Temel Veteriner Genetik DNA’nın Keşfi: Genetik Materyalin Yapısı ve Organizasyonu
Temel genetik kuralları ve kalıtımda rol oynayan mekanizmaları açıklama çalışmaları, 1800’lerde, Mendel’in ölümünden ancak 16 yıl sonra; De Vries, Correns ve Tschermak isimli bilim adamlarının değişik yıllarda elde ettiği sonuçlarla doğrulanmış ve sürdürülen çalışmaların genetik bilimi olarak adlandırılması ilk kez 1906 da Bateson tarafından yapılmıştır. Kalıtsal materyalin “gen” olarak tanımlanması 1909 yılında Johannsen tarafından önerilmiştir. Genlerin yapısal özellikleriyle ilgili çalışmalar daha sonraki yıllarda devam etmiştir. DNA’nın biyokimyasal özelliklerinin ortaya konulması Fried Miescher’in İsviçre de lökositlerin hücre çekirdeği üzerinde yaptığı çalışmalarla gerçekleşmiştir. Miescher, lökosit hücre çekirdeğinden elde ettiği fosfor içeren maddeye nüklein adını vermiştir. 1869 da ise bu araştırmacı balık sperm hücresinden de bu maddeyi izole edebilmiştir. Araştırmalarda izole edilen bu maddenin proteine benzediği ve asit yapısında olduğu ortaya çıkmıştır. Bu kimyasal özellikleri ve hücre nükleusundan elde edilmesi nedeniyle bu madde nükleik asit olarak adlandırılmıştır. Nükleik asitlerin kalıtımda rol oynadığı düşünülmesine rağmen, genetik bilgiyi taşıyan temel madde olduğuna dair kanıtlar ancak 1928 de İngiliz bilim adamı Frederick Griffith’in pnömokoklar üzerinde yaptığı transformasyona dayalı çalışmalarla ortaya çıkmıştır.
Frederick Griffith, yaptığı deneyde Streptococcus pneumonia bakterisinin iki farklı tipini kullanmıştır (Şekil 7.1). Bunlardan S tipi, düz koloniler oluşturmakta ve yüksek derecede hastalık yapma özelliğine sahipken (virulent), R tipi ise pürüzlü koloniler oluşturmakta ve zararsız (avirulent) bakterilerdir. Bu bakterilerin hastalık yapma özellikleri, yani virulansı bir yüzey bileşeni olan ve polisakkarit yapıdaki kapsül oluşumunun varlığına göre değişmektedir. Hastalık yapma özelliğine sahip bakteriler sıcağa maruz bırakıldıklarında virulansını kaybetmekte ve canlıya herhangi bir zarar verememektedirler.
Griffith yaptığı çalışmada bu iki farklı bakteri türünün fareler üzerindeki etkilerini araştırmış ve genetik materyalin transformasyon yoluyla taşınabileceği hipotezini öne sürmüştür. R tipi bakterilerin farelere enjekte edildiğinde herhangi bir hastalık belirtisinin ortaya çıkmadığı ve farelerin yaşadığı, kapsüllü olan S tipi bakterilerle yapılan enjeksiyonda ise farelerin meydana gelen zatürre sonucu öldükleri görülmüştür. Sıcak etkisiyle öldürülmüş olan, avirulent S tipi bakteriler ise farelerde ölüme neden olmamıştır. Griffith, ölü olan ve hastalık yapıcı S tipi bakterilerle yaşayan R tipi hastalık yapmayan bakterilerin her ikisinin de bulunduğu karışımı farelere uyguladığında ise farelerin yine hastalık sonucu öldüklerini göstermiştir. Ölen farelerden elde edilen bakterilerin tümünün S tipinde olması ise hastalık yapma özelliği ortadan kalkmış olan bakterilerden R tipi bakterilere genetik materyalin transformasyon yoluyla aktarılabileceğini kanıtlamıştır (Şekil 7.2).
Griffith’in yaptığı bu çalışma daha sonra kalıtıma neden olan genetik materyal üzerine sürdürülen çalışmalara da temel teşkil etmiştir. Amerikalı biyolog Oswald T. Avery ve arkadaşları Colin M. MacLeod ve Maclyn McCarty yaptıkları deneylerle Griffith’i izlemişlerdir. Avery ve arkadaşları Griffith’in transformasyon deneyinde olduğu gibi kapsüllü, patojen özellikte S tipi bakteriler ve kapsülsüz, apatojen R tipi bakterileri kullanmış ancak farklı olarak deneyin son aşamasında S tipi bakterilerden DNA’yı izole ederek hücre kültürüne ilave etmiştir. Bunun sonucunda hücre kültüründe daha önceden hiç, hastalık yapan kapsüllü bakteri bulunmazken ortama DNA ilavesinden sonra yeni generasyonda kapsüllü bakteriler görülmüştür. Daha sonra yapılan çalışmalarda izole edilen maddenin (DNA) proteolitik enzimlerle muamelesinde aktivitesini kaybetmediği ancak deoksiribonükleaz (DNaz) ile muamelesinde ise aktivitesini yitirdiği gözlenmiştir. Bu sonuç Avery ve arkadaşlarının deneylerini bir kez daha desteklemiş kalıtımda rol oynayan maddenin DNA olduğunu ortaya koymuştur. DNA’nın genetik materyal olduğu ve yeni generasyonlarda kalıtımın temel taşı olduğunu ispatlamaya yönelik çalışmalar sonraki yıllarda da devam etmiştir. 1953 yılında Alfred D. Hershey ve Martha Chase’ in T2 bakteriyofajlar üzerinde yaptığı ve Hershey-Chase deneyi olarak bilinen çalışmaları genetik materyalin tanımı üzerine daha somut kanıtlar sunmuştur. T2 fajı protein yapıda olan baş kısmı içerisindeki DNA’yı bakteriye aktararak E. coli bakterisini enfekte etmekte ve kalıtsal bilgiyi bu yolla bakteriye taşımaktadır. Hershey ve Chase T2 fajı partiküllerini DNA bileşenini 32P (Fosfor) ve protein kılıfını ise 35S (Sülfür) radyoaktif izotopu ile işaretleyip bakteri süspansiyonlarına eklenmiştir. Viral kılıfların bakterilerden ayrılmasının sağlanmıştır. 32P ile işaretli fajlarla enfekte olan bakterilerin bu izotopu taşımaları viral DNA’nın hücrelere dahil olduğunu kanıtlamıştır. 35S ile işaretli fajlar ile enfekte olmuş bakterilerin ise radyoaktiviteye sahip olmamakla birlikte boş viral kılıfların 35S taşıdığı görülmüştür. Bu sonuçlar genetik materyalin viral DNA olduğunu göstermiştir (Şekil 7.3).
DNA’nın genetik materyal olduğu ve kalıtımdaki rolünün açıklanmasının ardından çalışmalar, DNA’nın fiziksel ve biyokimyasal yapısının ortaya konulmasına yönelmiştir. 1950’li yıllarda Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins’in X-ışınları kullanarak yaptığı araştırmalarda DNA’nın azotlu bazlara sahip bir çesit sarmal yapıda olduğu ortaya çıkmıştır. Azotlu bazların miktarları ve aralarındaki dengeler konusunda ise Erwin Chargaff isimli bilim adamının yaptığı çalışmalar kabul görmüş ve daha sonra Chargaff kuralları olarak adlandırılmıştır. 1953 yılında DNA’nın yapı modelini ve özelliklerini ortaya koyan James D. Watson ve Francis Crick’in çalışmaları bugün halen kabul edilmekte olup; DNA süper sarmalının aydınlatılmasına temel oluşturmuştur. Bilim adamları bu çalışmaları sonucunda 1962 de Nobel ödülü kazanmıştır.