Sonik Kirpi: Parmak Yaratma Sürecinin Ardındaki Genler, Çalışma Prensipleri ve Evrim

Ana rahmindeki gelişimin 51. günündeki bir bebeğin parmakları…
Yazımıza bir uygulamayla başlayalım. Başparmağınızı avuç içinize doğru kıvırın veya işaret parmağınıza yapışık tutun. Hatta uygulamanın daha gerçekçi olması için başparmağınızı ya avcunuzun içine ya da işaret parmağınıza bir bant yardımıyla sabitleyin. Elinize de günlük hayatımızın vazgeçilmezi olan cep telefonunuzu alın. Göreceksiniz ki başparmağınız olmaksızın kullanmak imkânsız olacak… Hayat ne kadar da zor olurdu değil mi başparmağımız şu anki konumundan farklı olsaydı ya da hiç var olmasaydı! Şimdi de bir su bardağını tutmaya çalışın başparmağınız olmaksızın. Yine göreceksiniz ki bardağı bu haldeyken tutmak normal haldekinden çok daha zor. Bunlar en basitinden bizim çağımızın sorunları… Ancak aynı sorunlar, doğada da benzer karşılıklara sahiptir: başparmağımız olmaksızın alet üretmemiz imkansıza yakın olacaktır. Hatta başparmağımız olsa; ancak şu anda yapabildiğiniz gibi diğer 4 parmağın karşısına gelemese bile bir alet üretmeniz, onu yetkinlikle kullanmanız, şu andakinden çok daha zor olurdur.
Doğanın acımasız olduğu bir gerçektir. Her ne kadar bizler doğanın bu acımasızlığını bir nebze yenmiş olsak da, oralarda bir yerlerde hala bir kovalamaca, hala bir yemek bulma/canını kurtarma mücadelesi devam ediyor. Bu açıdan baktığımızda ise, yaşamı kolaylaştıran her uzuv av/avcı için bir avantaj demek oluyor. Bir primat için ise tutunmayı, kavramayı kolaylaştıran bir “parmağın”, yani sadece 5-10 santimetre uzunluğundaki bir uzvun önemi oldukça büyük oluyor.
Birçok canlı, ana rahminden veya yumurtadan çıkmadan, çok ciddi değişimlerden geçiyor. Örneğin insanlar, bizi “insan” yapan fiziksel özelliklerin büyük bir kısmını ana rahminde geçirdikleri zamanların son birkaç ayında kazanıyor. Bu nedenle, başparmak gibi hayati bir organın evrimini anlamak için, embriyomuzu tanımamız gerekiyor. Bunun içinse, ana rahmine geri dönmemiz gerekiyor!
Farklı canlı türlerinin 3 ayrı evredeki embriyo karşılaştırması…
Doğadaki tüm canlıların ortak bir atadan geldiği gerçeğini düşündüğümüzde yukarıdaki farklı türlerin 1-2 haftalık olan embriyolarının benzer olması son derece doğaldır. Ayrıca, memeliler ve sürüngenler arasında ufak farklılıklar ile birlikte hayvanların embriyolojik gelişim süreçleri de son derece benzerlik göstermektedir. Bir memeli için bu gelişim sürecini 4 basamağa ayırabiliriz;
Bölünüm: Bu aşamada hızlı bir şekilde mitoz bölünmeler serisi gerçekleşir fakat orijinal zigotta bir büyüme gözlenmez. İnsanların gelişimi sırasında bu aşamada 4-8 hücre oluşur. Bu dönemi art arda gelen 5 bölünme sonucu üretilen 32 hücrenin oluştuğu morulla evresi izler.
Blastula: 128 hücreden (7 bölünme sonrası) oluşan embriyoya blastula denir. Bu aşamada artık hücreler farklılaşmaya başlar ve vücut boşluğunun temelleri atılır. Bu boşluk oluşumuna memelilerde “blastosit” denir. Bu aşamayı gastrula izler.
Gastrula: Bu aşamada eşey tabakalarının gelişimi tamamlanır. Bu tabakalar ektoderm (en dıştaki tabaka), endoderm (en içteki tabaka) ve mezodermdir. Gastrulanın yapısını aşağıda görebilirsiniz.
Embriyonun evreleri…
Organ oluşumu (organogenez): Bir önceki aşamada oluşan eşey tabakalarının artık farklılaşıp gruplanarak organları oluşturmaya başladığı evredir. Ektoderm tabakası farklılaşarak, sinir dokuyu, deri ve deriden türeyen yapıları, korneayı ve göz lenslerini; endoderm farklılaşarak, tiroid paratiroid ve timus bezlerini, üreme bezlerinin epitel dokusunu, üretra ve sidik kesesinin epitel dokusunu; mezoderm ise farklılaşarak, iskelet, düz ve kardiyak kaslarını, kan, kemik iliği ve lenfoid dokuyu ve ürogenital sistem organlarını oluşturur.
İnsan bebeğinin gelişim aşamaları…
Fotoğraftan da görebileceğiniz gibi, 17. haftanın sonunda bir insan embriyosunda bazı uzuvların şekilleri belli ölçüde seçilebilir duruma gelmiş oluyor. Bu da yine organogenez ile başlayan “hücre farklılaşması” sürecinin bir parçası. Bu farklılaşmayı daha iyi anlamak için görüş açımızı biraz daha genişletmemiz gerekiyor.
Biraz önce de söylediğimiz gibi, bu gelişim 2 farklı üreme hücresinin birleşmesi sonucu oluşan ve tek bir hücre olan zigottan başlayarak devam etmektedir. Tahmin edebileceğiniz gibi, zigotun da kendine has bir genetik kodu var ve bölünüm aşamasında yalnızca mitoz bölünme geçirerek aynı genetik koda sahip hücreler oluşturuyor. Yani, bizim şu anki genetik kodumuz aslında daha bizler zigot iken belliydi. Ayrıca, vücudumuzun herhangi farklı dokusundan alınacak olan hücrelerde de yine zigot ile ve birbiri ile aynı genetik koda sahip olduğu da görülebilir. Fakat bu kod her hücrede aynı olmasına rağmen, hücrelerin görevlerinin birbirinden farklı olması durumu söz konusudur. Bu durumu da “gen ifadesi” denen bir süreç ile açıklayabiliriz.
Gen İfadesi
Gen ifadesi, özetle, hücre içinden ve/ve ya dışından gelen özel sinyaller sonucu genetik olarak kodlanmış olan ürünlerin üretilmesidir (bu ürünler bazı istisnai durumlarda protein-harici moleküller olsalar da, çoğu zaman proteindirler; bu nedenle yazımızın geri kalanında bu ürünlerden “proteinler” olarak bahsedeceğiz). Bu sürecin bir hücreye ve ya hücre grubuna en büyük getirisi çevre koşullarına uyum sağlamalarını kolaylaştırıyor olmasıdır. Sürecin yardımıyla canlının doğaya uyum sağlayabileceği özellikler, yetenekler oluşuyor. Bu özelliklere sahip canlılar hayatta kalıyor, çevreye uyum sağlayabiliyor. Evrimsel açıdan bakacak olursak, çevreye uyum sağlamanın önemi kuşkusuz ki çok büyük. İşte bu süreç sayesinde ortama uyum sağlamış olan hücreler nesillerini devam ettirmiş ve bu sürece sahip olan hücreler seçilmiştir.
Gen ifadelerinin kontrol edilmesi süreci iki aşamada incelenebilir: Okuma (transkripsiyon) ve dönüştürme (translasyon). DNA’dan elde edilen RNA kopyalarının üretilme sürecine transkripsiyon denir ve bu süreç ökaryotlarda üç ayrı RNA polimeraz enzimi tarafından gerçekleştirilir ve her enzim ayrı bir görev üstlenir.
RNA Polimeraz Enzimi’nin çalışması…
Görselden de görebileceğiniz gibi, RNA polimeraz enzimi (RNAP) DNA üzerinde hareket eder ve okunması gereken yerleri, yani aktif kısımları okuyarak RNA için uygun bir hale getirir. RNA polimeraz okunması gereken kısmın sonunda geldiğinde durarak görevini tamamlar. Bu süreci başlatan sinyallere “transkripsiyon faktörleri” denir. Bu aşamayı genetik bilginin proteine çevrilme süreci, yani translasyon süreci izler.
Transkripsiyon sürecinde okunan DNA parçaları yine bu süreçte oluşturulan mesajcı RNA (mRNA) adı verilen RNA molekülleriyle üretimin gerçekleşeceği yere taşınır. Okunan parça üzerindeki üçerli nükleotit dizilerine kodon denir. Her bir kodon özel bir amino asidin taşıyıcı RNA (tRNA)’ya bağlanmasını sağlar. Bu kodonlar sayesinde bağlanan amino asitler tRNA’lar sayesinde ise proteini oluşturacak komplekse taşınır ve burada tepkimeye sokulan amino asitler, üretilmesi beklenen proteinleri oluşturur.
Tüm bu süreç, yine genlerimizdeki bilgiler ve kimyasalların yapısal uyumu veya uyumsuzluğu ile sürdürülmektedir. Yani süreç bir defa başladıktan sonra, adeta domino taşları gibi zincirleme tepkimeler birbirini takip eder. Tıpkı dominoda olabileceği gibi, gen ifadesinde de hatalar olabilir ve bunun sonucunda hatalı proteinler oluşur. Kimi zamansa bu hatalar ifadeden değil, ifadeyi kontrol eden genlerde meydana gelen mutasyonlardan kaynaklanır. Bu tür hatalar çoğu zaman etkisizdir veya çok ufak etkilere sahiptir (bu ufak etkiler yararlı veya zararlı olabilir). Geri kalan nadir zamanlardaysa bu hatalar büyük sorunlara neden olabilir ve hastalıklar oluşur. Ancak bu, ayrı bir yazımızın konusu olabilir. Şu anda sadece genlerin ve genlerden üretilen proteinlerin vücudumuzun şekillerini nasıl oluşturduğuna odaklanacağız.
Bu noktada da farkına varacağımız ilk şey, üretimin olduğu yerde bir kontrol mekanizmasının da olması gerektiğidir. Buna genel olarak “gen ifadesinin kontrolü” adı verilir (evet, çok yaratıcı!). Bu süreç sayesinde üretilecek proteinin ne olduğu ve bu proteinin ne kadar üretileceği kontrol edilir. Aynı zamanda hatalı proteinler ayıklanır, geri dönüştürülür veya gerekiyorsa hücreden atılır.
Gen İfadelerinin Kontrolü
Gen ifadelerinin kontrolü süreci üç şekilde gerçekleşir: Transkripsiyon Seviyesi Kontrolü, İşlemleme Seviyesi Kontrolü (Processing-Level Control) ve Translasyon Seviyesi Kontrolü. Transkripsiyon seviyesi kontrolünde en büyük görev transkripsiyon faktörlerindedir. Bahsettiğimiz gibi, transkripsiyon faktörleri genel olarak transkripsiyon sürecini başlatan proteinler olarak bilinirler. Bu proteinler RNA polimerazın da bağlandığı gen bölgesi olan “promotor” bölgeye bağlanırlar. Bu bölgede oluşan protein kompleksine son olarak da RNA polimeraz eklenir ve transkripsiyon başlamış olur. Trankripsiyon faktörleri sadece transkripsiyonu başlatmakla kalmaz, transkripsiyon oranını arttırabilir ya da transkripsiyonun başlamasını engelleyebilir de. Oranı arttıranlara “artırıcılar (enhancers)” engelleyenlere de “susturucular (silencers)” denir. İşte bu tip transkripsiyon faktörleri sayesinde gen ifadeleri kontrol edilebilir, hangi proteinin sentezleneceği ve ne kadar sentezleneceği belirlenebilir.
Bir diğer kontrol etme süreci ise İşleme Seviyesi Kontrolü’dür. Bu sürecin detaylarından bahsetmeden önce bazı terimlerden bahsetmemiz gerekiyor. Bir genden işlemlenen ve bu işlemlenme sonucu oluşan RNA’da bulunan bir grup nükleotit dizisine “ekson” denir. Protein üretimi için kullanılacak asıl kodlar bunlardır. “Uçbirleştirme” sürecinden önce bu ekson gruplarını birbirinden “intron” denen nükleotit grupları ayırır. Fakat uç birleştirme sürecinden sonra intronlar ortadan kaldırılarak anlamlı kısımlar yani eksonlar bir araya getirilir. Bu uç birleştirme süreci de yine eksonlara ve intronlara bağlanan “uçbirleştirme faktörleri (splicing factors)” tarafından kontrol edilir. Bu faktörler kontrol edici proteinlerle bağ kurarak protein kompleksleri oluştururlar ve ardından uçbirleştirme süreci başlar. Uçbirleştirme sürecinde görev alan proteinlerin nereye bağlandığını ve bu sürecin nasıl işlediğini aşağıdaki şemadan öğrenebilirsiniz.
Bahsedeceğimiz son kontrol mekanizması ise Translasyon Seviyesi Kontrolü. Bu süreç temel olarak amino asit üretimini sağlayan mRNA’in bir çok yönden kontrol edilmesi ile gerçekleştirilir. Biz yazımız için daha önemli olduğundan sadece mRNA’nın yerleşmesinin kontrol edilmesinden bahsedeceğiz. mRNA’nın nereye yerleşeceğini RNA bağlayıcı proteinler, bağlanacak lokalizasyon dizimini (zip kodu olarak da bilinir) tanımlayarak belirlerler. Sonraki süreçte ise hücre iskelet sistemi elemanlarından olan mikrotübüller ve diğer motor proteinler mRNA’nın yerleşeceği bölgeye transferi için önemli rol oynarlar. Bu süreç embriyo gelişimi sırasında embriyonun ön-arka ekseni gelişimi için çok önemlidir. Bu eksenin gelişi sonucunda, baş ve kuyruk boyunca uzuvların nerelerde bulunacağı belirlenir.
Özetle bu mekanizmalar sayesinde dokularımız aynı genetik koda sahip olsa da farklı görevler üstlenebilir. Vücudumuzun şekli ve organlarımızın yerleşimi de yine bu mekanizmalar yardımıyla şekillenir ve bu mekanizmalar sayesinde hayatımızı düzgün bir şekilde sürdürebiliriz. Şimdi bir örnekle anlatımımızı biraz daha pekiştirip ana konumuza geçelim.
HOX Geni
HOX proteinleri HOX genleri tarafından sentezlenen transkripsiyon faktörleridir. Bu proteinler DNA üzerindeki özel nüleotit dizilerine bağlanarak bazı genleri aktifleştirirken bazı genleri baskılar. Bizim için önemi ise embriyonik gelişim sürecinde ön-arka eksen gelişimini düzenlemesidir. Aşağıdaki fotoğrafta Drosophila melanogaster türü bir sineğin vücudunun hangi bölümlerinde hangi HOX genlerinin aktif olduğunu görebilirsiniz.
Bu farklı genlerin hepsi farklı görevleri olan proteinlerin sentezlenmesine yardımcı olurlar ve böylece ön-arka eksen boyunca farklı yapıların oluşmasına yardımcı olurlar.
Bu sinek türünde 8 adet HOX geni mevcuttur. Homo sapiens’te ise bu genlerin sayısı daha fazladır. Aşağıdaki tablodan bizlerde bulunan HOX genlerini görebilirsiniz.
Dikkat ettiyseniz sinek türünde de bir primat türünde de HOX genleri bulunmaktadır ve ana işlevleri aynıdır. Bu genlerde oluşabilecek bir mutasyon, yapısal bozukluklara yol açabilir. Örneğin gelişimi sırasında bir kelebekte HOX genlerinde mutasyon olması durumunda ekstra kanat oluşabilir, benzer bir durum da insanlarda parmak sayısının artması şeklinde görülebilir. Bazı omurgalılarda ise, HOX genlerinin mutasyonu sonucu omurgalarında problemler oluşabilir. Yani tüm hayvanlar aleminde bu genler mevcuttur ve aktiftir. Bu da HOX genlerinin evrimsel kökeninin çok eskiye dayandığının kanıtıdır.
Sonik Kirpi Geni
Gelişim sürecinde etkili olan bir diğer önemli gen ve bizim de asıl ilgilendiğimiz gen olan Sonik Kirpi genidir. Bu gende kodlanmış olan ve daha sonra sentezlenecek olan Sonik Kirpi proteinleri, embriyonik gelişim boyunca uzuvların, beynin ortahattının, spinal kordun ve dişlerin gelişimini düzenler. Düzenleme mekanizmasının detayına girmeden önce genin keşfinden ve isimlendirilmesinden biraz bahsedelim.
1950 ve 60 yıllarda bir grup biyolog iskelet modelinin nasıl oluştuğunu anlamak için tavuklar üzerinde deneyler yaptılar. Bu deneylerdeki amaç embriyoların dokularının gelişim üzerine etkisiydi. Gelişim evresindeki üyelerin dokularıyla ilgilenen Edgar Zwilling ve John Saunders isimli bilim insanları üyelerdeki kemik düzeninin gelişimini 2 tane dokunun kontrol ettiğini buldular. Devam eden çalışmalarda farklı bakış açıları kazanılmış oldu. En ilgi çeken ve araştırmacılar sonuca en fazla yakınlaştıran deney ise bir tavuk embriyosu üzerinde yapıldı. Bu deneyde, gelişimin ilk evrelerindeyken, üye tomurcuğunun serçe parmağın oluşacağı tarafından alınan bir doku parçası diğer tarafa, birinci parmağın oluşacağı yerin hemen altına aşılandı. Civciv gelişmeye ve kanat oluşturmaya bırakıldı. Kanat gelişimi normaldi; ancak, parmak takımının tam bir kopyası oluşmuştu. Daha tuhaf olansa, parmakların yerleşim düzeniydi: yeni parmaklar, normal parmak takımının ayna görüntüsü şeklinde dizilmişti. Belli ki doku parçasının içindeki bir şey, belki bir molekül veya gen, parmakların yerleşim düzeninin gelişimini yönlendirebiliyordu.
Bu sonuç, art arda bir dizi başka deneyle defalarca tekrarlandı ve söz konusu etkinin pek çok değişik yolla ortaya çıkabileceği anlaşıldı. Devam eden araştırmalar sonucunda bu aşılanan doku parçasına, kutuplaştırıcı etkinlik alanı (Zone of Polarizing Aktivity – ZPA) adı verildi. Parmak oluşumu için ZPA’da bulunan ve henüz ne olduğu keşfedilemeyen molekülün konsantrasyonunun önemli olduğu düşünülüyordu. Bu doğrultuda yapılan bir deneyde, ZPA parçası ile üyenin geri kalan kısmı arasına çok minik bir folyo parçası yerleştirildi. Amaç, bu folyoyla ZPA’dan diğer tarafa herhangi bir molekülü geçirmeyecek bir bariyer oluşturmaktı. Araştırmacılar, bu bariyerin her iki yanındaki hücrelere ne olduğunu inceledi. ZPA tarafındaki hücreler parmak oluştururken, diğer taraftakiler çoğunlukla oluşturmuyor, oluşturduklarında ise ciddi kusurlar ortaya çıkıyordu. Bu deneyden sonra konsantrasyonun önemli olduğu da kesinleşmiş oldu.
İlerleyen yıllarda, genetik biliminin de gelişmesiyle, Drosophila melanogaster üzerinde yapılan deneylerde bir tür genin kanat oluşumuna yardımcı olduğu bulundu ve bu gene “Kirpi” geni dendi. Araştırmacılar hemen diğer hayvanlarda da bu geni aramaya koyuldu ve ZPA’da aktif olan bu genin diğer hayvanlarda da olduğunu buldular.
İsimlendirme de basitti; araştırmanın yapıldığı sineklerde bir kirpininkine benzer dikenler vardı. Bu yüzden de “kirpi geni” ismi verildi. Bu genin tavukta bulunan versiyonuna ise bir video oyunundan da esinlenerek “sonik kirpi geni” dendi.
Kirpi proteini ailesi memelilerde üç bireye sahiptir. Hint Kirpi Proteini bunlardan biridir ve endokondral kemikleşme sürecinde görev alır. Diğeri Çöl Kirpi Proteinidir ve bu protein ise morfonogenez sürecinin kontrolüne yarayan sinyalleri kodlar. Son üyeleri ise biraz önce de görevlerinden bahsettiğimiz Sonik Kirpi Proteini.
Sonik kirpi proteinleri aslında embriyolojik gelişim sırasında birçok sinyal merkezinden salgılanan sinyallerdir. Örneğin, nöral tüpün karın bölgesindeki kutuplaşmayı başlatması için notokord (embriyonun iskeletine verilen isim) tarafından gönderilen bir sinyal olarak da karşımıza çıkabilir.
Bu protein üzerinde yapılan çalışmalarda, parmak gelişimi ve kutuplaşmasında nasıl görev aldığı net olarak anlaşılmıştır. Sonik kirpi genin transkripsiyonu kolu/bacağı oluşturacak tomurcukların merkezden uzak ucunun ektodermal yapısından salgılanan ikinci set sinyallerin varlığında gerçekleşir. Bu sinyaller transkripsiyonu tetikler. Fakat henüz bu sinyallerin sonik kirpi genini nasıl hedef aldığı net bir şekilde anlaşılamamıştır. Genin moleküler işlemeleri endoplazmik retikulumda gerçekleşir (tranlasyon ve kontrol işlemleri her protein için aynı şekilde işlediğinden o kısmı tekrar anlatmıyoruz). Bu işlemenin ardından sonik kirpi proteinine kolesterol bağlanır, kolesterolün bu süreçte en önemli rolü Sonik kirpi genini hücre zarı içerisindeki aktivite alanını ve hücre dışına salınımını sırasındaki difüzyonunu kısıtlamasıdır. Kolesterolün farklılaşması sonucunda Smith–Lemli–Opitz sendromu gibi bazı doğuştan gelen sorunlar oluşabilir. Kolesterolün bağlandığı protein amacına uygun olan yere gitmek üzere hücre dışına çıkar. Gerekli merkeze ulaşır ve burada üzerine düşen görevi yapmaya başlar.
Bu genin kol/bacak tomurcuklarının uçlarındaki mezenşimin hücrelerinde ifadelendirilmesi, uzvun ön-arka eksen gelişimi için son derece önemlidir. Farelerde bu genin eksikliğinde uzvun yapısal olarak düzgün gelişmediği görülmüştür.
Ayrıca polarizasyonu sağlaması sayesinde de elimizin bir ucundaki parmak diğerinden farklıdır.
Bu mekanizmanın düzenli çalışması uzuvların düzgün bir şekilde oluşması demek oluyor ve başta dediğimiz gibi, doğada yaşamını devam ettirmek için kovalamaca oynamak zorunda olan canlılar için ise bu mekanizmanın önemi daha fazla. İşte yaşamayı kolaylaştıran, avı yakalamayı, avcıdan kaçmayı sağlayan uzuvların oluşumu genel olarak bu ve bu tarz süreçler sonucu ortaya çıkıyor. Bizlerin atalarının evrimsel süreçte tırmanmak için ve kavramak için avantaj sağlayan parmaklarının gelişmesini de sonik kirpi genlerine borçluyuz. Muhtemelen bu genlerden mahrum kalanlar nesillerini devam ettiremediler ve doğa tarafından elendiler. Bizler ise, başarılı genlerin eseri olarak bugünlere geldik.
Uzuv ve parmak oluşumunu etkileyen tek transkripsiyon faktörü yalnızca sonik kirpi proteini değil tabii ki, fakat şu ana kadar mekanizması en iyi anlaşılmış olan ve üzerinden en çok çalışılan protein bu proteindir. Bir kuşun kanadı, bir balinanın yüzgeci veya bir insanın elini genetik olarak karşılaştırdığımızda sonik kirpi genine ulaşabilmekteyiz. Bu genin de evrimsel geçmişi HOX genleri kadar eskiye dayanıyor ve evrimin gerçekliğini bir kez daha gözler önüne seriyor.
Kaynaklar ve İleri Okuma:
  1. Molecular Biology of the Cell
  2. Developmental Biology
  3. Ulster Medical Journal
  4. Molecular Pathology
  5. Molecular Genetics and Metabolism
  6. Harvard University
  7. UCLA
  8. MadSci
  9. MetaLife
  10. AustinCC
  11. Neil Shubin, İçimizdeki Balık, Sf. 57 – 75
  12. Gerald C. Karp, Cell Biology, 6.edt, Sf. 164 – 171, 241- 265
  13. Sadava, Life, 10. edt, Sf. 286 – 301

Minimal Bakteriyel Genom Dizayn Edildi ve Sentezlendi

Biyoloji biliminin en temel amaçlarından birisi her bir genin moleküler ve biyolojik fonksiyonunu anlamaktır. Bunu öğrenmek için en geçerli yaklaşımlardan birisi, araştırılmak istenen genin de içinde (gene ait nükleotit dizisini, protein sentezlemek için gerekli olan aktif gen bölgeleri ile birlikte) bulunduğu minimal genomlar (DNA) dizayn etmek ve sentezlemektedir. 2010 yılında parazit bir mikroorganizma olan Mycoplasma mycoides türünün genomunu baz alan 1079-kb (1.079.000 bazlık nükleotit dizisi) mini genom kimyasal olarak sentezlenmiş, sitoplazma içerisine enjekte edildiğinde ise hücre büyümesini uyararak harekete geçirmişti.

Burada araştırmada üretilen JCVI-syn3.0 adı verilen genomu barındıran hücreler görülüyor. Bu genom ile yaşamsal aktivitelerini devam ettirebilen küresel yapıdaki bakteriyel hücrelerden oluşan koloni gösterilmiş. Görseldeki ölçek 200 nanometre (metrenin milyarda biri) uzunluğu temsil etmektedir.
Burada araştırmada üretilen JCVI-syn3.0 adı verilen genomu barındıran hücreler görülüyor. Bu genom ile yaşamsal aktivitelerini devam ettirebilen küresel yapıdaki bakteriyel hücrelerden oluşan koloninin altında gösterilen ölçek 200 nanometre (metrenin milyarda biri) uzunluğu temsil etmektedir.

Yeni bir araştırmada ise Clyde A. Hutchison III ve çalışma arkadaşları bu genomun uzunluğunu 473 geni içeren 531 kilobazlık (531.000 nükleotitten oluşan dizi) daha küçük bir genoma dönüştürmek üzere dizayn geliştirerek, bu genomu sentezledi ve döngüyü teste tabi tuttu. Transkripsiyon ve translasyon gibi protein sentezi süreçlerinde kilit rolleri olan genleri bulunduran bu genom, bu genlerin yanı sıra 149 adet fonksiyonu bilinmeyen gene ait dizileri de barındırıyor.

 

1984 yılında kendiliğinden bölünme yeteneği kazandırılmış mikoplazmalar rapor edilmişti ve yaşamsal aktivitelerin temelini anlamak için bu canlılar model olarak alınıyordu. O günden beri bu alanda yapılan tüm araştırmalar, yaşam için zorunlu olan genleri saptamak için bilimcileri, üretilen genomları daha az gen barındıracak şekilde dizayn etmeye itmekteydi. Yine de üretilen tüm genomlar, (yaşayan canlılar baz alınarak) bir biçimde yaşamsal aktiviteler için gerekli olan temel genlerden başka genler de içeriyordu ve genom büyüklüğünde küçülmeye gitmek hep mümkün görünüyordu.

Bütün halinde üretilen genomlar, kimyasal olarak laboratuvar ortamlarında sentezlenmiş oligonükleotitlerden (birkaç nükleotitlik DNA dizileri)  elde edilebiliyor ve alıcı hücrelere verilerek yaşamsal işlev görüp göremeyecekleri test edilebiliyor.

 Sonuçlar, 1079 kilobaz çiftlik sentetik genomun (JCVI-syn1.0) yaşamsal aktiviteleri devam ettirebilmekle beraber küçültülebildiğini gösteriyor. Dizayn döngüsü olarak düşünebileceğimiz döngünün üç kez fazladan gerçekleştirilmesi ile safi yaşamsal genler geriye kalacak biçimde 531 kilobaz çifti uzunluğundaki daha kısa DNA (JCVI-syn3.0 – 531 kbp, 473 gen) sentezlenmiş oldu. Bu da doğada kendi kendine bölünerek üreyen canlılarda olan en kısa genomdan bile daha kısa olduğundan yaşamsal olarak bir anlamda bugüne kadarki en verimli genom üretildi diyebiliriz.

Four design-build-test cycles produced JCVI-syn3.0. (A) The cycle for genome design, building by means of synthesis and cloning in yeast, and testing for viability by means of genome transplantation. After each cycle, gene essentiality is reevaluated by global transposon mutagenesis. (B) Comparison of JCVI-syn1.0 (outer blue circle) with JCVI-syn3.0 (inner red circle), showing the division of each into eight segments. The red bars inside the outer circle indicate regions that are retained in JCVI-syn3.0.
Solda dizayn-yapım-test üçlemesinin döngüsü infografik haline getirilmiş. Mevcut araştırmada bu döngü üst üste dört kez tekrarlandı ve bugüne kadarki en kısa yapay yaşamsal genom üretilmiş oldu. Sağda ise daha önce üretilen daha uzun dairesel DNA JCVI-syn1.0 mavi renk ile gösterilmiş. Buna karşılık içerdeki kısa yapay genom JCVI-syn3.0’ün dışardaki genomun kırmızı ile gösterilmiş çıkıntılar halinde görünen parçalarından üretildiği anlatılıyor.

 


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Clyde A. Hutchison III. , et al., Design and synthesis of a minimal bacterial genome, Science , 25 Mar 2016:Vol. 351, Issue 6280, DOI: 10.1126/science.aad6253

Tek Kaşlılık, Sakal Kalınlığı ve Saç Beyazlaması Genetiğe Bağlı

Saçlarınızın neden beyazladığını hiç merak ettiniz mi? Araştırmacılar uzun zamandır, saçlardaki beyazlamanın temel sebebinin, kıl folikülleri olarak bilinen köklerdeki melanin üretiminin azalması veya durması olduğunu biliyorlar. Melanin pigmenti, derimize de, saçımıza da, gözlerimize de rengini veren pigmenttir. Dolayısıyla da ilk dikkati çeken bu proteinin sentezlenmesi ve mekanizmaları olmaktadır.

Yine de bilim insanları üretimdeki bu azalmanın asıl sebebini veya popülasyonlar arasındaki farklılıkların ardında yatan mekanizmaları tam olarak tespit edebilmiş değil. Ancak şimdi Nature Communications’da yayımlanan yeni bir çalışmada, Latin Amerika’dan 6000’den fazla bireyin genomları incelendi, ve 18 ayrı genin saç özelliklerini ve fenotiplerini etkilediği tespit edildi. Bu genlerden birisi de saçların beyazlaması ile ilgili olarak keşfedilen ilk gen olma özelliğini taşıyor.

Saç beyazlaması ile ilişkilendirilen gen, yalnızca Avrupalı atalardan gelen bireylerde bulunuyor ve genin daha önceki verilere dayanarak açık saç rengi ile de ilişkili olduğu biliniyor. Tespit edilen diğer genlerin içinde tek kaşlılık, sakal kalınlığı, kaş kalınlığı ile ilişkili genler de bulunuyor.

Araştırmaya dahil edilen katılımcıların içerisinde ise, Afrikalı, Avrupalı ve Yerli Amerikalı ataları olan , dolayısıyla birbirinden farklı genetik miraslara sahip insanlar bulunuyor. Bu çeşitlilik sayesinde genler ile saç özellikleri arasındaki, popülasyondan popülasyona değişebilen bağıntıların keşfini gerçekleştirmek mümkün oldu.

Araştırmacılara göre buradaki genetik keşiflerin, olay mahallerinde bulunan DNA’lardan şüphelilerin tahmin edilmesi noktasında çok önemli rol oynayabilir. Ayrıca yapılacak kök hücre müdahaleleri ve genetik modifikasyonlar ile saç beyazlamasını geciktirmek de mümkün olacaktır.

Not : Araştırmada saç beyazlaması ile ilgili olarak keşfedilen gen PRSS53 kodu ile biliniyor. İleri okuma yapmak okuyucularımız için genin açılımı Protease Serine S1 family member 53’nin özel olarak Q30R substition formu.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Science magazine, http://www.sciencemag.org/news/2016/03/study-finds-first-genetic-links-gray-hair-beard-thickness-and-unibrows
  • Kaustubh Adhikari, Tania Fontanil, Santiago Cal, Javier Mendoza-Revilla, Macarena Fuentes-Guajardo, Juan-Camilo Chacón-Duque, Farah Al-Saadi, Jeanette A. Johansson, Mirsha Quinto-Sanchez, Victor Acuña-Alonzo, Claudia Jaramillo, William Arias, Rodrigo Barquera Lozano, Gastón Macín Pérez, Jorge Gómez-Valdés, Hugo Villamil-Ramírez, Tábita Hunemeier, Virginia Ramallo, Caio C. Silva de Cerqueira, Malena Hurtado A genome-wide association scan in admixed Latin Americans identifies loci influencing facial and scalp hair features Nature Communications 7, Article number: 10815 doi:10.1038/ncomms10815 Received 13 July 2015 Accepted 25 January 2016 Published 01 March 2016

İnsan kök hücre DNA’sı ilk kez programlandı

DNA’mız genetik bilgimizin tamamını içinde saklıyor ve epigenetik değişimlerde aç-kapa mekanizmaları çalışıyor. Örneğin DNA nükleotitlerinin üzerine küçük metil moleküllerinin bağlanmasıyla genlerin protein sentezi mekanizmaları düzenleniyor; ki bu da normal gelişim ve sağlıklı yaşam için olmazsa olmazdır. Belli genlerin metilasyonu sağlık için potansiyel tehdit olmakla birlikte, çevresel etmenlerden de çok yakından etkilenmektedir. Ne var ki, metilasyon gibi tüm bu epigenetik bilgiler ve etkiler, kök hücrelerdeki bilginin gelecek nesile sağlıklı aktarımını sağlamak üzere silinmiştir.

Epigenetik bilgi ve işlem genlerimizi düzenlemede etkili, ancak herhangi bir anormal metilasyon aktivitesi bir sonraki jenerasyonda gelişim bozuklukluklarına sebep olurken, nesiller geçtikçe de zararlar birikmeye başlıyor. Bu sebeple her yeni yavruda kök hücreler embriyo düzeyinde sıfırlanarak epigenetik bilgiler temizleniyor.

Yumurta sperm tarafından döllendiğinde hücre kümesi olan blastosit’e dönüşecek şekilde bölünmeye başlar. Blastosit’in içerisinde bazı hücreler ana yapılarına dönerek kök hücrelere dönüşür. Kök hücreler de vücudun tüm hücrelerine dönüşebilecek, en temel hücreler olarak varlığını sürdürürler.

Bu kök hücrelerin içinden sperm ve yumurta (seks hücreleri)’ne dönüşecek olan, primordiyal kök hücreleri üzerinde epigenetik bilgi, embriyonun ilk iki haftalık sürecinden dokuz haftalık olana kadar ki zaman içerisinde yeniden programlandı. Mevcut çalışmada, epigenom programını düzenleyen ve koruyan enzimlerin engellenmesi ile DNA’nın metilasyon paternlerinin durdurulması işlemi gerçekleştirildi.

Araştırmadaki bulgulara göre, DNA’mızın yüzde 5’i yeniden programlamaya uygun değil. Sinir hücrelerinde bu ‘kaçak’ bölgelerin bazılarının aktif olduğu, ve gelişimde çok etkili roller aldığı biliniyor.Bunun tersine, veri analizleri şizofreni, metabolik rahatsızlıklar veya obezite gibi hastalıkların da bu DNA parçalarından temellenebileceğini ortaya koyuyor.

Araştırma ile elde edilen bulgular genom’umuzun içinde saklı olan potansiyel epigenetik etkisi olan bölgeler hakkında ciddi bilgiler sağlıyor. Farelerde aynı olan bu etken bölgeler de yakın gelecekte daha detaylı araştırmaların önünü açacak gibi görünüyor.

Bakteri ve bitki DNA’larından vücudumuza giren parçaları, DNA’mızın yaklaşık yarısını oluşturan ‘kara madde’ler gibi etkileri bilinmeyen retroelementlerin yeniden programlanmasını da sağlayabilir. Bu parçalar, evrimi yürütüyor ve çok faydalı olabiliyor. Öte yandan bazı retroelementler DNA’mızın üzerinde genlerin olduğu kısımlara eklemlenerek olağan gen ekspresyonu süreçlerini bozarak, zararlı etkiler üretebiliyor. Bu sebeple vücudumuz da epigenetik bir etkisi olan metilasyon mekanizmalarını geliştirmiştir.

Metilasyon potansiyel olarak zararlı olan retroelementleri kontrol etmekte çok etkili bir mekanizma. Metilasyon kök hücrelerde kalktığı zaman savunmamızın ilk hattını da kaybetmiş oluyoruz.

Aslında bu araştırma ile evrimsel tarihimizin yakın zamanlarında genom’umuzun içine giren retroelementlerin gözden kaçmış olanları tespit edildi ve metilasyon paternleri korundu. Buradan yapılan çıkarımlara göre,  retroelementler vücudumuzun savunma mekanizması içerisinde epigenetik etkiler ile evrimsel zararların önüne geçiyor.

 


Referans :

  1. Bilimfili,
  2. Walfred W.C. Tang, Sabine Dietmann, Naoko Irie, Harry G. Leitch, Vasileios I. Floros, Charles R. Bradshaw, Jamie A. Hackett, Patrick F. Chinnery, M. Azim Surani. A Unique Gene Regulatory Network Resets the Human Germline Epigenome for Development. Cell, 2015; 161 (6): 1453 DOI: 10.1016/j.cell.2015.04.053

İnsan embriyolarının genetiği bilimciler tarafından değiştirildi

Genom değiştirme ( genetik değiştirme ) araçlarından CRISPR-bağıl sistem veya Cas ( DNA üzerindeki kümelenmiş ve aralarında boşluklar bulunan kısa palindromik nükleotit dizileri) olarak bilinen gen sistemlerii insan hücreleri, hayvan zigotları gibi model sistemlerde gen değiştirmek için sıkça kullanılıyor ve belirli klinik araştırmalar için de son derece kolay ve umut verici bir yöntem olarak yer alıyor. Bu DNA dizileri isteğe göre genleri değiştirmek üzere ilgili bölgeler hedef alınarak yerleştiriliyor ve genlerin işleyişi kontrol altında tutuluyor.

Bugün bile, insan embriyosunun ilk dönemlerinde DNA tamir mekanizmalarının tam olarak nasıl çalıştığıyla ilgili büyük bir bilgi boşluğu var. Bu sebepten dolayı, CRISPR/Cas9 gibi genetik değiştirme sistemlerinin anneye verilecek olan embriyolarda kullanılmasının ne kadar verimli olacağı ve hedef olmayan bölgelere hatayla yerleşmesinin nasıl sonuçlar doğuracağı da net olarak bilinemiyor.

Protein&Cell dergisinde yayımlanan çalışmada, tripronüklear (3PN) zigotlarda CRISPR/Cas9 sistemi ile yapılan genetik değişimlerin uzun vadede etkileri gözlemlendi. Bulgulara göre, CRISPR/Cas9 yöntemi endojen β-globingenini (HBB) kolaylıkla keserek siliyor. – β-globin geni yokluğu veya mutasyonu durumunda akdeniz anemisine yol açabilmektedir. –

Ne var ki embriyo DNA’larında HBB genlerinin değiştirildikten sonra homolog olacak şekilde tamiri çok düşük olduğu için, genetiği değiştirilmiş embriyolar bir mozaik gibi değişik genetik yapılara sahip olmuş oldu. Bunun yanı sıra, tripronüklear zigotlarda hedef-dışı kesimlerin de gerçekleştiği DNA dizileme yöntemleri ile tespit edildi.

Bahsi geçen sonuçlar dışında dışsal olarak hücreye eklenen ve HBB gen bölgesinin düzeltilmesinde kullanılan tek zincirli (oligonükleo dizilimler) homolog endojen delta-globin (HBD) geninin de, bir takım mutasyonlara sebep olduğu tespit edildi.

Tüm veriler ve sonuçlar bir araya getirildiğinde çalışma geliştirilmesi gereken bir yöntemi bulguluyor veCRISPR/Cas9 olarak bilinen bu platformun verimini ihtiyaçlar doğrultusunda artırmanın gerekliliğini ispatlıyor. Neredeyse tüm CRSIPR/Cas9-uyumlu gen değiştirme klinik uygulamaların ön koşulu olarak bu zorunlu görünüyor.

 


Kaynak :

  1. Bilimfili,
  2. Puping Liang , Yanwen Xu , Xiya Zhang , Chenhui Ding , Rui Huang, Zhen Zhang, Jie Lv, Xiaowei Xie, Yuxi Chen and 7 more CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes Protein & Cell May 2015, Volume 6, Issue 5, pp 363-372

Ortak Yaşam, Bağışıklık Sistemlerinin Birbirine Benzemesine Sebep Olabilir

Yeni bir çalışmanın bulgularına göre; birisiyle aynı evi paylaşmak vücutlarınızın benzer olmaya başlamasına sebep olabilir. Daha özelde, bağışıklık sistemleri; muhtemelen aynı yemeği, aynı uyku rutini, aynı banyo ve çok yakınsanız aynı salvayı paylaşmanızdan kaynaklı olarak birbirine benziyor.

Belçika’dan araştırmacılar, üç yıl boyunca 670’den fazla insanın bağışıklık sistemleri üzerinde çalıştılar. Ekip; çocuklu evli çiftlerin bağışıklık sistemlerinde, benzer demografik özellikler gösteren rastgele çiftlerden %50 oranında daha az bir çeşitlilik gösterdikleri bulgusuna ulaştı. Öte yandan çalışmaya, birlikte yaşayan ancak evli olmayan çiftler dahil edilmezken, araştırmacılar sonuçların benzer olacağını düşünüyorlar.

Yetişkin bireylerde, bağışıklık sisteminin yaklaşık %25’i genler tarafından –kalan kısmı ise çevresel şartlarla– belirlenir. Çalışmanın amacı bu çevresel faktörlerin bağışıklık sistemi üzerinde nasıl bir rol oynadığına dair daha fazla bilgi sahibi olmaktı ve böylece de diyabet ve dementia gibi bazı hastalıkların tedavisine ilişkin yeni kavrayışlar geliştirilebilecekti.

Bir ilişki içerisindeki insanların eş uyumu olarak isimlendirilen sebepten kaynaklı olarak benzer davranışlar geliştirmeye yatkın olduklarını biliyoruz. Örneğin; ağır bir alkol kullanıcısı, “yeşilaycı” birisiyle aynı evi paylaşmaya başladığında alkol tüketimini büyük oranda azaltır. Ekibin bulgularına göre ise; paylaşılan yaşam koşullarıyla (örneğin; kirlilik seviyesi ve bakteriler gibi) birlikte bu ortak yaşam tarzı; bağışıklık sistemimlerimizin şekillenmesinde doğrudan bir etkiye sahip.

Öte yandan ekip; çocuk sahibi olmanın da önemli bir faktör olduğu bulgusuna erişti. Hayal etmesi pek hoş olmasa da; bağırsak bakterilerini taşımanın en kolay yolu; dışkı-oral yoldur ve ebeveynlerin her ikisi de bebeğin bezini değiştirebilir.

Araştırmacılardan Adrian Liston’a göre; bu durum en azından anne-baba adayları için göz önüne alınması gereken bir durum. Yani, uyku eksikliği, stres, kronik enfeksiyonlar ve ebeveynliğin diğer zor tarafları yalnızca saçları ağartmakla kalmıyor; ebeveynin bağışıklık sistemi üzerinde çocuk etkisinin de dikkate değer bir faktör olduğunu ortaya koyuyor.

Araştırma; birlikte yaşamın ve çocuk sahibi olmanın bağışıklık sistemi üzerinde grip ya da mide-bağırsak iltihabı gibi enfeksiyonlardan daha fazla etkiye sahip olduğunu gösteriyor. Öte yandan, cinsiyet, bağışıklık sistemimiz üzerinde fazla bir etkiye sahip değil, ancak yaşın belirleyici bir özelliği var. Bu da yaşlı insanların enfeksiyonlara karşı neden daha duyarlı olduklarını kısmen açıklıyor.


Araştırma Referansı: Carr, Edward J., James Dooley, Josselyn E. Garcia-Perez, Vasiliki Lagou, James C. Lee, Carine Wouters, Isabelle Meyts et al. “The cellular composition of the human immune system is shaped by age and cohabitation.” Nature Immunology (2016).
Kaynak:

  1. Bilimfili,
  2. Nield, D. “Living with someone else can cause your bodies to become more similar,” http://www.sciencealert.com/living-with-someone-else-can-cause-your-bodies-to-become-more-similar

İnsan embriyosunu koruyan virüs DNA’da gizleniyor

Hayatta kalmamız ve karmaşık vücut yapımız tamamen ilk insan embriyolarında bulunmuş olan kaçak yolcuların “virüs”lerin eseri olabilir. Virüs hem insan embriyosunu diğer virüslerden korumuş hem de insan genlerineembriyodan yeni insanı oluştururken altyapıda yardımcı olmuş gibi görünüyor.

University of California’da yürütülen araştırma ile uzun zamandır terkedilmiş gibi görünen ‘milyonlarca yıldır DNA’mızın içinde bulunan virüs genlerinin sessizce evrimimizi ve varlığımızı kontrol ettiği’ fikri yeniden gündeme geldi.

Retrovirüsler konuk oldukları hücrelerin içine genetik materyallerini enjekte eder ya da bırakırlar. İlk zamanlar bu materyaller hastalığa ve ölüme sebep olurken zamanla konuk eden hücre virüse karşı bir direnç evrimleştirir ve sperm veya yumurtalarının içine giren DNA parçacıkları gelecek nesillere aktarılmaya başlar. Araştırmada bahsedilen virüs endojen (içte olan – içe yayılmış) retrovirüs ya da ERV olarak bilinen hücre genomunda kalıcı olan bir virüs.

Sessiz koruyucu

Genomumuzun yüzde 9’unun virüsler aracılığıyla geldiği düşünülüyor. Viral kalıntılar, binlerce yıl önce etkilerini  kaybetmiş “atık-çöp” DNA bölümleri olarak varsayılıyordu. Ancak HERVK’nin (yaklaşık 200.000 yıl önce – ki en son girenlerden biridir- DNA’mızın içine girmeyi başarmış viral genom) keşfi bu nosyonu tartışmaya açtı.

3 günlük insan embriyolarında gen ekspresyonu (genlerin protein sentezlemesi süreci) üzerine çalışırken bu beklenmedik keşfi yapan Stanford Üniversitesi bilimcileri, toplam 8 hücreden oluşan embriyolarda anne ve babadan gelen DNA’lar dışında HERVK genetik materyallerini de tespit etti. Bu hücrelerin viral protein ürünleri ile dolu olduğu hatta bazılarının virüs benzeri şekillere sahip olduğu kaydedildi.

Devam eden deneyler ile virüsün , diğer virüslerin hücreye girmesini engelleyen bir protein de ürettiği ortaya çıktı. Böylelikle grip gibi embriyo için tehlikeli olan virüslerden korunmuş oluyoruz. Hücresel olarak gerekli olan diğer doğal protein sentezlerinde de yol gösterici olan viral genler tam manasıyla bizim sessiz kahramanlarımızdır.

Biyolojik Kara Delik

Bu kaçak yolcuların bizi diğer primat ve şempanzelerden ayırıyor olma ihtimali üzerinde de duruluyor. Bazı araştırmacılar endojenik retrovirüslerin türleşme veya türlerin birbirinden ayrılma süreçlerinde hatta bireylerin tür içinde birbirlerinden farklı olmaları üzerinde nasıl etkili bir rol oynamış olabileceğini düşünüyor.

Görece son dönemlerde DNA’mıza girmiş retrovirüs kalıntılarının protein ürünleri bir çok gelişimsel programı yönlendirdiği mevcut araştırma ile gösterildi. Enfeksiyonları engelleyen ERV ürünleri de gözlemlendi ki bu aslında virüslerin konuk olacakları hücre için yarıştıklarını (uzun süredir bilinen bir fenomen) doğruluyor.

Genelgeçer gibi görünmesine rağmen biyolojideki kara delik olarak adlandırılan tüm bu süreçler çoğu zaman gözden kaçıyor. Bunu DNA’yı bir orman, virüsleri de içinde yaşayan adapte olmuş hayvanlar veya küçük hayvanlar olarak düşünerek hayal edebiliriz. En etkili virüsler – HERVK gibi – kalıcı olarak DNA’mızın içine girerek kendilerini gelecek nesillere aktarılmak üzere yerleşebiliyorlar.

Konuk oldukları hücrenin genetik malzemesini yeniden (modaya uygun şekilde) düzenleme işlevi gören virüsler, aktif genleri etkiliyor veya etkileşime girdiklerini aktive edebiliyor. Bu da aslında fiziki özelliklerimizi yeniden şekillendirebileceklerini gösterirken, klonlama , gen klonlama uygulamaları için çok dinamik bir alan da yaratıyor.

 


Referans :

  1. Bilimfili,
  2. newscientist.com, Virus hiding in our genome protects early human embryos ,
  3. Edward J. Grow, Ryan A. Flynn, Shawn L. Chavez, Nicholas L. Bayless, Mark Wossidlo, Daniel J. Wesche, Lance Martin, Carol B. Ware, Catherine A. Blish, Howard Y. Chang, Renee A. Reijo Pera & Joanna Wysocka Intrinsic retroviral reactivation in human preimplantation embryos and pluripotent cells Nature, 522,221–225doi:10.1038/nature14308

Genetik Mutasyon, Yüksek Şeker Seviyesine Sahip Besinlere Karşı Koruyor!

Tek bir hap alıp dondurmadan çikolataya, pastaya istediğiniz her şeyi yiyebileceğinizi düşünün. Hem de hiç bir kilo alma kaygısı olmadan!
Güney Kaliforniya Üniversitesi’nin (University of South California, USC) yaptığı bir araştırmaya göre bu hayal o kadar da uzak değil. USC’den Sean Curran ve Keck’teki USC Sağlık Okulu’nun (Keck School of Medicine of USC) yürüttüğü çalışma, yüksek seviyede şeker tüketimiyle ortaya çıkan obeziteyi baskılamak için yeni bir yol buldu; ilaç şirketlerinin daha önceden araştırmalarını yaptığı hedef geni bulup etkisiz hale getirmek.
Curran’ın yürüttüğü çalışma şu ana kadar solucanlarda (Caenorhabditis elegans)ve kültür ortamındaki insan hücrelerinde başarıya ulaştı. Üzerine çalışılan metabolizma mayalardan insanlara kadar tüm hayvanlarda neredeyse aynı. Bir sonraki adımda ise Curran, aynı işlemi fareler üzerinde test etmeyi planlıyor. Curran’ın çalışması Nature Communications dergisinde yayımlandı.
Solucanlar üzerinde çalışmaya başlamadan önce Curran ve çalışma arkadaşları, normal genetik materyale sahip C. elegans yüksek şeker tüketimiyle beraber balon gibi şiştiği halde belirli genetik mutasyonları olanların (SKN-1 geninde hiperaktivite bulunanların) kütlelerinde artış olmadığını gözlemledi. Curran şöyle söylüyor:
“SKN-1 geni ayrıca insanlarda da Nrf2 adıyla bulunuyor. Bu bilgi göz önüne alındığında deneyin insanlara da adapte edilebilmesi mümkün oluyor.”
Nrf2 proteini ise kalıtım transkripsiyon faktörü aracılığıyla belirli bir DNA parçasına bağlanarak hücrenin zehirli maddelerle mücadelesini veya hasarları yok etmesini kontrol ediyor. Memelilerdeki Nrf2 metabolizması ise üzerine çok fazla çalışma yapılan bir konu. İlaç şirketleri de, hücrelerin zehirli maddelere karşı daha dayanıklı olması ve yaşlanmayı geciktirmek için, daha önceden Nrf2’yi hedef alan küçük moleküller halinde ilaç geliştirme çalışmalarına başlamıştı.
Curran’ın verdiği kötü haber ise, ilaçların beslenmeye karşı vücüdun verdiği cevabı kontrol etmesine yardımcı olmasının tam anlamıyla güvenli bir yöntem olmaması. Nrf2’nin yüksek seviyelerde aktif olması agresif olarak tanımlanan kanser türlerinin artmasıyla yakından bağlantılı. Curran şöyle söylüyor:
“Asıl önemli olan bu ilaçların kullanımdaki zamanlama ve konumlama. Eğer bazı özel dokularda ihtiyaç olduğu zaman Nrf2 aktivasyonu yapılırsa potansiyel faydalardan yararlanabiliriz.”
 
 
Kaynak:
  1. ScienceDaily
  2. Shanshan Pang, Dana A. Lynn, Jacqueline Y. Lo, Jennifer Paek, Sean P. Curran. SKN-1 and Nrf2 couples proline catabolism with lipid metabolism during nutrient deprivation. Nature Communications, 2014; 5: 5048 DOI: 10.1038/ncomms6048

Daha Uzun ve Akıllı Çocukların Sırrı, Genetik Olarak Farklı Ebeveynler‏!

Çocuklarınıza bir üstünlük vermek istiyor musunuz? O halde eşinizi okyanus ötesinden bulun.
Daha uzun ve daha akıllı çocukların sırrı, genetik olarak farklı ebeveynler. İngiltere’deki araştırmacıların bulduğuna göre, bir kişinin anne ve babası ne kadar uzak akraba olursa, kendisi o kadar daha uzun, daha akıllı ve daha eğitimli oluyor.
Genetik farklılık üzerine bugüne kadar yapılmış en geniş çalışmalardan birinin sonuçları Afrika, Asya, Avrupa ve Kuzey Amerika boyunca yaşayan 350.000 bireyin 110 genetik çalışmasından elde edilen veriyi kapsıyor. Dünya çapında artan boy ve idrak yeteneği ortalamasının, çeşitli genetik arka planları olan insanların daha sık eşleşmesinin sonucu olabileceğini öne sürüyor.
İster sinekler, balinalar, köpekler hakkında ister insanlar hakkında konuşalım, bir türün Dünya üzerinde hayatta kalması, sağlıklı bir genetik çeşitlilik havuzuna dayanır. Yüzyıllardır bir çocuğun ebeveynleri ne kadar yakın akraba olursa, sağırlık, dilsizlik, kan hastalıkları ve fiziksel bozukluklar geliştirme tehlikelerinin o kadar fazla olduğunu biliyorduk. Fakat bu senaryonun tersine çevrilebileceği belirsizdi: Bir çocuğun ebeveynleri ne kadar daha uzak akrabaysa, muhtemelen o kadar avantajlı genetik özelliklere sahip olacaklardır.
Bu yüzden İngiltere çapında çeşitli kurumlardan araştırmacılar, dört kıtayı kapsayan 102 topluluktan 354.224 bireyin genetik bilgisini inceledi ve bütün homozigotluk durumlarını tanımladı – burada, bir çocuk iki ebeveynden de tam gen kopyalarını aldığında terslik oluşuyor ve çekinik özellikler daha kolay açığa çıkıyor. Aynı soydan çiftleşmenin genel bir sonucu olarak homozigotluk, bir çocuğun ebeveynlerinin ne kadar yakın akraba olduğunu belirlemede kullanılabilir.
Takım, çalıştıkları nüfus için bu değeri hesapladıktan sonra boy, akciğer hacmi, kan basıncı ve kolesterol seviyesi dahil kamu sağlığı açısından önemli olan 16 özellikle karşılaştırdı. Bulduklarına göre bu özelliklerden sadece dört tanesi genetik çeşitliliğe bağlanabiliyordu – boy, akciğer hacmi, idrak yeteneği ve eğitim seviyesi. Örneğin, ilk kuzen eşleşmelerinden çıkan çocuklar, genetik olarak daha çeşitli ebeveynlerden olan çocuklardan 1.2 cm daha kısa boyluydular ve 10 ay daha az eğitimli oldular. The Guardian gazetesinden Philip Oldfield’a konuşan İngiltere Tıbbi Araştırma Kurulu’ndan takım üyesi Nathan Richardson şöyle aktarıyor:
 
“Çoğu insan çeşitli bir gen havuzunun iyi bir şey olduğuna inanacaktır fakat boyun çeşitliliğe bağlı olması keşfi, daha önceden bilinmiyordu.”
Araştırmacıların bazı tür biyolojik işlevler üzerinden neden sonuç ilişkisini henüz kanıtlaması ve bir özelliğin ne kadarının genetik dışı etmenlere yüklenebileceğini çözmeleri gerekse de – örneğin, idrak birçok çevresel etmene de dayalıdır – sonuçlar neden insanların her nesil ile birlikte daha akıllı ve daha uzun olduğunu açıklayabilir. Oldfield şöyle açıklıyor:
“Bu sonuçlar aynı zamanda ‘Flynn Etkisi’ni açıklamaya yardımcı olabilir – yani 20. yüzyılda zekanın bir nesilden bir sonrakine artışının ilk belgelenişini. Artan eğitim ve daha iyi beslenme gibi sosyo-ekonomik ögeler genelde başlıca sebepler olarak görünse de, artan genetik çeşitlilik de küçük bir rol oynayabilir. [Flynn Etkisi’nden] zekadaki artışlar sadece bizim sonuçlarımız ile açıklanmak için fazla büyük, fakat bir etkileri olabilir.”
Takım ilginç şekilde, kamu sağlığını ciddi şekilde etkileyebilen özelliklere ayrı olarak bakıyordu ve düşük genetik çeşitlilik ile yüksek kolesterol veya kan basıncı seviyeleri arasında hiçbir bağlantı bulamadılar. New Scientist dergisinden Michael Le Page’e konuşan Edinburgh Üniversitesi’nden takım üyesi Jim Wilson şunları diyor:
“Aynı soydan eşleşme, çoğumuzun ölüm sebebi olan hastalıklara yol açan kardiyometabolik öğeleri etkilemiyor.”
Sanırım, zengin jet sosyetelerden kopan ve mükemmelden daha düşük bir gen havuzu ile yetinmesi gereken dünya çapındaki küçük, ücra topluluklar için iyi haber. Sonuçları Nature dergisinde yayınlayan araştırmacılar, sıradaki adımın artan çeşitlilikten en fazla fayda gören özel genom bölgelerini tanımlamak olduğunu söylüyor.
Çeviren: Ozan Zaloğlu (Evrim Ağacı)
Görsel: Siyahi bir birey ile Uzak Asyalı bir bireyin yavrusu.
Kaynak:
  1. ScienceAlert
  2. Peter K. Joshi, Tonu Esko, Hannele Mattsson, Niina Eklund, Ilaria Gandin, Teresa Nutile, Anne U. Jackson, Claudia Schurmann, Albert V. Smith, Weihua Zhang, Yukinori Okada, Alena Stančáková, Jessica D. Faul, Wei Zhao, Traci M. Bartz, Maria Pina Concas, Nora Franceschini, Stefan Enroth, Veronique Vitart, Stella Trompet, Xiuqing Guo, Daniel I. Chasman, Jeffrey R. O’Connel, Tanguy Corre, Suraj S. Nongmaithem Directional dominance on stature and cognition in diverse human populations Nature 523, 459–462 (23 July 2015) doi:10.1038/nature14618 Received 01 February 2015 Accepted 28 May 2015 Published online 01 July 2015

Evrimsel Süreçte Erkekler Neden Var Oldu?

Evrimsel seçilim tamamen verimliliğe dayalıdır. Peki bu süreçte erkeklerin varlığını sürdürmelerinin sebebi nedir? Ya da seks; üreme için neden baskın mekanizma olmuştur? Nature‘da yayımlanan yeni bir araştırmada bu sorular cevaplandı.

University of East Anglia’s School of Biological Sciences’dan Matt Gage; cinsel seçilimin (eş seçiminde erkeklerin dişi bireyler tarafından seçilebilmek için yarışmaları) yüksek düzeyde soy içi üremeden (ensest) kaynaklanan genetik stresin varlığı olsa bile, popülasyonların yok olmasını engellediği gibi popülasyonun genel sağlığını da güçlendirdiğini söylüyor.

Seksteki Sorunlar

İki farklı cinsiyetin varlığı; türün hangi bireyinin genlerinin bir sonraki nesile aktarılacağını belirleyen cinsel seçilim sürecini destekleyicidir. Gage seksin yaygın ve güçlü bir etki olduğunu ancak pratikte ortaya çıkan kalıtsal sorunlardan kaynaklı olarak neden böyle bir şeyin varolduğuna dair açıklama yapmanın zor olduğunu söylüyor.

Matt Gage:

“Seks, aseksüel üremeye kıyasla önemli sınırlandırmalara sahiptir. Sekste şu sınırlılıklar söz konusudur; 

a) döllerin yarısı (erkekler) yavru üretmezler
b) yavrudaki genlerin yalnızca yarısı size aittir
c) eş bulma ve onunla çiftleşme için gereken bedelleri ödemek zorundasınız; zaman harcamalı, efor göstermeli ve “acı” çekmelisiniz
d) eğer tamamen adapte olmuş gen komplekslerini taşıyorsanız, bu genler cinsel birleşme ile bir sonraki nesile “bozulmuş” ve derişimi biraz daha seyrelmiş halde taşınır.

Seksin bu dört sonucu, yalnızca dişi yavruların erkeğe ihtiyaç duymadan yeni dişiler ürettiği aseksüel üremeye kıyasla ciddi sınırlandırmalar içerir. Peki durum böyleyse neden sex ve erkeklerin varlığı üremedeki baskınlıklardan birisi olarak evrimleşmiştir?” diyor.

Cinsel Seçilim Modeli Olarak Tribolium Un Böceklerinin Kullanılması

Araştırmanın bir parçası olarak, ekip kontrollü laboratuvar koşullarında Tribolium un böceklerinin 50 neslini 10 yılı aşkın bir süre boyunca gözlemlediler. Araştırma çerçevesinde türün üremek için neden sekse başvurduğunu ve cinsel seçilimin evrimdeki rolünü anlamaya çalıştılar.

Peki araştırma için neden Tribolium un böcekleri seçildi?

Tribolium un böcekleri üremenin evrimini anlık gözlemleyebilmek için en iyi modeldir ve oldukça fazla sayıda deneysel deneme durumu araştırmaya istatistiksel güç gerçeklik katar. Bu türün nesil üretme süresi yaklaşık bir aydır, bu da deneysel evrimin gerçekleştirilmesine ve böceğin soy ve popülasyonlarının kontrol edilen durumlar altında gözlemlenebilmesine olanak sunar.

Ayrıca Gage; Tribolium un böceklerinin; erkeklerin yavrular için doğrudan bir ilgi göstermediği gelişi güzel bir eşleşme aracılığıyla ürediklerini söylüyor. Bu durum doğada oldukça yaygındır, dolayısıyla bu canlıların “denek” olarak kullanılması bulguların daha genele yayılabileceğine olanak tanır.

Erkekler Genom Sağlığında Önemli Bir Role Sahipler

Deneylerde, cinsel seçilim etkisi; yoğun yarıştan (bir dişiye dokuz erkek oranında) yarışın olmadığı (bir dişiye bir erkek) bir duruma değiştirildi. Yani cinsel seçilim ortadan kaldırıldı. 7 yılın ve yaklaşık 50 nesilin ardından araştırma ekibi; soy içi çiftleştirme (ensest) yaptılar ve cinsel seçilimin olduğu popülasyonlarda (1 dişiye 9 erkek oranı) yok olma tehditinin, cinsel seçilim olmayan popülasyonlara (1 dişiye 1 erkek oranı) kıyasla yok olma tehdidini daha çabuk aşabildikleri sonucuna ulaştılar.

Cinsel seçilimin bulunduğu bazı popülasyonlar 20 nesil soy içi döllenme yapılmasına rağmen hayatta kalmayı başardılar. Buna karşın, cinsel seçilim etkisinin olmadığı popülasyonlar ise soy içi döllenmenin onuncu neslinde tamamen yok oldular. Gage bulguların; erkekler arasındaki yarışın popülasyonun genel genetik sağlığını geliştirdiğini gösterdiğini söylüyor.

Gage; erkekler ve seksin evrimsel süreçte varlığını sürdürmesinin iki temel sebebi olduğunu söylüyor ve ekliyor:

“Seks “kötü” genomları popülasyondan temizliyor ve/veya seks “iyi” genomların tür boyunca yayılmasına yardımcı oluyor.”

Seks, aseksüel üremeye kıyasla bazı sınırlılıklar içerse de evrimsel süreçte önemli bir parametre olan çeşitliliğin ortaya çıkmasına sebep oluyor. Çeşitliliği ortaya çıkaran iki cinsiyetli (erkek ve dişi) üreme biçimi evrimsel süreçte bir avantaj sunuyor. Dolayısıyla erkeğin evrimsel süreçteki varlığını sürdürmesi ve eşeyli üremenin (seks) süregelmesi popülasyonların genel genom sağlığını iyileştirerek türü yok olmaktan kurtarıp, çevreye uyumlu hale getiriyor.


Kaynak: Chuck Bednar, “Why does evolution allow males to exist?”, http://www.redorbit.com/news/science/1113392650/why-does-evolution-allow-males-to-exist-051815/

Evrimsel seçilim tamamen verimliliğe dayalıdır. Peki bu süreçte erkeklerin varlığını sürdürmelerinin sebebi nedir? Ya da seks; üreme için neden baskın mekanizma olmuştur? Nature‘da yayımlanan yeni bir araştırmada bu sorular cevaplandı.

University of East Anglia’s School of Biological Sciences’dan Matt Gage; cinsel seçilimin (eş seçiminde erkeklerin dişi bireyler tarafından seçilebilmek için yarışmaları) yüksek düzeyde soy içi üremeden (ensest) kaynaklanan genetik stresin varlığı olsa bile, popülasyonların yok olmasını engellediği gibi popülasyonun genel sağlığını da güçlendirdiğini söylüyor.

Seksteki Sorunlar

İki farklı cinsiyetin varlığı; türün hangi bireyinin genlerinin bir sonraki nesile aktarılacağını belirleyen cinsel seçilim sürecini destekleyicidir. Gage seksin yaygın ve güçlü bir etki olduğunu ancak pratikte ortaya çıkan kalıtsal sorunlardan kaynaklı olarak neden böyle bir şeyin varolduğuna dair açıklama yapmanın zor olduğunu söylüyor.

Matt Gage:

“Seks, aseksüel üremeye kıyasla önemli sınırlandırmalara sahiptir. Sekste şu sınırlılıklar söz konusudur; 

a) döllerin yarısı (erkekler) yavru üretmezler
b) yavrudaki genlerin yalnızca yarısı size aittir
c) eş bulma ve onunla çiftleşme için gereken bedelleri ödemek zorundasınız; zaman harcamalı, efor göstermeli ve “acı” çekmelisiniz
d) eğer tamamen adapte olmuş gen komplekslerini taşıyorsanız, bu genler cinsel birleşme ile bir sonraki nesile “bozulmuş” ve derişimi biraz daha seyrelmiş halde taşınır.

Seksin bu dört sonucu, yalnızca dişi yavruların erkeğe ihtiyaç duymadan yeni dişiler ürettiği aseksüel üremeye kıyasla ciddi sınırlandırmalar içerir. Peki durum böyleyse neden sex ve erkeklerin varlığı üremedeki baskınlıklardan birisi olarak evrimleşmiştir?” diyor.

Cinsel Seçilim Modeli Olarak Tribolium Un Böceklerinin Kullanılması

Araştırmanın bir parçası olarak, ekip kontrollü laboratuvar koşullarında Tribolium un böceklerinin 50 neslini 10 yılı aşkın bir süre boyunca gözlemlediler. Araştırma çerçevesinde türün üremek için neden sekse başvurduğunu ve cinsel seçilimin evrimdeki rolünü anlamaya çalıştılar.

Peki araştırma için neden Tribolium un böcekleri seçildi?

Tribolium un böcekleri üremenin evrimini anlık gözlemleyebilmek için en iyi modeldir ve oldukça fazla sayıda deneysel deneme durumu araştırmaya istatistiksel güç gerçeklik katar. Bu türün nesil üretme süresi yaklaşık bir aydır, bu da deneysel evrimin gerçekleştirilmesine ve böceğin soy ve popülasyonlarının kontrol edilen durumlar altında gözlemlenebilmesine olanak sunar.

Ayrıca Gage; Tribolium un böceklerinin; erkeklerin yavrular için doğrudan bir ilgi göstermediği gelişi güzel bir eşleşme aracılığıyla ürediklerini söylüyor. Bu durum doğada oldukça yaygındır, dolayısıyla bu canlıların “denek” olarak kullanılması bulguların daha genele yayılabileceğine olanak tanır.

Erkekler Genom Sağlığında Önemli Bir Role Sahipler

Deneylerde, cinsel seçilim etkisi; yoğun yarıştan (bir dişiye dokuz erkek oranında) yarışın olmadığı (bir dişiye bir erkek) bir duruma değiştirildi. Yani cinsel seçilim ortadan kaldırıldı. 7 yılın ve yaklaşık 50 nesilin ardından araştırma ekibi; soy içi çiftleştirme (ensest) yaptılar ve cinsel seçilimin olduğu popülasyonlarda (1 dişiye 9 erkek oranı) yok olma tehditinin, cinsel seçilim olmayan popülasyonlara (1 dişiye 1 erkek oranı) kıyasla yok olma tehdidini daha çabuk aşabildikleri sonucuna ulaştılar.

Cinsel seçilimin bulunduğu bazı popülasyonlar 20 nesil soy içi döllenme yapılmasına rağmen hayatta kalmayı başardılar. Buna karşın, cinsel seçilim etkisinin olmadığı popülasyonlar ise soy içi döllenmenin onuncu neslinde tamamen yok oldular. Gage bulguların; erkekler arasındaki yarışın popülasyonun genel genetik sağlığını geliştirdiğini gösterdiğini söylüyor.

Gage; erkekler ve seksin evrimsel süreçte varlığını sürdürmesinin iki temel sebebi olduğunu söylüyor ve ekliyor:

“Seks “kötü” genomları popülasyondan temizliyor ve/veya seks “iyi” genomların tür boyunca yayılmasına yardımcı oluyor.”

Seks, aseksüel üremeye kıyasla bazı sınırlılıklar içerse de evrimsel süreçte önemli bir parametre olan çeşitliliğin ortaya çıkmasına sebep oluyor. Çeşitliliği ortaya çıkaran iki cinsiyetli (erkek ve dişi) üreme biçimi evrimsel süreçte bir avantaj sunuyor. Dolayısıyla erkeğin evrimsel süreçteki varlığını sürdürmesi ve eşeyli üremenin (seks) süregelmesi popülasyonların genel genom sağlığını iyileştirerek türü yok olmaktan kurtarıp, çevreye uyumlu hale getiriyor.


Kaynak:

  1. Bilimfili,
  2. Chuck Bednar, “Why does evolution allow males to exist?”, 
  3. Alyson J. Lumley, Łukasz Michalczyk, James J. N. Kitson, Lewis G. Spurgin, Catriona A. Morrison, Joanne L. Godwin, Matthew E. Dickinson, Oliver Y. Martin, Brent C. Emerson, Tracey Chapman & Matthew J. G. Gage Sexual selection protects against extinction Nature 522, 470–473 (25 June 2015) doi:10.1038/nature14419 Received 12 January 2015 Accepted 18 March 2015 Published online 18 May 2015 Corrected online 24 June 2015