Ünitenin tamamını tek sayfada görPremium
Canlı organizmaların temel yapı taşı olan hücreler, genetik materyali barındıran ve karmaşık metabolik süreçleri yöneten yapılardır. Diploid (2n) organizmalarda kromozomlar homolog çiftler halinde bulunurlar. Bu homolog kromozom çiftlerinin her biri aynı boyutu, sentromer yerleşimini ve gen lokuslarını paylaşır. Eşeyli üreyen canlılarda bu çiftlerin bir üyesi anneden (maternal), diğer üyesi ise babadan (paternal) gelmektedir. Hücreler, nesiller boyu genetik devamlılığı sağlamak amacıyla mitoz ve mayoz bölünme mekanizmalarını kullanırlar. Hücre döngüsünün bir parçası olan mitoz bölünme, atasal hücreyle tamamen aynı genetik yapıya sahip iki yeni yavru hücrenin oluşmasını sağlayarak büyüme, gelişme ve doku onarımını yönetir. Mitoz; profaz, prometafaz, metafaz, anafaz ve telofaz evrelerinden oluşur ve sitoplazma bölünmesi (sitokinez) ile sonlanır.
Eşeyli üremenin temelini oluşturan mayoz bölünme ise diploid (2n) bir hücreden haploid (n) gametlerin veya sporların oluşmasını sağlar. Mayoz bölünme sırasında gerçekleşen krossing-over (parça değişimi) ve homolog kromozomların kutuplara rastgele çekilmesi, oluşan gametlerin genetik açıdan birbirinden farklı olmasını sağlayarak genetik varyasyonun temel kaynağını oluşturur. Hayvanlarda dişi ve erkek mayoz süreçleri farklılık gösterir; spermatogenez sonucunda eşit sitoplazma dağılımıyla dört adet aktif haploid sperm hücresi oluşurken, oogenez sürecinde sitoplazma tek bir büyük yumurta hücresinde toplanır ve diğer genetik materyal kutup cisimciklerine aktarılarak elenir. Bu durum, döllenme sonrası zigotun gelişimi için gerekli olan besin ve sitoplazmik faktörlerin korunmasını sağlar.
Kalıtım biliminin temelleri Gregor Mendel'in bezelye bitkileriyle yaptığı monohibrit, dihibrit ve trihibrit çaprazlama çalışmalarıyla atılmıştır. Mendel, kalıtımın ebeveynlerden yavrulara geçen ve 'birim faktörler' (günümüzde alleller) olarak adlandırılan yapılarla kontrol edildiğini keşfetmiştir. Mendel'in ortaya koyduğu temel ilkeler arasında baskınlık-çekiniklik ilişkisi, gamet oluşumu sırasında allellerin eşit olasılıkla ayrılması (ayrılma ilkesi) ve farklı karakterleri kontrol eden allellerin birbirlerinden bağımsız olarak gametlere dağılması (bağımsız açılım ilkesi) yer alır. Mendel, baskın fenotipli bireylerin genotipini (homozigot mu yoksa heterozigot mu olduğunu) belirlemek amacıyla çekinik homozigot bireylerle yapılan 'test çaprazlaması' yöntemini geliştirmiştir.
Kalıtım modellerinin deneysel sonuçlarla uyumunu test etmek amacıyla istatistiksel analizlerden yararlanılır. Ki-kare analizi, gözlenen fenotipik değerler ile teorik olarak beklenen Mendel oranları arasındaki farkın şansa bağlı olup olmadığını denetleyen sıfır hipotezini (H0) test etmek için kullanılır. İnsan gibi kontrollü çaprazlamaların yapılamadığı ve yavru sayısının az olduğu organizmalarda ise kalıtım modellerini belirlemek amacıyla nesiller boyu aile ilişkilerini gösteren soyağacı (pedigri) analizleri uygulanmaktadır.
Mendel'in çalışmalarının yeniden keşfedilmesinden sonra, fenotipik ifadelerin her zaman klasik baskınlık-çekiniklik ilişkilerine uymadığı görülmüştür. Eksik baskınlıkta heterozigot bireyler iki homozigot atasal fenotipin arasında bir ara fenotip gösterirken (örneğin pembe çiçek rengi), eş baskınlıkta (kodominans) her iki allel de heterozigot bireyde aynı anda ve ayırt edilebilir şekilde kendisini gösterir (örneğin AB kan grubu). Çoklu allellik durumunda ise bir populasyonda aynı genin ikiden fazla alleli bulunabilir. Bazı genlerde meydana gelen mutasyonlar gelişim için kritik olan proteinlerin sentezini engelleyerek embriyonik veya ergenlik döneminde ölüme yol açan letal (öldürücü) etki gösterebilir. Epistaz ise bir lokustaki genin etkisinin, başka bir lokustaki gen tarafından maskelenmesi veya değiştirilmesi durumudur.
Eşeyin belirlenmesi ve eşey kromozomlarının davranışı canlı gruplarında farklılık gösterir. İnsanlarda Y kromozomunun varlığı erkekliği belirlerken, Drosophila'da cinsiyet X kromozomlarının sayısı ile otozomal kromozom setleri arasındaki dengeye bağlıdır. Dişilerde iki adet X kromozomu bulunurken erkeklerde tek X bulunması, genetik bilgi miktarında dengesizliğe yol açar; bu durum memelilerde doz ayarlaması (dozaj kompenzasyonu) mekanizmasıyla çözülür. Gelişimin erken evrelerinde dişinin somatik hücrelerindeki X kromozomlarından biri rastgele inaktive edilerek yoğunlaşır ve 'Barr cisimciği' haline gelir. Bu durum Lyon hipotezi ile açıklanmaktadır.
Kromozom yapısında veya sayısında meydana gelen sapmalar kromozom mutasyonları olarak adlandırılır. Anöploidi, diploid sayıya bir veya birkaç kromozom eklenmesi (trizomi) veya eksilmesi (monozomi) durumudur ve genellikle mayozda kromozomların düzgün ayrılmaması (ayrılmama) sonucu oluşur. Poliploidi ise tüm kromozom setinin katlanarak artmasıdır. Kromozom yapısındaki değişiklikler arasında delesyon (parça kaybı), duplikasyon (parça artışı), inversiyon (parçanın ters dönmesi) ve translokasyon (parçanın başka bir kromozoma taşınması) yer alır. Bu yapısal değişiklikler mayozda düzgün gamet oluşumunu engelleyerek kısırlığa veya gelişimsel bozukluklara yol açabilir.
Genetik materyalin DNA olduğu, bakteriyofajlar ve bakterilerle yapılan transformasyon çalışmalarıyla kesin olarak kanıtlanmıştır. 1953 yılında Watson ve Crick, Chargaff'ın baz kompozisyonu verileri ile Franklin ve Wilkins'in X-ışını kırınımı verilerini birleştirerek DNA'nın ikili sarmal (B-DNA) modelini önermişlerdir. DNA, antiparalel uzanan iki polinükleotit zincirinden oluşur; bu zincirler birbirine adenin-timin (2 hidrojen bağı) ve guanin-sitozin (3 hidrojen bağı) baz eşleşmeleriyle bağlıdır. DNA replikasyonu yarı saklı (semikonservatif) olarak gerçekleşir. Meselson ve Stahl'ın azot izotopları kullanarak E. coli'de yaptıkları deneyler, replikasyon sırasında her eski zincirin yeni sentezlenecek zincir için bir kalıp görevi gördüğünü kanıtlamıştır.
DNA replikasyonu replikasyon çatalında gerçekleşir. Sarmalın açılmasıyla oluşan gerilim topoizomerazlar ile hafifletilir ve tek zincirli bağlayıcı proteinler sarmalın geri kapanmasını önler. DNA polimeraz III enzimi sentezi başlatmak için serbest bir 3'-OH ucuna ihtiyaç duyar; bu uç primaz enzimi tarafından sentezlenen kısa bir RNA primeri ile sağlanır. Antiparalel yapı nedeniyle, kesintisiz zincirde sentez sürekli ilerlerken, kesintili zincirde kısa Okazaki fragmanları sentezlenir. Bu fragmanlar daha sonra DNA polimeraz I'in primeri uzaklaştırıp yerine DNA koyması ve DNA ligazın parçaları birleştirmesiyle tamamlanır. Doğrusal ökaryotik kromozomların uçlarında oluşan kısalma sorunu ise telomeraz enzimi tarafından çözülür.
Ökaryotik hücrelerde DNA, histon proteinleri (H2A, H2B, H3, H4 ve H1) ile birleşerek nükleozom adı verilen tekrarlayan birimleri oluşturur ve kromatin iplikleri şeklinde organize olur. Klasik iki ebeveynli çekirdek kalıtımından farklı olarak, mitokondri ve kloroplast gibi organellerin kendilerine ait halkasal DNA'ları bulunur ve bu organeller sadece anne (yumurta) yoluyla yavrulara aktarılır; bu durum çekirdek dışı (organel) kalıtım olarak tanımlanır. Endosimbiyotik teoriye göre bu organeller, milyarlarca yıl önce ökaryotik hücrelerle ortak yaşama geçen antik protobakterilerden köken almıştır.
Genetik bilgi, DNA'dan RNA'ya (transkripsiyon) ve RNA'dan proteine (translasyon) doğru tek yönlü olarak akar; bu süreç moleküler biyolojinin santral doğmasıdır. Genetik şifre üçlü nükleotit dizilerinden (kodon) oluşur, dejeneredir (birden fazla kodon aynı amino asiti şifreleyebilir), üst üste çakışmaz ve evrenseldir. Transkripsiyon sürecinde RNA polimeraz, DNA üzerindeki promotor bölgelerine bağlanarak komplementer RNA sentezini başlatır. Ökaryotlarda sentezlenen öncül mRNA; 5' şapkası eklenmesi, 3' poli-A kuyruğu ilavesi ve intronların sıplayzing (ekleme) yöntemiyle çıkarılması gibi transkripsiyon sonrası modifikasyonlarla olgun mRNA'ya dönüştürülür.
Translasyon, ribozomlarda gerçekleşen ve tRNA'ların mRNA kodonlarına uygun amino asitleri taşımasıyla polipeptit zincirinin sentezlendiği süreçtir. Gen ifadesinin düzenlenmesi prokaryotlarda genellikle operon sistemleriyle (örneğin lac ve trp operonları) yürütülür. lac operonu laktoz varlığında uyarılan (indüklenebilen) bir sistemken, trp operonu triptofan varlığında baskılanan (represyon) bir sistemdir. Ökaryotlarda ise gen ifadesi; kromatin yapısının değiştirilmesi, promotor ve enhensır (hızlandırıcı) bölgelerine bağlanan transkripsiyon faktörleri, DNA metillenmesi ve RNA interferans (RNAi) gibi çok daha karmaşık ve çok basamaklı mekanizmalarla kontrol edilir.
Mutasyonlar DNA dizisinde meydana gelen kalıcı değişikliklerdir ve genetik varyasyonun temelini oluştururlar. Nokta mutasyonları yanlış anlamlı (missense), anlamsız (nonsense) veya sessiz mutasyonlara yol açabilirken; nükleotit eklenmesi veya çıkarılması okuma çerçevesini kaydırarak çerçeve kayması (frameshift) mutasyonlarına neden olur. Hücreler bu hasarlara karşı nükleotit kesip-çıkarma ve yanlış eşleşme onarımı gibi mekanizmalar geliştirmiştir. Hücre döngüsünün kontrol noktalarında (G1/S, G2/M, M) meydana gelen bozulmalar ve proto-onkogenlerin onkogenlere dönüşmesi veya tümör baskılayıcı genlerin (örneğin p53) işlevini kaybetmesi, kontrolsüz hücre bölünmesi ve metastaz ile karakterize olan kanser hastalığına yol açar.
Rekombinant DNA teknolojisi, DNA'yı belirli dizilerden kesen restriksiyon enzimleri ve bu parçaları taşıyan vektörler (plazmitler) yardımıyla genlerin klonlanmasını sağlar. Polimeraz Zincir Reaksiyonu (PCR) ise hedef DNA bölgesinin in vitro koşullarda milyonlarca kez çoğaltılmasına olanak tanıyan hızlı bir yöntemdir. Genomik, bir organizmanın tüm genom dizisini ve genlerin yapı-işlev ilişkilerini incelerken; proteomik, hücrede ifade edilen tüm proteinlerin yapısını ve etkileşimlerini araştırır. Gen işlevlerinin belirlenmesinde maya, Drosophila ve C. elegans gibi kısa yaşam döngüsüne sahip model organizmalar üzerinde gerçekleştirilen ileri ve ters genetik analizler ile gen nakavt (knockout) yöntemleri kritik rol oynar.
Popülasyon genetiği, bir popülasyondaki allel ve genotip sıklıklarının zaman içindeki değişimini ve evrimsel süreçleri inceler. Hardy-Weinberg yasası; seçilim, mutasyon, göç, genetik sürüklenme gibi evrimsel güçlerin bulunmadığı, popülasyonun sonsuz büyüklükte olduğu ve rastgele eşleşmenin gerçekleştiği ideal durumlarda allel sıklıklarının kuşaktan kuşağa değişmeden sabit kalacağını öngörür. Bu yasa, popülasyonların evrimsel dengede olup olmadığını belirlemek için matematiksel bir temel (p^2 + 2pq + q^2 = 1) sunar. Doğal seçilim, popülasyondaki allel sıklıklarını değiştiren ve uyum başarısını (fitness) artıran en güçlü mekanizmadır.
Küçük popülasyonlarda gamet örneklemesi nedeniyle allel sıklıklarının rastgele değişmesine genetik sürüklenme denir. Popülasyon darboğazı (bottleneck) veya kurucu etkisi gibi durumlar genetik çeşitliliğin dramatik şekilde kaybolmasına yol açar. Genetik çeşitliliğin azalması, popülasyonda homozigotluğun ve zararlı çekinik allellerin birikmesine (soy içi eşleşme çöküntüsü) neden olarak türlerin değişen çevre koşullarına uyum yeteneğini azaltır. Koruma genetiği, tehlike altındaki türlerin genetik çeşitliliğini korumak amacıyla in situ (doğal ortamında koruma) ve ex situ (gen bankaları, hayvanat bahçeleri) yöntemleri kullanarak biyoçeşitliliğin sürdürülmesine katkı sağlar.