BAKTERİ GENETİĞİ

BAKTERİ GENETİĞİ

Canlıların tüm özelliklerinin, kalıtsal olarak nesilden nesile aktarıldığı öteden beri bilinen bir gerçektir. Yaşamın temel maddeleri kabul edilen nükleik asitler (DNA=deoxyribonucleic acid, RNA=ribonucleic acid) üzerinde yapılan incelemeler, kromozom haritalarının çizilerek, özellikle mikroorganizmalar arasındaki ilişkilerin ortaya konmasında, tüm canlıların sayısız özellik ve biyolojik fonksiyonlarının açıklanmasında yardımcı olmuştur. Çalışmalar ökaryotik ve prokaryotik yapıya sahipolan tüm hücrelerde, genlerin replikasyonu ve fonksiyonundan sorumlu olan yapının DNA olduğunu göstermiştir. RNA genomuna sahip genuslarda ise bu görev RNA’dadır. Tüm canlılarda genlerin replikasyonu (eşleştirilmesi) ve çalışma prensipleri aynı temele dayanmakla birlikte, kromozomların biçim ve bölünme sırasında gösterdikleri birtakım değişiklikler (mitoz, mayoz) gibi aralarında bu temeli bozmayan bazı farklar bulunabilir.

Nükleik Asitlerin Yapısı:

1. Deoksiribonükleik Asid (DNA): DNA molekülleri, nükleotid adı verilen yapıtaşlarından meydana gelen iki polinükleotid iplikçiğinin, sarmal biçimde birbirine bağlanması ile oluşan oldukça büyük moleküllerdir. Nükleotidlerin yapısında,

– bir pürin veya pirimidin bazı,

– 5 karbonlu bir şeker (pentoz)

– ester bağı oluşturan fosfat molekülü üç temel eleman bulunur.

Pürin bazları Adenin (A) ve Guanin (G), pirimidin bazları ise Sitozin (S) ve Timin (T)’den oluşmuştur. Pentoz molekülü DNA’da deoksiriboz, RNA’da ise riboz yapısındadır; nükleik asitler şekerlerin yapılarına göre adlandırılır. Pürin veya pirimidin bazlarının pentoz molekülleri ile yaptıkları bileşiklere nükleosid adı verilir. Nükleosidler şeker (pentoz) moleküllerinin yapısında bulunan karbon atomlarının, pürin veya pirimidin yapısındaki nitrojen atomlarına bağlanması suretiyle oluşturulurlar. Nükleosidlerin pentoz molekülleri arasında (5¢ ® 3¢ yönünde), fosforik asidin ester bağları oluşturmasıyla da nükleotidler meydana gelir. Nükleotidlerin polimerizasyonu ile oluşan DNA iplikciği bir polinükleotid olup, DNA molekülü bu özelliğe sahip iki iplikciğin yan yana gelip, hidrojen bağları ile bağlanması sonucu meydana gelen sarmal bir yapıdır. Hidrojen bağları Adenin ile Timin arasında iki (A=T), Sitozin ile Guanin arasında ise (CºG) adet olacak şekilde belli kurallara göre gerçekleşir. O halde bir DNA molekülündeki Adenin miktarı Timin miktarına, Sitozin miktarı da Guanin miktarına eşit olmaktadır. Ancak bir DNA molekülünde bulunan A+T miktarı, C+G miktarı ile eşit değildir. (A+T)/(C+G) oranı, her canlı türü için özgül olup değişmez niteliktedir. Bu nedenle bu özellikten mikroorganizmaların sınıflandırılmasında yararlanılmakta, G+C’nin tüm DNA molekülüne oranı birbirine yakınlık gösterenler aynı cins ve türe dahil edilmektedir.

Bir DNA molekülündeki pürin ve pirimidin bazlarının (A, T, C, G)sayısı ve diziliş biçimi, her canlı varlık için değişmeyen ve özgüllük gösteren bir genetik yapı özelliğidir. Bunun doğal bir sonucu olarak doğada milyonlarca farklı canlı türü ve bu türlerin herbirinin birbirine benzemeyen bireyleri (fenotip) bulunmaktadır. Bir canlının fenotipini belirleyen ve sayıları binlerce olabilen biyolojik özellik ve fonksiyonlarının her biri de spesifik genetik yapısının bir ürünüdür. Yani her bir biyolojik özellik ve fonksiyondan “gen” adı verilen genetik birimler sorumludur. Genler sorumlu oldukları fonksiyonlarısentez ettirdikleri enzimlerle gerçekleştirmektedir.

Belli sayı ve sıra ile yan yana gelen aminoasidlerin polimerizasyonu sonucu oluşan herbir protein molekülünün, gen üzerinde spesifik bir kodlama düzeni vardır.Protein molekülü ile ilgili kodlama, pürin ve pirimidin bazları içeren nükleotidlerin üçlü gruplar halinde dizilmesi ile sağlanmaktadır. Her biri bir aminoasidi kodlayan bu üçlü gruplara (taban üçlüsü=triplet) genetik dilinde kodon adı verilmektedir. Proteinlerin yapıtaşı olan aminoasid türlerinin sayısı yirmi olup, pürin ve pirimidin bazlarının üçlü gruplar halinde yan yana gelmeleri sonucuoluşacak olan kodon sayısı daha fazladır. Yapılan çalışmalar 64 değişik kodon oluşabileceğini göstermiştir.

DNA molekülünü oluşturan iki polinükleotid iplikçiği birbirinden ayrılabilir ve herbir iplikçik, önceden karşısında bulunan ve kendisini tamamlayan diğer iplikçiği yeniden ve aynen oluşturabilme yeteneğindedir. Başka hiçbir molekülde bulunmayan bu özellik sayesinde, üreme sırasında birbirinden ayrılan iki polinükleotid zinciri (iplikçik), karşıtı olan diğer zinciri sentezleyerek aynı yapı ve özellikte iki DNA molekülü meydana getirebilmektedir. Bu olaya replikasyonyani DNA’nın kendi kendini eşletmesi adı verilir.

Bakterilerde DNA’nın Replikasyonu:

E. coli ve S. typhimurium ile yapılan çalışmalar, bakteri kromozomlarının çember biçiminde olduğunu göstermiştir. DNA sarmalının replikasyonu “replication origin” adı verilen bir noktadan başlamaktadır. DNA bu nokta aracılığı ile mezozoma bağlanmış olup, mezozomda replikasyon için gerekli enzimler bulunmaktadır. Replikasyonun hücrenin bölünmesi ile birlikte, düzenli bir biçimde gerçekleşmesi ise kromozomun belli bir yerinde bulunan özgül bir genin denetimi altındadır. Replikasyonda önce, mezozomdan itibaren iki DNA iplikçiği birbirinden ayrılmaya başlar ve ayrılan polinükleotid iplikçiklerinden 5¢ uçlusu, mezozomun yakınındaki ikinci bir noktaya bağlanır. Çember biçimindeki DNA (bakteri kromozomu) saatin ters yönünde dönerken, polinükleotid iplikçikler de bir yandan birbirinden ayrılıp, diğer yandan da ayrılan her bir iplikçik hemen kendi karşılığını (tamamlayıcı iplikçik) sentezlenir. DNA’nın dönüşü tamamlanıp iki polinükleotid iplikçiğin ayrılması tümüyle gerçekleştiğinde, bakteri içinde birbirinin tıpatıp benzeri olan iki DNA sarmalı oluşmuştur. Bu sırada uzayan bakteri hücresinde, ana bakteri DNA’sının iplikçiklerinin sitoplazma zarında bağlı olduğu noktalar (mezozom)da birbirinden uzaklaşmışlardır. Bunu takiben önce sitoplazmik zar, arkasından hücre duvarı içeriye doğru girinti yapar. Böylece bakteride transvers (uzayan bakteriyi enine ikiye bölen) bir membran ve duvar yapımı, dış tabakalardan içeriye doğru tamamlanarak içinde yenisentezlenen nükleer materyal bulunan iki yavru hücre oluşur. Bakterilerde her ne kadar mitoz mekiği bulunmuyorsa da, transvers membran o şekilde oluşur ki, DNA’nın replikasyonu ile meydana gelen iki yeni kromozomdan her biri yavru hücrelere gider ve bu hücreler birbirinin tıpatıp benzeri olur.

DNA’nın replikasyonu sırasında bir takım enzim ve proteinler görev almaktadır. Replikasyonun başlangıcında, başlatma kompleksi (initation complex) adı verilen ve replikasyon noktası ile DNA giraz ve RNA polimeraz gibi enzimlerin de aralarında bulunduğu, çeşitli proteinler uygun yerlerde birikir. Oluşan polinükleotid zincirlerinin uzaması DNA polimeraz III, uç kısımlarından bağlanması ise DNA ligaz enzimleri aracılığı ile gerçekleşir. Bakterilerdeki kromozomal DNA’nın replikasyonu ile ilgili kurallar, ekstrakromozomal (kromozom dışı) DNA elemanları (plazmid, bakteriyofaj) için de geçerlidir. Bu şekilde, hücre içinde kromozomal DNA’dan bağımsız olarak bulunan ve kendi kendine replike olabilen DNA yapısındaki birimlere replikonadı verilir.

DNA üzerindeki genler gelişi güzel dizilmeyip, belirli bir düzen içinde bulunurlar. Birbiri ile ilişkili olanlar genellikle “operon” adı verilen gen gruplarını oluştururlar. Operonlarda birbiri ile çok yakın ilişkili bunların bir arada uyumlu çalışmalarını sağlayan yardımcı genler de bulunur.

Bir DNA molekülünün uzunluğu, bin baz çiftini tanımlayan kilobase pairs (kbp) ile ifade edilir.

DNA molekülünün ikinci önemli özelliği ise, gerektiğinde üzerinde bulunan nükleotid sırasına uygun özellikte ribonükleik asid (RNA) molekülleri oluşturularak, hücrenin biyolojik fonksiyonlarını yönetmektir.

2. Ribonükleik Asid (RNA).

Yapısı genel olarak DNA molekülne benzer. DNA’dan farklı olarak yapısında deoksiriboz yerine riboz, Timin (T) yerine onun gibi bir pirimidin olan Urasil (U) bulunur. Ayrıca RNA molekülü çift iplikli bir sarmal olmayıp, tek iplikli bir polinükleotid zincirinden oluşmuştur. Bununla birlikte, bu iplikçiğin kendi üzerine katlanıp, karşılıklı gelen pürin ve pirimidin bazlarının (A-U ve C-G) birleşmesi sonucu, yer yer çift katlı RNA bölgeleri meydana gelir. Hücre içinde üç tip RNA bulunur:

– Mesaj ileten RNA (mRNA)

– Ribozomal RNA (rRNA)

– Transfer RNA (tRNA)

Mesaj ileten RNA (mRNA)

Her biri ayrı bir protein molekülünü yapımından sorumlu olan genlerdeki bilginin, proteinlerin yapım yeri olan ribozomlara ulaştırılması gerekir. DNA ‘da bulunan ve her biri ayrı bir amino asidin yapımından sorumlu olan üçlü pürin ve pirimidin bazlarının karşısına , uygun bazların gelmesiyle (A-U, C-G, G-C v.s.) oluşan nükleotidler, mRNA’yi meydana getirirler. DNA’nın tek iplikçiğinin kalıp olarak kullanılıp, RNA polimeraz enzimi aracılığı ile mRNA’nın oluşması işlemine transkripsiyon (kopya çıkarma) adı verilir. Genler böylece, oluşturdukları mRNA’ya kendilerinde bulunan protein yapımı ile ilgili bilgiyi aktarmış, yani yapılması istenen proteinin kalıbını vermiş olur.

Ribozomal RNA (rRNA):

Hücredeki tüm RNA’nın yaklaşık %80’nini oluşturan rRNA, ribozomlardaki proteinlere bağlı olarak bulunur. Yapılarında protein ve rRNA bulunan ribozomlar, biri büyük diğerii küçük iki alt birimden oluşmuşlardır. Bakterilerde büyük birim 50S, küçük birim 30S total ribozom 70S büyüklüğünde olduğu halde, ökaryotik hücrelerde büyük birim 60S, küçük birim 40S ve total ribozom ise 80S büyüklüğündedir.

Transfer RNA (tRNA).

Bakterilerde genetik materyalin küçük veya büyük bir bölümü bir bakteriden diğerine çeşitli mekanizmalar aracılığı ila aktarılıp, sonunda önemli genetik değişiklikler oluşabilmektedir. Verici bakteriden alıcı bakteri hücresine, bakteri genomunun aktarılması sonucu her iki bakteri hücresinin genetik özelliklerini birlikte içeren melez bakteriler meydana gelirler. Bakterilerde görülen bu olaylar sırasında, yüksek canlılarda olduğundan farklı olarak, iki hücrenin çekirdeklerinin tümü birleşmemekte, alıcı bakterinin kromozomu yalnız belli bir bölüm için diploid (benzer genlerden çift dizi taşınması) duruma geçmektedir. Kısmi bir zigot oarak da nitelendirilen melez bakteride, verici hücreden alınan genetik materyale ekzogenot, bunun alıcı hücredeki karşılığına ise endogenot denir. Alıcı bakteri DNA’sının replikasyonu sırasında, ekzogenot da replike olur ve aralarında meydana gelen çaprazlaşmalar sonucu, alıcının DNA’sına vericiden gelen ekzogenot eklenir. Bu bakteriden oluşacak yavru bakteriler, alıcı hücrenin genomuna taşırlar. Verici bakteriden aktarılan bir DNA segmentinin alıcının genomuna girip, alıcı bakteriye birtakım yeni özellikler kazandırması mümkündür. Böylece meydana gelen olaya rekombinasyon (yeni bileşim), oluşan melez bakteriye rekombinant (yeni bileşen) adı verilir.

Bakteride rekombinasyon olayları üç ana mekanizma ile meydana gelmektedir:

1. Transformasyon

2. Transdüksiyon

3. Konjugasyon

Transformasyon:

Herhangi bir aracı (ikinci bir canlı hücre veya bakteriyofaj) bulunmaksızın, verici bakteri tarafından ortama bırakılmış olan DNA’nın alıcı bakteri tarafından alınarak oluşan bir rekombinasyon türüdür. Verici bakterinin DNA’sı ortama, genellikle bakterini kendiliğinden parçalanıp erimesi veya bazı kimyasal maddeler aracılığı ile ekstraksiyonu sonucu salınır. Bu genetik materyalin alıcı hücre tarafından alınabilmesi için, deoksiribonükleaz enziminin etkisinden korunmuş olması ve alıcı hücrenin DNA moleküllerini hücre içine alabilecek yeteneğinin bulunması gerekir. Transformasyon olayının mekanizması çok iyi bilinmemekle birlikte, gözlemler alıcı bakterinin ancak büyük DNA segmentlerini (4×10⁵’den büyük) ortamdan alabildiğini, çift iplikli DNA’nın tek iplikli DNA’ya oranla daha büyük bir sıklıkla hücre içine alınabildiğini göstermiştir. Ayrıca bu olayda, alıcı bakterilerin yüzeylerinde bulunan DNA tanıma bölgelerinin de rol oynayabileceği bildirilmiştir.

Bu konu ile ilgili çalışmaların çoğu pnömokoklar üzerinde yapılmış olmakla birlikte, Haemophilus influenzae, Bacillus subtilis, Neisseria gonorrhoeae, Escherichia coli gibi bakterilerde ede transformasyon gözlendiği bildirilmiştir. Transformasyon sonunda, alıcı bakterilerde kapsül, flajella oluşumu ile değişik enzimatik reaksiyonlar gözlenebilmektedir.

Transdüksiyon:

Bir bakteriye ait DNA segmentlerinin, bir bakteriyofaj aracılığı ile diğer bir bakteriye aktarılması olayıdır.

Bakteriyofajlar, bakterilerin zorunlu parazitleri olup, ancak canlı bakteri hücreleri içinde replike olabilirler ve bu ilişki sonucu çoğunlukla içinde çoğaldıkları bakterinin parçalanıp erimesine yol açarak, bir başka bakteriyi enfekte etmek üzere serbest kalırlar.

Bakteriyofajlar genellikle kendileri için spesifik olan bakteri hücrelerine kuyrukları ve kapsidleri ile yapıştıktan sonra (adsorbsiyon), faj genomu (DNA veya daha az sıklıkla RNA yapısında) bakteri içine girer. Bunu takiben, bakteri hücresinin biyolojik fonksiyonları yeni fajların yapımı doğrultusunda yönledirilir. Yani bir yandan faj DNA’sı (veya RNA genomu), diğer taraftan da fajın yapısal proteinleri bakteri hücresi tarafından, bakteriyofaj genomundaki bilgiler doğrultusunda sentezlenir. Kısa sürede bakteri hücresinin içinde, yeni sentezlenen faj birimleri birbiriyle birleşip olgun bakteriyofajları oluştururlar. Sonunda bakteri hücresinin erimesiyle, fajlar serbest hale geçerler ve yeni bakterileri enfekte ederler.

Bazı bakteriyofajlar ise konak bakteri hücresini eritmeyip onunla birlikte ortak bir yaşam sürdürürler. Bu yaşam biçiminde faj DNA’sı, bakteri DNA’sı ile birleşip bütünleşmiştir (profaj). Bakteri DNA’sının replikasyonu sırasında, onunla bütünleşmiş olan faj DNA’sı da replike olur ve meydana gelen yavru bakterilerin genomu ana bakterilerinkine benzer. Genomlarında profaj taşıyan bakteriler hayatlarını bu şekilde sürdürebilirler. Ancak profajın bakteri DNA’sından ayrılıp, bakteri hücresi içinde bağımsız olarak replike olması sonucu, yeni oluşan faj partikülleri nedeniyle konak bakterilerin eridikleri de gösterilmiştir. Profaj ile biyolojik bir denge içinde yaşayan ancak dengenin herhangi bir nedenle bozulması halinde, sonunda kendisini de ölümüne yol açacak olan bakteriyofajları oluşturabilen böyle bakterilere lizojenik bakteri, konak bakteri ile birlikte ortak bir yaşam süren bakteriyofaja da temperate (ılımlı=iyi huylu) faj adı verilmektedir.

Özetle belirtmek gerekirse, transdüksiyonda bir bakteriyofaj aracılığı ile bakteriden bakteriye genetik materyal veya bir DNA segmenti aktarılmakta böylece alıcı bakteri, verici bakteriye ait bazı özellikleri kazanmaktadır.

Salmonella, Shigella, Escherichia, Pseudomonas, Vibrio, Proteus cinsleri başta olmak üzere birçok gram negatif bakteri ile bazı gram pozitif bakterilerde (Bacillus, Corynebacterium cinsleri, stafilokok ve streptokokların bazılarında) transdüksiyon sonucu rekombinasyon oluşmaktadır.Transdüksiyonun değişik iki tipi bilinmektedir:

1. Lokalize (kısıtlı) tarnsdüksiyon:Bu tipte transdüksiyon yapabilen ılımlı fajların en iyi bilinen örneği E.coli’nin l (lambda) fajıdır. Bu nedenle bu tip transdüksiyona l fajı tipi transdüksiyon da denmektedir. Bu bakteriyofaj girdiği bakterinin (E.coli) kromozomunun hep aynı bölgesine yapışıp entegre olduğu için, yeni bakteriye daima aynı DNA segmentini ve aynı özelliği aktarır.

2. Jeneralize (kısıtlanmamış) transdüksiyon: Konak bakterinin tüm genleri alıcı bakteriye aktarılma bakımından eşit şansa sahiptir.

Konjugasyon:

Genetik materyalin bir bakteriden diğerine bu iki bakteriningeçici teması sonucu aktarılmasıdır. Birçok enterik bakterinin konjugasyon yaptığı bilinmektedir. E. coli bakterisinin K12 suşunda yapılan ilk gözlemlerde, bu olayda bazı bakterilerin daima verici, diğerinin ise alıcı özellik gösterdiği saptanmıştır.

Bakteriye verici özelliğini, ekstrakromozomal bir DNA segmenti olan F (fertilite=seks) faktörü kazandırır.F faktörünün bulunduğu F+ bakteri, bu faktörü taşımayan F- bakteri ile yan yana gelip F faktörünü aktarabilmektedir. F faktörü bir replikondur. Yani sitoplazma içinde, bakteri kromozomundan bağımsız olarak replike olmakta ve yeni oluşan yavru bakterilere geçebilmektedir. Sonraları F faktöründen başka genetik yapıların da bu çeşit aktarmalarla bakteriden bakteriye geçip, aktarıldığı bakteriye değişik birtakım özellikler kazandırdığı anlaşılmıştır.

Bakterilerde kromozoma eklenmeden bulunan, replike olabilen ve aktarıldığı bakteriye birtakım biyolojik özellikler kazandıran DNA segmentlerine plazmid adı verilir. F faktörü de bir plazmid olup, çember biçiminde ve çift iplikli DNA yapısındadır. Bakteri kromozomu gibi bir ucu ile sitoplazmik zara tutunur, kromozomla eş zamanlı fakat ondan bağımsız olarak replike olur. F faktörüne sahip olan bakteri, bu faktörü taşımayan bakteri hücreleri ile yan yana gelip, aralarında köprüler oluşturarak, alıcı hücreye F faktörünü veya aynı zamanda bakterinin kromozomundan bir parçayı aktarbilme yeteneğine sahiptir.Bakteriden bakteriye genetik madde aktarılmasını yöneten tradiye ismlendirilen genler, F faktörü DNA’sında bir operon tarafından düzenlenirler. Konjugasyon bu operondaki bazı genlerin yönetimi altında, bakteride seks pilusu (F fimbriası) adı verilen bir pilusun yapılması ile başlar; yalnız F+ bakterilerde bulunan bir pilustur.

İki baketrini yan yana gelip birleşmesi sırasında, F faktörü de bakteri kromozomu gibi replike olur ve DNA’nın çift iplikçikleri birbirinden ayrılır. DNA iplikçiklerinden biri F- olan alıcı bakteriye geçer, diğeri verici bakteri de kalır. Bunu takiben her iki bakteride de bu iplikçiklerin karşıtı olan iplikçikler sentezlenerek iki hücre de F+ olur. F+ bakteriden F- bakteriye, Ffaktörünün aktarılması oldukça yüksek oranda gerçekleşebilir, öyle ki bazen F- hücrelerin tümünün F+ oldukları saptanmıştır.

Bununla birlikte, verici bakteriye ait kromozomal DNA segmentlerinin, alıcı bakteriye aktarılma sıklığı oldukça seyrek olmaktadır (10^-4-10^-5) olmaktadır. Bunun için F faktörünün verici bakteri DNA’sında uygun bir bölgeye yerleşmesi gerekmektedir; böylece F faktörü bakteri DNA’sı ile bütünleşmektedir.Yüksek sıklıkla rekombinasyon yapan (Hfr=high frequency of recombination) hücreler bu şekilde oluşmaktadır. Bu durumda bakteri kromozomunu harekete geçirerek alıcı bakteriye birçok genetik özellik kazandırabilmektedir.

Plazmidler:

Plazmidler, bakteri hücrelerinin sitoplazmasında, kromozomal DNA’dan bağımsız olarak bulunan ve replike olabilen ekstrakromozomal DNA segmentleridir. Bu genetik elemanlar, bulnudukları ve aktarıldıkları bakteriye birtakım değişik biyolojik yapı ve fonksiyon özellikleri kazandırır. Bakterilerin, plazmidler tarafından kodlandığı bilinen birtakım fenotipik özellikleri arasında, antibiyotiklere, ağır metal iyonlarına, ultraviyole ışınlarına gösterdikleri direnç, çeşitli enzim ve toksinler oluşturma, konak hücreye adherans, kolonize olma, üreaz oluşturma, çeşitli karbonhidratların fermentasyonu sayılabilir.

Plazmidler bakteride kendiliğinden oluşmazlar, başka bakterilerden aktarılırlar. Bulundukları bakterilerden, spontan olarak kaybolabilecekleri gibi, plazmid replikasyonunu inihbe eden bazı maddeler aracılığı ile, deneysel olarak da ortadan kaldırılabilirler. Plazmidler bakteriden bakteriye genellikle konjugasyonla aktarılırlar. Bilinen plazmidlerin belli başlı örnekleri, F faktörleri, direnç plazmidleri, stafilokok plazmidleri ve virulans plazmidleridir.

belgesi-785