Genetik bilimi tarihi

İnsanların gelişim sürecinde ilk önce, doğan çocuğun kime benzediği sorusu, kalıtımın ilk gözlemlerindendir. Çocukların akrabalarına benzemesinin bir rastlantı olmadığı çok eski zamanlardan beri bilinmekteydi. Bu yüzden, kimi kültürlerde yakın akrabalar arasındaki evlilikler yasaklanmış, evcilleştirilen hayvanların istenilen özellikteki bireyleri çiftleştirilmiştir. Yaşı 6000 yıldan eski bir Babil yazıtında, beş nesillik bir at şeceresinde, yele başının değişimi gösterilmiştir. Kimi kültürlerde tohum seçiminde en iyi bitkiler seçilmiş, yapay olarak tozlaşmalar yapılmıştır. Bununla beraber, genetiğin bilimsel olarak açıklanması, 19. yüzyılı bulmuştur. Kalıtımla ilgili ilk kurgular Yunan filozoflardan gelmiştir; bugün komik olarak görülen bu ilk fikirlerin, kalıtımın ilk ana fikirleri olması nedeniyle büyük önemi vardır.

Pisagor (MÖ 580 - MÖ 500), çocukların babalarına benzerliklerini şöyle açıklamıştır: Vücudun çeşitli bölgelerinden süzülerek gelen bir tür süptil buharın erkeğin eşeysel organında yoğunlaşmasıyla tohum (sperm) oluşur ve eşeysel çiftleşme sırasında dişi eşey organlarına iletilir. Bu, vajinada katılaşır ve rahimde büyüyecek bir embriyo oluşturur. Olayda esas teşkil eden tohumun babadan gelmesi nedeniyle bu varsayım “patrocline” adıyla bilinir. Bu varsayımda, annenin işlevi embriyoyu kanıyla beslemekten ibarettir. Pisagor'un düşüncesinde, çocuğun anne ile benzerliği, embriyonun anne vücudu içerisindeki gelişimiyle açıklanmıştır.

Empedokles (MÖ 494 - MÖ 434), tohumun ebeveynden (anne ve baba) geldiğine inanmıştır. Ona göre, çiftleşme sırasında hem anneden hem babadan gelen sıvı, tohum şeklinde organlarda toplanmakta, birleşmelerinde ise embriyoyu oluşturmaktaydı. Çocukların ebeveyne benzemelerini ve birbirine benzemeyen kardeşlerin oluşumu ise şöyle açıklamıştır: Vücudun her parçasından gelen tohuma katkı hep aynı oranda olmadığından, her yeni çiftleşme farklı çocukların oluşmasını sağlar. Günümüzde Anadolu'nun bazı yerlerinde erkekteki tohumunun göğüslerinden süzülerek geldiğine hala inanılmaktadır.

Aristo (MÖ 384 – MÖ 322), birçok konuda olduğu gibi, kalıtım üzerine de fikirler ileri sürmüştür. Düşünceleri yüzyıllarca tartışılmadan kabul görmüştür. Erkek tohumunun kandan saflaşarak oluştuğuna ve her organa ulaştığı için kanın organları yeniden yapabilme gücü olduğuna inanmıştır. Kadındaki tohumun aybaşlarında görülen adet kanı olduğunu düşünmüş, ama ondaki kanın erkekteki gibi tam olarak saflaşmamasından dolayı, aybaşlarında bu şekilde geldiğini ileri sürmüştür. Aristo'ya göre, çiftleşme sırasında tohumların ikisi birleşerek embriyo haline gelip, çökelir. Bu fikir, 2000 yıl kadar kabul edilmiştir; günümüzde de kullanılan asil kanlı, kan bağı, bozuk kanlı vb. deyimlerinin buradan geldiğine inanılır.

18. yüzyılın ortalarına kadar pek çok araştırmacı, organizmaların, en azından küçük olanların, kendiliğinden, çürüyen maddelerin çeşitli karışımlarından kendiliğinden (spontan) yani abiyogenetik olarak (canlı olmadan) ortaya çıktığına inanmaktaydılar. Sineklerin çer-çöplerden kendiliğinden ortaya çıkışı, Leeuwenhoek'un (1632-1723) görünürde temiz olan saman ve su karışımından meydana gelen küçük canlıları gözlemesi ve bunun gibi diğer gözlemler, ana-babadan doğrudan geçişi olmadan da yaşamın ortaya çıkabileceğini destekler gibi görünmüştü. İki İtalyan bilim insanı Francesco Redi ve Lazzaro Spallanzani bu teoriyi ciddi biçimde eleştirmiş ve bu konu üzerine bazı çalışmalar yapmışlardır. Redi; ergin sineklerin et üzerinde yumurtlamasını önleyince, sinek larvalarının gelişmediğini; Spallazani; organik madde içeren şişenin kapatılıp kaynatıldığında Leeuwenhoek tarafından gözlemlenen küçük canlıların kendiliğinden ortaya çıkmadığını göstermiştir.

Sistematik bilimin kurucusu olan Linnaeus'e göre türlerin değişmezliği bulunmaktaydı; bir canlı türü sadece o canlı türünü meydana getirebilirdi. Yani hayvan ve bitki grupları yeryüzünde belirdiğinden beri değişmeden kalmışlardı. Dinsel görüşle uyuşan bu inanç, sınıflandırma bilimi ilerledikçe araştırmacılar arasında benimsendi.

Kendiliğinden oluş (abiyogenez) ve özel yaratılış teorileri 19. yüzyıla kadar birbirleriyle çatışarak tartışıldı; Louis Pasteur ve John Tyndall yaptıkları çalışmalarla kendiliğinden oluş teorisini sona erdirdiler. Bu araştırmacılar organik maddelerin bozulmasının ancak besin kültürüne başka parçacıkların girmesi durumuna izin verildiğinde gerçekleştiğini gösterdiler. Bu parçacıklara daha sonrasında "mikrop" denildi ve bunların organik maddenin fermantasyonuna yol açtıkları bulundu. Bu bulgular yeni organizmaların doğuşunun ancak hayatın devamlılığı boyunca ortaya çıkacağı görüşünü düşündürttü. Ve Pasteur; "Omne vivum ex ovo" (Her canlı bir yumurtadan doğar)" tanımını yaptı.

1620 yılında İngiliz fizyolog William Harvey'in yapmış olduğu bazı deneyler bu görüşün uzun yıllar sonrasında sarsılmasını sağladı. Geyikleri çiftleştirdikten sonra öldürerek rahimlerine bakan Harvey, çökelmiş bir embriyo taslağı bulunmadığını görmüştü. Yeni organizmanın, Aura seminalis diye adlandırılan erkek menisinin mistik etkisiyle, çiftleşme sırasında oluşan sürtünmeden doğan mıknatıslanmanın embriyo oluşumuna yol açtığını savundu. Mikroskobun icadı sayesinde eşey hücrelerinin keşfi, erkekte sperm, dişide yumurta hücresinin bulunduğunun anlaşılmasını sağladı. Böylece, eşey hücrelerinin birleşmesiyle meydana gelen hücreden yeni bir yaşamın doğduğu anlaşılmış oldu.

17. ve 18. yüzyıllarda yumurta, sperm ve polenlerin bulunmasından sonra birçok araştırmacı; Homunculus denilen minyatür bir insan figürünün eşey hücrelerinden birinde bulunduğuna inandılar. Bu görüş ön-oluşumculuk (Preformasyonizm) olarak tanındı. Buna göre; önceden yapılmış bu minyatürün ergin duruma gelebilmesi için uygun şekilde beslenmesi gerekmekteydi. Ancak bu hipotezin kabulü için bazı sorular bulunmaktaydı; örneğin bu homunkulus hiç gerçekten görülmemişti. Ön oluşumculuk teorisi, kendiliğinden oluşma teorisine göre önemli derecede ileride olan bir fikirdi.

Caspar Friedrich Wolff'un ortaya attığı başka bir görüş olan epigenetik görüş; birçok yeni faktörün (doku ve organ gibi) orijinal biçimde var olmadığını, fakat organizma gelişimi sırasında ortaya çıktığını savunur. Wolff, bu organların tamamen anlaşılmayan yaşamsal güçlerle sonradan ortaya çıktığına inanmıştır. Takipçisi Karl Ernst von Baer ise daha çok kabul edilen bir teori olan; organların artarak özelleşen dokuların göreceli değişimiyle oluştuğu görüşünü ileri sürmüştür.

Edinilmiş özelliklerin kalıtımı kavramının modern bir tanımı şöyledir: ortamda meydana gelen ufak bir değişiklik, bu ortamda bulunan bir canlı türünün tüm (veya çoğu) üyelerinde bir değişikliğe neden olur; bu canlılar başlangıçtaki ortama geri konunca bu yeni özellik devam eder. Bu özellik kalıtılır bireylerin yavrularında da aynı görülür. Edinilmiş özelliklerin kalıtımı fikri eski çağlarda Hipokrat ve Aristo tarafından öne sürülmüştü ve Lamarck zamanında yaygın olarak kabul görmekteydi. Bu fikir eski Yunanlar zamanından beri mevcut olmakla genelde beraber Fransız tabiatçısı Jean Baptiste Lamarck'a atfen "Lamarkizm" olarak değinilir.

Çoğu insan, bulunan eşey hücrelerine rağmen, hala vücut parçalarının kalıtıma etki ettiğine inanmaktaydı. Lamarck da bu görüşü desteklemiş, kazanılmış özelliklerin aktarıldığı yönünde fikirler ileri sürmüştür. Darwin de ilk zamanlarında bu görüşü desteklemiş ve pangenezis denilen varsayımı ileri sürmüştür. Bu varsayımda her vücut hücresinin kana küçük bir gemmula ya da pangenezis denilen yapılar verdiği ve bunların üreme hücrelerinde toplandığı görüşü söz konusuydu. Bazı ilkel canlılarda görülen kuyruk kopması gibi olaylarda gemmulaların buralarda toplanarak onarım yaptığı, bazı çocukların büyük aile bireylerine benzemelerinde ise gemmulaların bazen -embriyo oluşumunda görev almadan- doğrudan eşey hücresine geçerek bir sonraki dölde etkisini gösterdiği düşünülüyordu.

19. yüzyılın sonlarında birçok önemli bulgu elde edilmişti. Bunlar kalıtımın kaynağı olan materyalin daha net bir şekilde belirlenmesi için bir başlangıç sağladı. Birçok araştırmacının çalışmalarıyla hücrenin yapısı ve bölünmesi artık biliniyordu; hücre çekirdeği Robert Brown tarafından 1833'te tanımlanırken, Oscar Hertwig deniz kestanesinin döllenmesinde sperm ve yumurtanın çekirdeklerinin doğrudan ilgili olduğunu gösterdi, "nukleoplazma" terimini çekirdekteki protoplazmik materyal için, "sitoplazma" terimini de çekirdeği saran hücre yapısındaki materyal için kullandı. Johann Gottlob Schneider koyu boyanan nükleer ipliklere kromatin adını verdi. Walther Flemming bunların bölünme sırasında uzadığını, Edouard Van Beneden eşit parçaların yavru hücrelere geçtiğini söylediler.

20. yüzyılın başlarında Theodor Boveri, Hermann Henking ve Montgomery gibi araştırmacıların çalışmalarıyla ışık mikroskobuyla gözlenen hücrenin morfolojik olayları ve bölünmesi sayesinde nükleer kromozomların bölünmesi ve eşit olarak ayrılmaları gösterilmiş ve böylece atasoy ve döl arasındaki kromozomsal bağlar saptanmış oldu.

19. yüzyılın sonlarına doğru Weismann, pangenezim kuramı üzerine bazı çalışmalar yaparak, tekhücrelilerde protoplazmanın sürekli olmasına değinmiştir. Ortaya attığı germ-plazma teorisiyle edinilmiş özelliklerin kalıtımı varsayımı tümüyle geçerliliğini yitirmiştir. Ona göre; tekhücreliler bölündüklerinde oluşan yavrularda anadakiyle aynı protoplazma bulunuyordu. Böylece, çokhücrelilerde de bu tür bir sürekliliğin olabileceğini düşünerek, Germ-Plazma varsayımını ortaya attı. Bu varsayıma göre, yüksek canlılar, vücudu meydana getiren somatoplazma kısmıyla, üreme hücrelerini oluşturan germ-plazmadan oluşmuştur. Germ-plazma embriyo evrelerinde diğer dokulardan oluşmuş, fakat somatoplazma ile alakası olmamıştır. Germ-plazma, sperm ve yumurta olarak embriyoyu yapar; bazı hücreler embriyoda germ plazmayı oluşturup değişmeden kalırken, diğer hücreler somatoplazma olarak farklılaşırlar. Bu varsayım, nesiller boyunca farelerin kuyruklarının kesilmesine rağmen yeni nesil farelerin halen kuyruklu doğduğunun görülmesi üzerine, kazanılmış özelliklerin kalıtımsal olmadığı gerekçesiyle çürütülmüştür.

Hugo De Vries, Darwin'in kuramlarını bazı noktalarda benimsemekle birlikte pangenezisi kabul etmemiş ve türler arasındaki büyük varyasyonların temelini bulmaya eğilmiştir. Laleler ile yaptığı gözlemlerinde aniden ortaya çıkan değişik türlerin nedenini "mutasyon" olarak açıkladı. Daha sonra, yetiştirdiği eşekçiçekleri ile saf varyeteler elde etti. Mendel'in bezelyede aynı şeyleri fark etmiş olduğunu gördü. Buluşunu 1900 yılında Mendel'inkiyle birlikte yayımlamış ve kalıtsal birimlerin değişebileceği hakkındaki görüşünü kabul ettirmiştir. Böylece Mendel'in daha önce bulduğu bu gözlemin tekrarlanmasıyla 20. yüzyıl genetiğini akışı değişmiş oldu.

1865'te doğa bilimlerine tutkun Avusturyalı keşiş Gregor Mendel manastırının avlusundaki bahçede 7 özellik (tanenin biçimi ve rengi, kabuğunun rengi vs.) gösteren yenilebilir bezelyeler üzerinde çalışmaya karar verdi. Deneylerinden yola çıkarak, yazdığı “Bitki melezleri üzerinde denemeler” adlı makalesinde, bazı kalıtımsal özelliklerin aktarılma yasalarını açıkladı. Bu makaleyi dünyanın dört bir tarafındaki bilim adamlarına yolladı; tepkiler olumlu olmamakla birlikte yumuşaktı. Makalesinde ileri sürdükleri ancak 1900'lerin başında farklı bilim adamlarınca da yeniden keşfedildikten sonra kabul edildi.

1869'da DNA İsviçreli hekim Friedrich Miescher tarafından yalıtılabildi. İrinde fosfat halindeki zengin bir cevheri yalıttı. Bu cevhere “çekirdek özü” anlamında "nüklein" adını verdi. Nükleinin tüm hücrelerde, somon balığı sperminde bile mevcut olduğunu buldu.

1879'da Walther Flemming ilk kez bir mitozu tanımladı. Gerçi mitoz, kendisinden 40 yıl önce Carl Nageli tarafından keşfedilmişti ama, Nageli mitozu anormal bir doğa olayı olarak değerlendirmişti. Walther Flemming hücrenin bölünmesini tanımlarken profaz, metafaz ve anafaz terimlerini ortaya attı. Çalışması 1882’de yayımlandı.

1880'de Oskar Hertwig ve Eduard Strasburger döllenmedeki temel öğenin spermatozoit (İng. spermatozoon) denilen sperm hücreleri ile yumurta hücresinin birleşmesi olduğunu keşfetti.

1905'te William Bateson, kalıtımsal çeşitliliklerin artık adlandırılması gerekliliğinden söz ederek, bir mektubunda ve bir makalesinde "genetik" terimini kullandı, genetik biliminin akademik anlamda kurucusu ve isim babası oldu.

1911'de Thomas Morgan mutasyona uğramış bir beyaz gözlü Drosophila (meyve sineği) sayesinde mutasyonların varlığını ortaya koydu. “Genetik bağlantı”ların ve "genetik rekombinasyon"un keşfi sayesinde genlerin taşıyıcılarının kromozomlar olduğunu ortaya koydu. Alfred Sturtevant, Hermann Muller ve Calvin Bridges ile birlikte çalıştı. 1933'te Nobel tıp ödülü aldı. Deneyleri kalıtım hakkındaki kromozom kuramını iyice sağlamlaştırdı.

1913'te Morgan ve Alfred Sturtevant, genlerin kromozom boyunca birbirini izleyen dizilişini ve düzenini gösteren, Drosophila sineğinin X kromozomuna ait ilk “genetik harita”yı yayımladılar.

1928'de Fred Griffith Streptococcus pneumoniae türündeki bakteriler üzerinde gerçekleştirdiği deneyler sayesinde, bakterilerin “genetik dönüşüm”ünü keşfetti. Dönüşüm, iki hücre arasında "genetik enformasyon aktarımı"na olanak sağlıyordu. Bununla birlikte buradaki “dönüştürücü ilke”nin doğasını çözebilmiş değildi.

1943'te DNA'nın William Astbury tarafından X ışınlarıyla kırınımı söz konusu molekülün yapısına ilişkin ilk varsayımın ortaya atılmasına olanak sağladı: Düzenli ve periyodik bir yapı söz konusuydu.

1944'te Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty DNA'nın kalıtımsal bir enformasyona ilişkin bir molekül olup, bir hücreyi dönüştürebilir özellikte olduğunu ortaya koydular. Barbara McClintock genlerin yer değiştirebildiğini ve genomun sanıldığından çok daha az statik olduğunu gösterdi; 1983'te Nobel tıp ödülü aldı.

1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase şunu keşfettiler: Enfeksiyon kapma olayında bir hücreye girmesi gereken, yalnızca, virüsün DNA’sı idi. Çalışmaları DNA’nın genlerden oluştuğu varsayımını büyük ölçüde güçlendirdi.

1953'te Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin'in DNA molekülünün klişesini belirleyen araştırma çalışmalarının ardından, James Dewey Watson ve Francis Crick genetik enformasyonun DNA molekülünce taşınabileceğini açıklayarak, DNA’nın çift sarmal biçimli modelini sundular. Watson, Crick ve Wilkins bu keşiflerinden dolayı 1962’de Nobel Tıp Ödülü aldılar.

1955'te Joe Hin Tjio insan kromozomlarının sayısını tam olarak saptadı: 23 çift idiler. Arthur Kornberg DNA’nın “DNA ikileşmesi”ne olanak veren bir enzim olan DNA polimerazı keşfetti.

1958'de “Down sendromlu” denilen bir çocuğun kromozomlarının incelenmesi sırasında Jérôme Lejeune 21. kromozom çiftinde fazladan bir kromozom daha bulunduğunu keşfetti. Böylece, dünyada, zihinsel engellilik ile kromozomlara ilişkin bir anormallik arasında bağ bulunabileceği ilk kez ortaya konmuş oluyordu. Lejeune daha sonra, çalışma arkadaşlarıyla, kromozom kaynaklı diğer hastalıkların mekanizmasını da keşfederek, "sitogenetik" dalının ve modern genetiğin yolunu açmış oldu.

1960'lı yıllarda Fransız biyolog François Jacob ve Fransız biyokimyacı Jacques Monod “protein biyosentezi”nin mekanizmasını aydınlığa kavuşturdular. Genetik kod ilkesi kabul edilmekteydi. Jacob ve Monod “protein biyosentezi”ndeki sentezin düzenlenmesinin proteinlere başvurduğunu gösterdiler ve “gen ifadesi”nde rol oynayan “DNA dizileri”nin varlığını gün ışığına çıkardılar. 1965'te genetik kodun deşifre edilmesinden dolayı Nobel ödülü aldılar.

1989'da, genetik hastalıkların anlaşılması, araştırılması, taranması, önceden tahmin edilmesi ve mümkünse tedavi edilebilmesi amacıyla, genlerin kimliklerinin tek tek saptanması için, insan “genom”unun 3 milyarı bulan “nükleotit” çiftlerinin kodlarının çözülebilmesi konusunda bir proje oluşturulmaya karar verildi. Bu amaçla yola çıkan, 18 ülkedeki bilimcilerden oluşan ve ABD’ndeki National Institutes of Health tarafından düzenlenen ilk çalışma ekibi “İnsan Genom Projesi” adı altında çalışmalara başladı. Uzun soluklu bu büyük çalışma, ister istemez iş bölümünü gerektiriyordu; örneğin Fransa 14. kromozomun DNA dizilimini çözmekten (14. kromozomla ilgili nükleotit kodlarının çözülmesinden, dizilişlerin saptanmasından) sorumluydu.

1998'de, insan genomu verilerini, Craig Venter ve Perkin Elmer tarafından kurulan, merkezi ABD’nde bulunan Celera Genomics adlı özel şirket de, National Institutes of Health’ınkinden farklı bir teknik kullanarak toplamaya başladı.

1999'da 22. kromozom dizilenmesi tamamlandı. Büyük Britanya’daki Sanger Institute tarafından düzenlenen bir ekip, ilk kez bir insan kromozomunun tüm DNA dizilimini belirlemiş bulunuyordu: Bu, 22. kromozomdu.

2000 yılının Haziran ayında hem NIH - NHGRI (National Human Genome Research Institute - "Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü"), hem de Celera Genomics insan genomunun DNA dizilimlerinin %99’unu “saptamış” olduğunu açıkladı. National Institutes of Health araştırma sonuçlarıyla ilgili bir makaleyi "Nature" adlı bir bilim gazetesinde, Celera Genomics şirketi de araştırma sonuçlarıyla ilgili bir makaleyi “Science” adlı bir bilim gazetesinde yayımladı.

2002 yılının Temmuz ayında Tokyo Üniversitesi’ndeki Japon araştırmacılar Escherichia coli türündeki bir bakteri üzerinde, mevcut 4 nükleotitin (A, T, G, C) yanı sıra, 2 nükleotiti (S ve Y) daha saptadıklarını belirttiler. İlginç nokta, bu iki yeni nükleotitle ilgili genetik kalıtın canlı varlıkların genetik kalıtıyla hiçbir ortak yana sahip olmamasıydı; üstelik bu araştırmacılar, onlardan doğada henüz bulunmayan, meçhul bir protein ürettiler. Kimileri bu yeni “yaratılış”tan söz etmekten çekinmemektedir.

2003 yılının 14 Nisan günü, insan genomunun DNA dizilimlerinin saptanması projesinin tamamlanmış olduğu açıklandı; DNA dizilenmesinin tamamlanmasıyla, gen kodlayan bölgelerin tümü gün ışığına çıkarılmış oldu.