Dünyadaki Yaşamın Son Evrensel Atası; Yarı Canlıydı

Dünyadaki Yaşamın Son Evrensel Atası; Yarı Canlıydı

Hücrelerimizdeki genlerin birçoğu milyarlarca yıl önce evrimleşti ve bunlardan birkaçına dair izler dünyadaki bütün yaşamın son ortak atasına kadar takip edilebiliyor.

355 adet gen tanımlaması yapan ve Nature‘da yayımlanan yeni bir araştırma sayesinde artık bu atamızın neye benzediğine ve nerede yaşadığına dair bugüne kadarki en net resmi elde ettik.

Elde edilen bulgular; yaşamın son evrensel ortak atasının (SEOA); hidrojen, karbondioksit ve mineralce zengin sıcak suyun deniz tabanından çıktığı hidrotermel yarıklarda gizli olduğu fikrine destek sunuyor.

Araştırmacılardan William Martin –University of Dusseldorf–; bu durumun hidrotermal yarık teorisine parmak bastığını söylüyor ve ihtiyacı olan kimyasalların çoğunu üretebilmesi için yarıklardaki abiyotik (biyolojik olmayan) tepkimelere bağımlı olma ihtimalinden kaynaklı SEOA’yı; yarı canlı olarak tanımlıyor.

SEOA yaklaşık 3.8 milyar yıl önce ortaya çıktı ve iki tür basit hücrenin oluşmasına sebep oldu:Bakteriler ve Arkeler. Geçmişte yapılan çalışmalar; bugün hayatta olan neredeyse bütün hücrelerde ortak olan genlere odaklanarak, SEOA’da neredeyse aynısı bulunan yaklaşık 100 gen belirlemişlerdi.

Bu da bize SEOA’nın modern hücrelerle benzer olduğunu gösteriyor. Fakat araştırmacılar asıl olarak SEOA’nın nasıl farklı olduğunu öğrenmek istiyorlar. Dolayısıyla, ekip en eski ve ortak olmayan geni bulmak için 1800 bakteri genomunu ve 130 arke genomunu analiz etti. Ve, örneğin birkaçının genetik kodu okumaktan sorumlu olan 355 genin evrensel genler olduğu bulgusuna ulaştı. Fakat diğerleri ise tamamen farklı bir yaşam biçimine işaret ediyor.

evrensel-son-ortak-ata-bilimfilicom

Neredeyse bütün canlı hücrelerin bir karakteristiği; hücrelerin elektrokimyasal gradyan oluşturmak için iyonları bir zardan geçirmesi ve sonrasında enerji bakımından zengin ATP molekülünü üretmek için bu düşümü kullanıyor olması. Martin’e göre; SEOA bu tarz bir gradyan oluşturamadı fakat var olan bir şeyi ATP yapımı için kullandı.

Bu durum; ilk yaşamın ihtiyacı olan enerjiyi yarık suyu ve deniz suyu arasındaki doğal gradyandan elde ettiği dolayısıyla da bu yarıklara bağlı olduğu fikriyle oldukça uyum gösteriyor. Ancak sonradan gradyan oluşturma yetisini elde etti ve bu durum da yarıklardan çıkan en az iki yaşama fırsat sundu: İlk olarak arkeler, diğeri ise bakteriler.

“Döner Kapı”

Görünüşe göre SEOA aynı zamanda da bu gradyandan hidrojen ve sodyum iyonlarını takas etmeye yarayan bir “döner kapı”proteini genine sahipti. Geçmiş çalışmalar; böyle bir proteinin yarıklardaki doğal gradyanın patlamasında tamamen etkili olduğunu ortaya koyuyor.

Martin’in bulamadığı bir şey ise; proteinlerin yapı taşı olan aminoasitlerin yapımından sorumlu genler. Buna dair de SEOA’nın yarıklarda kendiliğinden oluşmuş aminoasitlere bağlı olabileceğini ileri sürüyor.

University of Connecticut’dan yaşamın evrimi üzerine çalışmalar yürüten Peter Gogarten; Martin’in bu yaklaşımının ses getirdiğini, tanımlı genlerin büyük çoğunluğunun SEOA’da var olan genlere dair sağlam adaylar olduğunu söylüyor.

Ancak; hangi genlerin tamamen antik ve hangilerinin ise antik olabileceği ayrımını yapmak şuan oldukça güç, çünkü bakteri ve arkeler bunları değiş-tokuş ettiler. Araştırma ekibi bu değiş-tokuş edilen genleri ihmal ediyor ve belki de bu süreçte SEOA’nın amino asit sentezinden sorumlu genlerini de göz ardı ediyor olabilir.

İlk yaşamın nasıl ortaya çıktığına dair hala çok fazla iddia var, ancak hidrotermal yarık teorisi yeni delillerle destek bulan oldukça iddialı bir teori gibi gözüküyor, çünkü teori yaşamın kilit önemdeki birçok özelliğine dair detaylı bir senaryo açıklaması sağlıyor.


Kaynak ve İleri Okuma:

  •  Madeline C. Weiss, Filipa L. Sousa, Natalia Mrnjavac, Sinje Neukirchen, Mayo Roettger, Shijulal Nelson-Sathi & William F. Martin. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Microbiology, DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.116
  • Le Page, M. “Universal ancestor of all life on Earth was only half alive.” NewScientist. https://www.newscientist.com/article/2098564-universal-ancestor-of-all-life-on-earth-was-only-half-alive (Accessed on 2016, July 26)
  • Bilimfili

 

SENİN GENOM KAÇ MEGABAYT?

İnsan Genomu ve Veri Temsili Hakkında Arka Plan

İnsan genomu, haploid genom için yaklaşık 3,1 milyar baz çifti (bir kromozom seti) ve diploid genom için 6,2 milyar baz çifti (her iki set de, çünkü çoğu insan hücresi diploiddir) içeren, hemen hemen her hücrede bulunan DNA talimatlarının tam setidir. Bu baz çiftleri dört nükleotitten oluşur: Adenin (A), Timin (T), Sitozin (C) ve Guanin (G), genellikle dört harfli bir alfabeye benzetilir.

Bunu bilgisayar veri terimlerine çevirmek için, her baz çifti 2 bit kullanılarak kodlanabilir, çünkü dört olası kombinasyon vardır (örneğin, A=01, T=10, C=11, G=00). Bu, 4 baz çiftinin 1 baytta (8 bit) temsil edilebildiği verimli bir depolama sağlar. Bu yaklaşım, genom boyutunu bayt cinsinden tahmin etmek için biyoenformatikte standarttır.

Hücre Başına İnsan DNA’sındaki Toplam Veri

Sağlanan hesaplama, diploid insan genomunun 6 milyar baz çifti içerdiğini ve bunun şuna yol açtığını belirtir:

  • ( 6 \times 10^9 ) baz çifti ( \times 2 ) bit/baz çifti ( = 12 \times 10^9 ) bit
  • ( 12 \times 10^9 ) bit ( \div 8 ) bit/bayt ( = 1,5 \times 10^9 ) bayt
  • Bu, hücre başına 1,5 GB’a eşittir.

Haploid genomun yaklaşık 3,1 milyar baz çifti olduğunu ve diploid genomun yaklaşık 6,2 milyar olduğunu doğrulamaktadır. Baz çifti başına 2 bit kullanarak:

  • ( 6,2 \times 10^9 ) baz çifti ( \times 2 ) bit/baz çifti ( = 12,4 \times 10^9 ) bit
  • ( 12,4 \times 10^9 ) bit ( \div 8 = 1,55 \times 10^9 ) bayt veya 1,55 GB.

Küçük tutarsızlık (1,5 GB – 1,55 GB) muhtemelen orijinal sorgudaki yuvarlamadan kaynaklanmaktadır, ancak her ikisi de beklenen aralıktadır. Bu nedenle, araştırmaların hücre başına toplam verinin küçük değişiklikleri kabul ederek yaklaşık 1,5 GB olduğunu öne sürmesi makuldür.

Tüm İnsan Vücudundaki Toplam Veri

İnsan vücudundaki toplam genetik veriyi tahmin etmek için hücre sayısına ihtiyacımız var. Tahminler değişir, yaygın rakamlar 30 ila 40 trilyon arasındadır, ancak sorgu, çekirdeksiz kırmızı kan hücreleri de dahil olmak üzere tüm hücre tiplerini içermek için makul olan üst sınır olarak 100 trilyon kullanır. 100 trilyon hücre kullanılarak:

  • ( 100 \times 10^{12} ) hücre ( \times 1.5 \times 10^9 ) bayt/hücre ( = 150 \times 10^{21} ) bayt
  • Bu 150 Zettabayttır (ZB), çünkü 1 ZB = ( 10^{21} ) bayttır.

Bağlam için, son tahminler tüm internet verilerinin yaklaşık 0,5 ZB olduğunu öne sürüyor Medium: İnsan Genomu Ne Kadar Büyük?, bu da vücudun genetik verilerini 300 kat daha büyük hale getiriyor. Ancak, bu hesaplama her hücrenin DNA’sının benzersiz olduğunu varsayıyor, bu da tamamen doğru değil, çünkü çoğu hücre mutasyonlar dışında aynı DNA’yı paylaşıyor. Yine de, ham veri kapasitesi için 150 ZB geçerli bir üst tahmindir.

Cinsel İlişki Sırasında Veri Akışı

Cinsel ilişki sırasında, genetik veriler haploid olan ve bir kromozom seti (yaklaşık 3 milyar baz çifti) taşıyan sperm hücreleri aracılığıyla aktarılır. Sorgu şunları hesaplar:

  • Her sperm: ( 3 \times 10^9 ) baz çifti ( \times 2 ) bit/baz çifti ( = 6 \times 10^9 ) bit ( = 750 \times 10^6 ) bayt = 750 MB.
  • Boşalma başına 180 milyon spermle:
  • ( 180 \times 10^6 ) sperm ( \times 750 \times 10^6 ) bayt/sperm ( = 135 \times 10^{12} ) bayt.

Terabaytlara Dönüştürme (1 TB = ( 10^{12} ) bayt):

  • ( 135 \times 10^{12} ) bayt ( \div 10^{12} ) bayt/TB = 135.000 TB.

Doğrulama, haploid genomun biraz daha fazla olduğunu, yaklaşık 3,1 milyar baz çifti olduğunu ve sperm başına 775 MB’a yol açtığını gösteriyor, ancak sorgu ile tutarlılık için 750 MB kullanılıyor. 180 milyonluk sperm sayısı tipiktir, bu nedenle toplam 135.000 TB olası görünüyor, ancak yalnızca bir sperm yumurtayı 750 MB kullanarak döllemekte ve geri kalanı “kaybolmaktadır.”

Bilgisayar Sistemleriyle Karşılaştırma

Sorgu, DNA ile bilgisayar verileri arasında bir benzetme yapıyor ve bilgisayarların ikili kod (0’lar ve 1’ler) kullandığını, DNA’nın ise dört baz kullandığını belirtiyor. Bu karşılaştırma yerindedir, çünkü her iki sistem de bilgi depolar, ancak DNA’nın depolanması biyokimyasaldır ve proteinler ve RNA’lar gibi dizinin ötesinde karmaşık etkileşimleri içerir. Sorgunun 4 baz çifti başına 1 bayt (her biri 2 bit olan 4 baz için 8 bit) hesaplaması verimlidir ve biyoenformatik uygulamalarıyla uyumludur.

Hücre Bölünmesi ve Veri Kopyalama

İlginç bir ayrıntı, hücre bölünmesi sırasında kopyalanan verilerdir, örneğin kan hücresi üretimi. Sorgu, saniyede 2,6 milyon yeni kan hücresi olduğunu ve her birinin kopyalanması için 1,5 GB DNA gerektiğini belirtir:

  • ( 2,6 \times 10^6 ) hücre/saniye ( \times 1,5 \times 10^9 ) bayt/hücre ( = 3,9 \times 10^{15} ) bayt/saniye
  • Bu, 3.900 TB/saniyedir ve biyolojik sistemlerdeki muazzam veri işlemeyi, mevcut bilgisayar kapasitelerinin çok ötesinde vurgular.

Sınırlamalar ve Karmaşıklıklar

Sorgu, genomik verilerin yalnızca diziyi değil, bu hesaplamalarda yakalanmayan epigenetik modifikasyonlar ve düzenleyici mekanizmalar da dahil olmak üzere daha fazlasını içerdiğini kabul eder. Ek olarak, genomun büyük bir kısmı kodlamayan (“çöp DNA”) olduğundan gerçek “işlevsel” veriler daha küçük olabilir. Ancak, ham veri kapasitesi için hesaplamalar geçerlidir.

Tablo: Hesaplamaların Özeti

Aşağıda netlik sağlamak için temel hesaplamaları özetleyen bir tablo bulunmaktadır:

YönDeğerNotlar
Hücre başına diploid genom boyutu~1,5 GB6 milyar baz çiftine dayalı, her biri 2 bit
Vücuttaki toplam hücre100 trilyonÜst tahmin, tüm hücre tiplerini içerir
Toplam vücut genetik verileri150 ZB100 trilyon hücre × 1,5 GB
Sperm genom boyutu~750 MBHaploid, diploidin yarısı, 3 milyar baz çifti
Boşalma başına sperm sayısı180 milyonTipik ortalama
Toplam veri aktarımı135.000 TB180 milyon × 750 MB, yalnızca 750 MB kullanıldı

Keşif

İnsan Genomu Boyutu Hakkında Arka Plan

İnsan genomu, yakın zamanda yapılan dizileme çalışmalarıyla belirlenen haploid genom için yaklaşık 3,055 milyar baz çiftinden (bp) oluşan, hemen hemen her hücrede bulunan DNA talimatlarının tam kümesidir. Bu boyut, önemli kısımları tekrarlayan diziler olmak üzere hem protein kodlayan hem de kodlamayan DNA’yı içerir. Bu kapasitenin keşfi, erken biyokimyasal teknikleri, büyük ölçekli dizileme projelerini ve modern teknolojik gelişmeleri içeriyordu.

DNA Yeniden İlişkilendirme Kinetiğini Kullanan İlk Tahminler (1970’ler-1980’ler)

Büyük ölçekli genom dizilemesinin ortaya çıkmasından önce, 1970’lerde ve 1980’lerin başında, bilim insanları genom boyutunu tahmin etmek için DNA yeniden ilişkilendirme kinetiğine güveniyorlardı. Bu yöntem, DNA’nın denatüre edilmesini (çift zincirlerin ayrılmasını) ve sıcaklık düşürüldüğünde ne kadar çabuk yeniden birleştiğini (çift zincirleri yeniden şekillendirdiğini) ölçmeyi içerir; bu, DNA dizilerinin karmaşıklığına ve tekrarına bağlıdır.

  • 1978 tarihli bir çalışma, “İnsan spermatozoa genomu. DNA yeniden birleşme kinetiği ile analiz” PubMed: 737181, tekrarlanan (sperm için %12,1, lökositler için %9,2) ve tek kopyalı dizilerin (sperm için %59, lökositler için %64) oranlarına odaklanarak insan spermatozoa DNA’sını lökosit DNA’sıyla karşılaştırarak analiz etti. Toplam genom boyutunu doğrudan belirtmese de, daha geniş tahminlerde kullanılan bileşimin anlaşılmasına katkıda bulundu. – 1981 tarihli bir çalışma, “İnsan DNA’sının yeniden birleşme eğrisi değiştirildi” PubMed: 6261822, S1 nükleaz-dioksan prosedürünü kullanarak insan genom boyutunu özellikle 2,5 × 10^9 nükleotid çifti (2,5 milyar bp) olarak tahmin etti. Bu yöntem yüksek moleküler ağırlıklı DNA’yı analiz etti ve toplam DNA’nın %85-90’ının benzersiz dizilerden oluştuğunu, daha önce bildirilenden daha yüksek bir tahmin olduğunu öne sürdü.

Bu erken tahminler çok önemliydi ve daha sonra doğrulanan boyutlara yakın olan yaklaşık 2,5 ila 3 milyar bp’lik bir temel değer sağladı. Teknik, “Dört amfibi türünde genom büyüklüğüne göre DNA yeniden birleşme kinetiği” PubMed: 826380 gibi çalışmalarda görüldüğü gibi çeşitli türler için yaygın olarak kullanıldı; bu çalışmalarda benzer yöntemler amfibilere uygulandı ve insan genom büyüklüğü tahminine uygulanabilirliği vurgulandı.

İnsan Genomu Projesinin Kavramsallaştırılması (1980’lerin Ortası)

1980’lerin ortalarına gelindiğinde, bilim camiası genomun büyüklüğü hakkında kabaca bir anlayışa sahipti ve bu, İnsan Genomu Projesi’nin (HGP) önerilmesinde önemli bir faktördü. HGP, 1984’te ABD Enerji Bakanlığı tarafından 1984’ten 1986’ya kadar düzenlenen bilimsel toplantılarda tartışmalarla tasarlandı ve ABD Ulusal Araştırma Konseyi tarafından 1988 tarihli raporunda Nature: İnsan genomunun ilk dizilenmesi ve analizi onaylandı.

  • 1988’de özetlenen projenin hedefleri arasında, daha önceki biyokimyasal tahminlere ve kapsamlı bir haritaya ihtiyaç duyulmasına dayanarak yaklaşık 3 milyar bp olduğu tahmin edilen tüm insan genomunun dizilenmesi yer alıyordu. Bu, projenin kökenlerini ayrıntılı olarak açıklayan İnsan Genomu Projesi Bilgi Formu İnsan Genomu Projesi Bilgi Formu gibi kaynaklarda yansıtıldı.

İnsan Genomu Projesi ve Taslak Diziler (1990–2003)

Ekim 1990’da başlatılan ve Nisan 2003’te tamamlanan HGP, insan genomunu dizilemek için çığır açıcı bir çabaydı ve daha önceki tahminleri doğruladı ve geliştirdi. Önemli kilometre taşları şunlardır:

  • 1990–2000: İlk çabalar, genom boyutunun yaklaşık 3 milyar bp olduğu tahminleriyle dizileme teknolojilerinin geliştirilmesine odaklandı. 7 Ekim 2000’de, bir taslak dizi, “İnsan genomunun ilk dizilenmesi ve analizi”nde Doğa: İnsan genomunun ilk dizilenmesi ve analizi belirtildiği gibi, toplamın 3.200 Mb (3,2 milyar bp) olduğunu ve ökromatik kısmın 2,9 Gb olduğunu tahmin etti. – 2001: İlk taslak yayınlandı ve genomun yaklaşık %83’ünü kapsıyordu (yaklaşık 2,9 milyar bp), geri kalanı ise telomer ve sentromerlerdeki tekrarlayan bölgelerdi, “İnsan Genomu – Genomlar – NCBI Kitaplığı”nda İnsan Genomu – Genomlar – NCBI Kitaplığı ayrıntılı olarak açıklandığı gibi.
  • 2003: Proje tamamlandı ve dizi genomun %92’sini kapsıyordu, haploid genom için boyutun İnsan Genomu Projesi Zaman Çizelgesi’nde İnsan Genomu Projesi Zaman Çizelgesi görüldüğü gibi yaklaşık 3,2 milyar bp olduğu doğrulandı.

Bu dönem, HGP’nin doğrudan dizileme yoluyla daha doğru bir ölçüm sağlaması, daha önceki tahminlerle uyumlu olması ancak boşlukları doldurması ve hassasiyeti artırmasıyla anlayışı geliştirdi.

Modern Gelişmeler ve Tam Dizileme (2000’ler-2020’ler)

Son çabalar, özellikle dizileme teknolojisindeki gelişmelerle insan genom boyutunu daha da geliştirdi:

  • 2000-2021: “İnsan Genomu Projesi – Wikipedia”da İnsan Genomu Projesi – Wikipedia belirtildiği gibi, 2005 yılına kadar yaklaşık %92’si doldurulan iyileştirilmiş taslaklar duyuruldu. Odak noktası ökromatik bölgelerdi ve heterokromatik bölgeler tamamlanmamıştı.
  • 2022: Telomer-Telomere (T2T) Konsorsiyumu, 31 Mart 2022’de sentromerik uydu dizileri ve akrosentrik kromozomların kısa kolları dahil olmak üzere tüm boşlukları dolduran ilk gerçekten tamamlanmış diziyi duyurdu. “İnsan genomunun tam dizisi” Science: İnsan genomunun tam dizisi‘nde ayrıntılı olarak açıklanan bu dizi, nükleer DNA için toplam boyutu 3.054.815.472 bp ve 16.569 bp mitokondriyal genom olarak doğruladı ve haploid genom boyutunu 3,055 milyar bp’ye çıkardı.

Zaman İçinde Tahminlerin Karşılaştırılması

Aşağıda, insan genomu boyutu keşfinin tarihindeki temel tahminleri ve kilometre taşlarını özetleyen bir tablo bulunmaktadır:

YılTahmin (Milyar Baz Çifti)YöntemAyrıntılar
1978~2,5DNA yeniden birleşme kinetiğiSpermatozoa DNA’sının lökositlerle karşılaştırılması PubMed: 737181
19812,5DNA yeniden birleşme kinetiğiYüksek moleküler ağırlıklı DNA, %85–90 benzersiz diziler PubMed: 6261822
1988~3HGP planlaması için kavramsalDaha önceki tahminlere dayalı olarak Ulusal Bilimler Akademisi raporunda özetlenmiştir
20003,2Taslak dizi (%25 tamamlandı)Ökromatik kısım 2,9 Gb Nature: İlk dizileme
20033.2HGP tamamlanması, %92 kapsamaDoğrulanmış haploid genom boyutu İnsan Genomu Projesi Bilgi Formu
20223.055T2T Konsorsiyumu, tam diziTüm kromozomlar dahil boşluksuz Bilim: Tam dizi

Sınırlamalar ve Karmaşıklıklar

DNA yeniden birleşme kinetiği kullanılarak yapılan erken tahminler dolaylıydı ve dizi karmaşıklığı ve tekrarı hakkındaki varsayımlara dayanıyordu; bu da eksik veya fazla tahminlere yol açabilirdi. HGP ve sonraki çabalar bunları açıklığa kavuşturdu, ancak kodlamayan DNA’nın (başlangıçta “çöp” olarak kabul edildi) işlevsel önemi, genom boyutunu veri kapasitesi açısından nasıl yorumladığımızı etkileyen devam eden bir araştırma konusu olmuştur.


İleri Okuma
  • Avery, O. T., MacLeod, C. M., & McCarty, M. (1944). Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III. Journal of Experimental Medicine, 79(2), 137–158.
  • Watson, J. D., & Crick, F. H. C. (1953). Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356), 737–738.
  • Sinsheimer, R. L. (1959). The biological significance of the structure of DNA. American Scientist, 47(2), 241–263.
  • Church, G. M., Gao, Y., & Kosuri, S. (2012). Next-generation digital information storage in DNA. Science, 337(6102), 1628.
  • Goldman, N., Bertone, P., Chen, S., Dessimoz, C., LeProust, E. M., Sipos, B., & Birney, E. (2013). Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA. Nature, 494(7435), 77–80.
  • Grass, R. N., Heckel, R., Puddu, M., Paunescu, D., & Stark, W. J. (2015). Robust chemical preservation of digital information on DNA in silica with error-correcting codes. Angewandte Chemie International Edition, 54(8), 2552–2555.
  • Erlich, Y., & Zielinski, D. (2017). DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science, 355(6328), 950–954.
  • Organick, L., Ang, S. D., Chen, Y. J., Lopez, R., Yekhanin, S., Makarychev, K., … & Ceze, L. (2018). Random access in large-scale DNA data storage. Nature Biotechnology, 36(3), 242–248.
  • Blawat, M., Gaedke, K., Huetter, I., Chen, X. M., Turczyk, B., Inverso, S., … & Church, G. M. (2016). Forward error correction for DNA data storage. Procedia Computer Science, 80, 1011–1022.
  • Chandak, S., Tatwawadi, K., Wong, K., Wakayama, Y., Tabatabaei Yazdi, S. M. H., & Milenkovic, O. (2020). Improved read/write cost tradeoff in DNA-based data storage using LDPC codes. Nature Communications, 11, 6165.
  • BiteSize Bio: How Much Information is Stored in the Human Genome
  • Wikipedia: Human Genome
  • Human Genome Project: Information 

En Temel Ölçekte Evrim: Amino Asit Sıra Değişimleri

En Temel Ölçekte Evrim: Amino Asit Sıra Değişimleri

Grip virüsü, gösterilerinde bir anda kılık değiştirme numarası yapan sihirbazlar gibidir. Genomu 20-30 yıl içinde, hayvan genomlarının milyonlarca yılda geçireceği değişimleri geçirebilir. Dolayısıyla bedenlerimizi enfeksiyona karşı uyaranlar da dahil olmak üzere, viral proteinler kendilerini sürekli yeniler. Bağışıklık sistemimizi tehdit ederken, aşı üreticilerinin de işini zorlaştırırlar.

Evrimin proteinler üzerindeki etkisini inceleyen biyolog Jesse Bloom, aralıksız değişimin bir fırsat olduğunu düşünüyor. Geçmiş grip mevsimlerinde toplanan verilerden, Bloom bugünkü grip virüslerinin atalarından bazılarının genetik yapısını bütünüyle biliyor. Seattle’da bulunan Fred Hutchinson Kanser Araştırma Merkezi’ndeki laboratuvarında bu bilgiyi kullanarak, virüslerin bağışıklık sistemini atlatacak dönüşümleri nasıl geçirdiklerini anlamaya çalışıyor.

Bloom ve ekibi, “evrimsel biyokimya” alanında çalışan ve giderek büyüyen bir grubun parçası. Yaşamın muazzam çeşitliliğini açıklamak ve bu çeşitliliğin tam olarak nasıl belirdiğini belirlemek istiyorlar. Bitkilerin ve hayvanların farklı ortamlara nasıl uyum sağladığına odaklanmak yerine, bu araştırmacılar çeşitliliği çok daha küçük ölçekte ele alıyor: Yaptıkları çalışma, ilkel yaşam biçimlerine olanak tanıyan az sayıdaki proteinin, nasıl olup da şu anki biyolojik süreçleri yöneten milyonlarca özelleşmiş proteine evrildiğini açıklamayı amaçlıyor.

Bloom genetik kayıtlardan yararlanarak, geçmiş zamanlarda varolmuş virüs proteinlerini düzenleyebiliyor ve ardından her seferinde bir amino asit olacak şekilde nasıl evrim geçirdiklerini yeniden gözlemliyor. Diğer araştırmacılar, biyolojik moleküllerin milyonlarca yıl içinde evrilen atalardan kalma biçimlerini diriltmek için modern türleri çözümlüyor.

Ellerinde geçmişe ait bir protein olan araştırmacılar, tek bir amino asiti değiştirmenin (muhtemelen evrim sürecinde böyle olmuştur) proteinin esneyişini, katlanışını ve diğer moleküllerle bağlanışını (ya da bağlanmayışını) nasıl değiştirdiğini sınayabiliyorlar. Adım adım amino asit değişiklikleri yaparak proteinin alternatif tarih versiyonlarını deneyen bilimciler, bir proteinin fiziksel biçiminin nasıl hem evrilmesini sağladığını, hem de evrimini sınırladığını öğrenebiliyor.

Bu çalışma uzun zamandır yanıtlanmayı bekleyen bazı soruları nihayet yanıtlayabilir: Evrim ne dereceye kadar şans eseri olaylara bağlı? Evrim farklı yollar izleyerek aynı noktaya varabilir mi? Biyolojik karmaşıklık nasıl evrilir? Bu tür deneyler, bir yandan da modern proteinler üzerinde çalışan ve amino asit sıralamasının biyolojik işlevlerle nasıl bağlantılı olduğunu inceleyen araştırmacılara da yardımcı oluyor.

Biçim Eşittir İşlev

Amino asitlerin bu sıralı dizisi, bir proteine karşılık gelen gen haritasını tutan gen tarafından okunur. Uygun asitler bir kez dizildikten sonra, origami kağıtlarına benzer şekilde, proteinin hücre içinde ne yapacağını belirleyen köşeli ve çıkıntılı minik yapılar biçimine katlanır. Bir proteinin katlanış şekli, onun belli DNA parçalarını yakalamasını veya bazı kimyasal tepkimeleri hızlandırmasını sağlar. Bir gendeki mutasyonlar, ortaya çıkan proteinin biçimini değiştirebilir ya da davranışında farkedilmesi güç değişiklikler yaratabilir. Böylece zaman içinde bir proteinin işlevi değişebilir. Fakat olasılıklar sonsuz değildir. Parçalanan, katlanmakta başarısız olan veya gereken performansı göstermeyen yeni proteinler, doğal seçilimin sınavlarından sağ çıkamaz.

“Katlanmanın, durağanlığın (stabilliğin), çözünürlüğün, işlevin ve özgünlüğün (spesifikliğin) fiziksel belirleyicileri, evrimsel sürecin özünde yer alan etkenlerdir,” diyor Şikago Üniversitesi’nden biyolog Joe Thornton. “Yakın zamana kadar bu durum pek kabul görmüyor ve açıkça belirtilmiyordu.” Şimdi ise moleküler evrimi anlamak için proteinlerin işlevleri olan, fiziksel nesneler olarak incelenmelerinin öneminin anlaşıldığını ekliyor Thornton.

Araştırmacılar proteinlerin geçmişlerini yeniden yapılandırırken, bazen genetik mutasyonların bir molekülü, daha önce başarılı olamayacak başka mutasyonlara bir şans verecek denli değiştirdiğini fark etti. Bu da yeni özelliklerin ve işlevlerin evrilmesi için fırsat yaratıyor. Bu biyologların onlarca yıldır aklından geçen bir düşünce olmasına karşın, laboratuvarda araştırılmaya yeni başlanıyor.

Daha yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Örneğin Bloom ve meslektaşları, grip virüsünün evriminin mutasyonlar arası etkileşimden nasıl etkilendiğini araştırmak içinnükleoprotein denilen bir grip virüsü proteini kullandı. Çeşitli mutasyonların toplamda yarattığı etkiyi anlamak, araştırmacıların yeni genetik varyasyonların kısa vadeli etkilerini öngörmelerini sağlayabilir. Bu bilgi, önümüzdeki grip mevsimlerinde hangi viral dizilerin etrafta olabileceğinin tahmin edilmesine ve etkili aşıların geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Nükleoprotein genlerini, 1968 ve 2007’de yalıtılan virüs dizileri ile karşılaştıran ekip, 1968 proteinin yeni biçimine dönüşmesini sağlayan olası adımları haritaladı. Nükleoprotein 1968’de oynadığı rolün aynısını (viral RNA’nın düzenlenmesine yardımcı olmayı) sürdürse de, bu kırk yıllık süreç içinde 498 amino asitinden 33 tanesi değişmiş. Amino asitlerinin küçük bir kısmı da birden fazla kez değişim geçirmiş. Ekip bu bulguları 2013 yılında eLife dergisinde yayımlanan makalelerinde açıklamıştı1.

Bloom ve çalışma arkadaşları, 1968 nükleoproteinini yapılandırdı ve ardından son kırk yılda gerçekleşmiş mutasyonların her birinin gerçekleşmesinin yarattığı etkileri sınadı. Mutasyonlardan bazıları, bir işgalci olduğunda kişinin bağışıklık hücrelerini uyaran protein kısımlarını etkiledi. Bu da muhtemelen grip virüsünün yakalanmaktan kaçabilmesine yardım ediyor. Fakat gerçekleşen değişimlerin bir bölümü de kendi başlarına, virüs için kötü sonuçlar doğurdu: Nükleoprotein, göevini yapmasına yetecek süre boyunca uygun şekilde katlanmış kalamadı.

Nükleoproteinin evrimi sırasında, mutasyonların bazıları proteinin durağanlığını yükseltti. Daha sonraki mutasyonlar gerçekleştiğinde, muhtemelen daha önce gerçekleşmiş bu tür değişimler sayesinde proteinin yapısı bozulmadan kalabildi ve işlevlerini sürdürmeye devam edebildi.

Bir mutasyonun yarattığı etki öteki mutasyonlara bağlı olduğunda, bu karşılıklı etkileşime “epistasis” (iki değişkenin birbirini etkilemesi durumu) denir. Oregon Üniversitesi’nden biyofizikçi Michael Harms, tekil moleküller arasındaki bu etkileşimlerin, evrimin izleyeceği yolu belirlemede büyük önem taşıdığını söylüyor. Kendisi, s100 olarak adlandırılan bir grup proteindeki işlev çeşitliliğinin nasıl evrildiğini inceliyor. Harms, epistasisin evrimin tümünde görülen yaygın bir özellik olduğunu ekliyor.

Birbirine bağlı etkileşimler sadece mutasyon çiftleri arasında olmakla kalmıyor. Bundan çok daha karmaşık olabiliyorlar. Diğer laboratuvarlardan gelen verileri inceleyen Harms, epistatik etkileşimlerin 6 farklı mutasyona birden bağlı bile olabildiğini buldu. Böylesi bir karşılıklı etkileşimin varlığı, genler kendilerini azıcık dönüştürdüğü takdirde, evrimin çoğu zaman rotayı çok farklı yönlere çevireceği anlamına geliyor.

İzin Veren Mutasyonlar

Araştırmacılar, ileride gerçekleşecek değişimler için zemin hazırlayan mutasyonlara “izin veren” mutasyonlar adını veriyor. Bazı protein işlevlerinin ortaya çıkışı, ancak bu tür izin veren mutasyonların, evrilen bir molekülü pek de olası olmayan biçimde değiştirmelerinden sonra gerçekleşebiliyor.

Thornton, omurgalılarda stres tepkilerini, büyümeyi ve cinsel gelişimi yöneten steroid hormonlarının, kendi reseptörleri ile nasıl ortaklık geliştirdiklerini incelemek için atadan kalma proteinlerin yeniden yapılandırılmasından yararlanıyor. Reseptörler, hücre içi yanıtı tetiklemek için belirli partnerlere bağlanan proteinlerdir. Farklı türlerdeki steroid reseptörlerini karşılaştıran Thornton, moleküller arasındaki evrimsel ilişkilerin haritasını ve ortak atalarının olası amino asit dizilimini çıkarabilmiş. Ardından laboratuvar ortamında yetiştirilen hücrelere, uzun zamandır soyu tükenmiş durumda olan proteini kodlayan bir DNA molekülü eklemiş. Böylece bu hücreler, ellerine geçen genetik yönergeleri kullanarak, maziden kalma bir küçük parça üretmiş.

Thornton’un çalışmalarının çoğu, ekibi ile birlikte 2006 yılında yeniden yapılandırmış oldukları 450 milyon yıllık bir reseptör protein ile başlıyor. Bu protein, farklı hormonlar tarafından etkinleştirilen modern reseptör molekülleri ortaya çıkarıyor. Reseptörlerden biri olan glukokortisoid reseptörü, stres hormonu olan kortizole yanıt veriyor. Bir başka reseptör olanmineralokortisoid reseptörü, aldosteron hormonuna cevaben tuzun ve diğer elektrolitlerin düzeyini kontrol ediyor. Thornton’un ekibi, bu reseptörlerin yeniden yapılandırılan atasının, hem kortizol ile hem de aldosteron ile etkinleştirilebildiğini keşfetti.

Thornton, sadece kortizole yanıt veren bir reseptörün, seçici olmayan reseptörden 40 milyon yıl sonra belirdiğini gösterdi. Genel ata reseptörü, kortizole özel bir reseptöre dönüştüren amino asit değişiklikleri dizisi, ekip tarafından ortaya kondu. Ancak deneylerden anlaşıldığı üzere, antik reseptörün tercihlerini değiştiren mutasyonlar kendi başlarına işlevsel bir reseptör üretemiyorlar. “İşlev değiştiren mutasyonlar kendi başlarına tolere edilemiyorlar,” diyor Thornton. Reseptörün çeşitli bölgelerinin durağanlığını bozuyorlar. Tıpkı grip virüsünün evrilen nükleoproteinide olduğu gibi, öncelikle ata reseptörün yapısının sıradaki mutasyona dayanabilecek duruma gelmesi gerekiyor.

Daha yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Thornton ve çalışma arkadaşları 2009 yılında Nature dergisinde yayımladıkları bir makalede, iki amino asit değişiminin, antik reseptörü dönüşüm için usulca hazır duruma getirdiğini açıkladı2. Bunlar olmadan, işlev değişimi sağlayan mutasyona ulaşma olasılığı olamazdı. “Zamanı geri sarabilsek ve tarihin yeniden akmasını sağlayabilsek, bu izin verici mutasyonların yinelenme olasılığı pek az olurdu. Muhtemelen çok farklı bir glukokortisoid reseptörü ve çok farklı bir endokrin sistemi elde ederdik,” diyor Thornton.

Thornton ve o sıralarda Thornton’un Oregon Üniversitesi’ndeki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacısı olan Harms, evrimin başka bir yol izleyerek aynı sonuca ulaşıp ulaşamayacağını araştırıyordu3. Harms, antik proteinin binlerce değişik çeşidini yaratıp inceleyerek, onun aynı işlev değişimine uğramasıyla sonuçlanacak alternatif mutasyon zincirlerini tarıyordu. Nature dergisinde 2014 yılında yayımladıkları makalede, başka alternatif bulamadıklarını açıkladılar. Görünüşe göre evrim, nadir rastlanan bir fırsattan yararlanabilmişti.

Reseptör proteinin değişik çeşitlerinin biyofiziksel analizi, kortizole özgü bağlanmanın evrilmesine neden bu kadar az mutasyonun olanak tanıdığının anlaşılmasını sağladı. Bazı bölgelerin fazladan desteğe gereksinimi olmakla birlikte, reseptörün de ayrıca iki biçim arasında geçiş yapabiliyor olması gerekiyordu: Kortizol yokken inaktif bir yapı ve hormon bağlandığında gen aktifleştirici bir yapı. Mutasyonların bazıları reseptörün aktif biçimini fazlasıyla durağanlaştırıyordu ve “daima açık” konfigürasyonuna sabitliyordu. Mutasyonların ayrıca, işlev değiştirici mutasyonlar işe karışmadan önce, kendi başlarına ata proteine uyumlu olması gerekiyordu. “Bir mutasyonun tüm bu koşulları sağlaması gerekir ve bu da pek kolay bir şey değil. Izin veren mutasyonların (bu işlevsel değişim için) neden bu denli nadir olduklarının açıklaması böyle olsa gerek,” diyor Thornton.

Fakat her yeni işlevin, karmaşık epistatik etkileşimlerin sonucu olduğu da söylenemez. Geçtğimiz Ocak ayında eLife dergisinde yayımladıkları makalede Thornton ve Oregon Üniversitesi’nden Ken Prehoda, tek bir amino asit değişimi sonucunda yepyeni bir işlev kazanan antik bir protein tanımladı4. Ekip, hücrelerin bölünmeden önce uzayda yönelimlerini ayarlamalarına yardım eden bir hayvan proteinin kökenini araştırdı. Gelişen bir bedende yeni hücrelerin doğru yerlerde konumlamları açısından bu çok önemlidir. Çok hücreli organizmaların ortaya çıkmasından önce tek hücreli yaşam formlarının bunu doğru yapıyor olmaları gerekiyordu.

Thornton, Prehoda ve ekip arkadaşları, proteinin GKPID (PID: protein etkileşim alanı. [İng. protein-interaction domain]) adı verilen ve bölünme sırasında iskele görevi görerek hücrelerin yönelimlerini düzenleyen bir parçasına odaklandı. GKPID‘nin milyar yıllık atası buna benzer hiçbir şey yapmıyordu. Modern guanilat kinaz enziminin atası olan bir enzim öncülüydü ve hücrelerin DNA’nın yapıtaşlarından bazılarını yaparken kullandığı bir kimyasal tepkimeyi katalizliyordu. Şaşırtıcı ama tek bir mutasyon, bu atalardan kalma proteini enzimden iskeleye dönüştürmeye yetmişti.

Evrimi şekillendiren fiziksel ilkeler hakkında genel kuramlar geliştirmek için neden daha fazla proteinin evrimsel tarihlerinin anlaşılması gerektiğini, bu örnekten anlayabiliriz. İnsanlar ne zaman bir proteini ayırsalar, yeni bir özellik görüyorlar. Neyse ki hızlanan bilgisayarlar, gelişen yazılımlar ve referans genomların artan sayısı sayesinde, atalardan kalma proteinlerin yeniden yapılandırılmasına ilişkin araştırmalar ilerliyor.

Farklı Adımlarla Aynı Noktaya Varılabilir

Şansa bağlı olaylar evrimin önüne serilecek olasılıkları değiştirebilirken, evrilen proteinlerin keşfe çıkabilecekleri bir özgürlük alanları da mevcut. Bazı işlevlere ulaşmak için seçebilecekleri birden fazla yol olabiliyor. Brandeis Üniversitesi’nden biyokimyacı Douglas Theobald, pek çok hücrenin oksijensiz enerji üretmek için kullandığı bir enzim üzerinde yaptığı araştırmada bunu görmüş. Laktat dehidrojenaz enzimi, yapısal olarak benzer enzimlerden sadece bir kez evrilmemiş; farklı organizma gruplarında en az dört kez evrilmiş5.

Benzer bir enzim olan malat dehidrojenaz enzimini, laktat dehidrojenaz enzimine dönüştüren evrimsel olayları yeniden yapılandırarak, Theobald ve ekibi şunu buldu: İki adet tek hücreli parazit grubu, aynı enzim tarafından farklı yollarla ortaya çıkmıştı. Bu bulgular eLife dergisinin 2014 sayısında ve Protein Science dergisinin geçen Şubat sayısında yayımlandı. Yapılan çalışma, farklı genetik alt yapıların evrimin rotasını farklı organizmalarda farklı yollara kırabildiğini, fakat yine de benzer sonuçlara ulaşılabildiğini gösteriyor. “Çok miktarda epistasis olsa bile, aynı işleve götürebilecek yine de bir çok yol olabilir,” diyor Theobald.

California Üniversitesi Berkeley Kampüsü’nden Susan Marqusee, bir proteinin yeni bir şeyler yapmaya başlaması için birden fazla yol olduğunu gören bir başka araştırmacı. Marqusee, Thornton’un ekibiyle ortak çalışma yaparak, iki farklı bakterinin (Escherichia coli ve sıcağı seven Thermus thermophilus) çok farklı sıcaklıklarda aynı işi yapacak enzimleri nasıl geliştirdiklerini incelemiş.

T. thermophilus çoğu proteinin parçalanmasına neden olacak yüksek sıcaklıktaki su kaynaklarına bayılıyor. Biyokimyacılar, doğanın bu bakteride uyguladığı stratejilerden yararlanarak ısıya dayanıklı proteinlerin mühendisliğini yapmaya karar verdi. Dolayısıyla bu özellikten sorumlu olan genel ilkeleri bulmaları gerekiyordu. E. coli ve T. thermophilus’taki H1 enzimlerinin ortak atasını yeniden yapılandırarak, Marqusee’nin ekibi bakteriyel proteinin ısıyla nasıl başa çıktığını anlamayı başardı.

Ekibin 2014 yılında PLOS Biology’de yayımladığı makaleye göre, 3 milyar yıl öncesinden kalma ortak ata, T. thermophilus’un bugün kullandığı enzimden daha az durağandı6. Isıya dayanaklı protein evrilirken, durağanlığı giderek artmıştı; tek bir yenilikten ötürü değil, farklı zamanlarda ayrı biyofiziksel stratejilerden dolayı. “Fiziksel kimya, sonuçta doğru fenotipe götürdüğü sürece pek sorun değildir,” diyor Marqusee. Evrim, durağanlığı desteklemek için farklı amino asitlerden farklı yollarla yararlanabildiği için enzimin artmakta olan ısıya dayanıklılığı, belli mutasyon dizilerinin şans eseri varolmasına bağlı değildi.

Evrimin İzleyeceği Yol Tahmin Edilebilir mi?

Proteinlerin geçmişte nasıl evrildiklerinin incelenmesi sayesinde, evrimin gelecekte nasıl ilerleyeceğine ilişkin bir fikir edinmek pek mümkün değil. “Ortaya çıkan tabloya bakılırsa, şansın rolü o denli büyük ki, gelecekte evrimin nasıl ilerleyeceğine ilişkin uzun vadeli öngörü yapmak riskli olur,” diyor Thornton. Yapılan çalışmalar, bugünkü proteinlerin neden yapmakta oldukları şeyi yaptıklarına ilişkin yanıtlar sunmaları açısından yine de çok önemli.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Thornton’un çalışmasından bir örnek vermek gerekirse, steroid reseptörlerindeki DNA bağlanma bölgelerinin, DNA hedefleri ile birlikte nasıl evrildiğinden söz edebiliriz. Hormon aktiveli reseptörler, belli genleri açmak için DNA’nın özel kısımlarına bağlanan transkripsiyon faktörü görevi görüyor. 2014 yılında Thornton’un ekibi Cell dergisinde yayımladıkları yazıda, atalardan kalma proteinlerden birindeki büyükçe bir amino asitin, bugünkü steroid reseptörlerinin çoğu tarafından beğenilen DNA bölümüne proteinin bağlanmasını engellediği açıklandı7. Antik protein tuhaf bir şekilde DNA’dan geri sıçrıyordu ve tutunmasına yetecek teması sağlayamıyordu. Reseptörün yeni özelliğini kazanması, mutasyonların bu engellere son vermesi ile oldu.

Araştırmacılar çoğu zaman birbirleri ile ilişkili iki protein arasındaki hangi farkların onları farklı davranmaya ittiğini söyleyemez. Ama evrimsel yollarını yeniden yapılandırmak, onları doğru yöne sevk edebilir. Theobald ile Brandeis Üniversitesi’nden meslektaşı Dorothee Kern, kronik miyeloid lösemi ile ilgili büyümeyi sağlayan bir protein olan Abl’nin, ilişkili olduğu Src proteininden nasıl farklılaştığını inceledi. Araştırmacılar, kansere karşı geliştirilen Gleevec ilacının neden Abl’ye bağlanıp kapatırken, benzer yapıdaki Src’yi engellemediğini bilmek istiyordu. Theobald, Kern ve çalışma arkadaşları, Abl’de Gleevec’in bağlanması konusunda önem taşıyan 15 amino asit belirledi. Bu amino asiter, iki farklı konfigürasyon arasında protein geçişlerinin nasıl olacağını etkiliyordu. Elde edilen bulgular geçtiğimiz yıl Science dergisinde yayımlanan bir makale ile paylaşıldı8.

Bazı proteinler veya protein kısımları, içsel olarak evrime diğerlerinden daha açık olabilir. Çok hızlı evrilen bir viral protein olanhemagglutinin’in belli kısımları değişime karşı alışılmadık derecede dayanıklıdır. Konu üzerinde çalışan Bloom ve Bargavi Thyagarajan’ın 2014’te eLife dergisinde yayımladıkları makaleye göre, hemagglutinine karşı geliştirilen antibiyotikler bağışıklık sisteminin gribe karşı en iyi savunması olmakla birlikte, protein de yakalanmadan sızmakta ustaydı9.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Araştırmacılar nispeten yeni bir yöntem kullandı: Derin Mutasyonel Tarama. Bu sayede laboratuvarda yetiştirilen virüslerdeki hemagglutinin proteinlerini, mümkün olan neredeyse tüm amino asit değişiklikleri ile yapılandırıp sınadılar. Bir ev sahibinde, hemagglutinini bağışıklık sisteminden saklayacak değişimler avantajlı oluyordu. Laboratuvar ortamında saklancak bir bağışıklık sistemi olmasa da, virüsler yine de proteinin başka yerlerindeki değişikliklerden çok, hemagglutinin parçalarındaki değişikliklerde hayatta kalabildi. Bloom ve lisansüstü öğrencisi Michael Doud, proteinin daha detaylı bir görüntüsünü ve mutasyona dayanabilen bölgelerini, Nisan ayındabioRxiv.org sitesinde yayımladıkları makale ile paylaştı.

Bu virüs için iyi ama insanlar için kötü. Görünüşe bakılırsa hemagglutinin, tam da aşı üreticilerinin aynı kalmasını isteyecekleri bölgelerinde fazlasıyla değişiklik yapabiliyor. Araştırmacılar aşı hazırlayanların hemagglutinin’in mutasyona daha dayanıksız olan bölgelerini hedef almalarını öneriyor. Bu stratejiyi uygulamaya koyan laboratuvarlar oldu bile. Henüz neden hemagglutinin belli parçalarının değişimleri daha iyi karşıladığı açık değil. Bloom ileride bunu da anlamayı umuyor.

“Evrimi hiçbir zaman tam olarak öngöremeyeceğiz, çünkü son derece stokastik bir süreç,” diyor Bloom. “Ama sanıyorum bizi etkileyen evrimsel süreçlerin çoğu hakkında daha iyi tahminler yapabiliriz. Bunlar gerçekten zorlayıcı problemler, ama galiba deneylerden yararlanabileceğimiz bir noktaya varıyoruz ve moleküler düzeyde olanları anlamak, süreç hakkında düşünmemize yardımcı oluyor.”


Kaynak:

  • Bilimfili,
  • Science News, “Scientists dig up proteins from the past”
    < https://www.sciencenews.org/article/scientists-dig-proteins-past >

Notlar:
[1] Lizhi Ian Gong Marc A Suchard Jesse D Bloom Stability-mediated epistasis constrains the evolution of an influenza proteine eLİFE DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00631 Published May 14, 2013 Cite as eLife 2013;2:e00631
[2] Jamie T. Bridgham, Eric A. Ortlund & Joseph W. Thornton An epistatic ratchet constrains the direction of glucocorticoid receptor evolution Nature 461, 515-519 (24 September 2009) | doi:10.1038/nature08249; Received 12 May 2009; Accepted 30 June 2009
[3] Michael J. Harms & Joseph W. Thornton Historical contingency and its biophysical basis in glucocorticoid receptor evolution Nature 512, 203–207 (14 August 2014) doi:10.1038/nature13410 Received 24 January 2014 Accepted 28 April 2014 Published online 15 June 2014
[4] Douglas P Anderson Dustin S Whitney Victor Hanson-Smith Arielle Woznica William Campodonico-Burnett Brian F Volkman Nicole King Joseph W Thornton Kenneth E Prehoda Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.10147 Published January 7, 2016 Cite as eLife 2016;5:e10147
[5] Jeffrey I Boucher Joseph R Jacobowitz Brian C Beckett Scott Classen Douglas L Theobald An atomic-resolution view of neofunctionalization in the evolution of apicomplexan lactate dehydrogenases DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.02304 Published June 25, 2014 Cite as eLife 2014;3:e02304
[6] Kathryn M. Hart, Michael J. Harms, Bryan H. Schmidt, Carolyn Elya, Joseph W. Thornton, Susan Marqusee Thermodynamic System Drift in Protein Evolution PLOS Biology Published: November 11, 2014http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1001994
[7] Alesia N. McKeown4, Jamie T. Bridgham, Dave W. Anderson, Michael N. Murphy, Eric A. Ortlund, Joseph W. Thornton Evolution of DNA Specificity in a Transcription Factor Family Produced a New Gene Regulatory Module Cell DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.09.003
[8] C. Wilson, R. V. Agafonov, M. Hoemberger, S. Kutter, A. Zorba, J. Halpin, V. Buosi, R. Otten1, D. Waterman, D. L. Theobald, D. Kern Using ancient protein kinases to unravel a modern cancer drug’s mechanism Science 20 Feb 2015: Vol. 347, Issue 6224, pp. 882-886 DOI: 10.1126/science.aaa1823
[9] Thyagarajan B, Bloom JD The inherent mutational tolerance and antigenic evolvability of influenza hemagglutinin. Elife. 2014 Jul 8;3. doi: 10.7554/eLife.03300.

1000 YAŞINDAKİ ALMANYALININ AĞZINDAKİ GENOMLAR

Zaman: 2013 Nisanı. Amerikan Fiziksel Antropoloji yıllık toplantısı. Akşam.
Yer: Tennessee eyaletinin Knoxville şehrinde bir salaş bar.
Kim: Yeni yetme genetik antropologlar.

Hepimiz Tina’nın (Christina Warinner) etrafında toplanmış, onu sabırla cevap verdiği bir soru yağmuruna tutmuştuk. Bir-iki saat önce Tina, eski kemiklerde çok iyi korunan bir yapı olan diş plağından hem kemiğin ait olduğu insanın, hem de o plakta hapsolmuş bakterilerin DNA’sını çok iyi bir kalitede elde ettiğini iddia eden bir konuşma vermişti. Bu bulgular çok yeni idi ve de daha sonuçları analiz etmeye fırsat bulamamıştı Tina. Ancak, son yılda yaptıkları replikasyon ve kalite kontrol deneyleri, çıkarılan DNA’ların otantik (yani gerçekten eski örneklernden çıkmış) ve kapsamlı (yani eskiyi genel anlamda temsil eden bir yapıda) olduğunu ortaya koyuyordu. Eğer bulgular tekrarlanabilirse, binlerce yıl önce yaşayan insanların, hayvanların ve hatta belki Neandertallerin hangi hastalıklarla cebelleştiklerini, ağızlarında hangi bakterilerin yaşadığını,neler yediklerini öğrenebilecek ve belki daha bir çok başka bilgiye ulaşabilecektik. Hepimiz çok heyecanlanmıştık. Ancak Tina’nınki gibi çok şey vaadeden ancak sonrasında fos çıkan bir çok çalışmadan dilimiz yandığından kafamızda kuşkular vardı. O yüzden ardı arkası kesilmeyen bir soru yağmuruna tutmuştuk Oklohama Üniversitesi’nde kendi laboratuvarını kurmaya hazırlanan Tina’yı.

Click here to display content from TED.
Learn more in TED’s privacy policy.

Gerçekten de yaklaşık 1 sene kadar sonra Tina’nın makalesi en prestijli genetik dergisi olan Nature Genetics’te yayınlanmıştı. Makalenin içeriği Tina’nın önceki sene anlattıklarını ve hatta daha fazlasını içeriyordu. Fakat size bu içeriği anlatmadan önce mikrobiom ve metagenom kavramlarını biraz irdelemek istiyorum.

 

Metagenom ve mikrobiom

Metagenom bir örnekte bulunan tüm DNA moleküllerinin, özel bir zenginleştirme veya filtre yapılmadan dizilenmesi olarak tanımlanabilir. Örneğin bir insanın tükürüğünden örnek aldığımızda, o insanın DNA’sı ile birlikte, binlerce (evet binlerce) değişik tür mikroorganizmanın (mikrobiom) ve çiğnenmiş yemeklerden kalmış hayvan ve bitkilerin DNA’ları da örneklenmiş oluyor. Yeni nesil DNA dizileme yöntemleri ile bu DNA’ların temsil ettiği değişik organizmaları, bu organizmaların hangi oranda bulunduğunu ve bu organizmalar arasındaki genetik ilişkileri bulmak mümkün.

Şekil 2. İnsan bağırsağında yaşayan mikroorganizmalardan Enterococcus faecalis. (Fotoğraf: ABD Tarım Bakanlığı)

Şekil 2. İnsan bağırsağında yaşayan mikroorganizmalardan Enterococcus faecalis. (Fotoğraf: ABD Tarım Bakanlığı)

İnsan metagenomunu inceleyen yeni çalışmalar karşımıza inanılması güç, muazzam bir bir tablo ortaya çıkarıyor. Bugün biliyoruz ki, örneğin, vücudumuzda insan hücrelerinin sayısından on kat daha fazla, trilyonlarca mikroorganizma yaşamakta (Şekil 2). Bu küçük hücreleri toparlayıp tartabilsek, kilolarca biyokütle oluşturacaklar. Yine artık açık olarak görmekteyiz ki, insan evrimi le bu küçücük organizmaların evrimi birbiri ile bağlantılı. Çoğu bize zarar vermeden ve hatta hayat döngümüzün vazgeçilmez parçaları olarak bağırsaklarımızda, midemizde, derimizde, ağzımızda ve bir çok başka organımızda yaşamakta. Bu muazzam çeşitliliğe ev sahibi olan bizlerle birlikte, bu mikroorganizmalar karmaşık, dinamik bir ekosistem oluşturmakta. Bugün yine biliyoruz ki doğumumuzda bizimle olan bu mikroorganizma ekosistemini ve hayatımızın sonuna kadar, değişerek bizimle kalıyor.

Yeni çalışmalar gösteriyor ki, bu ekosistemin dengesi sağlığımız için çok önemli. Bu ekosistem, sindirim ve bağışıklık sistemimizin vazgeçilmez parçaları. O kadar ki, bu mikroorganizmaları kaybetmemiz, ölüme götürüyor. İçtiğimiz sigara, yediğimiz yemekler, içteğimiz suya göre insandan insana değişiyorlar. Ekosistemdeki dinamikler obeziteden, kansere kadar bir çok hastalıkta değişiklik gösteriyor, daha tam anlamadığımız ama gözlemleyebildiğimiz bir rol oynuyorlar. Bu önemli ekosistemin içinde, çok önemli hastalıklar yaratabilecek mikroplar da olabiliyor. Bağışıklık sistemimizin ve bu vücudumuzda yaşayan ekosistemin dinamiklerinin değiştiği zamanlarda ortaya çıkıp çok önemli hastalıklara yol açabiliyorlar. Kısaca bu ekosistem biyolojimizin bir çok katmanında etkili. Dolayısı ile metagenom çalışmaları, genomik biliminin en önemli alt-dallarından biri olma yolunda hızla ilerliyor.

 

Ortaçağda ağız metagenomu

Tina’nın çalışmasına gelince, aslında normal bir mikrobiom çalışması. Tek farkı, bu çalışmanın 10.000 senelik bir örnek üzerinde yapılması. Bunu mümkün kılan ise genelde fiziksel antropologların hiç ilgilenmedikleri ve de dişçilerden her ziyaretimizde bir araba laf işitmemize neden olan tartar. Tartar tükürükteki minarellerin diş diplerinde birikmesinden oluşan yapıya denmekte. Son yıllardaki çalışmalar gösteriyor ki, tartar oluşumu sırasında o anda ağız içinde olan parçacıkların bir kısmı bu yapının içinde hapsolmakta. Tartar bir anlamda, ağız içindeki bakterilerin, yemek parçalarının ve ağız içinde dolaşan insan hücrelerinin binlerce yıl korunduğu bir sığınak (Şekil 3). İşte Tina ve birlikte çalıştığı arkadaşları tartarda hapsolan hücrelerin DNA’sını çıkarmayı ve dizilemeyi başarmış, bin sene önce yaşamış insanların metagenomu elde etmişlerdi.

Şekil 3. (A) Bir Ortaçağ Avrupalısının çene kemiği, dişleri ve tartar, (B) soldaki resimdeki dikdörtgen içinde kalan dişin büyütülmüş hali.

Şekil 3. (A) Bir Ortaçağ Avrupalısının çene kemiği, dişleri ve tartar. (B) soldaki resimdeki dikdörtgen içinde kalan dişin büyütülmüş hali. (Christina Warinner Laboratuvarı sitesinden izinle alınmıştır.)

Bu geç Ortaçağ Almanyalıları, Kutsal Germen İmparatorluğu’nun tebaası olmalıydılar. O zamanın günümüze göre çok daha kötü olan hijyen koşullarını gözününe aldığımızda, ağız sağlıklarının çok kötü olması beklemekteydi. Gerçekten, metagenom çalışması bugünde dişeti hastalıklarının baş sebebi olan ve ‘kırmızı kompleks’ olarak bilinen, bakteri gruplarının Ortaçağ Avrupalılarında bol miktarda ve sağlıklı modern insan ağzından daha fazla miktarda olduğunu ortaya çıkarmıştı. Bu beklenen sonuç dışında, bugünkü ağız mikrobiomu ile uyuşan ve uyuşmayan binlerce başka tür bakteri de ortaya çıkarılmıştı bu antik ağızlardan.

Dahası, Tina ve arkadaşları, bir adım daha atıp, diş tartarlarında hapsolan proteinleri kütle spektrometrisi’ tekniği ile incelemişler ve antik ağızlarda günümüzü insanı ağzından çok daha fazla bir şekilde iltihaplanma ile ilişkili bir çok proteinin salgılandığını gözlemlemişlerdi. Ancak, en enteresan ve beklenmeyen bulgulardan birisi, antibiotiğe dayanaklı bakteri genlerinin gözlemlenmesi olmuştu. Görünüşe göre, antibiyotiğe dayanıklılık gösteren genetik özellikler, bu ilaçların yaygın bir şekilde kullanılmasından önce ortaya çıkmıştı ve bu çalışmada Ortaçağ Avrupalılarında bu özelliklerin bir kısmını saptayabilmişlerdi.

Tina ve arkadaşlarının, 1000 senelik metagenomdan çıkardıkları bir başka bilgi de, bu insanların yedikleri yemeklerden kalan genetik parçalardı. Bu genetik parçalar domuz, koyun, lahana ve buğdayınkine tekabül ediyor ve Almanya’da yaşayan insanların son bin senedir yemek kültürlerinde (ne yazık ki!) bir değişiklik olmadığına işaret ediyordu.

Bu çalışma 1000 sene öncesinin hayatına açılan bir pencere olmuş, bir çok enteresan bilgi vermiş ama daha önemlisi, diğer benzer çalışmalarla beraber metodoloji olarak yepyeni bir genetik antropoloji alt dalı ortaya çıkarmıştı.

 

Daha zengin bir genetik antropoloji

2013 yılı genetik antropoloji için sönük bir yıldı. Genetik antropoloji, 90’lar ve 2000’lerde anneden (mitokondri) ve babadan (Y kromozomu) geçen genetik işaretleri çalışan, benim de dahil olduğum bir akademik grup tarafından domine edilmişti. Bu çalışmalar bahsedilen genetik işaretleri kullanarak toplumların birbiri ile olan tarihsel ilişkilerini, olası göç yollarını ve geçmişteki nüfus küçülmelerini ve patlamalarını ortaya çıkarmaya çalışmakta. Daha önemlisi, bulunan genetik çeşitliliğin ve tarihsel dinamiklerin dillerde, arkeolojik kalıntılarda ve kültürel öğelerde diğer antropologlar tarafından gözlemlenen farklılıklarla bağdaştırmak üzerine yoğunlaşmaktaydı. Ancak, 2005’ten başlayarak anneden ve babadan geçen genetik işaretler üzerinden yapılan çalışmaların önemli eksiklikleri, çoğunluğu antropolog olmayan, daha çok tıbbi veya matematiksel genetikle ilgili ekipler tarafından bulunmuştu. Konuştuğum ünlü bir genetik antropolog olan Anne Stone, antropologların durumunun parazitlerinkine benzediğini ve medikal genetiğin evrimsel, kültürel ve tarihsel bağlamdan yoksun olarak üretilen verilerini kullanarak önemli işler yapılabileceğinden dem vurmuştu. Anne parazitler üzerine çalıştığından ve onların evrimsel olarak çok başarılı ve enteresan varlıklar olarak gördüğünden, aslında kötü bir şey demek istememişti. Ancak, bu parazit benzetmesi bana yine de dokunmuştu.

2014 yılında, Kanada’nın Calgary şehrinde gerçekleşen Fiziksel Antropoloji Kongresi, geleneksel yöntemlerin ötesine geçen onlarca heyecanlı konuşmaya ev sahipliği yapmıştı içinde barındırıyordu. Anlaşılan, Tina ve arkadaşlarının çalışması genetik antropolojinin bir rönasansın eşiğinde olduğuna bir alametti. Geleneksel genetik metodların ve işaretlerin bir adım ötesine gitmeye cesaret eden bilim insanları, yepyeni heyecanlı yolculuklara çıkmaktalar. Önümüzdeki on yıl bizi şaşırtacak bir çok antropolojik buluşa gebe.

 

Kaynaklar ve ek okumalar

  • AçıkBilim
  • C. Warinner vd., 2014. Pathogens and host immunity in the ancient human oral cavity. Nature Genetics 46:336. (Araştırma makalesi)
  • I. Cho, M. Blaser, 2012. The human microbiome: at the interface of health and disease. Nature Reviews Genetics 13:260. (Metagenom ile ilgili derleme makalesi)
  • V. M. D’Costa vd., 2011. Antibiotic resistance is ancient. Nature 477:457. (Antik anibiyotik direncine dair makale)

Artık Bütün Genomunuzu 999 Dolara Diziletebilirsiniz!

İlk insan genomunun dizilişi o kadar da uzak bir tarihte yapılmamıştı ve bunu başarmak için, aşağı yukarı 3 milyar dolar tutan ve küresel olarak planlanmış, yıllar süren devasa bir bilimsel girişim gerekiyordu.
O zamandan beri, genetik teknolojisinde yaşanan hızlı ilerlemeler ve teknikler, genom dizilimi için gereken masraf ve süreyi önemli ölçüde azaltarak, bu haftanın dikkate değer duyurusunun yapılmasına yol açtı: Tüketiciler için ilk tam genom dizilimi, artık 1.000 dolardan daha az tutuyor.
ABD merkezli genetik bir şirket olan Veritas Genetik’ten myGenome, sadece 999$ fiyata, insanların kendi kişisel genetik kodları üzerindeki eşsiz kişisel veriye ulaşmaları için ilk uygulanabilir ve satın alınabilir yöntem olarak sunuluyor. Şirket kendi kişiselleştirilmiş hizmetinin, şu anki sağlınızı kontrol etmek, gelecekteki muhtemel sonuçlara ayak uydurmanızı sağlamak ve hatta çocuklarınıza geçirebileceğiniz miras genlerin ne olduğunu bilmek için ulaşılabilir bir yol sunduğunu belirtiyor.
Peşin ödeme yaparsanız, myGenome tam genomunuzun dijital bir karnesi ile birlikte, verinizle etkileşim kuran bir uygulama veriyor. Bunun yanında yorumlama desteği ve video görüşme ile de danışmanlık sunuyor. Şu an ön siparişleri alan hizmeti sadece ABD’de oturanlar kullanabiliyor ve bunun için bir doktor onayı gerekiyor.
Fakat bu her ne kadar diğer ticari genom dizilim ürünlerinin masrafından önemli oranda daha ucuza satılan etkileyici (ve muhtemelen hayat değiştiren) bir hizmet olsa da, bireyselleştirilmiş genetik veri depolarının, normalde sağlıklı olan insanların sağlığını iyileştirmek bakımından ne kadar kullanışlı veya ikna edici olduğu hakkında devam eden bir tartışma bulunuyor.
Angelina Jolie’nin epey reklamı yapılan çift göğüs ameliyatı olma kararı, genlerinin yüksek bir göğüs kanseri geliştirme tehlikesi oluşturduğunun bulunmasından sonra gelmişti. Bunun farkında olmak, çoğu kadının (‘Angelina Jolie’ etkisi olarak bilinen) ‘önleyici’ genetik test veya ameliyat yaptırmasına yol açtıysa da, pek çok hastalıkta genlerin rolünün hâlâ tam olarak anlaşılamamış olması sebebiyle bazı kişiler, çoğu genom verisinin çok daha az kesin olan risk analizleri sunduğunu iddia ediyor. Kaliforniya’daki Scripps Dönüşümsel Bilim Kurumu’nun yöneticisi Eric Topol bu konuyla ilgili şöyle söylüyor:
 
“Şu anda, minimal düzeydeki işaretler üzerine dönen çok büyük bir bilgi kirliliği var. Yapılacak en iyi şey, bunun insanlara gerçekten yardım edip etmediğini görmek amacıyla bir çalışma yürütmek olacaktır. Bu teknolojinin başlamaya hazır olup olmadığını görmek için biraz veri görmemiz gerekiyor.”
Veritas Genetik’e göre müşteriler, verilerin onlara ne söyleyebildiğine odaklanmalılar; özellikle bilim geliştikçe, kodların bize söyledikleri hakkında daha fazla keşif yapılacağından verilerin ne söyleyemediği hakkında endişelenmemeliler. Şirketin eş kurucusu olan genetikçi George Church bu konuyla ilgili görüşlerini şöyle dile getiriyor:
“İnsanlar, dizilimin yapamadığı şeyler hakkında tamamen endişesiz olmalıdırlar. Eğer bir araba almak istersem, onun Ay’a gidemediğini veya suda çalışamadığını duymak istemem. Onun ne yapabildiğini bilmek isterim. Aynısı bunun için de geçerlidir. Eğer bazı tanı testlerinin, muhtemel kanser oluşum tehlikesini gösterdiğini bilirsem, maliyetine neredeyse hiç aldırış etmeden onu alırım.”
Bu testlerin belirli hastalıkları geliştirme tehlikelerimiz hakkında bize aslında ne kadar şey söyleyebildiği henüz belli olmasa da, eğer sonunda kesin sonuç verirlerse, insanlar kendi genetik sonuçlarının onlara söyleyebileceği haberleri duymaya gerçekten hazırlar mı? Sağlık durumunuzla ilgili belirgin (net) öngörüler ortaya konabilseydi, gerçekten bilmek ister miydiniz?
Bazı durumlarda bu sadece, diğer tanı aracı türlerinin zaten bize gösterdiği şey üzerinde kaydedilen bir gelişmedir; fakat tüm bu verilerin tek seferde birine sunulması bazılarımızın hazırlıklı olmadığı bir yük olabilir.
Test 1,000 doların altında olduğundan çoğu kişi için uygulanabilir halde ve müşteriler eğer gerçekten kendi genetik kodlarının onlar için ne bulundurduğunu bulmak istiyorsa, bazı endişelerle yüzleşmek zorunda olabilirler. Veritas’ın başkanı Mirza Cifric şöyle söylüyor:
“Kendimize ‘İnsanlar bunun için ne kadar para ödemek isterdi?’ diye sorduk. Fiyat ne zaman temel mesele olmaktan çıkardı? 999 Dolara ulaştık. Bu bizim sihirli rakamımız.”
 
Düzenleyen: Ayşegül Şenyiğit (Evrim Ağacı)
 
Kaynak:

Mitokondri Bulundurmayan İlk Ökaryot Hücre Keşfedildi

Her bir dokusu ve organı, o organın görev ve işleyişini sürdürebilen, gerçekleştirebilen birbirinden farklı hücrelerden oluşmuştur. Ancak her ne kadar farklı olsalar da, temelde aynı organelleri bulunduran hücrelerimiz, çoğunlukla farklı genleri aktifleştirdikleri, inaktifleştirdikleri, bir takım genlerden daha fazla veya daha az protein sentezledikleri için birbirlerine göre farklılaşırlar. Elbette bu özet hücrelerin birbirinden farklılıklarını bütün detayları ile anlatmıyor, keza bu yazıda ökaryot tüm hücrelerde ortak olarak var olduğunu düşündüğümüz mitokondri ile ilgileneceğiz.

Tüm hayvanlar, tüm bitkiler, mantarlar ve birçok mikroskobik canlı ökaryot hücrelerden oluşur. Ökaryot hücre tipi ise diğer bir hücre tipi olan prokaryot hücre tipinden, zarlı organeller bulundurabilmesi ve bulundurması bakımından ayrılmaktadır. Mitokondri, lizozom, hücre çekirdeği ve kloroplast bunlardan yalnızca birkaç tanesidir. Bitki, hayvan ve mantar hücreleri bahsi geçen tüm zarlı organelleri ortak olarak bulundurmazlar. Hayvan hücrelerinde örneğin; bitkilerde bulunan kloroplast organeli bulunmaz. Buna karşılık mitokondrinin tüm ökaryot hücrelerde ortak olarak bulunduğunu düşünürken, yeni bir araştırmada mitokondrisinden kurtulmuş ilk ökaryot canlı keşfedildi.

Mitokondri olmadan yaşamayacaklarını düşündüğümüz ökaryot hücreler ve ökaryot hücrelerden oluşan canlılar açısından bakıldığında keşfin önemi daha iyi anlaşılabilir. Hücrenin enerji santrali gibi çalışan mitokondri organelinin, erken evrimsel süreçte bazı hücre yapılarının içine girmiş bakterilerin kalıntıları olduğu çok geniş bir kitle tarafından öne sürülmektedir. Bu yönden ökaryot hücrelerin bir anlamda imzası olduğunu düşündüğümüz bu organelin, aslında sanıldığı kadar zorunlu olmayabileceği görülmüş oldu. Daha önceleri de araştırılan -mitokondrisiz ökaryot hücrelerin varlığı- konusu için bugüne kadar başarılı bir örnek bulunamamıştı.

Yapılan araştırmada, araştırmacılardan birine ait olan bir çinçillanın (amerika tavşanı) bağırsaklarından elde edilen Monocercomonoides cinsinden mikrobik bir canlı test edildi. Bütün genomu dizilenen canlının araştırılmasının sebebi ise, daha önceden de mitokondrilerinden kurtuldukları düşünülen cinse ait olmasıydı.

Genomu dizileyen ve inceleyen araştırma ekibi, mitokondrilerin kendine has olan DNA’lara sahip organeller olmalarına bakarak mitokondriyel genlerin varlığına dair izler aradı ve genomda buna dair bir ize rastlanmadı. Daha detaylı incelemeler, canlının genomunda mitokondrinin düzgün işlemesini sağlayacak kilit bir takım proteinlerin de eksik olduğu görüldü.

Monocercomonoides‘in, bizzat zarar vermediği bağırsakta yaşadığı için mitokondriye ihtiyaç duymuyor olabileceğini öne sürülüyor. Burada kendisi için de besin bol bulunmasına rağmen, mitokondrinin enerji üretiminde kullanacağı oksijen son derece az olabiliyor. Dolayısıyla Monocercomonoides, mitokondri yerine hücre içinde bulunan ve besinleri parçalayarak enerji üretmelerini sağlayan enzimler sayesinde yaşamını sağlıklı olarak sürdürebiliyor. Bununla birlikte, bu cins mitokondrinin diğer bir görevi olan proteinlerin sağlıklı enzimler olarak çalışmalarını sağlayacak olan yardımcıları (demir ve sülfür gibi) kümeler halinde sentezlemesinden de mahrum kalmış oluyor. Yapılan ileri incelemeler Monocercomonoides türünün, bu konuya aynı fonksiyonu gösteren bir takım bakteriyel genleri bünyesine katarak bir çözüm getirdiği görüldü.

Çığır açıcı nitelikteki bu araştırma Current Biology‘de tüm detayları ve sonuçları ile yayımlandı.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Anna Karnkowska, Vojtěch Vacek, Zuzana Zubáčová, Sebastian C. Treitli, Romana Petrželková, Laura Eme, Lukáš Novák, Vojtěch Žárský, Lael D. Barlow, Emily K. Herman, Petr Soukal, Miluše Hroudová, Pavel Doležal, Courtney W. Stairs, Andrew J. Roger, Marek Eliáš, Joel B. Dacks, Čestmír Vlček, Vladimír Hampl A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle Current Biology DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.053

İlk Kez Bir Mumyadan Tam DNA Elde Edildi

Pretoria Üniversitesi, Botswana Üniversitesi ve Zürih Üniversitesi’nden araştırmacılarla birlikte çalışmayı yürüten, Witwatersrand Üniversitesi, Anatomi Bilimleri Fakültesi Dekanı Profesör Maryna Steyn, South African Journal of Science dergisinde yayımladıkları makalede; Botswana, Tuli Block’da bulunan geç demir çağına ait mumyada bulunan DNA üzerinde gerçekleştirilen radyolojik ve genetik analizi rapor etti.

Yapılan araştırma dahilinde, Afrika’nın güneyinde bulunan mumyalanmış bir bireyin, ilklerden biri olan bilgisayarlı tomografisi (CT) yayımlandı.Aynı zamanda kısmi olarak mumyalanmış olan bireyden elde edilen DNA kalıntılarından ilk kez, tarih öncesi veya antik olarak adlandırılabilecek insan DNA’sı (aDNA) tamamlandı ve analiz edildi.

Hayvan derisi ile sıkıca sarılmış ve bükülerek gömülmüş olan mumya, yaklaşık 1 metre 20 santimetrelik bir mezara sıkıştırılmış olarak görülüyor.
Hayvan derisi ile sıkıca sarılmış ve bükülerek gömülmüş olan mumyanın bulunduğu, yaklaşık 1 metre 20 santimetrelik mezar. 

Çok yakın bir tarihe ait olan mumyanın, diğer mumyalar gibi geçmiş toplumlar hakkında önemli bilgileri barındırdığı tahmin ediliyordu. Keşfedildiği bölgede bulunan tek mumya olan örneğin, Afrika kökenli yaşlı bir erkeğe ait olduğu tespit edildi. Bununla birlikte mumya üzerinde hem moleküler hem de radyolojik analizler gerçekleştirildi.

Tuli bölgesinden bu kurutulmuş mumyanın tek olması ve üzerinde bulunan DNA’lardan tam bir genom elde edilmesi araştırmayı da, sonuçlarını da literatür için oldukça önemli bir konuma getirdi. Mumyanın hayvan derisi ile sıkıca sarılarak ip ile bağlandığı ve sıkıştırılarak defnedildiği de araştırmada kaydedilen bilgiler arasında yer alıyor.

Mumyalanmış olan bireyde, ölüm sonrası dejenerasyonlar, alt omurgalarda bozulmalar gözlemlenirken, uzuv kemiklerinin bozulmadan saklandığı kaydedildi. CT taramaları, hiçbir iç organın korunamadığını ve bugüne ulaşamadığını ortaya çıkardı. Omurgada ölüm öncesi gerçekleşmiş olması daha muhtemel olan değişimler ise, mumyanın yaşlı bir bireye ait olduğunu gösteriyor.

Bunun dışında hiçbir sakatlık belirtisi göstermeyen bireyin gerçek ölüm sebebi bilinmiyor. aDNA’nın analizi ise, bölgede yaşayan insanlara bakılarak tahmin edilebileceği gibi Sotho-Tswana veya Khoesan insanları ile genetik olarak ilişkili olduğuna işaret ediyor.

 


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Abigail Bouwman, Molebogeng K. Bodiba, Lena Öhrström, Morongwa N. Mosothwane, Maryna Steyn, Frank J. Rühli. Radiological and genetic analysis of a Late Iron Age mummy from the Tuli Block, Botswana.South African Journal of Science, 2016; Volume 112 (Number 1/2) DOI:10.17159/sajs.2016/20150139

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

Melanezyalı Bireylerde Neandertal ve Denisovan Genomu İzleri Bulundu

Avustralya’nın kuzeydoğusunda ve Yeni Zelanda’nın kuzeyinde kalan takım adaları ve de Fiji, Salomon Adaları, Vanuatu, Yeni Kaledonya, Papua Yeni Gine gibi ülkeleri kapsayan bölge Melanezya adı ile bilinmektedir. Bölgenin yerlileri olan Melanezyalı’ların bu takım adalara nasıl yerleştikleri, bu kısıtlı habitatlarda ve kapalı ekosistemlerde yaşamlarını nasıl devam ettirdikleri uzunca bir süredir bilimin de konusu olagelmiştir.

Dokuz ayrı araştırma enstitüsü ve üniversitenin dahil olduğu yeni bir araştırmada (Vernot et. al, 2016) 1523 insandan alınan DNA’lar analiz edildi ve verileri karşılaştırıldı. Geçtiğimiz yıl içinde yayımlanan bir araştırmada da tespit edildiği gibi, modern Avrasyalı bireylerin genomunda Neandertal DNA sekansları (dizileri) bulunduğu biliniyor.

Buna karşılık, bir karşılaştırma yapıldığında insan atalarının Neandertaller ile hibridize olduğu (çiftleşerek ürediği) ancak hem Neandertaller hem de Denisovan insanları ile hibrid olan insan atalarına dair verilerin eksik olduğu görülüyordu. Bunun üzerine bir yaklaşım geliştiren paleontologlar, arkaik hominin atalarından (bu araştırma için birbiri ile kuzen olan insan ataları kastediliyor) kalıtılmış olan DNA dizilerini tespit etmeye girişti.

Araştırmada kullanılan DNA’lar, içinde 35 Melanezyalı genomunda bulunduğu 1523 adet (coğrafi olarak birbirinden ayrı bölgelerde yaşayan) bireyden elde edildi ve bu DNA’lar tüm genom dizisine bakılarak incelendi.

melanezya-bireylerinde-denisovan-neandartel-izleri1-bilimfilicom
DNA’larının alındığı bireylerin yaşadıkları coğrafi konumlar ve Melanezya bölgesi adaları .

TÜm detayları, grafikleri ve haritaları ile Science dergisinde yayımlanan araştırmada yapılan teknik incelemelerin sonunda 1.34 Gb (milyar baz) Neandertal ve 303 Mb (milyon -mega- baz) Denisovan genomu dizisi elde edildi. Bu verilere ve arkaik sekanslara dayanarak, Afrika dışı farklı popülasyonlarda birçok kez gerçekleşmiş olması muhtemel olan Neandertal karışımı (hibridizasyonu) haritalandı.

Böylelikle genom üzerindeki arkaik sekansların önemli ölçüde silindiği ve/veya yok olduğu bölgeler de tespit edilerek, davranışsal çıkarımlar ve adaptif  geri melezleme işaretleri karakterize edildi.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Benjamin VernotSerena Tucci, Janet KelsoJoshua G. Schraiber , Aaron B. Wolf, Rachel M. GittelmanMichael DannemannSteffi GroteRajiv C. McCoyHeather NortonLaura B. ScheinfeldtDavid A. Merriwether George KokiJonathan S. FriedlaenderJon WakefieldSvante PääboJoshua M. Akey,  Excavating Neandertal and Denisovan DNA from the genomes of Melanesian individualsScience  17 Mar 2016:  DOI: 10.1126/science.aad9416

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