Genom Nedir? DNA, Gen ve Kromozomdan Farkı

Genomun tanımı ve kapsamı

Genom, bir organizmanın sahip olduğu DNA’nın bütünüdür. Bu tanım, tek tek genleri değil, canlıdaki tüm kromozomal DNA’yı ve ökaryot hücrelerde çekirdek dışında bulunan organel DNA’larını da kapsar. Başka bir deyişle genom, kalıtsal bilginin hücre içindeki toplam arşividir. DNA’nın nükleotit dizisi bu bilginin fiziksel temelini oluşturur; nükleotitler A, T, G ve C bazlarından meydana gelir.

Genomun kapsamını anlamak için yalnızca protein üreten bölgeleri düşünmemek gerekir. Protein kodlayan genlerin yanında RNA üreten genler, genlerin çalışmasını etkileyen bölgeler ve doğrudan protein kodlamayan başka DNA dizileri de genomun parçasıdır. Bu nedenle genom, “tüm genler” ifadesinden daha geniştir. Örneğin bir insan vücut hücresinde çekirdekteki kromozomların DNA’sı genomun ana bölümünü oluştururken, aynı hücredeki mitokondrilerin DNA’sı da hücrenin genetik içeriğinin bir parçasıdır.

Prokaryotlarda genom çoğunlukla tek, çift iplikli ve halka biçimli bir DNA molekülünden oluşur; bu DNA, çekirdek zarıyla çevrili olmayan nükleoit bölgede bulunur. Bazı bakterilerde kromozomal DNA’dan ayrı plazmit adı verilen küçük DNA halkaları da vardır. Plazmitler normal yaşam için zorunlu olmayabilir, bu yüzden kromozomal genomla aynı şey olarak değerlendirilmez; yine de hücreye aktarılabilen ek genetik bilgi taşıyabilirler. Ökaryotlarda ise genom, çekirdek içinde bulunan birden fazla doğrusal DNA molekülüne dağılmıştır.

Genomdaki bilginin hücrede kullanılmasına dair ayrıntılar, belirli genlerin açılıp kapanması ve RNA ya da protein ürünlerinin oluşturulması üzerinden ele alınır; burada önemli nokta, genomun hücrenin kalıtsal bilgi kaynağı olmasıdır. Genom dizileme ve genom analiz yöntemleri ise bu bilginin nasıl belirlendiğini inceleyen ayrı bir konudur.

Genom, DNA, gen ve kromozom arasındaki ilişki

DNA, kalıtsal bilgiyi taşıyan uzun bir nükleik asittir. Gen, DNA üzerinde belirli bir işlevsel bilgi taşıyan bölgedir; bu bilgi bir protein ürününün ya da bazı durumlarda bir RNA ürününün oluşturulmasına katkı sağlar. Kromozom ise DNA’nın hücre içinde düzenlenmiş ve paketlenmiş hâlidir. Genom da bu DNA moleküllerinin ve canlı için taşıdığı kalıtsal bilginin bütünü olarak düşünülebilir.

Bu kavramlar arasında parça-bütün ilişkisi vardır: genler DNA’nın belirli kesimleridir; DNA, kromozomların temel moleküler bileşenidir; kromozomların tümü birlikte genomun büyük bir bölümünü oluşturur. Ökaryot hücrelerde DNA, histon adı verilen proteinlerin çevresine sarılarak kromatin oluşturur. Hücre bölünmesi sırasında kromatin daha yoğunlaşır ve mikroskopta ayırt edilebilen kromozomlar hâline gelir. Böylece çok uzun DNA molekülleri hücre çekirdeğine sığacak ve bölünme sırasında düzenli biçimde dağıtılacak şekilde paketlenir.

Kromozom üzerindeki genler rastgele dağılmış bilgi parçaları değildir. Belirli genler kromozom üzerinde belirli konumlarda, yani lokuslarda bulunur. Diploid bir hücrede aynı tür kromozomdan iki eşleşmiş kopya vardır; bu kopyalardan biri anneden, diğeri babadan gelir. Aynı konumdaki genlerin DNA dizileri tamamen aynı olmak zorunda değildir. Örneğin kan grubu ile ilişkili bir gen bölgesinin A, B veya O biçimleri bulunabilir; iki kromozomdaki kopyaların birleşimi kişinin kan grubuyla ilişkili özelliği etkiler. Bu örnekte gen, kromozom ve genom arasındaki ölçek farkı birlikte görülebilir: kan grubuyla ilişkili bilgi bir gen bölgesindedir, gen bir kromozom üzerindedir ve kromozom bütünüyle genomun parçasıdır.

DNA’nın kromozomlar üzerinde paketlenmesi, DNA’nın kendini eşlemesi ve hücre bölünmesinde aktarılmasıyla birlikte değerlendirilir. Genom organizasyonu ile gen ifadesinin ayrıntıları ise başka bir başlığın konusudur.

Genomun temel bileşenleri: kodlayan ve kodlamayan DNA

Genomdaki DNA bölgeleri işlevleri bakımından tek tip değildir. Kodlayan DNA, bir protein ya da işlevsel RNA ürününün oluşmasına ilişkin bilgi taşıyan gen bölgelerini içerir. Protein kodlayan bir genin bilgisi önce RNA’ya aktarılabilir, ardından bu bilgi protein üretiminde kullanılabilir. Bunun yanında bazı genler doğrudan RNA ürünleri için bilgi taşır; dolayısıyla genomun kodlayan bölümleri yalnızca proteinlerle sınırlı değildir.

Kodlamayan DNA ise protein dizisini doğrudan belirlemeyen bölgelerdir. Bu bölgeler genlerin çevresinde veya genlerin içinde bulunabilir; bazıları genlerin ne zaman ve hangi hücre tipinde kullanılacağını etkileyebilir, bazılarıysa tekrar dizileri gibi farklı özellikler taşıyabilir. “Kodlamayan” ifadesi “işlevsiz” anlamına gelmez. Örneğin bazı kodlamayan dizilerden RNA üretilebilir veya bu bölgeler gen düzenlenmesine katkıda bulunabilir. Bu nedenle genomun büyüklüğünü yalnızca protein kodlayan genlerin sayısıyla açıklamak doğru değildir.

Haploid, diploid ve organel genomları

Haploid bir hücrede bir kromozom takımı bulunur ve bu durum n ile gösterilir. Diploid hücrede ise iki kromozom takımı vardır; gösterimi 2n’dir. Diploid yapıdaki eş kromozom çiftlerinden biri bir ebeveynden, diğeri diğer ebeveynden gelir. İnsan vücut hücreleri 46 kromozom, yani 23 çift taşırken, sperm ve yumurta hücreleri 23 kromozom içerir ve haploiddir. Döllenme sırasında iki haploid takım birleşerek diploid kromozom sayısının oluşmasına katkı verir.

Bir canlının genomu yalnızca çekirdekteki kromozomlardan ibaret olmak zorunda değildir. Ökaryot hücrelerde mitokondriler kendi DNA’larına sahip organellerdir; bu DNA çoğunlukla halka biçimli ayrı bir kromozom hâlindedir. Bitki hücrelerinde kloroplastlar da kendi genomlarını taşır. Bu organel genomları, çekirdek genomundan ayrı DNA molekülleri içerir; ancak hücrenin toplam genetik içeriği değerlendirilirken genom kavramının kapsamına alınırlar. Mitokondrilerin kendi DNA’sına, ribozomlarına ve transfer RNA’larına sahip olması, bu organellerin hücre içindeki özel genetik özelliklerini gösterir. Mitokondri DNA’sındaki bazı işlevlerle ilişkili genlerin çekirdekte bulunması da çekirdek ve organel genomlarının tamamen birbirinden kopuk olmadığını gösterir.

Örneğin bir bitki hücresinde çekirdek genomu, mitokondri genomu ve kloroplast genomu birlikte düşünülebilir. Buna karşılık bir bakteride temel genom, çekirdek zarı bulunmadığı için nükleoit bölgedeki kromozomal DNA’dır. Plazmitler varsa bunlar kromozomal genomdan ayrı küçük DNA halkaları olarak değerlendirilir.

Genom büyüklüğü ve canlılar arasındaki farklılıklar

Genom büyüklüğü, bir genomda bulunan DNA miktarını ifade eder ve genellikle baz çifti sayısıyla ölçülür. Bir canlının genomu daha fazla DNA içerdiğinde bu, genomun fiziksel olarak daha büyük olduğu anlamına gelir; ancak doğrudan daha karmaşık bir canlı olduğu sonucunu vermez. Çünkü genomun önemli bir bölümü protein kodlamayan dizilerden oluşabilir ve DNA miktarı, yalnızca protein kodlayan genlerin sayısına eşit değildir.

Canlı grupları arasında genomun yapısı ve büyüklüğü farklılaşabilir. Prokaryotlarda genom çoğunlukla tek bir halka DNA molekülüyken ökaryotlarda DNA birden fazla doğrusal kromozoma bölünür. Ayrıca ökaryotlarda çekirdek genomuna ek olarak mitokondri ve bazı canlılarda kloroplast genomu bulunur. Bu nedenle iki canlının toplam DNA miktarını karşılaştırırken DNA’nın hangi hücresel bölmelerde bulunduğu ve kodlayan-kodlamayan bölgelerin dağılımı da dikkate alınmalıdır.

İnsan genomundaki 23 çift kromozomun gen içerikleri birbirinden farklıdır; bazı kromozomlar binlerce gen taşırken bazıları çok daha az gen içerir. Ayrıca bu kromozomların taşıdığı DNA’nın tamamı protein kodlayan dizilerden oluşmaz. Bu örnek, genom büyüklüğü ile gen sayısının aynı kavram olmadığını gösterir. Genomlar arasındaki benzerlik ve farklılıkların karşılaştırılması, karşılaştırmalı genomik adı verilen ayrı bir çalışma alanında incelenir.