GENETİK REKOMBİNASYON

1. Mikrobiyal Rekombinasyon
Mutasyon, bir organizmanın genomunu oluşturan nukleik asit dizisinde
meydana gelen kalıtsal değişiklik olarak tanımlanmaktadır. Genetik rekombinasyon
ise farklı iki genomdaki genetik elementlerin tek bir birimde toplanmasını
gerektirmektedir. Genetik rekombinasyonlar sonucunda mutasyonlar oluşmadan yeni
gen kombinasyonlarının oluşması sağlanmaktadır. Genetik rekombinasyon
sonucunda farklı genlerin bir araya gelmesinden dolayı, belki de organizmanın daha
önce sahip olmadığı ve çevre şartlarına daha iyi adaptosyonunu sağlayan genler bir
organizmada bulunabilmektedir. Oysa ki mutasyonlar, bir hücredeki genetik
materyalin çok küçük bir kısmının değişmesine neden olabilirlerken, genetik
rekombinasyonlar daha büyük değişiklikler ile sonuçlanmaktadır. Bunun nedeni ise
genetik rekombinasyon olayında bütün bir gen, gen dizileri hatta tüm bir kromozom
organizmalar arasında transfer edilebilmektedir.

2. Şekil: DNA üzerinde, UV etkisi ile meydana gelen hasarın replikasyon sonrası rekombinasyon mekanizması ile
onarımım basitleştirilmiş şekli.
Eşeysel olarak üreyen ökaryotik hücreler, sahip oldukları kromozomların her bir
takımını kendilerini oluşturan atasal hücrelerden (gametlerden) alırlar. Bunun sonucu olarak
iki gametin (erkek ve dişi) birleşmesinden oluşan birey, kesinlikle kendisini oluşturan atasal
hücrelerin her ikisine de tam olarak benzemeyecektir. Bu birey, kendisini oluşturan atasal
hücrelerin özelliklerinin bir kombinasyonunu taşıyan hibrit bir birey olacaktır. Prokaryotlar ise
eşeysel olarak çoğalamadıkları gibi buna analog olan başka bir üreme mekanizmalarına da
sahip değildirler. Buna rağmen, eşeysel olarak üreyen ökaryotik hücrelerdekinden oldukça
farklı bir mekanizma ile de olsa, prokaryotik hücrelerde de hem gen transferine hem de
rekombinasyona izin veren genetik materyalin değişimini sağlayan mekanizmalar
bulunmaktadır.
Gen transferi ve rekombinasyonu, bir organizmanın genetik yapısının incelenmesine
yardımcı olan bir araştırma metodudur. Aynı zamanda gen mühendisliğinin en önemli
uygulamalarından olan pratik uygulamalarda yeni organizmaların (rekombinantların)
dizaynında çok önemli bir yer almaktadır.
Mikrobiyal genetik çalışmalarının önemli olan bazı nedenleri ise şu şekilde sıralanabilir;
i. Hücre fonksiyonu açısından genlerin öneminin ne olduğunun ve bir

3. mikroorganizmanın fonksiyonlarının nasıl yürütüldüğünün anlaşılması bakımından
mikrobiyal genetik araştırmaları önemlidir.
ii. Mikroorganizmalar, genetiksel olayların çalışılması ve buna bağlı olarak da bütün
organizmalardaki genetik mekanizmanın anlaşılmasında basit bir sistem olarak iş görürler.
iii. Mikroorganizmalar, moleküler klonlama olarak bilinen teknikle diğer organizmalardan
elde edilen spesifik genlerin izolasyon ve replikasyonlarında kullanılırlar. Moleküler
klonlamada, genler manipüle edilerek bir mikroorganizma içerisine aktarılır ve orada yüksek
oranlarda-sayılarda çoğaltılabilirler. Mikroorganizmalar, antibiyotikler ve enzimler gibi çok
fazla sayıda maddenin endüstriyel olarak üretiminde kullanılmaktadırlar. Gen
manipülasyonu ile bu ürünlerin miktarı artırılabilir ve üretim prosesleri geliştirilebilir. Bunun
yanı sıra, insan insülini gibi belirli bir ürünün sentezinden sorumlu olan yüksek yapılı
organizmaların genleri moleküler klonlama teknikleri ile mikroorganizmalara transfer
edilerek bu genlerin ürünleri mikrobiyal yöntemler ile üretilebilir. Genetiksel olarak manipüle
edilmiş mikroorganizmaların büyük çaplı üretimlerde kullanılması ise biyoteknolojinin
önemli bir alanını oluşturmaktadır.
iv. Hastalıkların bir çoğunun etmeni olan mikroorganizmaların bu zararlı aktivitelerinin
temelinde ise bunların genetiksel özellikleri bulunmaktadır. Hastalık yapan sellüler veya
viral mikroorganizmaların genetik yapılarının anlaşılması ile bu mikroorganizmaların kontrol
altında tutulmaları ve vücüt içerisinde büyümelerinin önlenmesi sağlanabilir.
v. Prokaryotlarda görülen gen aktarım tiplerinin bazıları, özellikle konjugasyon,
antibiyotiklere dirençlilik gibi genlerin yayılmasında önemli bir role sahiptirler. Böyle gen
aktarım yöntemlerinin bilinmesi ise bize bir genin bir organizmadan diğerine hatta bir türden
diğer bir türe nasıl aktarılabileceğini belirlememizde yardımcı olabilir.
Gen rekombinasyonu, genetik materyaller arasında fiziksel olarak genetik moleküllerin
değiştirilmesi olayıdır. Bundan sonraki kısımlarda daha ziyade farklı iki kaynaktan gelen
homolog DNA dizileri arasında meydana gelen genel yada homolog rekombinasyon
dediğimiz genetik meteryallerin değişimi üzerinde durulacaktır. Homolog DNA dizileri hemen
hemen aynı yada tamamı ile aynı olan baz dizilerine sahip olduklarından, her iki DNA
molekülünde de baz eşleşmeleri normalden daha uzun olarak sonuçlanabilmektedir.
Homolog rekombinasyon bütün organizmalar için çok önemli olmakla birlikte oldukça
kompleks bir olaydır. Bir baketri olan E. coli’de dahi 25’in üzerinde gen, bu olayda görev
almaktadır. Buna ilaveten, homolog rekombinasyonun çok önemli olması nedeni ile bu
mekanzimanın birkaç yolu bulunmaktadır. Bu nedenle, bu metabolik yollardan birisi inhibe
edilir veya fonksiyonunu yitirirse diğer metabolik yollar gerekli fonksiyonları
sağlayabilmektedirler.
Prokaryotlarda, rekombinasyona neden olan homolog DNA parçacıkları verici hücrelerden
alıcı hücrelere üç temel mekanizmadan birisi aracılığı ile aktarıldığı için bu olayı gözlemek
olanaklıdır. Rekombinasyonun sağlanmasına neden olan bu üç temel

4. mekanizma ise:
i. Transformasyon: Çevrede serbest bulunan verici DNA moleküllerinin hücre içerisine
alınarak kromozomal DNA’ya entegre edilmesidir.
ii. Transdüksiyon: Bir virüs-bakteriyofaj aracılığı ile verici DNA molekülünün alıcı
hücreye taşınmasıdır.
iii. Konjugasyon: Verici hücrelerde konjugasyon plazmidlerinin bulunması ve iki hücre
arasında konjugasyon köprüsü oluşturulması sonucunda hücreler arasında DNA’nın
aktarılmasıdır.
Bu yöntemler aşağıda verilen şekil’de özetlenmiş olup, herbirisi ayrıntılı olarak ele
alınacaktır.
Verici hücreden gelen DNA parçacığının alıcı hücreye transferinden sonra, hücre
içerisine alınan DNA parçacığı ile hücrenin kromozomal DNA’sı arasında homolog
rekombinasyon oluşabilir. Çünkü, hücre içerisine bir kromozomun sadece bir kısmı transfer
edilmiştir. Şayet, rekombinasyon oluşmaz ise hücre içerisine alınan DNA parçacığı kendisini
kromozomal DNA’dan bağımsız olarak replike edemyeceğinden kaybolacaktır. Bu nedenle,
prokaryotlarda rekombinant organizmaların elde edilmesinde yabancı-verici DNA’nın hücre
içerisine transferi, rekombinasyonun sadece ilk basamağını oluşturmaktadır.
Şekil: Verici hücreden alıcı bakteriyal hücreye DNA transferini sağlayan mekanizmalar.
Transformasyon
Genetik transformasyon, serbest DNA parçacıklarının bir hücre içerisine alınarak
hücrenin kromozomal DNA’sına eklenmesi sonucunda meydana gelen genetik değişikliktir.
Bakterilerdeki genetik transformasyonun keşfi, biyoloji alanında yapılan en önemli
keşiflerden birisini oluşturmuştur. Bu keşfin önemi ise, DNA molekülünün kalıtım

5. materyali olduğunu kesin olarak ortaya koymasından kaynaklanmaktadır. Transformasyonun
keşfi ise moleküler biyoloji ve genetik alanında yapılan çalışmaların temel taşını
oluşturmuştur. Bazı Arkebakteriler ile birlikte gram-pozitif ve gram-negatif bakterilerin bazı
türleri başta olmak üzere, birçok prokaryot organizmanın doğal olarak transforme olabildiği
ortaya konmuştur. Bunun yanı sıra, transforme olan bir genusun sadece belirli türleri veya
suşları bu özelliği göstermektedir. Prokaryotik hücrelerde DNA’nın tek ve büyük bir molekül
olarak hücre içerisinde bulunması nedeni ile hücre, hafifçe lizize edildiği zaman DNA
molekülleri ortama geçebilmektedir. DNA molekülünün çok uzun olması (B. subtilis’te 1700
m) nedeni ile bu molekül çok hafif ektraksiyon
işlemlerinde dahi yüzden fazla parçaya kolayca ayrılmaktadır (5 x 106 bp’den oluşan B.
subtilis DNA’sı 15 kbp’den oluşan parçacıklaraayrılır).
Ortalama olarak DNA üzerindeki 1000 nukleotid dizisinin bir gen oluşturması nedeni ile 15
kbp’den oluşan DNA parçacıkları yaklaşık olarak 15 gen içermektedir. Bir hücre ise
genellikle bir vaya birkaç DNA parçacığını kendi DNA’sına entegre edebildiğinden, bir defa
gerçekleştirilen transformasyon işleminin sonunda alıcı olan hücre, ancak diğer bir hücrenin
genlerinin çok az bir kısmını transfer edebilmektedir.
Transforme DNA’nın entegrasyonu
Transforme edilen DNA parçacığı, bağlama proteinleri aracılığı ile hücre yüzeyine
bağlandıktan sonra ya çift-zincirli DNA molekülünün tamamı olduğu gibi, ya da nukleaz
enzimi aracılığı ile çift-zincirli DNA parçacığının bir zinciri parçalandıktan sonra geriye kalan
tek-zincir, hücre içerisine alınır (Şekil). DNA’nın hücre içerisine alınmasından sonra spesifik
kompetant proteinleri, alınan bu DNA parçacığına bağlanırlar. Spesifik kompetant
proteinlerinin görevi ise muhtemelen alınan bu DNA’yı nukleazların etkisinden korumaktır.
Spesifik kompetant proteinleri ile bağlı bulunan DNA parçacığı, kromozomal DNA’ya ulaştığı
zaman devreye RecA proteinleri girerek kompetant proteinin görevini devralırlar. Bu
aşamadan sonra, DNA parçacığı rekombinasyon işlemi ile alıcı hücrenin genomuna entegre
edilir. Heterodubleks olan bu DNA’nın replikasyonu sonucunda ise birisi atasal (normal)
diğeri ise rekombinant olmak üzere iki DNA molekülü meydana gelecektir. Replikasyonu
takiben meydana gelecek hücre bölünmesi sonucunda oluşan iki hücreden birisi normal
DNA’ya sahip olurken, diğeri rekombinant DNA’ya sahip olacaktır. Dolayısı ile rekombinant
DNA molekülünü içeren hücre ise genetiksel olarak değişikliğe uğradığı için atasal hücre ile
karşılaştırıldığında transformasyona uğradığı için farklı fenotipe sahip olacaktır.
Transdüksiyon
Transdüksiyon olayında DNA, bir hücreden diğerine virüsler aracılığı ile
aktarılmaktadır. Konak genlerinin virüsler aracılığı ile transferi iki yolla olmaktadır. Bunlardan
birincisi olan genelleşmiş transdüksiyonda, konak DNA molekülünün herhangi bir parçası,
virüs DNA’sının bir parçasının yerine geçerek, virüs DNA’sının bir parçası haline gelir ve
virüs kılıflarının içerisine girer. İkincisi ise, özelleşmiş transdüksiyon olarak adlandırılır.
Özelleşmiş transdüksiyonda ise konak hücrenin kromozomal DNA’sının spesifik bir bölgesi,
genellikle virüs DNA’sı üzerinde bulunan bazı genlerin yerini alarak, virüs DNA’sına entegre
olmakta ve onun bir parçası haline gelmektedir. Her iki transdüksiyon olayında da virüs
partikülü orijinal viral DNA’sında bulunan genlerin

6. bazılarını konak hücrenin kromozomal DNA parçacığı ile değiştirdiği için defektif duruma
gelmektedir.
Genelleşmiş tarnsdüksiyonda şayet, verici gen alıcı bakterinin kromozomal geni ile
homolog rekombinasyonuna gitmez ise kaybolacaktır. Çünkü, verici gen kendi kendini
replike edemeyeceği gibi viral DNA’nın da orijinal bir parçası değildir. Özelleşmiş
transdüksiyonda da homolog rekombinasyon oluşabilmektedir. Buna rağmen, verici
bakteriyal DNA ise gerçekte defektif faj DNA’sının bir parçası konumuna geldiğinden bu
DNA için iki ihtimal daha söz konusudur:
i. Liziz esnasında konak hücrenin kromozomal DNA’sına entegre olacaktır.
ii. Litik enfeksiyonun bir parçası olarak konak içinde replike olacaktır.
Transdüksiyon olayının Desulfovibrio sp., Escherichia sp., Pseudomonas sp.,
Rhodococcus sp., Rhodobacter sp., Salmonella sp., Staphylococcus sp. ve Xanthobacter sp.
gibi bakteriler ile Methanobacterium thermoautothrophicum gibi Arkebakterilerde meydana
geldiği bilinmektedir. Bütün fajlar transdüksiyon olayını gerçekleştiremedikleri gibi, bütün
bakteriler de transdüksiyona uğramamaktadırlar. Fakat, transdüksiyon olayının doğada gen
transferini sağlayacak kadar yaygın olarak gerçekleştiği varsayılmaktadır.
Şekil: Gram-pozitif bir bakteride transformasyon ile DNA aktarımının mekanizması. (a) Membrana bağlı DNA
bağlama proteinleri ile serbest DNA’ların bağlanması. (b) Serbest DNA molekülünün bir dizisi nukleaz ile
parçalanırken öbür dizisi hücre içerisine alınır. (c) Hücre içerisine alınan tek-zincirli DNA, spesifik proteinlerle
bağlanır ve bakteriyal kromozomun homolog bölgesi ile rekombinasyonu RecA proteini aracılığı ile

7. gerçekleştirilir. (d) Transforme hücre.
Genelleşmiş Transdüksiyon
Genelleşmiş taransdüksiyonda hemen hemen bütün işaret genleri verici hücreden
alıcı hücreye aktarılabilir. Genelleşmiş transdüksiyon ilk defa Salmonella thyphimurium’da
P22 fajı ile keşfedilmiş ve çok detaylı olarak çalışılmıştır. P1 fajı ile E. coli’deki genelleşmiş
transdüksiyon da aynı ölçüde çalışılmış bir başka transdüksiyon olayıdır. Şekil’de bir
transdüksiyon partikülünün nasıl oluşabileceğine bir örnek verilmiştir. Bir faja duyarlı olan
bakteri populasyonu, bu faj ile enfekte edildiğinde fajın litik döngüsü başlatılabilir. Litik bir
enfeksiyon sırasında viral DNA’ları fajın protein kılıflarına paketlemekten sorumlu olan
enzimler bazen yanlışlıkla, parçalanmış olarak hücre içerisinde bulunan konak DNA
parçacıklarını da bu protein kılıflar içerisine paketlemektedirler. Bu şekilde yanlışlıkla viral
protein kılıflar içerisine konak DNA parçacıklarının paketlenmesi ile oluşan partiküllere
transdüksiyon partikülleri denmektedir. Konak hücrenin lizize olması üzerine normal
virionlarla birlikte bu trandüksiyon partikülleri de serbest kalırlar. Böylece, oluşan lizat normal
virionların yanı sıra transdüksiyon partiküllerini de içeren bir karışım olmaktadır.
Transdüksiyon partikülleri normal bir viral enfeksiyonu başlatamayacakları için (çünkü nornal
viral DNA içermezler) bunlara defektif denmektedir. Fajları ve defektifleri içeren bu lizat bir
alıcı bakteri populasyonunu enfekte temekte kullanıldığında alıcı hücrelerin çoğu normal
fajlar ile enfekte olacaktır. Fakat, alıcı hücrelerin küçük bir kısmı ise daha önceki konak
hücre DNA’sını içeren transdüksiyon partiküleri ile enfekte edilecektir. Transdüksiyon
partikülleri aracılığı ile yeni konağa aktarılan DNA molekülü ise içinde bulunduğu yeni
konağın kromozomal DNA’sı ile rekombinasyon oluşturacaktır. Lizat içerisindeki partiküllerin
çok az bir kısmının defektif transdüksiyon partikülleri olması ve bunların da herbirisinin çok
küçük bir verici DNA parçacığı taşıması nedeni ile herhangi bir genin bu transdüksiyon
partiküleri aracılığı ile taşınma olasıllığı oldukça düşük
olmaktadır. Bu oran ise genellikle herhangi bir işaret geni içien 106-108 hücrede yaklaşık
olarak 1’dir.
Transdüksiyon partikülleri oluşturan fajlar (defektif) ise ılımlı ya da virülent
olacaklardır. Bunlar temel gereksinimleri olan DNA paketlenmesini sağlayacak olan
mekanizmaya sahip oldukları için konak DNA’sı tamamı ile parçalanmadan önce yanlışlıkla
bazı DNA parçalarını da protein kılıflar içerisine paketlemektedirler. Transdüksiyon olayının
kesin olarak belirlenmesi için fajların konsantrasyonunun konak hücrelerin
konsantrasyonundan düşük olması gerekmektedir. Böylece, herbir konak hücrenin tek bir faj
partikülü (defektif) ile enfekte olması sağlanacak ve konağın birden fazla normal faj ile
enfekte olması ve ölmesi önlenecektir.

8. Şekil: Genelleşmiş transdüksiyon: Konak DNA içeren virüs (faj) partiküllerinin oluşumunu sağlayan
muhtemel bir mekanizma.
Konjugasyon ve kromozom transferi (mobilizasyonu)
Bakteriyal konjugasyon, iki hücrenin birbirine temas etmesi sonucu hücreler arasında
genetik materyalin transferini sağlayan bir mekanizmadır. Daha önceki kısımlarda da
bahsedildiği gibi konjugasyon, plazmid aracılığı ile gerçekleştirilen bir mekanizmadır.
Konjugatif bir plazmid, kendi kopyasını yeni bir hücreye transfer etmek için konjugasyon
mekanizmasını kullanmaktadır. Bunun yanı sıra, bazı durumlarda konjugasyon esnasında
plazmid DNA’sı ile birlikte diğer genetik materyaller de transfer (mobilize) edilmektedir.
Transfer edilen bu genetik materyaller, verici hücre içerisinde bulunan diğer plazmidler
olabildiği gibi kromozamal DNA da olabilmektedir. Gerçekte ise konjugasyon, E. coli’nin F
plazmidinin konağın kromozomal DNA’sını da transfer etmesi ile keşfedilmiştir. Konjugasyon
ile genetik meteryalin transfer mekanizması, belki de konjugasyona neden olan plazmidin
yapısına bağlı olarak değişmektedir. Fakat, gram-negatif bakterilerdeki plazmidlerin çoğunun
F plazmidi ile aynı mekanizmayı kullandığı görülmektedir.
Konjugasyon olayında, özel bir konjugatif plazmid içeren verici hücre ile bu plazmidi
içermeyen bir alıcı hücre olmak üzere iki hücre bulunmaktadır. Konjugasyonu kontrol eden
genler ise plazmidin tra bölgesinde bulunmaktadır. Bir plazmidin tra bölgesinde yer alan
genlerin bir çoğunun ise hücre yüzeyinde yer alan eşey piluslarının yapısal sentezinden
sorumlu oldukları bilnmektedir (Şekil). RNA bakteriyofajlarının sadece verici hücrelere
saldırmasınının nedeni ise, eşey piluslarının (çoğulu pili) sadece bu verici (donör) hücrelerde
bulunmasından kaynaklanmaktadır. Farklı yapıda olan konjugatif plazmidlerin tra
bölgelerinde de az çok farklılıklar görülmektedir. Bu farklılığa bağlı olarak, hücrenin sahip
olduğu pilusların yapılarında da bazı farklılıklar bulunmaktadır. Bu farklılıklar ise immunolojik
olarak birbirinden ayrılmaktadır. F plazmidleri ve bu plazmidlerin akrabalarının
sentezlettirdiği piluslar ise F pilusları olarak adlandırılmaktadırlar.

9. Şekil: Konjugasyon oluşturan iki bakteri arasındaki ilk temas piluslar aracılığı ile gerçekleştirilir. Daha sonra,
hücreler DNA aktarımını sağlamak üzere birbirine doğru çekilir. Piluslar üzerinde F-spesifik fajlar yer almaktadır.
Verici hücre yüzeyinde bulunan piluslar ise, verici hücre ile alıcı hücre arasında
spesifik olarak hücrelerin eşleşmesini sağlamaktadırlar. Piluslar, alıcı hücrelerin yüzeyinde
bulunan spesifik reseptörler ile temas ettikten sonra geriye doğru çekilerek iki hücreyi
birbirine yaklaştırır ve bunun sonucu olarak da iki hücre arasında kurulan konjugasyon
köprüsünün oluşmasını sağlarlar. Kurulan bu konjugasyon köprüsü aracılığı ile DNA
molekülleri bir hücreden diğerine aktarılır. Konjugasyon olayının bütün detayları tam olarak
anlaşılamamış olmasına rağmen, iki hücrenin membranları arasında bir füzyon olayının
gerçekleştiği ve bu füzyonun da her nasılsa, DNA transferini başlattığı düşünülmektedir.