Genomik

Tanım ve Kapsam

Genomik, bir organizmanın sahip olduğu genetik materyalin tamamını; bu materyalin yapısını, işlevini, organizasyonunu, çeşitliliğini, düzenlenmesini ve çevresel etkenlerle ilişkisini bütüncül olarak inceleyen bilim dalıdır. Genetik çoğunlukla tek bir genin veya sınırlı sayıdaki genin kalıtımını ve işlevini araştırırken genomik, genomdaki bütün genleri, kodlamayan bölgeleri, düzenleyici dizileri ve bunlar arasındaki etkileşimleri birlikte değerlendirir.

Bir organizmanın genomu, hücrelerinde bulunan kalıtsal DNA’nın tamamıdır. İnsan genomu, çekirdek genomu ile mitokondriyal genomdan oluşur. Haploid insan çekirdek genomu yaklaşık 3,1–3,2 milyar baz çifti içerir. Protein kodlayan genlerin sayısı yaklaşık 20.000 olmakla birlikte genomun büyük bölümü protein kodlamayan DNA dizilerinden meydana gelir. Bu kodlamayan bölgeler; düzenleyici dizileri, intronları, kodlamayan RNA genlerini, psödogenleri, tekrarlayıcı DNA’yı ve hareketli genetik elementleri kapsar.

Hücre → Çekirdek → Kromozom → Kromatin → Nükleozom → DNA → Gen ve düzenleyici bölgeler

Genomik yalnızca DNA dizisinin okunmasıyla sınırlı değildir. Dizinin biyolojik anlamının belirlenmesi, genomun anotasyonu, genetik varyantların saptanması, kromozom yapısının değerlendirilmesi, gen ekspresyonunun incelenmesi ve elde edilen büyük veri kümelerinin biyoinformatik yöntemlerle analiz edilmesi de genomik kapsamındadır.

Başlıca genomik alanları şunlardır:

• Yapısal genomik
• İşlevsel genomik
• Karşılaştırmalı genomik
• Popülasyon genomiği
• Klinik genomik
• Kanser genomiği
• Farmakogenomik
• Epigenomik
• Metagenomik
• Tek hücre genomiği
• Tarımsal genomik
• Koruma genomiği

İnsan Genom Projesi, insan genomunun ilk kapsamlı referans dizisini oluşturmuştur. Daha sonraki uzun okuma dizileme çalışmaları, sentromerler ve büyük tekrar bölgeleri dâhil olmak üzere daha önce çözümlenemeyen bölgelerin önemli bir bölümünü tamamlamıştır. Bununla birlikte tek bir doğrusal referans genom, insanlarda bulunan bütün yapısal ve dizisel çeşitliliği temsil edemez. Bu nedenle farklı ata kökenlerinden bireylerin genomlarını içeren insan pangenom referansı geliştirilmiştir (International Human Genome Sequencing Consortium, 2001; Nurk et al., 2022; Liao et al., 2023).

Temel Kavramlar

Genom, bir organizmanın bütün kalıtsal DNA içeriğidir. İnsanlarda çekirdek genomuna ek olarak mitokondriyal genom da bulunur.

Genomik, genomun tamamını ve genom bileşenleri arasındaki ilişkileri inceleyen bilim dalıdır.

Referans genom, bireysel genom dizilerinin karşılaştırılmasında kullanılan temsilî genom dizisidir. Referans diziden farklı olmak tek başına hastalık anlamına gelmez.

Pangenom, bir türdeki genomik çeşitliliğin tek bir doğrusal dizi yerine birden fazla genom veya grafik tabanlı referans üzerinden temsil edilmesidir.

Gen, işlevsel bir RNA veya protein ürününün oluşmasına katkı sağlayan DNA bölgesidir.

Lokus, bir genin veya genetik belirtecin kromozom üzerindeki fiziksel konumudur.

Alel, aynı lokusta bulunan alternatif DNA dizilerinden biridir.

Haplotip, aynı kromozom üzerinde birlikte bulunan ve çoğunlukla birlikte aktarılan alel grubudur.

Varyant, incelenen DNA dizisinin kullanılan referans diziden farklı olmasıdır. Varyantlar iyi huylu, olası iyi huylu, klinik anlamı belirsiz, olası patojenik veya patojenik olarak sınıflandırılabilir.

Anotasyon, DNA dizisi üzerinde genlerin, ekzonların, düzenleyici bölgelerin, tekrarların ve varyantların biyolojik özelliklerinin tanımlanmasıdır.

Okuma, dizileme cihazı tarafından belirlenen kısa veya uzun DNA parçası dizisidir.

Kapsama derinliği, genomdaki bir konumun ortalama kaç bağımsız dizileme okumasıyla incelendiğini ifade eder.

Kapsama genişliği, hedef genom bölgesinin ne kadarının yeterli okuma derinliğine ulaştığını gösterir.

Kontig, örtüşen dizileme okumalarının birleştirilmesiyle oluşturulan kesintisiz DNA dizisidir.

Genom montajı, dizileme okumalarının daha uzun genom dizileri hâlinde birleştirilmesidir.

Transkriptom, belirli bir hücre veya dokuda bulunan RNA transkriptlerinin tamamıdır.

Epigenom, DNA dizisi değişmeden kromatin yapısını ve gen ekspresyonunu etkileyen işaretlerin tamamıdır.

Proteom, bir hücre, doku veya organizmada bulunan proteinlerin tamamıdır.

Moleküler Yapı ve Bileşenler

İnsan genomu başlıca çekirdek genomu ve mitokondriyal genom olmak üzere iki temel bölümden oluşur. Çekirdek genomu 22 çift otozom ve bir çift eşey kromozomu üzerinde bulunur. Mitokondriyal genom ise mitokondri matriksinde yer alan, yaklaşık 16,6 kilobaz büyüklüğünde dairesel bir DNA molekülüdür.

Çekirdek genomu

Çekirdek genomunun temel bileşenleri şunlardır:

• Protein kodlayan genler
• Kodlamayan RNA genleri
• İntronlar
• Promotörler
• Güçlendiriciler
• Susturucular
• İzolatör ve sınır bölgeleri
• Psödogenler
• Tekrarlayıcı DNA
• Transpozon kökenli diziler
• Sentromerik DNA
• Telomerik DNA
• Yapısal ve düzenleyici kromatin bölgeleri

Protein kodlayan bir gen genel olarak promotör, 5′ çevrilmeyen bölge, ekzonlar, intronlar, başlangıç kodonu, durdurma kodonu, 3′ çevrilmeyen bölge ve poliadenilasyon sinyali gibi yapılardan oluşur.

Promotör → 5′ UTR → Başlangıç kodonu → Kodlayan ekzonlar → Durdurma kodonu → 3′ UTR → Poliadenilasyon sinyali

Genlerin büyük bölümü tek başına çalışmaz. Promotörler, güçlendiriciler, transkripsiyon faktörleri ve kromatinin üç boyutlu düzeni birlikte gen ekspresyonunu belirler. Bir güçlendirici, genom üzerinde hedef geninden binlerce baz çifti uzakta bulunabilir ancak kromatin döngüsü aracılığıyla promotörle fiziksel temas kurabilir.

Kodlamayan genom

İnsan genomunun büyük bölümü proteine çevrilmez. Kodlamayan genomun önemli bileşenleri şunlardır:

• Ribozomal RNA genleri
• Taşıyıcı RNA genleri
• MikroRNA genleri
• Uzun kodlamayan RNA genleri
• Küçük nükleer RNA genleri
• Güçlendiriciler ve promotörler
• Tekrarlayıcı elementler
• LINE ve SINE dizileri
• Endojen retroviral diziler
• Basit dizi tekrarları
• Sentromer ve telomer tekrarları

Kodlamayan DNA’nın tamamının işlevsel olduğu söylenemez. Bununla birlikte belirli kodlamayan bölgeler gen ekspresyonu, kromatin organizasyonu, RNA işlenmesi ve kromozom bütünlüğü açısından temel görevler üstlenir.

Mitokondriyal genom

İnsan mitokondriyal DNA’sı 37 gen içerir:

• 13 protein kodlayan gen
• 22 tRNA geni
• 2 rRNA geni

Mitokondriyal genom tarafından kodlanan proteinlerin tamamı oksidatif fosforilasyon sisteminin bileşenleridir. Mitokondride görev yapan proteinlerin büyük çoğunluğu ise çekirdek genleri tarafından kodlanır, sitozolde sentezlenir ve mitokondriye taşınır.

Tekrarlayıcı DNA ve hareketli elementler

İnsan genomunun önemli bir bölümü tekrarlayıcı dizilerden oluşur. LINE-1, Alu ve SVA elementleri genomun yapısal gelişiminde ve genetik çeşitlilikte rol oynayabilir. Yeni hareketli element yerleşimleri genleri, RNA işlenmesini veya düzenleyici bölgeleri bozabilir.

Biyokimyasal / Moleküler Mekanizma

Genomun işlevi, genetik bilginin korunması, kopyalanması, ifade edilmesi ve hücre bölünmeleri sırasında doğru biçimde aktarılması üzerine kuruludur.

DNA replikasyonu

Hücre bölünmesinden önce genomun tamamı yarı korunumlu biçimde kopyalanır:

Çift zincirli DNA → Replikasyon başlangıç bölgelerinin etkinleşmesi → DNA’nın açılması → Yeni zincir sentezi → İki DNA molekülü

Helikaz DNA çift sarmalını açar. Primaz RNA-DNA primerleri oluşturur. DNA polimerazlar yeni zincirleri 5′ → 3′ yönünde sentezler. Geciken zincirde oluşan Okazaki parçaları, primerlerin uzaklaştırılması ve DNA ligaz etkinliği sonrasında birleştirilir.

Genomun her hücre döngüsünde yalnızca bir kez kopyalanması, replikasyon başlangıç bölgelerinin lisanslanması ve hücre döngüsü kinazları tarafından düzenlenir.

DNA onarımı ve genom bütünlüğü

DNA sürekli olarak replikasyon hataları, reaktif oksijen türleri, ultraviyole ışınları, kimyasal maddeler ve iyonlaştırıcı radyasyon nedeniyle hasar görebilir. Genom bütünlüğü farklı DNA onarım mekanizmalarıyla korunur:

DNA hasarı → Hasarın tanınması → Hücre döngüsünün durdurulması → DNA onarımı → Replikasyonun yeniden başlaması

Başlıca onarım sistemleri şunlardır:

• DNA polimeraz düzeltme etkinliği
• Yanlış eşleşme onarımı
• Baz eksizyon onarımı
• Nükleotid eksizyon onarımı
• Homolog rekombinasyon
• Homolog olmayan uç birleştirme
• Zincirler arası çapraz bağ onarımı
• Doğrudan hasar geri çevirme mekanizmaları

Onarımın yetersiz kalması tek nükleotid değişikliklerine, insersiyon ve delesyonlara, kromozom kırıklarına veya yapısal yeniden düzenlenmelere yol açabilir.

Gen ekspresyonu

Genetik bilginin işlevsel ürüne dönüşmesi şu genel akışla gerçekleşir:

DNA → Transkripsiyon → Öncül RNA → RNA işlenmesi → Olgun RNA → Translasyon → Protein

RNA polimeraz II protein kodlayan genleri transkribe eder. Öncül mRNA, 5′ başlık eklenmesi, kesip birleştirme ve poliadenilasyon işlemlerinden geçer. Olgun mRNA ribozomlarda amino asit dizisine çevrilir.

Genomik değerlendirmede yalnızca gen dizisi değil, genin ne zaman ve hangi dokuda ifade edildiği de önemlidir. Düzenleyici varyantlar protein dizisini değiştirmeden RNA miktarını azaltabilir veya artırabilir.

Mayotik rekombinasyon

Mayoz sırasında homolog kromozomlar arasında crossing-over gerçekleşir:

Homolog kromozomların eşleşmesi → DNA çift zincir kırığı → Homolog zincir değişimi → Rekombinant kromozomlar

Rekombinasyon yeni haplotipler oluşturarak genetik çeşitliliği artırır. Ancak benzer tekrar dizilerinin yanlış hizalanması, eşit olmayan crossing-over yoluyla delesyon ve duplikasyonlara neden olabilir.

Genomik analiz iş akışı

Genomik inceleme genel olarak aşağıdaki basamakları içerir:

Biyolojik örnek → DNA veya RNA izolasyonu → Kalite kontrolü → Kütüphane hazırlama → Dizileme → Ham veri kontrolü → Hizalama veya genom montajı → Varyant saptama → Anotasyon → Biyolojik ve klinik yorumlama

Kütüphane hazırlama sırasında DNA belirli büyüklükte parçalara ayrılır ve dizileme adaptörleri eklenir. Dizileme sonrasında elde edilen okumalar referans genoma hizalanabilir veya referanstan bağımsız olarak birleştirilebilir.

Genomik yöntemler

Kısa okuma dizileme tek nükleotid değişiklikleri ve küçük indeller için yüksek doğruluk sağlayabilir. Uzun okuma teknolojileri ise büyük tekrarların, karmaşık yapısal varyantların, fazlanmış haplotiplerin ve daha önce çözümlenemeyen genom bölgelerinin değerlendirilmesini kolaylaştırır.

Metabolizma / Fizyoloji

Genomik doğrudan tek bir metabolik yolak değildir. Bununla birlikte genom, metabolik enzimlerin, taşıyıcıların, reseptörlerin ve düzenleyici proteinlerin üretimini belirlediği için hücresel metabolizmanın temel bilgi kaynağıdır.

Genetik varyant → RNA veya protein değişikliği → Metabolik yolakta değişiklik → Biyokimyasal fenotip → Klinik sonuç

Bir enzimin işlev kaybı genel olarak şu sonuçları oluşturabilir:

Substrat → Enzim → Ürün

Enzim aktivitesi azaldığında:

Substrat birikimi + Ürün eksikliği + Alternatif metabolit oluşumu → Hücresel ve klinik bozukluk

Fenilketonüride PAH genindeki patojenik varyantlar fenilalanin hidroksilaz aktivitesini azaltır:

Fenilalanin + BH₄ + O₂ → Fenilalanin hidroksilaz → Tirozin

LDLR genindeki işlev kaybı varyantları LDL parçacıklarının hücre içine alınmasını azaltır:

LDL → LDL reseptörü → Endositoz → Dolaşımdan uzaklaştırılma

LDLR işlev kaybı → LDL temizlenmesinde azalma → Plazma LDL kolesterolünde artış

Mitokondriyal genomdaki varyantlar oksidatif fosforilasyonu etkileyebilir:

NADH ve FADH₂ → Elektron taşıma zinciri → Proton gradyanı → ATP sentaz → ATP

Mitokondriyal protein sentezi veya elektron taşıma zinciri bozulduğunda ATP üretimi azalabilir, laktat birikimi ve reaktif oksijen üretimi artabilir.

Genomun korunması da metabolik kaynaklara bağımlıdır. DNA sentezi için dengeli deoksiribonükleotid havuzu gereklidir:

Ribonükleozid difosfat → Ribonükleotid redüktaz → Deoksiribonükleozid difosfat → dNTP → DNA sentezi

Folat metabolizması timidilat ve pürin sentezi için gereklidir:

dUMP + 5,10-Metilen-THF → Timidilat sentaz → dTMP

Nükleotid havuzundaki dengesizlikler DNA polimeraz doğruluğunu bozabilir, replikasyon stresini ve kromozom kırıklarını artırabilir.

Genomik düzenleme ayrıca epigenetik metabolitlerle bağlantılıdır:

Metiyonin + ATP → S-Adenozilmetiyonin → DNA ve histon metilasyonu

Sitrat → Asetil-KoA → Histon asetilasyonu

NAD⁺ → Sirtuin etkinliği → Protein ve histon deasetilasyonu

Alfa-ketoglutarat → TET ve histon demetilaz etkinliği → Demetilasyon

Bu bağlantılar, hücresel metabolik durumun gen ekspresyonunu ve kromatin yapısını etkileyebileceğini gösterir.

Düzenlenme Mekanizmaları

Genomun işlevi yalnızca DNA dizisiyle belirlenmez. Genlerin etkin veya baskılanmış olması kromatin erişilebilirliği, epigenetik işaretler, transkripsiyon faktörleri, düzenleyici RNA’lar ve üç boyutlu genom organizasyonu tarafından belirlenir.

Kromatin düzenlenmesi

DNA’nın histonlar çevresinde paketlenmesi, düzenleyici proteinlerin DNA’ya erişimini sınırlar. Histon asetilasyonu çoğunlukla kromatinin daha erişilebilir hâle gelmesini desteklerken bazı histon metilasyonları aktif, bazıları ise baskılanmış kromatinle ilişkilidir.

Histon asetilasyonu → Kromatin erişilebilirliğinde artış → Transkripsiyon faktörü bağlanması

H3K4me3 → Aktif promotörler
H3K27ac → Aktif güçlendiriciler
H3K9me3 → Konstitutif heterokromatin
H3K27me3 → Polycomb aracılı baskılanma

DNA metilasyonu

Promotör CpG bölgelerindeki yoğun DNA metilasyonu, transkripsiyon faktörü bağlanmasını azaltabilir ve baskılayıcı kromatin komplekslerini bölgeye toplayabilir.

Promotör metilasyonu → Kromatin yoğunlaşması → Transkripsiyon azalması

DNA metilasyonunun etkisi bulunduğu genom bölgesine bağlıdır. Gen gövdesi metilasyonu ile promotör metilasyonu aynı biyolojik anlama sahip değildir.

Güçlendirici-promotör etkileşimi

Güçlendiriciler, hücreye özgü transkripsiyon faktörlerinin bağlandığı düzenleyici bölgelerdir. CTCF ve kohezin, genomun üç boyutlu yapısına ve kromatin döngülerinin oluşmasına katkıda bulunur.

Güçlendirici aktivasyonu → Kromatin döngüsü → Promotörle temas → RNA polimeraz etkinliği → Gen ekspresyonunda artış

Bir yapısal varyant, güçlendiriciyi normal hedefinden ayırabilir veya başka bir genin yakınına taşıyabilir. Bu durum protein kodlayan diziyi değiştirmeden hastalık oluşturabilir.

Kodlamayan RNA’lar

MikroRNA’lar hedef mRNA’ların translasyonunu baskılayabilir veya yıkımını artırabilir:

miRNA + RISC → Hedef mRNA’ya bağlanma → Translasyon baskılanması veya mRNA yıkımı

Uzun kodlamayan RNA’lar kromatin düzenleyici proteinleri belirli genom bölgelerine yönlendirebilir. XIST RNA’sı X kromozomu inaktivasyonunda temel rol oynar.

Allele özgü ekspresyon

İki homolog kromozom üzerindeki aleller her zaman eşit düzeyde ifade edilmez. Düzenleyici varyantlar, genomik damgalanma ve X kromozomu inaktivasyonu allele özgü ekspresyon oluşturabilir.

Anne ve baba aleli → Farklı epigenetik veya düzenleyici durum → Farklı RNA üretimi

Ekspresyon nicelik lokusları

Bazı genetik varyantlar yakın veya uzak genlerin RNA düzeyini etkileyebilir. Bu varyantlar ekspresyon nicelik lokusları olarak adlandırılır. Bir hastalıkla ilişkili varyantın protein yapısını değiştirmeden gen ekspresyonunu düzenlemesi mümkündür.

Görev Alan Enzimler, Proteinler ve Kofaktörler

Genomun korunması ve işlevi için ATP, GTP, magnezyum, çinko, demir, NAD⁺, FAD, S-adenozilmetiyonin, asetil-koenzim A ve alfa-ketoglutarat gibi molekül ve kofaktörler gereklidir.

Doku, Organ ve Hücresel Dağılım

Germ hattı genomu, döllenme sırasında sperm ve oosit genomlarının birleşmesiyle oluşur. Döllenmiş yumurtadan gelişen somatik hücrelerin büyük bölümü aynı temel genom dizisini taşır. Bununla birlikte somatik hücreler yaşam boyunca yeni mutasyonlar kazanabilir.

Zigot genomu → Hücre bölünmeleri → Dokuya özgü somatik genomlar → Yaşla birlikte mutasyon birikimi

Bir bireyin farklı dokularındaki DNA dizisinin tamamen özdeş olmamasının başlıca nedenleri şunlardır:

• Somatik mutasyonlar
• Mitokondriyal heteroplazmi
• X kromozomu inaktivasyonu
• Bağışıklık hücrelerinde gen yeniden düzenlenmesi
• Klonal hematopoez
• Tümör gelişimi
• Gelişimsel mozaiklik

B ve T lenfositlerde antijen reseptörü çeşitliliğinin oluşturulması için kontrollü DNA yeniden düzenlenmesi gerçekleşir. Bu nedenle olgun bağışıklık hücrelerinin genomu, germ hattı genomundan belirli bölgelerde farklıdır.

Kanser hücrelerinde tek nükleotid değişiklikleri, kopya sayısı bozuklukları, kromozomal yeniden düzenlenmeler ve epigenetik değişiklikler birlikte bulunabilir. Aynı tümörün farklı bölgeleri veya metastazları farklı genomik alt klonlar içerebilir.

Mitokondriyal DNA hücre başına çok sayıda kopya hâlinde bulunur. Aynı hücrede normal ve varyant mitokondriyal DNA moleküllerinin birlikte bulunması heteroplazmi olarak adlandırılır. Heteroplazmi düzeyi dokular arasında farklı olabilir.

Normal mtDNA + Varyant mtDNA → Dokuya özgü heteroplazmi → Biyokimyasal eşik → Klinik fenotip

Beyin, kalp, iskelet kası ve retina gibi enerji gereksinimi yüksek dokular mitokondriyal genom bozukluklarından daha belirgin etkilenebilir.

Hücre dışına salınan DNA parçaları kan plazması ve diğer vücut sıvılarında bulunabilir. Hücresiz DNA; prenatal tarama, organ nakli takibi ve tümör kaynaklı DNA incelemelerinde kullanılabilir. Bununla birlikte hücresiz DNA analizinin duyarlılığı, hedef DNA oranı ve örnekleme koşullarına bağlıdır.

Biyolojik Fonksiyonlar

Genomun ve genomik düzenlemenin temel biyolojik işlevleri şunlardır:

• Kalıtsal bilginin depolanması
• Genetik bilginin nesiller arasında aktarılması
• Hücre bölünmesi sırasında DNA’nın kopyalanması
• RNA ve protein sentezinin yönlendirilmesi
• Hücre farklılaşmasının düzenlenmesi
• Dokuya özgü gen ekspresyonunun oluşturulması
• Metabolik yolların düzenlenmesi
• Hücresel sinyal sistemlerinin oluşturulması
• Bağışıklık sistemi çeşitliliğinin sağlanması
• DNA hasarı yanıtının yürütülmesi
• Kromozom bütünlüğünün korunması
• Genetik çeşitliliğin oluşturulması
• Popülasyonların çevresel koşullara uyumuna katkı sağlanması
• Embriyonik gelişim programlarının yürütülmesi
• Hücresel yaşlanma ve apoptozun düzenlenmesi
• İlaç yanıtı ve toksisite farklılıklarının belirlenmesi

Genom, hücresel işlevlerin değişmez bir talimat listesi değildir. Genomun hangi bölümlerinin kullanıldığı; hücre tipi, gelişim dönemi, çevresel koşullar ve epigenetik düzenleme tarafından belirlenir.

Klinik ve Patofizyolojik Önemi

Klinik genomik, hastalıkların tanısı, risk değerlendirmesi, sınıflandırılması ve tedavi seçimi için genom çapındaki verilerin kullanılmasını kapsar.

Nadir ve kalıtsal hastalıklar

Hedefli gen panelleri, tüm ekzom dizileme ve tüm genom dizileme; klinik bulguları tek bir hastalıkla açıklanamayan bireylerde kullanılabilir. Bu yöntemler şu varyantları araştırabilir:

• Tek nükleotid varyantları
• Küçük insersiyon ve delesyonlar
• Kopya sayısı değişiklikleri
• Yapısal varyantlar
• Tekrar genişlemeleri
• Mitokondriyal varyantlar
• Mozaik varyantlar
• Düzenleyici bölge varyantları

Bununla birlikte bütün yöntemler bütün varyant türlerini eşit duyarlılıkla saptayamaz. Negatif ekzom sonucu genetik hastalığı kesin olarak dışlamaz. İntronik varyantlar, tekrar genişlemeleri, karmaşık yapısal değişiklikler ve düşük düzeyli mozaiklik ek yöntemler gerektirebilir.

Kanser genomiği

Kanser genomiğinde germ hattı ve somatik genom ayrı değerlendirilir. Germ hattı varyantları kalıtsal yatkınlığı, somatik değişiklikler ise tümörün biyolojik özelliklerini gösterebilir.

Somatik sürücü varyant → Hücresel çoğalma avantajı → Klonal genişleme → Tümör gelişimi

Kanser genomiği şu amaçlarla kullanılabilir:

• Tümör sınıflandırması
• Hedeflenebilir varyantların belirlenmesi
• Prognoz değerlendirmesi
• Tedavi direnci mekanizmalarının incelenmesi
• Kalıtsal kanser yatkınlığının araştırılması
• Minimal kalıntı hastalık takibi
• Tümör kökeninin değerlendirilmesi

Farmakogenomik

Farmakogenomik, genetik varyantların ilaç etkinliği ve toksisitesi üzerindeki etkisini inceler. CYP2C19, CYP2D6, DPYD, TPMT, NUDT15, UGT1A1 ve HLA genlerindeki varyantlar bazı ilaçların seçim veya dozunu etkileyebilir.

Genotip → Enzim veya hedef protein işlevi → İlaç düzeyi → Etkinlik veya toksisite

Farmakogenomik sonuçlar tek başına değil; yaş, böbrek ve karaciğer işlevi, eş zamanlı ilaçlar ve klinik durumla birlikte değerlendirilmelidir.

Üreme ve prenatal genomik

Genomik yöntemler taşıyıcılık taraması, prenatal tanı ve preimplantasyon genetik testlerde kullanılabilir. Hücresiz fetal DNA temelli prenatal taramalar belirli kromozomal değişiklikler için risk hesaplar; tek başına kesin tanı yöntemi değildir.

Varyant yorumlama

Bir varyantın klinik anlamı şu kanıtların birlikte değerlendirilmesiyle belirlenir:

• Popülasyon frekansı
• Gen-hastalık ilişkisinin gücü
• Varyantın protein veya RNA üzerindeki etkisi
• Aile içinde hastalıkla birlikte aktarılması
• Hastanın klinik bulguları
• İşlevsel deney sonuçları
• Hesaplamalı tahminler
• Aynı bölgedeki bilinen patojenik varyantlar
• Kalıtım modeli

Klinik anlamı belirsiz bir varyant, tek başına kesin hastalık tanısı veya geri dönüşü olmayan tedavi kararı için kullanılmamalıdır.

Eksiklik, Fazlalık ve Bozukluk Durumları

Gen delesyonu, bir genin tamamının veya bir bölümünün kaybıdır. İşlevsel protein miktarının azalmasına veya tamamen kaybolmasına neden olabilir.

Gen duplikasyonu, bir genin normalden fazla kopya hâlinde bulunmasıdır. Gen dozajını artırabilir veya duplike kopyanın zaman içinde yeni işlev kazanmasına zemin hazırlayabilir.

Haployetersizlik, genin tek sağlam kopyasının normal fenotip için yeterli ürün oluşturamamasıdır.

Kopya sayısı varyasyonu, genom bölgesinin normalden daha az veya fazla kopya hâlinde bulunmasıdır. Etki, bölgenin büyüklüğüne ve içerdiği doz duyarlı genlere bağlıdır.

Anöploidi, belirli bir kromozomun eksik veya fazla bulunmasıdır:

Monozomi → 2n − 1
Trizomi → 2n + 1

Poliploidi, bütün kromozom setlerinin sayısının artmasıdır. Triploidi ve tetraploidi çoğunlukla ciddi gelişimsel bozukluklara yol açar.

Yapısal varyant, delesyon, duplikasyon, inversiyon, translokasyon veya büyük insersiyon gibi genom yapısını etkileyen değişikliktir.

Tekrar genişlemesi, kısa DNA tekrarlarının belirli bir eşiğin üzerine çıkmasıdır. Toksik protein, toksik RNA veya gen susturulması oluşturabilir.

Uniparental dizomi, bir kromozom çiftinin iki kopyasının da aynı ebeveynden gelmesidir. Damgalanmış genlerin ekspresyonunu veya resesif hastalık riskini etkileyebilir.

Genomik damgalanma bozukluğu, anne veya baba kökenli alelin uygunsuz ifade edilmesidir.

Mitokondriyal heteroplazmi, normal ve varyant mitokondriyal DNA moleküllerinin aynı hücre veya dokuda birlikte bulunmasıdır.

Genomik instabilite, mutasyon, kromozom kırığı, anöploidi ve yapısal yeniden düzenlenme oluşum eğiliminin artmasıdır.

Mikrosatellit instabilitesi, yanlış eşleşme onarım yetersizliği sonucunda kısa tekrar bölgelerinin uzunluğunda yaygın değişiklikler oluşmasıdır.

Kromozomal instabilite, hücre bölünmeleri arasında kromozom sayı ve yapısının sürekli değişmesidir.

Somatik mozaiklik, varyantın bireyin yalnızca belirli hücrelerinde bulunmasıdır. Etkilenen hücrelerin oranı ve dağılımı klinik şiddeti belirleyebilir.

İlişkili Hastalıklar ve Klinik Tablolar

Benzer fenotip farklı genlerdeki varyantlardan kaynaklanabilir. Bu durum lokus heterojenliği olarak adlandırılır. Aynı gendeki farklı varyantların farklı klinik tablolar oluşturması ise alel heterojenliği olarak tanımlanır.

Beslenme, İlaç ve Çevresel Faktörlerle İlişki

Beslenme, DNA sentezi, nükleotid metabolizması ve epigenetik düzenleme için gerekli substratları sağlayarak genom işlevini etkileyebilir. Folat ve vitamin B12 tek karbon metabolizmasıyla nükleotid sentezi ve S-adenozilmetiyonin üretimine katkıda bulunur.

Folat yetersizliği → dTMP sentezinde azalma → DNA’ya urasil katılımı → Baz eksizyonu → DNA zincir kırıkları

Bununla birlikte vitamin veya besin takviyelerinin kalıtsal DNA varyantlarını düzelttiği ya da genomdaki bütün hasarları önlediği söylenemez.

Genetik varyantlar besin yanıtını da etkileyebilir. LCT düzenleyici bölge varyantları erişkin dönemde laktaz üretiminin sürmesini, HFE varyantları demir metabolizmasını ve bazı lipid metabolizması genleri plazma lipoprotein düzeylerini etkileyebilir. Bu ilişkiler genellikle tek bir genden daha karmaşıktır ve çevresel faktörlerle birlikte değerlendirilmelidir.

Ultraviyole ışınları DNA’da pirimidin dimerleri oluşturabilir. Tütün dumanındaki kimyasal maddeler DNA eklentileri ve karakteristik somatik mutasyon örüntüleri meydana getirebilir. İyonlaştırıcı radyasyon tek ve çift zincirli DNA kırıklarına yol açabilir.

Çevresel etken → DNA hasarı → Onarım veya hatalı replikasyon → Somatik mutasyon → Klonal seçilim

Bazı ilaçlar DNA’yı veya genomun korunma mekanizmalarını doğrudan hedefler:

Farmakogenomik varyantlar ilaç metabolizmasını, taşımasını veya hedef proteinle etkileşimini değiştirebilir. Popülasyon frekansları tarama stratejilerinde yararlı olsa da bireysel tedavi kararı mümkün olduğunda doğrudan genotip ve klinik bulgulara dayanmalıdır.

Kısaltmalar ve Açılımları

DNA: Deoksiribonükleik Asit. Genomun temel kalıtsal materyalidir.

RNA: Ribonükleik Asit. Genetik bilginin ifade edilmesi ve düzenlenmesinde görev alan nükleik asittir.

WGS: Whole-Genome Sequencing – Tüm Genom Dizileme. Kodlayan ve kodlamayan genom bölgelerinin geniş kapsamlı dizilenmesidir.

WES: Whole-Exome Sequencing – Tüm Ekzom Dizileme. Protein kodlayan ekzonların büyük bölümünü inceleyen yöntemdir.

NGS: Next-Generation Sequencing – Yeni Nesil Dizileme. Çok sayıda DNA veya RNA molekülünün paralel olarak dizilenmesini sağlayan teknoloji grubudur.

TGS: Third-Generation Sequencing – Üçüncü Nesil Dizileme. Tek ve uzun nükleik asit moleküllerinin dizilenmesini sağlayan yöntemleri ifade eder.

RNA-seq: RNA Sequencing – RNA Dizileme. RNA transkriptlerinin tür ve miktarını genom çapında inceleyen yöntemdir.

scRNA-seq: Single-Cell RNA Sequencing – Tek Hücre RNA Dizileme. Tek hücre düzeyinde gen ekspresyonunun incelenmesini sağlar.

SNV: Single-Nucleotide Variant – Tek Nükleotid Varyantı. DNA dizisindeki tek baz değişikliğidir.

SNP: Single-Nucleotide Polymorphism – Tek Nükleotid Polimorfizmi. Popülasyonda görece yaygın bulunan tek bazlık farklılıktır.

Indel: Insertion–Deletion – İnsersiyon–Delesyon. DNA dizisine nükleotid eklenmesi veya diziden nükleotid kaybıdır.

CNV: Copy-Number Variation – Kopya Sayısı Varyasyonu. Genom bölgesinin normalden daha az veya fazla kopya hâlinde bulunmasıdır.

SV: Structural Variant – Yapısal Varyant. Delesyon, duplikasyon, inversiyon, translokasyon veya büyük insersiyon gibi genom yapısı değişikliğidir.

mtDNA: Mitochondrial DNA – Mitokondriyal DNA. Mitokondrilerde bulunan ve çoğunlukla anne yoluyla aktarılan genomdur.

UTR: Untranslated Region – Çevrilmeyen Bölge. mRNA’nın protein kodlamayan ancak düzenleyici işlev taşıyabilen bölümüdür.

ORF: Open Reading Frame – Açık Okuma Çerçevesi. Başlangıç ve durdurma kodonları arasında protein kodlama potansiyeli bulunan dizidir.

FASTQ: Dizileme okumalarını ve her bazın kalite puanlarını birlikte içeren ham veri dosyası biçimidir.

BAM: Binary Alignment Map. Referans genoma hizalanmış dizileme okumalarını ikili biçimde saklayan dosya formatıdır.

VCF: Variant Call Format. Genetik varyantları ve bunlara ait genotip ile kalite bilgilerini saklayan dosya biçimidir.

QC: Quality Control – Kalite Kontrolü. Örnek, kütüphane, dizileme ve analiz verilerinin güvenilirliğinin değerlendirilmesidir.

GWAS: Genome-Wide Association Study – Genom Çapında İlişkilendirme Çalışması. Genom genelindeki varyantlarla fenotipler arasındaki istatistiksel ilişkileri araştırır.

PRS: Polygenic Risk Score – Poligenik Risk Skoru. Çok sayıda varyantın ağırlıklı etkilerinin birleştirilmesiyle oluşturulan risk ölçüsüdür.

eQTL: Expression Quantitative Trait Locus – Ekspresyon Nicelik Özelliği Lokusu. Gen ekspresyon düzeyiyle ilişkili genetik bölgedir.

CMA: Chromosomal Microarray Analysis – Kromozomal Mikrodizi Analizi. Genom genelindeki kopya sayısı değişikliklerini inceleyen yöntemdir.

FISH: Fluorescence In Situ Hybridization – Floresan İn Situ Hibridizasyon. Belirli DNA bölgelerini floresan işaretli problarla gösteren yöntemdir.

MLPA: Multiplex Ligation-Dependent Probe Amplification. Hedef gen veya ekzonlardaki delesyon ve duplikasyonların araştırılmasında kullanılan yöntemdir.

T2T: Telomere-to-Telomere – Telomerden Telomere. Kromozomların uçtan uca kesintisiz genom montajını ifade eder.

HPRC: Human Pangenome Reference Consortium – İnsan Pangenom Referans Konsorsiyumu. İnsan genomik çeşitliliğini daha kapsamlı temsil eden pangenom kaynakları geliştiren konsorsiyumdur.

ACMG: American College of Medical Genetics and Genomics. Klinik genomik ve varyant yorumlama standartları geliştiren mesleki kuruluştur.

Kaynakça

1. Alberts, B., Heald, R., Johnson, A., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2022). Molecular biology of the cell (7th ed.). W. W. Norton & Company.
2. Brown, T. A. (2018). Genomes 4. Garland Science.
3. Strachan, T., & Read, A. P. (2018). Human molecular genetics (5th ed.). Garland Science.
4. Nussbaum, R. L., McInnes, R. R., & Willard, H. F. (2016). Thompson & Thompson genetics in medicine (8th ed.). Elsevier.
5. International Human Genome Sequencing Consortium. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409(6822), 860–921.
6. 1000 Genomes Project Consortium. (2015). A global reference for human genetic variation. Nature, 526(7571), 68–74.
7. Nurk, S., Koren, S., Rhie, A., Rautiainen, M., Bzikadze, A. V., Mikheenko, A., Vollger, M. R., Altemose, N., Uralsky, L., Gershman, A., et al. (2022). The complete sequence of a human genome. Science, 376(6588), 44–53.
8. Liao, W. W., Asri, M., Ebler, J., Doerr, D., Haukness, M., Hickey, G., Lu, S., Lucas, J. K., Monlong, J., Abel, H. J., et al. (2023). A draft human pangenome reference. Nature, 617(7960), 312–324.
9. Shendure, J., Balasubramanian, S., Church, G. M., Gilbert, W., Rogers, J., Schloss, J. A., & Waterston, R. H. (2017). DNA sequencing at 40: Past, present and future. Nature, 550(7676), 345–353.
10. ENCODE Project Consortium. (2020). Expanded encyclopaedias of DNA elements in the human and mouse genomes. Nature, 583(7818), 699–710.