmaşık 3 boyutlu yapılar şeklinde katlanır ve bazıları kompleksler haline gelerek birbirleriyle birleşir, sentezlendikten sonra çeşitli modifikasyonlara uğrarlar. Bunların tamamı proteomun kapsamı dahilindedir.

Proteomun incelenmesi için çok çeşitli yöntemler vardır. Örneğin iki boyutlu jel elektroforezi, proteinleri boyutlarına ve türlerine göre ayırır. Proteom ayrıca, karmaşık örneklerdeki belirli proteinleri tanımlayan kütle spektrofotometresi adı verilen bir diğer laboratuvar tekniği ile de incelenir.

DNA Dizileme Nedir?

Biyolojik numunelerdeki nükleik asit kalıntılarının sırasının belirlenmesi, çok çeşitli araştırma uygulamalarının ayrılmaz bir bileşenidir. Son 50 yılda çok sayıda araştırmacı DNA ve RNA moleküllerini sıralayarak bu bileşeni kolaylaştırmak için birçok sayıda teknik geliştirdiler ve bu teknikler sayesinde birçok organizmanın genomunu dizilediler. Bu zaman ölçeği, kısa oligonükleotidlerin uzun uğraşlar sonucunda sıralanmasından milyonlarca bazın yıllar süren sıralamasına, tek bir genin kodlama dizisinin anlaşılmasından tüm genom dizilemelerine kadar muazzam değişikliklere tanık oldu.

Genetic Engineering and Biotechnology News

Genomu Dizilenen İlk Organizma Nedir?

DNA Dizileme için teknikler geliştirmeye çalışan bilim insanları, küçük ve basit organizmaların genomların dizileyerek işe başladılar. Teknikler geliştikçe insan gibi çok daha karmaşık organizmaların genomlarını dizilemek mümkün hale geldi. Sonuç olarak artık, inceleyip karşılaştırabileceğimiz, dizilenmis geniş bir genom kataloğumuz var. Genomu dizilenen ilk canlı ise 1976 yılında Belçika Ghent Üniversitesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Laboratuvarı üyesi Walter Fiers ve ekibi tarafından çalışılan, MS2 bakteriyofajıdır. Bu bakteriyofaj, Escherichia coli'yi içeren bakteri ailesini enfekte eden tek sarmallı bir RNA virüsüdür ve 3.569 bazlık tek bir kromozoma sahiptir.

İlk DNA Dizileme Teknolojileri Nelerdir?

Gilbert ve Maxam, 1973 yılında 24 baz çifti dizisini, gezinme noktası analizi olarak bilinen bir yöntem kullanarak bildirdiği zamanlarda olduğu gibi genlerin dizilenmesindeki ilk çalışmalar, zahmetli, zaman alıcı, yoğun emek isteyen çalışmalardı. Neyse ki bu durum, araştırmacı Frederick Sanger'in DNA'yı dizilemek için birkaç daha hızlı ve daha verimli teknikler geliştirdiği 1970'li yılların ortalarında değişmeye başladı. Gerçekten de, Sanger'in bu alandaki çalışması o kadar çığır açıcıydı ki 1980'de Kimya'da Nobel Ödülü almaya hak kazanmasını sağladı.

Sonrasındaki birkaç 10 yıl içinde, teknik gelişmeler otomatik hale geldi, önemli ölçüde hızlandı ve Sanger'in sıralama süreçleri daha da iyileştirildi. Zincir sonlandırma veya dideoksi yöntemi olarak da bilinen Sanger dizileme, farklı uzunluktaki DNA zincirlerini sentezlemek için saflaştırılmış bir DNA polimeraz enziminin kullanılmasını içerir. Sanger yönteminin reaksiyon karışımının temel özelliği deneye dideoksinükleotid trifosfatların dahil edilmesidir.

Yeni Nesil Dizileme Teknolojileri Nelerdir?

Yeni nesil dizileme (NGS), büyük ölçüde paralel dizileme, genomik araştırmada devrim yaratan bir DNA dizileme teknolojisini tanımlayan terimdir. NGS kullanılarak tüm insan genomu bir günde dizilenebilir. Bunun aksine, insan genomunu deşifre etmek için kullanılan önceki Sanger dizileme teknolojileri, son insan genomu taslağını sunmak için 10 yıldan fazla süre gerektirdi. Genom araştırmalarında NGS, çoğunlukla geleneksel Sanger yönteminin yerini almış olsa da henüz rutin klinik uygulamalara çevrilmemiştir. Farklı dizileme teknolojileri kullanan çeşitli NGS yöntemleri vardır. Temelde tüm yöntemler DNA parçalarının paralel olarak, aynı anda dizilenmesini içerir. Ardından biyoinformatik analizler bu sonuçları yorumlar, bu şekilde hata oranı da azaltılmış olur.

İnsan Genom Projesi Nedir?

Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü tarafından Ulusal Sağlık Enstitülerinde (NIH) yürütülen İnsan Genomu Projesi, insan genom dizisinin halka açık veri tabanlarında ücretsiz olarak bulunabilen çok yüksek kaliteli bir varyasyonunu üretmiştir. Bu uluslararası proje, bütçe dahilinde ve planlanandan iki yıl fazla bir sürede, Nisan 2003'te başarıyla tamamlandı.

Sekans, birkaç kişiden elde edilen DNA verisini içeriyordu. Bu nedenle temsili veya "jenerik" bir dizidir. DNA donörlerinin anonimliğini korumak için, yaklaşık 100 kişi olmak üzere gerekenden daha fazla kişiden kan örneği alınmıştır ve analiz edilen örneklerde herhangi bir kişi belirtilmemiştir.

İnsan Genom Projesi, çok çeşitli biyomedikal çalışmalar için kullanılabilecek bir kaynak oluşturmak üzere tasarlandı. Böyle bir kullanım, kanser gibi belirli hastalıkların riskini artıran genetik varyasyonları taramaya veya kanser hücrelerinde sıklıkla görülen genetik mutasyon tiplerini tespit etmeye yardımcı olur. Genomun nasıl çalıştığını tam olarak anlayabilmek, ve hastalıklar için genetik temeli keşfedebilmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Genomiğin Tıp Bilimlerinde Kullanım Alanları Nelerdir?

Neredeyse her insan rahatsızlığının temelinde genler vardır. Yakın zamana kadar doktorlar, genler ve genetik çalışmaları yalnızca doğum kusurları ve sınırlı sayıda diğer hastalıklarda dikkate alabiliyorlardı. Bunlar orak hücre anemisi gibi genetik anlamda basit, öngörülebilir kalıtım modellerine sahip durumlardır, çünkü her biri tek bir bendeki mutasyondan kaynaklanır.

İnsan Genomu Projesi ve diğer genomik araştırmalar tarafından üretilen insan DNA'sı hakkında geniş veri hazinesiyle bilim insanları ve klinisyenler, çok daha karmaşık hastalıklarda, çevresel etkenlere birlikte hareket eden çoklu genetik faktörlerin oynadığı rolü incelemek için daha güçlü araçlara sahiptir. Kanser, diyabet ve kardiyovasküler hastalıklar gibi durumlar en sık rastlanan sağlık sorunlarıdır. Genom tabanlı araştırma, hâli hazırda tıbbi araştırmacıların gelişmiş teşhisler, daha etkili terapötik stratejiler, klinik etkinliği göstermek için kanıta dayalı yaklaşımlar ve hastalar için daha iyi karar verme araçları geliştirmesine olanak sağlamaktadır. Nihayetinde, tedavilerin bir hastanın özel genomik yapısına göre şekillendirilmesi kaçınılmaz görünüyor. Böylelikle sağlık hizmetlerinde genetiğin rolü derinden değişmeye başlıyor ve genomik tıp çağının ilk örnekleri açığa çıkıyor.

Bununla birlikte keşifleri bilimsel laboratuvardan tıbbi kliniğe taşımanın genellikle önemli ölçüde zaman, çaba ve finansman gerektirdiğini anlamak önemlidir. Genom temelli araştırmaya dayalı çoğu yeni ilacın, en az 10-15 yıl uzakta olduğu tahmin ediliyor. Biyoteknoloji uzmanlarına göre bir şirketin Gıda ve İlaç İdaresi sistemlerinden onay alması için gereken türden klinik çalışmaları yürütmesi genellikle 10 yıldan fazla sürer. Bunun yanında ilaç tedavisini kendi ihtiyaçlarına göre daha iyi uyarlamak için bir hastanın genetik yapısı hakkında bilgilerin kullanılmasını içeren farmakogenomik alanında da hızla ilerleme kaydedilmektedir.

Açıkçası genetik, insanların en yaygın hastalıkları geliştirme riskine katkıda bulunan birkaç faktörden sadece biridir. Diyet, yaşam tarzı ve çevresel etkiler, pek çok kanser türü de dahil olmak üzere bir çok durumu etkiler. Genetiğin daha derin bir şekilde anlaşılması, hücrelerin temel bileşenlerini ortaya çıkararak ve nihayetinde de tüm çeşitli unsurların hem sağlık hem de hastalıkta insan vücudunu etkilemek için nasıl birlikte çalıştığını açıklayarak kalıtsal risklerden daha fazlasına ışık tutacaktır.