[Biyoloji] DNA Yapısı Ve Klonlama | Klonlama Nedir? Klonlama Uygulamaları

Genetik olayların hücrede moleküler düzeydeki temeli genetik materyal görevini üstlenen nükleik asitlerin yapı ve özelliklerine dayanır. Nükleik asitlerin iki türü olan deoksiribonükleik asit DNA ve ribonükleik asit RNA temelde aynı yapısal özelliklere sahiptir.
Genler, DNA‘daki bazı kimyasal dizilimler olan nükleotidlerden meydana gelmiştir. Çoğunluk kromozomların içersinde bulunurlar. Ayrıca DNA molekülü prokaryotlarda (Bakteriler) kromozom dışı genetik sistem, olan plazmidlerde, Ökaryotik hücrelerde genetik materyalin kromozomlar (Nukleus) dışında temel olarak (hayvan ve bitkilerde) mitokondri ve (sadece bitkilerde ve alglerde) kloroplastlarda bulunduğu bilinmektedir.
1953 yılında Watson ve Crick DNA molekülünün kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler. Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Ayrıca TMV (tütün Mozaik Virusu) üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
Bir başka önemli bulguda Chargaff tarafından saptanmıştır. Herhangi bir türe ait DNA nın nükleotidlerine parçalandığında serbest kalan nukleotidlerde adenin miktarının timine, guanin miktarının da sitozine daima eşit olduğunun saptanmasıdır.. Yani Chargaff kuralı‘na göre doğal DNA moleküllerinde adeninin timine veya guaninin sitozine oranı daima 1’e eşittir. (A/T=1 ve G/C=1).
İşte Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına ait bir model geliştirdiler. Bu modele göre, bir çok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı 1962 yılında bu iki bilim adamına Nobel Ödülü verildi.
Bu modele göre;
DNA molekülü, heliks (=sarmal) şeklinde kıvrılmış, iki kollu merdiven şeklindedir. Kollarını, yani merdivenin kenarlarını, şeker (deoksiriboz) ve fosfat molekülleri meydana getirir. Deoksiriboz ile fosfat grupları ester bağlarıyla birbirlerine bağlanmıştır. İki kolun arasındaki merdiven basamaklarında gelişigüzel bir sıralanma yoktur; her zaman Guanin (G), Sitozin’in (C ya da S); Adenin (A), Timin’in (T) karşısına gelir. Hem pürin (yani adenin ve guanin) ile pirimidin (yani sitozin ile timin) arasındaki hidrojen bağları, hemde diğer bağlar, meydana gelen heliksin düzgün olmasını sağlar. Pürin ve pirimidin bazları, yandaki şekerlere (Riboz), glikozidik bağlarla bağlanmıştır. Baz, şeker ve fosfat kombinasyonu, çekirdek asitlerinin temel birimleri olan nükleotidleri meydana getirmiştir. Dört çeşit nükleotid vardır. Bunlar taşıdıkları bazlara göre isimlendirilirler (Adenin, Guanin, Sitozin,Timin).
DNA molekülü kendini oluşturan nukleotidlerin sayısına bağlı olarak, büyüklüğü türden türe değişen, uzun zincir şeklinde bir yapı gösterir. İnsanda bu zincirin uzunluğu açıldığında 2 metreye kadar varabilir. Bütün halinde eldesi zincirin hassas ve kırılgan yapısından ötürü çok güçtür.
İki polinükleotid zincirin şeker fosfat omurgaları, ortak bir eksen çevresinde eşit çaplı ve sağ yöne doğru dönümler meydana getirir. Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine 90 derece açı yapacak şekilde konumlanmıştır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3,4A dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna 36 derecelik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360 derecelik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34A dür.
İki polinükleotid zincirdeki nukleotidler karşılıklı olarak birbirlerine hidrojen bagları ile bağlanmıştır. Bu bağ fosfor bağları kadar kuvvetli olmadığı için pH değişikliği, sıcaklık basınç gibi faktörlerde kolaylıkla birbirlerinden ayrılabilmektedir. DNA nın kendi kopyasını yapması ve gen anlatımı, nukleotidler arasındaki hidrojen bağlarının ayrılması ile gerçekleşmektedir.
Nükleotidler birbirlerine fosfat bağlarıyla bağlanarak, şeker ve fosfat kısımlarının birbirlerini izlediği serilerden oluşan bir omurgaya sahip uzun ve dallanmış polinükleotid zincirlerini meydana getirmiştir. Kovalent ester bağları veya fosfodiester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Fosfodiester bağlarının varlığı DNA molekülünün tek zincirli yapı halinde iken bile dayanıklı ve stabil yapıda olmasını sağlar. Genetik mühendisliğinin hedeflerinden biri olan klonlama çalışmaları, doğal yolla gerçekleşmesi mümkün olmayan kovalent bağ kırılmalarını gerçekleştirerek yeni türler oluşturma çabalarını içerir.
Nukleotidlerin yapısı bazik olmasına karşın oımurgadaki PO4(fosforik asit) grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır.
Hidrojen bağları daima bir pürin(A,G) ile bir pirimidin (T,C) bazı arasından meydana gelir. A-T baz çiftinde 2 hidrojen bağı, G-C baz çiftleri arasında ise 3 hidrojen bağı bulunmaktadır. Hidrojen bağlarının özelleşmesi; anahtar kilit modelinini andıran, uygun nukleotid moleküllerinin karşılıklı gelerek birbirlerine yine uygun sayıda hidrojen bağları ile bağlanmasını sağlar. Böylece zincirin bir kolunda bulunan nukleotidlerin dizilişi,karşı kolda bulunan nukleotidlerin dizilişini bir çeşit dikte ve kontrol eder. Tesadüfe bırakmayan bir titizlikle molekül yapısı oluşturulur ve kontrol edilir.
DNA molekülünün en önemli özellik iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Pozitif (+) ve negatif (–) iki polinukleotid zincirlerinin tamamlayıcılık özelliği,genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklanması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinin başında gelir.
DNA çift sarmalının dikkate değer ve önemli bir özelliği, molekülü oluşturan zincirlerin birbirlerinden kolaylıkla ayrılabilmesi ve yeniden birleşebilmesidir. Protein sentezi ve Dna replikasyonu (kendi kopyasını oluşturması) bu özellik sayesinde meydana gelebilir. DNA’nın iki zinciri, birbirine sadece H bağları ve hidrofobik etkileşimlerle bağlı olmaları nedeni ile, nükleotidleri arasındaki kovalent bağlardaki herhangi bir kopma olmaksızın çözülebilir (denatürasyon). Aynı şekilde çözülmüş molekülün zincirleri tamamlayıcı bazları arasında H bağlarının oluşumu ile birleşip sarmal yapıyı yeniden oluşturabilir (renatürasyon).
Nükleotidler arasındaki fosfor bağlarının kopması nedeniyle nükleotidlerin yerine başka nukleotid veya nukleotid dizisinin geçmesi mutasyonlara yol açar.Bu mutasyonların tek zincirli RNA molekülünde oluşma olasılığı çift zincirli DNA molekülüne göre daha fazladır.Mutasyonların neticeleri ölümcül olabilir. Evrimsel gelişim içinde mutasyonların menfi yada müspet etkileri gözardı edilemeyecek noktadadır. Günümüzde viral hastalıkların başında gelen AIDS’in önüne geçilememesinin en geçerli nedeni genomu tek zincirli RNA olan virusun sürekli mutasyonlar geçirerek kendini sürekli yenilemesi gösterilebilir.

Klonlama
Biyolojik klonlama sözlük anlamlarına göre şu şekillerde tanımlanabilir:
• Genetik olarak aynı olan bir grup bireyin eşeysiz üreme yoluyla aynı ana-babadan ayrılması. Birçok bitki ana bitkinin etrafındaki alanda filiz, tuber ya da bulb yoluyla çoğalarak kolonize olurlar. Aseksüel olarak üreyen bakteriler her zaman için kendilerinin sayısız kopyalarını yapabilmektedirler. Bunlar birbirlerinin tamamen aynısı olan (mutasyon geçiren suşlar hariç) klonlardır.
• Genetik olarak aynı olan bir grup hücre, orijinal bir hücreden mitoz bölünme yoluyla meydana gelir. Hücre yeniden kromozom setini meydana getirir ve iki yavru hücreye bölünür. Böylece, vücudumuzda ölen hücreler yerine yenileri meydana gelir. Dolayısıyla mitoz bölünme ile oluşan hücreler birer klon olarak tanımlanabilirler.
• Orijinal DNA sekansından oluşturulan DNA molekülünün bir parçası, bir bakteri ya da virüs kullanılarak çoğaltılabilir. Bu genellikle moleküler klonlama ya da DNA klonlama olarak adlandırılır.
• ‘Embriyo Bölünmesi’ yoluyla genetik olarak aynı olan hayvanların meydana getirilmesi. Bu durum doğal olarak, ikizlerde meydana gelmektedir. Sığırlarda, 4 ve 8 hücreli olan embriyodan, her bir hücre alınıp farklı annelere implante edildiğinde, hücreler normal olarak buzağı haline gelişirler. Bu teknik 10 yıldan uzun süredir sığır ıslahı projelerinde rutin olarak kullanılmaktadır.
• Bir vücut hücresi nükleusunun, nükleusu uzaklaştırılmış olan bir yumurta hücresi içine transfer edilmesi yoluyla genetik olarak aynı olan bir ya da daha fazla hayvanın meydana gelmesi. Bu, Nükleus Transferi (NT) ya da hücre nüklesu yerine koyma (Cell Nuclear Replacement=CNR) olarak bilinmektedir ve Dolly bu şekilde meydana getirilmiştir.

Canlıların cansızlardan en önemli farkı üreme özelliği, yani kendi benzerlerini meydana getirmeleridir. Üreme olayının temelinde yatan esas amaç, erkek ve dişide ayrı ayrı bulunan türe ait özelliklerin, yavruya geçmesidir. Böylece hem türün neslinin bozulmadan devamı sağlanmakta, hem de her nesilde aynı türe ait yeni çeşitler yaratılmaktadır. Bu mekanizmanın temeli, her ferdin türüne ait özelliklerin, moleküler şifre şeklinde kodlandığı iki iplikten yapılmış DNA zincirinin taşıdığı bilginin kopyalanmasına dayanır. Eşeyli olarak üreyen her canlının bütün vücuduna ait genetik bilgi onun hücrelerinde, biri annesinden biri de babasından gelmiş olan iki takım olarak mevcuttur. Yumurta ve sperm hücrelerine nakledilmesinden sonra bunlar birleşince döllenme sonucu meydana gelen tek hücre (zigot) yeni bir canlının başlangıcı olarak programına yazılmış rolünü oynamaya başlar. Bu tam teşekküllü hücre, yani döllenmiş yumurta, devamlı olarak bölünüp çoğalarak, her defasında kendisinin yeni kopyalarını yaparak milyarlarca ve trilyonlarca hücreden ibaret bir canlıyı meydana getirir. Bir hücreden trilyonlarca hücreye doğru ilerleyen gelişmenin belli dönemlerinde bazı hücreler kopyalanırken belli yol ayrımlarında farklılaşmalar görülür. Henüz embriyo döneminde, birkaç hücreden oluşan kitleyi teşkil eden hücreler, çok potansiyellidir. Böyle her şey olmaya kabiliyetli bir hücre bölünüp aynen kendi kopyasını meydana getirecek yerde, kopyalanırken daha farklı özelliklere sahip yeni bir hücre, örneğin, bir kas hücresi veya kemik hücresi yahutta kan hücresi meydana getirebilir. Böylece bir insan embriyosunda, gelişme sırasında yaklaşık 200 civarında farklı hücre meydana gelerek yeni dokuları meydana getirir. Meselâ; gözümüzdeki bir grup hücre ışığa hassasiyet kazanarak farklılaşırken, iç kulağımızdaki bir grup hücre seslere hassasiyet kazanır, karaciğerimizdeki bazı hücreler safra salgısı üretmek üzere çok farklı bir yapı kazanırken, pankreasımızdaki bazı hücreler insülin, bazıları da özel sindirim enzimleri üretmek üzere farklılaşırlar.

Böylece bir kimya laboratuarı gibi olan vücudumuzda ihtisas sahibi özel bölümler halinde, her birinin vazifesi ve yapısı farklı doku ve organlar meydana gelir. Bu şekilde farklılaşmasını tamamlayıp, özelleşen hücreler artık farklılaşmaz, ancak bölünerek belli ölçülerde kendi kopyasını yapmaya devam ederler, çünkü zaman içinde yaşlanan, yıpranıp eskiyen veya herhangi bir şekilde yaralanan hücrelerin yerine yenilerinin yapılarak tamir edilmesi ve eksıkliğin giderilmesi gerekir. Bundan sonraki kopyalanmalar artık hep aynı doku içindeki hücrelerin tam benzerlerini yapması şeklindedir. Karaciğer hücresi karaciğer, barsak hücresi barsak, deri hücresi deri olarak aynen kopyalanır.

Trilyonlarca sayıda hücreden oluşmuş vücudumuzda bu hücrelerin milyonlarcası her saniye bölünmeyi sürdürerek beden gelişimini devam ettiriyor. Bunun yanında yıpranmış hücreleri de yeniliyor. Somatik hücre adını verdiğimiz yapısal hücrelerde meydana gelen fizyolojik ve morfolojik değişimler, genetik intikal ile bir sonraki nesile aktarılamamaktadır. Dolayısıyla, biyolojik bedenimizde meydana gelebilecek mutasyonların etkileri populasyonun gen havuzunda bir değişime neden olmaz. Ancak bu durum üreme hücrelerinde farklı bir seyirde ilerler. Gerçekleşebilecek mutasyonlar, daha sonraki frekanslarda etkisini gösterecektir.