experimental models in human cell researchs

2. • Günümüz hücrelerinin ortak bir atadan evrimi, deneysel bir bilim
olarak hücre ve moleküler biyoloji açısından önemli çıkarımlara
sahiptir.
• Tüm hücrelerin temel özellikleri evrim sırasında korunduğu için, bir
hücre türüyle yapılan deneylerden öğrenilen temel prensipler
genellikle diğer hücrelere de uygulanabilir.
• Öte yandan, günümüz hücrelerinin çeşitliliği nedeniyle birçok deney,
bir hücre türüyle diğerine göre daha kolay gerçekleştirilebilmektedir.
• Hücre ve moleküler biyolojinin çeşitli yönlerini incelemek için
deneysel modeller olarak yaygın olarak birkaç farklı hücre ve
organizma türü kullanılır.

3. • Bu hücrelerin bazılarının deneysel model olarak özellikle avantajlı
olmasını sağlayan özellikleri vardır.
• Tam genom dizilerinin mevcudiyeti, hücrelerin moleküler biyolojisinin
anlaşılmasında model sistemler olarak bu organizmaların değerini
daha da arttırır.

4. E. coli
• Karşılaştırmalı basitlikleri nedeniyle bakteriler, biyokimya ve moleküler
biyolojinin birçok temel yönünü incelemek için ideal modellerdir.
• En kapsamlı şekilde incelenen bakteri türü, moleküler genetiğin temel
mekanizmalarının araştırılmasında uzun süredir tercih edilen
organizma olan Escherichia coli'dir (E. coli).
• DNA replikasyonu, genetik kod, gen ifadesi ve protein sentezi
hakkındaki anlayışımız da dahil olmak üzere, moleküler biyolojiye
ilişkin mevcut kavramlarımızın çoğu, bu mütevazi bakteri üzerine
yapılan çalışmalardan kaynaklanmaktadır.

5. • Örneğin E. coli genomu yaklaşık 4,6 milyon baz çiftinden oluşur ve
yaklaşık 4000 gen içerir.
• İnsan genomu neredeyse bin kat daha büyüktür (yaklaşık 3 milyar baz
çifti) ve yaklaşık 20.000 protein kodlayan gen içerdiği
düşünülmektedir.
• E. coli genomunun küçük boyutu, genetik analiz için bariz avantajlar
sağlar.
• E. coli'nin hızlı büyümesi ve basit beslenme gereksinimleri, hem
moleküler biyoloji hem de biyokimyadaki temel deneyleri büyük
ölçüde kolaylaştırmıştır.

6. Mayalar
• Bakteriler, hücrelerin birçok korunmuş özelliğinin araştırılması için
paha biçilmez bir model olmasına rağmen, hücre yapısı ve
fonksiyonunun ökaryotlara özgü yönlerini incelemek için
kullanılamayacakları açıktır.
• En basit ökaryotlar olan mayalar, E. coli'ninkine benzer bir takım
deneysel avantajlara sahiptir.
• Sonuç olarak mayalar, ökaryotik hücre biyolojisinin birçok temel
yönünün araştırılması için çok önemli bir model sağlamıştır.

7. • En sık çalışılan maya olan Saccharomyces'in genomu 12 milyon baz çifti
DNA'dan oluşur ve yaklaşık 6000 gen içerir.
• Maya genomu E. coli'ninkinden yaklaşık üç kat daha büyük olmasına
rağmen, insanlar gibi daha karmaşık ökaryotların genomlarından çok daha
kolay yönetilebilmektedir.
• Bu özellikler, maya hücrelerini moleküler biyoloji açısından en ulaşılabilir
ökaryotik hücreler haline getirmiştir.
• Maya mutantları, sonraki bölümlerde tartışılacağı gibi, DNA replikasyonu,
transkripsiyon, RNA işleme, protein sınıflandırma ve hücre bölünmesinin
düzenlenmesi dahil olmak üzere ökaryotlardaki birçok temel sürecin
anlaşılmasında önemli olmuştur.
• Moleküler hücre biyolojisinin birliği, mayalar üzerinde yapılan çalışmalarla
ortaya çıkarılan hücre yapısı ve işlevine ilişkin genel prensiplerin tüm
ökaryotik hücreler için geçerli olması gerçeğiyle açıkça ortaya konmuştur.

8. Caenorhabditis elegans ve Drosophila
melanogaster
• Tek hücreli mayalar ökaryotik hücrelerin çalışmaları için önemli
modellerdir, ancak çok hücreli organizmaların gelişimini anlamak,
bitkilerin ve hayvanların (daha karmaşık organizmalar) deneysel
analizini gerektirir.

9. • C. elegans'ın genomu (100 milyona yakın baz çifti) tek hücreli
ökaryotlarınkinden daha büyük olmasına rağmen, çoğu hayvanın
genomundan daha küçüktür ve daha kolay yönetilebilirdir.
• Bununla birlikte, nispeten küçük boyutuna rağmen, C. elegans'ın
genomu yaklaşık 19.000 gen içerir; bu, mayadaki gen sayısının üç
katından fazla ve insanlarda da neredeyse aynı sayıda protein
kodlayan gen içerir.
• Biyolojik olarak C. elegans nispeten basit, çok hücreli bir organizmadır:
Yetişkin solucanlar yalnızca 959 somatik hücrenin yanı sıra 1000-2000
germ hücresinden oluşur. Ayrıca C. elegans laboratuvarda kolaylıkla
yetiştirilebilir ve genetik manipülasyonlara tabi tutulabilir.

10. • Genetik çalışmalar aynı zamanda gelişimsel anormalliklerden sorumlu birçok
mutasyonu da tanımlamış ve nematod gelişimini ve farklılaşmasını kontrol eden
kritik genlerin izolasyonuna ve karakterizasyonuna yol açmıştır.
• Drosophila'nın kapsamlı genetik analizi, gelişimi ve farklılaşmayı kontrol eden
birçok geni ortaya çıkardı ve mevcut moleküler biyoloji yöntemleri, bu genlerin
fonksiyonlarının ayrıntılı olarak analiz edilmesine olanak sağladı.
• Sonuç olarak, Drosophila çalışmaları, özellikle karmaşık çok hücreli organizmaların
vücut planının oluşumu açısından, hayvan gelişimini yöneten moleküler
mekanizmaların anlaşılmasında çarpıcı ilerlemelere yol açmıştır.
• C. elegans'ta olduğu gibi omurgalılarda da benzer genler ve mekanizmalar mevcut
olup, bu da Drosophila'nın çağdaş gelişim biyolojisinde önemli bir deneysel model
olarak kullanımını doğrulamaktadır.

11. Arabidopsis thaliana
• Arabidopsis, yalnızca yaklaşık 125 milyon baz çiftinden oluşan genomuyla
dikkat çekiyor.
• Arabidopsis'in toplamda yaklaşık 26.000 gen içermesine rağmen bunların
birçoğu tekrarlanıyor, dolayısıyla benzersiz genlerin sayısı yaklaşık
15.000'dir; bu, C. elegans ve Drosophila'nınkine benzer bir karmaşıklıktır.
• Ayrıca Arabidopsis'in laboratuvarda yetiştirilmesi nispeten kolaydır ve bu
bitkinin moleküler genetik manipülasyonlarına yönelik yöntemler
geliştirilmiştir.
• Bu çalışmalar çiçeklerin gelişimi gibi bitki gelişiminin çeşitli yönlerinde yer
alan genlerin tanımlanmasına yol açmıştır.
• Bu genlerin analizi, bitki ve hayvanların gelişimini kontrol eden
mekanizmalar arasında pek çok benzerliğin yanı sıra çarpıcı farklılıklara da
işaret ediyor.

12. Omurgalılar
• En karmaşık hayvanlar, insanlar ve diğer memelileri de içeren
omurgalılardır. İnsan genomu yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşur (C.
elegans, Drosophila veya Arabidopsis'in genomlarından yaklaşık 20 ila 30
kat daha büyüktür) ve yaklaşık 20.000 protein kodlayan gen içerir.
• Üstelik insan vücudu 200'den fazla farklı türde özelleşmiş hücre tipinden
oluşur.
• İnsanlarda sinir hücresi aksonlarının uzunluğu bir metreden uzun olabilir ve
kalamar gibi bazı omurgasızlarda akson çapı 1 mm kadar olan dev nöronlar
bulunur.
• Oldukça uzmanlaşmış yapıları ve işlevleri nedeniyle, bu dev nöronlar,
plazma zarı boyunca iyon taşınması ve sitoplazmik organellerin
taşınmasında hücre iskeletinin rolü ile ilgili çalışmalar için önemli modeller
sağlamıştır.

13. • Zebra balığı, omurgalı gelişiminin genetik çalışmaları için bir takım
avantajlara sahiptir.
• Bu küçük balıkların laboratuvarda bakımı kolaydır ve 3-4 aylık bir nesil
süresiyle hızla ürerler.
• Ayrıca embriyolar annenin dışında gelişir ve şeffaftır, bu sayede
gelişimin erken aşamaları kolaylıkla gözlemlenebilir.
• Zebra balığı gelişimini etkileyen mutasyonların izolasyonunu
kolaylaştırmak için güçlü yöntemler geliştirildi ve şu anda bu tür birkaç
bin mutasyon tespit edildi.

14. • Fare insan biyolojisine en yakın modeldir.
• Memeliler arasında genetik analiz için en uygun olanı faredir. Fare
genetiğini çalışmanın teknik zorlukları (örneğin, mayaların veya
Drosophila'nın genetiğiyle karşılaştırıldığında) çok büyük olmasına
rağmen, fare gelişimini etkileyen birçok mutasyon tespit edilmiştir.
• En önemlisi, moleküler biyolojideki son gelişmeler, spesifik mutant
genlerin fare germ hattına dahil edildiği, genetiği değiştirilmiş farelerin
üretimini mümkün kıldı ve bu genlerin fonksiyonlarının, tüm hayvan
bağlamında incelenmesine olanak sağladı.

15. Hayvan hücre kültürü
• Kültürdeki hücrelerin büyümesi, onların sağlam organizmaların
dışında manipüle edilmesine olanak tanır.
• Kültürlenmiş hücrelerin kullanımı, DNA replikasyonu, gen
ekspresyonu, protein sentezi ve işlenmesi ve hücre bölünmesi
mekanizmalarını aydınlatan deneyler de dahil olmak üzere, memeli
hücre biyolojisinin birçok yönünün araştırılmasına olanak sağlamıştır.
• Dahası, hayvan hücrelerinin kültürde büyütülebilmesi, sağlam
organizma içindeki hücre büyümesini ve farklılaşmasını kontrol eden
sinyal mekanizmalarının araştırılmasına olanak sağlamıştır.

17. Virüsler
• Virüsler kendi başlarına çoğalamayan hücre içi parazitlerdir. Konakçı
hücreleri enfekte ederek ve daha fazla virüs parçacığı üretmek için
hücresel mekanizmayı gasp ederek ürerler.
• En basit formlarında virüsler, yalnızca bir protein kaplamayla
çevrelenmiş genomik nükleik asitten (DNA veya RNA) oluşur.
• Hayvan virüslerinin genomları, hücrelerinkinden çok daha küçük ve
basittir; yaklaşık 3000 ila 300.000 baz çifti arasında değişir ve
genellikle bir düzineden az gen içerir. Hayvan virüsleri, konakçı
hücrelerine göre çok daha kolay yönetilebilir, bu da virüs
replikasyonunu takip etmeyi ve genetik analiz yapmayı nispeten
kolaylaştırır.

18. • Hayvan virüslerinin kritik öneme sahip olduğu örnekler;
• Memeli hücrelerinin araştırılmasına yönelik modeller arasında DNA replikasyonu,
• transkripsiyon,
• RNA işleme ve protein taşınması ve salgılanması çalışmaları yer alır.
• Bazı hayvan virüslerinin neden olduğu enfeksiyonun normal hücreleri
kanser hücrelerine dönüştürebildiği de dikkat çekicidir.
• İlk kez 1911'de Peyton Rous tarafından açıklanan bu tür kansere neden olan
virüslerle ilgili çalışmalar,
• sadece hücre ve moleküler biyoloji düzeyindeki mevcut kanser anlayışımıza temel
sağlamakla kalmamış,
• aynı zamanda hayvan hücresi büyümesini ve farklılaşmasını kontrol eden birçok
moleküler mekanizmanın aydınlatılmasına da yol açmıştır.