Kategoriler
Dermatoloji Makaleler

Bilim İnsanları, Egzama Olduğunuzda Derinizde Neler Olduğunu Keşfetti

Tahmini okuma süresi: 3 dakika
Kaynak: https://t11.deviantart.net/QXlZNEypqyjhI_SO9c0wCqF0Ci8=/fit-in/700×350/filters:fixed_height(100,100):origin()/pre09/5160/th/pre/f/2012/300/3/d/eczema_2_by_yys_musey-d5j4cwm.png

Tedaviye bir adım daha yaklaşıldı.

Bilim insanları ilk defa, egzaması (tepkisel deri iltihabı olarak da bilinir) olan insanların derilerinde yanlış giden bir takım süreçleri belirlediler ve bu sayede, bu kronik durum ile nasıl mücadele edeceğimiz konusunda nihayet bir çözüm bulmaya yardımcı olabilirler.

Araştırmacılar, 2006 yılında belli bir deri proteini eksik olan insanlar ile egzama olma tehlikesi arasında güçlü bir bağlantı bulmuşlardı. Şimdiyse bilim insanları bu sonuçların üzerine ekleme yaparak, tam olarak neyin yanlış gittiğini gösterdiler. Elde ettikleri sonuçlar, bizi bir egzama tedavisine bile yaklaştırabilir.

Egzama, dünya genelinde çocukların yüzde 20’ye kadarını ve yetişkinlerin yüzde 3’e kadarını etkileyen yaygın bir deri durumudur. Egzama’nın kronik belirtilerini dindirmeye yardımcı olmak amacıyla krem veya ilaçlı su bakımından eksiklik yaşanmasa da, bunu temelli ortadan kaldıracak bir tedaviyi henüz bulamadık.

Bilim insanları egzamanın, derideki genetik bir filagrin (lif toplama proteini) eksikliği ile bağlantılı olduğunu geçtiğimiz onyıl boyunca biliyordu. Bu protein, tekil deri hücrelerini şekillendirmeye yardımcı oluyor ve derimizin engel işlevini yerine getirmesinde önemli bir rol oynuyor.

Eğer bir insanın uygun filagrin tedariğini önleyen genetik bir mutasyonu varsa, egzama veya balık pulluluk gibi deri durumları oluşabiliyor (bu durumda deri hücreleri dökülmüyor, bunun yerine balık pulları gibi görünen bir desen halinde birikiyorlar).

Fakat araştırmacılar şimdiye dek, filagrin eksik olduğu zaman egzamanın nasıl oluştuğu konusunda emin değillerdi.

Şimdi İngiltere’deki Newcastle Üniversitesi’nde bulunan bilim insanları, GSK Stiefel ile ortaklaşa olarak, bu çekilmez deri sorununa yol açan bir dizi protein ile moleküler güzergahların izini sürdüler.

Newcastle Üniversitesi’nden baş araştırmacı Nick Reynolds şöyle söylüyor: “İlk defa, sadece filagrin proteini kaybının, egzamayı tetiklemeyle ilişkili anahtar proteinler ve güzergahları değiştirmek için yeterli olduğunu gösterdik.”

Takım, bu işleyişleri takip etmek amacıyla laboratuvarda oluşturulmuş ve canlı deriye eşdeğer olan bir üç boyutlu örnek (LSE) kullandı. Laboratuvarda oluşturulmuş bu ‘derinin’, genetik mutasyonu olan insanlardaki gibi filagrin bakımından yetersiz olması için üst katmanını değiştirdiler.

Tek başına bu yetersizliğin, derideki önemli düzenleyici işleyişlerde bir sürü moleküler değişimi tetikleyebildiğini buldular. Bu durum, hücre yapısı, engelleme işlevi ve hatta hücrelerin iltihaplanması ve strese cevap vermesi gibi şeyleri etkiliyordu.

Takım, tezlerinde şöyle yazıyor: “Dikkat çekici bir şekilde, ilk defa, LSE kültürlerinde filagrinin ortadan kaldırılmasından sonra önemli oranda farklı şekillerde ifade edilen 17 protein belirledik.”

Araştırmacılar sonra gerçek insanlardan alınan deri örneklerindeki proteinleri çözümleyerek, ilk bulgularını doğruladılar ve egzamalı katılımcılar ile sağlıklı katılımcılar arasındaki sonuçları kıyasladılar.

Tespit ettikleri birkaç proteinin, sadece egzamalı insanlarda benzer şekilde değişmiş olduğunu tespit ettiler; tıpkı laboratuvar temelli örneğin göstermiş olduğu gibi.

Bu durum, egzama gibi durumları daha iyi anlamak bakımından bulmacanın sadece yeni bir parçası olsa da, gerçekten umut verici bir adım.

Bilim insanları, hatalı filagrin geniniz varsa derinizde neler olduğunu kesin olarak bildiği zaman, bunun gerçekleşmesini önleyebilen ilaçları aramaya başlayabilirler.

İngiltere Cildiyeci Birliği’nden Nina Goad, bir basın bülteninde şöyle söylüyor: “Bu türden bir araştırma, bilim insanlarının bu hastalığın sadece belirtilerinin icabına bakmak yerine, temel nedenini hedef alan tedaviler geliştirmelerine olanak sağlıyor.”

Eğer tesadüfi şekilde gerçekleşen deri ilhitabı nöbetlerinden muzdaripseniz, bu gerçekten heyecan verici bir gelişme.

Makale:

  • Martina S. Elias, BSc, Heather A. Long, PhD , Carla F. Newman, BSc, Paul A. Wilson, MSc, Andrew West, PhD, Paul J. McGill, BSc, Keith C. Wu, MRes, BM, BCh, PhD, Michael J. Donaldson, PhD, Nick J. Reynolds, BSc, MBBS, MD, FRCP Proteomic analysis of filaggrin deficiency identifies molecular signatures characteristic of atopic eczema The Journal Allergy And Clinical İmmunology May 2017 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jaci.2017.01.039

Orjinal Yazı: PopSci

Kategoriler
Biyokimya Biyoloji Makaleler Pathology Pharmacology Physiology

En Temel Ölçekte Evrim: Amino Asit Sıra Değişimleri

Tahmini okuma süresi: 10 dakika

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.

Kategoriler
Biyoloji Fizik Makaleler

Dünya’daki Yaşamın Gelişmesini, Manyetik Alan Sağlamış Olabilir

Tahmini okuma süresi: 2 dakika

Yaşamın 500 milyon yıl önce tek hücrelilerden karmaşığa doğru evrimleşmesini sağlayan etmenin, Dünya’nın etrafındaki güçlü manyetik alan olduğu tespit edildi. Geoscience Frontiers‘da yayımlanan bir çalışmaya ait bu sonuç, gerçekte şu anlama geliyor: Dünya’da yaşamın başladığı 4.1 milyar yıl öncesi sıralarından çok hücreli yaşama geçiş zamanlarına – yani yaklaşık 500 milyon yıl öncesi – kadar Dünya katı bir çekirdeğe sahip olmadığından düşük şiddetli bir manyetik alana sahipti. Ne var ki, bu araştırmada; tam da 500 milyon yıl önce Dünya’nın çekirdeğinin katılaşmaya başladığı; ve çekirdek katılaştıkça da Dünya’nın çevresindeki manyetik alanın güçlenmeye veya şiddetinin artmaya başladığı keşfedildi.

Yaşam ilk kez yaklaşık 4.1 milyar yıl önce başladı ve takip eden 3.5 milyar yıl boyunca tek hücreli olarak sürdü.Bilim insanları, bu süre boyunca katı bir çekirdeğe sahip olmadığından, Dünya’nın manyetik alanının çok daha güçsüz olduğunu belirtiyor. Dünya’nın çekirdeğinin katılaşmaya başladığı 500 milyon yıl öncesinden itibaren manyetik alanın daha da güçlendi ve yaşam; karmaşık, çok hücreli canlılara doğru evrimleşmeye başladı.

Zayıf manyetik alan, Güneş’ten gelen zararlı ultraviyole ışınların ve diğer tüm radyasyon ışımalarının Dünya’ya ulaşmasına engel olamıyor, dolayısıyla yaşamın gelişip daha ileri ve karmaşık çok hücrelilerin oluşmasına köstek oluyordu. Bütüne bakıldığı zaman, radyasyonun evrimi uyarıcı bir etkisi olduğunu söylemek çok kolay görünse de, gelişmiş canlıların, büyük bitkilerin, yumuşakçaların ve diğer basit hayvanların yüksek radyasyon etkisi altında yaşaması pek de mümkün değildir.

Araştırmacılar, Dünya çekirdeğinin katılaşmaya başladığı zamanlarda, Güneş’in de radyasyon barajını aşağı indirdiği, böylelikle Dünya’nın etrafındaki güçlenmekte olan manyetik alanın daha da iyi bir koruma sağladığı bilgilerinin bir biçimde kombine edilebileceğini düşünüyor. Radyasyonun en temelde DNA hasarına yol açmasının, bilgisayar modellerinde de yaşamın gelişmesine ve ileri canlıların oluşmasına engel oluşturması bir  kanıt niteliği taşırken, bahsi geçen parametrelerin ne şekilde ve hangi formülasyona göre birleştirilebileceği üzerinde daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacağı kesin.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Carlo Doglionia, Johannes Pignattia, Max Coleman Why did life develop on the surface of the Earth in the Cambrian? Geoscience Frontiers(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2016.02.001
Kategoriler
Genetik Makaleler Neonataloji

İki Babalı Bebekler Gerçek Oluyor

Tahmini okuma süresi: 2 dakika

Bilim insanları ilk kez aynı cinsten iki kişinin dışarıdan yumurta transferi ya da sperm bağışlanmasına gerek  olmadan bebek sahibi olabileceğinin mümkün olduğunu gösterdi.  Bu gelişmenin öngörülen en büyük etkisi bebek sahibi olmak isteyen homoseksüel çiftlerin de bu isteklerini gerçekleştirebilmeleri; ancak bununla birlikte kısırlık nedeniyle bebek sahibi olamayan çiftlerin de bu metottan yararlanması bekleniyor.

Cambridge University’de yapılan yeni çalışma, fare deri hücrelerinin yumurta ve spermin öncül hücreleri olan primordiyal germ hücrelerine dönüştürülmesi ile bebek farelerin dünyaya getirildiği önceki çalışmaların üzerine eklendiği bir çalışma niteliğinde. İnsan biyolojik materyallerinin kullanılarak sürecin tekrarlanması ise çalışma ekibi için büyük bir zorluktu; fakat bugün beş farklı insan denekten insan primordiyal germ hücreleri ve beş farklı embriyodan kök hücre üretimi başarılmış durumda; yani erken dönem insan kök hücreleri petri kabında üretilebildi.

Bu süreçte aynı zamanda, kök hücrelerde meydana gelen epigenetik mutasyonların silinebildiği keşfedildi. Bu da,hücrenin yeniden oluştuğunu ve yeniden programlandığı; vücudun diğer hücreleri yaşlanıp genetik hatalar biriktirdiği halde kök hücrelerde bunun geçerli olmadığı anlamına gelmekte. Hiçbir mutasyonun aktarılmadığını söyleyemeyiz; ancak çoğu zaman bu mutasyonlar aktarılmıyor.

Geleneksel olmayan üreme teknolojisi alanında çığır açan bir ilk gelişme 1978 yılında ilk tüp bebeğin dünyaya gelişiydi.

Bu çalışmanın anahtarı niteliğindeki veri ise fare çalışması üzerinde hiç etkisi olmadığı görülen ve bu yüzden göz ardı edilen SOX17 geniydi. Fakat çalışma ekibi sonradan SOX17 geninin insan deri hücrelerinin primordiyal kök hücrelerine dönüşmesi için yeniden programlanması sürecinde çok büyük öneme sahip olduğunu fark etti.

Bugün, bu sürecin yürütülmesi ile 2 yıl gibi kısa bir süre içinde sağlıklı bebeklerin oluşabileceğinden kendilerinden emin bir şekilde bahsetmekteler. Kök hücre gelişmesi kısırlığın anlaşılması ve ona uygulanacak tedaviler için de çok büyük öneme sahip. Çok uzun bir zaman alacak olsa da, çocuklukta kan kanseri tedavisi gibi tedaviler görmüş ve bu yüzden kısırlık sorunu yaşayan insanlar için kendi çocuklarına sahip olmanın önünü açacak bir yol olarak görülüyor.

Pek tabii ki, bu tip bir uygulama etik bazı engellere takılacaktır, aynı daha önce üç ebeveynden alınan DNA’lar kullanılarak doğumu sağlanan kız çocuğu gibi.. Ancak ekip, tekniğin yalnızca üreme için geçerli olmadığını da belirtti. Kullanılan hücreler genetik mutasyonlar açısından çok temiz bir durumda olduğu için, yaşlandıkça hücrelerimizin nasıl değişiklikler gösterdiğini daha iyi anlamamızı da sağlayabilecek. Bu durum ise epigenetik mutasyonları nasıl sileceğimizi de gösterebilir.

Şu an gelinen noktada henüz bulunan tekniğin, medikal olarak üreme yöntemlerimizi değiştirecek bir yol olup olmadığını bilemiyoruz. Ancak bebek sahibi olamayan insanların ve kısırların içinde bulunduğu durumu düzeltme potansiyeli taşıyan tek yol olduğu da aşikar. Etik tartışmaları bir yana bırakırsak mükemmel bir şey olduğunu kabul etmeliyiz.


Görsel: Petri kabında döllenmeye yakından bakış – Dabarti CGI / Shutterstock

Referans:

  • Bilimfili,
  • ScienceAlert
  • Naoko Irie, Leehee Weinberger, Walfred W.C. Tang, Toshihiro Kobayashi, Sergey Viukov, Yair S. Manor, Sabine Dietmann, Jacob H. Hanna, M. Azim Surani SOX17 Is a Critical Specifier of Human Primordial Germ Cell Fate Cell Volume 160, Issues 1-2, p253–268, 15 January 2015 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.013
Kategoriler
Biyokimya Genetik Makaleler

DNA’mızda Gizli Bir Bilgi Katmanı Bulundu

Tahmini okuma süresi: 3 dakika

Kuramsal fizikçiler, kim olduğumuzu belirleyenin sadece DNA’mıza kodlanmış enformasyondan ibaret olmadığını doğruladı. DNA’nın kendi üzerine katlanma biçiminin de hangi genlerin bedenlerimizde ifadesinin (ekspresyonunun) olacağı üzerinde etki yaptığı ortaya kondu.

Bu biyologların yıllardan beri bildiği bir şeydi1. Hatta DNA’nın katlanmasından sorumlu olan proteinlerin bir kısmını belirlemeyi de başarmışlardı2. Şimdi ise bir grup fizikçi, simülasyonlar kullanarak bu gizli bilginin evrimimizi nasıl kontrol ettiğini ilk kez olarak gösterdi.

Bu gelişme pek çok bilimcinin kulağına yeni bir haber olarak gelmeyebilir ama konuya aşina olmayanlar için ikinci düzey DNA enformasyonu hakkında kısa bir özet geçelim. Muhtemelen lise yıllarında, Watson ile Crick’in 1953’te kimliğimizi belirleyen DNA kodunun G, A, S ve T harflerinin bir dizisinden oluştuğunu keşfettiklerini öğrenmişsinizdir. Guanin, adenin, sitozin ve timini simgeleyen bu harflerin sıralaması, hücrelerimizde hangiproteinlerin üretileceğini belirler. Yani eğer gözleriniz kahverengiyse, bunun nedeni DNA’nızda irisinizin içinde koyu renk pigment üretecek bir proteini kodlayan belli bir harf dizisi olmasıdır.

Ama öykü bu kadarla kalmıyor. Çünkü bedeninizdeki tüm hücreler tıpatıp aynı DNA kodu ile işe başlıyor olmasına rağmen, her organ başka bir işleve sahip oluyor. Örneğin mide hücrelerinizin kahverengi göz proteini üretmesi gerekmez, ama sindirim enzimleri yapmaları lazımdır. Peki bu nasıl oluyor?

80’li yıllardan beri bilimciler bu süreci kontrol edenin, DNA’nın hücrelerimiz içindeki katlanış biçimi olduğunu biliyor3. Çevresel etkenlerin de bu süreçte payı olabiliyor. Mesela stresin epigenetik yoluyla bazı genleri açık veya kapalı konuma getirebildiği biliniyor. Fakat asıl kontrol mekanizması DNA katlanmasının mekaniğinden kaynaklanıyor. Bedenimizdeki herbir hücre yaklaşık 2 metre uzunluğunda DNA taşıdığında, sığabilmek için DNA’nın nükleozom adı verilen bir öbek biçiminde sıkıca paketlenmesi gerekiyor.

İşte DNA’nın bu paketlenişi, hücre tarafından hangi genlerin okunacağını yönetiyor. Paketin içinde kalan genler proteinler tarafından ifade edilmiyor; sadece dışta kalanların ekspresyonu gerçekleşiyor. Bu durum, aynı DNA’yı taşıyan hücrelerin nasıl olup da farklı işlevleri olabildiğini açıklıyor.

Son yıllarda biyologlar DNA’nın katlanış yöntemini belirleyen mekanik yönergeleri ortaya çıkarmaya başladı. Gelelim kuramsal fizikçilerin bu konuyla ne ilgisi olduğuna… Hollanda’da bulunan Leiden Üniversitesi’nden bir ekip, bir adım geriye gidip sürece genom ölçeğinden bakarak, bu mekanik yönergelerin de aslında DNA içinde kodlanmış durumda olduğunu bilgisayar simülasyonları ile doğruladı.

Helmut Schiessel liderliğindeki fizikçiler, ekmek mayasının ve fisyon mayasının genomlarını simüle etti ve sonra onlara tüm mekanik yönergeleri içeren rastgele ikinci düzey DNA bilgisi atadı. Bu yönergelerin DNA’nın nasıl katlanacağını etkilediğini ve hangi proteinlerin ifade edileceğini belirlediklerini gördüler. Böylece DNA mekaniğinin de DNA’nın içinde gizli olduğu ve evrimsel açıdan kodun kendisi kadar önemli olduğu anlaşılmış oldu. Bunun anlamı, DNA mutasyonlarının canlıyı etkilemesinin birden fazla yolu olduğu demek oluyor. DNA’daki harfler değiştirilerek de farklılık yaratılabilir, DNA’nın katlanışını belirleyen mekanik yönergeler değiştirilerek de farklılık yaratılabilir.

Sonuçları PLOS One dergisinde yayımlanan bu çalışma, biyologların zaten bildiği birşeyi doğrulamış oldu. Fakat işin heyecan verici yanı, bilgisayar simülasyonlarının devreye girmesiyle birlikte DNA’yı biçimlendiren mekanik yönergelerin kontrolünde bilimcilere yeni olasılıklar doğmuş olması. Belki bir gün istenmeyen genlerin ifadelerinden korunmak için DNA’nın katlanma biçimini değiştirebiliriz.

 


Kaynaklar:

  • Bilimfili,
  • Leiden Üniversitesi, “Second layer of information in DNA confirmed”
    < http://www.physics.leidenuniv.nl/index.php?id=11573&news=889&type=LION&ln=EN >
  • Science Alert, “Physicists confirm there’s a second layer of information hidden in our DNA”
    < http://www.sciencealert.com/scientists-confirm-a-second-layer-of-information-hiding-in-dna >

İlgili Makale: Behrouz Eslami-Mossallam, Raoul D. Schram, Marco Tompitak, John van Noort, Helmut Schiessel Multiplexing Genetic and Nucleosome Positioning Codes: A Computational Approach PLOS ONE Published: June 7, 2016http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0156905

Notlar:
[1] Eran Segal, Yvonne Fondufe-Mittendorf, Lingyi Chen, AnnChristine Thåström, Yair Field, Irene K. Moore, Ji-Ping Z. Wang and Jonathan Widom A genomic code for nucleosome positioning Nature 442, 772-778 (17 August 2006) | doi:10.1038/nature04979; Received 16 March 2006; Accepted 14 June 2006; Published online 19 July 2006
[2] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Trithorax-group_proteins
[3] http://www.nature.com/milestones/geneexpression/milestones/articles/milegene16.html

Kategoriler
Biyokimya Biyoloji Embriyoloji Genetik

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

Tahmini okuma süresi: 10 dakika
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
Kategoriler
Biyoloji Genetik Makaleler Microbiology Zoology

Tek Bir Mutasyon Çok-Hücreliliğin Evrimi İçin Yeterli Olabilir

Tahmini okuma süresi: 3 dakika

600 milyon yıldan fazla bir süre önce tek bir mutasyon gerçekleşti ve bu rastgele olay ile tek hücreli atalarımızın, organize ve çok hücreli organizmalar oluşturmalarını sağlayan yeni bir protein fonksiyonu ortaya çıktı. University of Oregon’dan biyokimyacı Ken Prehoda’nın laboratuvarında yürütülen bir takım moleküler ‘zaman yolculuğu’ çalışmaları ile üretilen senaryo bu.

Mutasyon ve mutasyonun protein interaksiyonlarında sebep olduğu değişiklik detayları ve sonuçları ile birlikteeLife’ta yayımlandı.

Araştırma bilim insanlarının kafasını kurcalamakta olan evrimle ilgili bir takım sorulara yardımcı olması bakımından büyük bir önem taşıyor. Araştırma ayrıca protein etkileşiminin azaldığı veya yok olduğu, böylelikle hücrelerin diğerleri ile iletişimini kopararak tek başlarına yaşadığı bilinen bir takım hastalıklarla ilgili (kanser de dahil olmak üzere) her açıdan çalışmalar için de önemli ipuçları barındırıyor.

Mutasyonlar hem iyi hem kötü sonuçlara veya ikisinin kombinasyonuna yol açabilirler. Mutant olsun olmasın tüm proteinler de vücudumuzda hep yapı malzemesi hem de metabolizma başta olmak üzere tüm işe koşturan moleküllerdir.

Prehoda bu temel üzerine şu soruları soruyor : ” Bir görevi yapan bir protein başka bir görevi yapacak biçime nasıl evrimleşir? Hücrelerin organize biçimde bir arada çalışmalarını sağlayan kompleks sistemler, ihtiyaçları olan birçok farklı proteini nasıl evrimleştirir? ” Aslında tüm bunlar çok basit birkaç mutasyonla bile gerçekleşebilecek şeyler iken, Prehoda öncülüğünde yürütülen araştırmadaki çok hücreli organizmaların oluşmasını da sağlamış olan protein etkileşiminin ortaya çıkması için tek bir mutasyon yeterli olmuştu.

Araştırma için Prehoda’nın ekibi, University of California, Berkeley’den Nicole King’in grubunun yardımı ile koana-kamçılıları olarak bilinen -choanoflagellates- üzerinde çalıştı. Bu canlı grubu tek hücreli ve özgür yaşayan organizmalardan oluşmakta ve bu organizmaların bugün yaşayan hayvanların tek hücreli yaşam döneminden en yakın akrabaları oldukları düşünülüyor. Bu sünger benzeri yaratıklar hücreden dışarı doğru uzanan kamçılara sahipler ve bu organelleri ile hareketlerini , besin toplama işlerini gerçekleştiriyorlar. Koana-kamçılılar hem tek başlarına tek-hücreli hem de çok-hücreli koloniler biçiminde yaşayabiliyor.

cok-hucreli-canlilar-tek-bir-mutasyonla-olustu-bilimfilicom

Yandaki görselde bölünmekte olan  choanoflagellate tek hücrelisinin flüoresan mikrograf görüntüsü (üstte) bulunuyor. DNA’sı mavi renkte, kamçısı ve mitotik iğciği yeşil renkte görülüyor. Alttaki parçada ise küçük bir choanoflagellate kolonisini görmek mümkün. Yine burada da üstte görünen hücre bölünme aşamasında. Prehoda’nın laboratuarı bu inceleme ile hayvanlarda organize çok hücrelilik durumunun evrimleşmesinde flajella (kamçı) ile bölünme oryantasyonunun önemli rolleri olabileceğini öne sürüyor.

Araştırmada ayrıca choanoflagellate kamçılarının çok-hücreli kolonilerin organizasyonu için kritik olduğu buradan yola çıkarak da tek hücreli atalarımızdan çok hücreli hale belki de bu kamçılar sayesinde geçilmiş olduğu belirtildi.

Prehoda’nın ekibi, kamçıların rolünün tek hücrelilerde bir enzimi kodlayan genin duplikasyonu ve sonuçta oluşan bu gen kopyalarından birinin tek bir mutasyon ile yeni yapılan hücreleri organize etme ve ayarlama yeteneği kazanması sonucu daha az önemli hale gelmiş olabileceğini öne sürüyor. Mutasyonun ürünü bu protein alanı bugün tüm hayvan ve hatta hayvanların yakın akrabası olan bazı tek hücrelilerin genomlarında ortak olarak bulunuyor.

Prehoda’nın açıklaması ise şöyle : ” Bu mutasyon bir proteinin fonksiyonunu dramatik biçimde değiştiren ve tamamen farklı bir görevi gerçekleştirmesini sağlayan basit bir değişiklikten ibaret. Hayvanların bu mutasyonlara çok düşkün olduklarını söyleyebilirsiniz çünkü hücrelerimizde onlardan tam 70 tanesini barındırıyoruz.”


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Douglas P Anderson, Dustin S Whitney, Victor Hanson-Smith, Arielle Woznica, William Campodonico-Burnett, Brian F Volkman, Nicole King, Kenneth E Prehoda, Joseph W Thornton. Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals.eLife, 2016; 5 DOI: 10.7554/eLife.10147
Kategoriler
Antropoloji Genetik

Afrika’dan Çıktığımızdan Beri Zararlı Mutasyon Biriktiriyoruz

Tahmini okuma süresi: 2 dakika

Modern insanların (Homo sapiens) ilk olarak Afrika’da 150.000 yıl önce ortaya çıktığı düşünülmektedir. 100.000 yıl sonra da bir kısmının asıl doğdukları toprakları bırakarak önce Asya’ya sonra da daha doğuya ve Bering Boğazı’nı geçerek Amerika’da kolonileşmek üzere yolculuğa başladıkları biliniyor. Excoffier ve araştırma arkadaşları yeni bir teorik model geliştirerek, insanların küçük gruplar halinde göç etmeleri halinde orijinal Afrika’lı ailelerinden iyice uzaklaşarak, genetik olarak koparak bir ‘mutasyon yığını’ olmak üzere zararlı mutasyonları biriktireceklerini öne sürdü. Dahası, bir popülasyonun sahip olduğu bu mutasyon birikiminin, Afrika’dan çıktıklarından bugüne kadar alınan yolu hatta izlenen güzergahı gösterebileceği öne sürüldü.Kısacası; bugün Meksika’lı bir bireyin Afrika orijinli bir bireyden daha fazla zararlı genetik değişken bulunduruyor olmalı.

Hipotezlerini test etmek için araştırmacılar, Afrika dışındaki ve içindeki yedi ayrı popülasyondan (Demokratik Kongo Cumhuriyeti, Namibya, Kamboçya, Cezayir, Pakistan, Sibirya, Meksika) elde edilen genomlardaki anlamlı dizilerin tümünün baz dizilimini çıkarmak (sekanslamak) üzere yeni jenerasyon sekanslama (NGS) teknolojisinden yararlandı. Daha sonra teorilerine uyumlu biçimde zararlı mutasyonların uzamsal yerleşkelerini (söz konusu mutasyonların DNA içerisindeki konumları) simüle etti. Bulgular ise teoriyi doğrular nitelikteydi; kişiye düşen az zararlı mutasyonların sayısı gerçekten de bireyin Güney Afrika’dan uzaklığı ile doğru orantılı olarak artıyor.

Afrika’dan daha uzakta olan popülasyonlardaki zararlı mutasyon yükünün veya sayısının daha çok olmasının temel sebebi ise doğal seçilimin küçük popülasyonlar için çok güçlü etkilerinin olmamasında yatıyor: küçük öncü kabilelerde, büyük popülasyonlara oranla zarar verici mutasyonlar daha düşük verimliliklerle arındırılmış oluyor. Buna ek olarak, Afrika’dan çıkarak çok uzak noktalarda yerleşip kalacak olan topluluklarda asıl zaman yolculukla geçtiği için, doğal seçilimin işini yapması için yeterli vakti olmuyor.

Araştırmanın yazarlarından Stephan Peischl’in konu ile ilgili açıklaması şöyle : ” Düşük derecede zararlı olan mutasyonların, yaklaşık 1000 jenerasyondan daha fazla sürmüş olan Afrika’dan dışarı yayılma sırasında nötr fenomenler olarak evrimleştiğini keşfettik. Buna karşın, çok zararlı mutasyonlar, sanki bir bireyin dayanabileceği bir eşik seviyesi varmış gibi (ya da bu duruma işaret edecek biçimde), Dünya’daki her bireyde benzer oranlarda veya frekanslarda bulunuyor.”

Laurent Excoffier ise : ” 50 bin yıl önce başlayan göçlerin insan genetik çeşitliliği üzerinde bugünde takip edilebilecek işaretler bırakmış olması mükemmel bir şey, ancak bunu gözlemlemek için tüm kıtalardan farklı popülasyonlara ait devasa bir genetik dizi verisine sahip olmak gerekiyor. Yalnızca 5 sene önce bile, bu mümkün değildi.” şeklinde bir açıklamada bulundu.

Araştırma Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlandı.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Brenna M. Henn, Laura R. Botigué, Stephan Peischl, Isabelle Dupanloup, Mikhail Lipatov, Brian K. Maples, Alicia R. Martin, Shaila Musharoff, Howard Cann, Michael P. Snyder, Laurent Excoffier, Jeffrey M. Kidd, Carlos D. Bustamante. Distance from sub-Saharan Africa predicts mutational load in diverse human genomes.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015; 201510805 DOI:10.1073/pnas.1510805112
Kategoriler
Dermatoloji Makaleler Oncology

Melanoma Başlangıcında Embriyonik Kimliğin Yeniden Ortaya Çıkması

Tahmini okuma süresi: 3 dakika

‘Kanserize alan’ konsepti moleküler genetik çalışmalarında belirli bir dokuda kansere yol açabilecek onkojenik mutasyonları taşıyan hücre veya hücre gruplarını ve bunların bulunduğu lokasyonu tanımlamak için kullanılıyor. Yine de bu alana dahil olan hücrelerden bile yalnızca bazı ‘uygun’ hücreler, tümör oluşumunu başlatabiliyor. Kanser biyolojisinde de tümör oluşumunun, kanser-öncesi hücre gruplarında bulunan ve belli onkojenik mutasyonları paylaşan hücrelerden yalnızca biri tarafından başlatıldığı biliniyor.

Kanser başlangıcı süreçlerini çalışmak ise birçok açıdan bir takım zorlukları barındırıyor:

  • Kanser başlatan klonların (grubun içindeki spesifik hücreler), yaşayan bir organizma içinde görüntülenmesinin ve takip edilmesinin çok zor olması
  • Kanser başlangıcı olayının hem birey düzeyinde hem hücresel düzeyde nadir rastlanması
  • Yeni dönüşmüş kanser potansiyeli taşıyan klonun, genetik ve moleküler anlamda değişken ve geçici yapısı dolayısıyla bu yapının tanımlanması ve incelenmesindeki zorluklar.

Kanser başlangıcını düzenleyen, yöneten ve kontrol eden moleküler süreçlerin daha bütün biçimde anlaşılması, erken teşhis için özellikle de kanser-öncesi lezyonların kanser olmaya en müsait -dolayısıyla da ilaçla tedaviye de daha uygun – olması dolayısıyla büyük bir önem taşıyor. Bu noktada geliştirilecek tedavi biçim ve tekniklerinin kanseri henüz başlamadan veya tümör oluşturmadan yok etmeyi sağlayacağı tahmin ediliyor.

Melanositlerin (melanin üretebilen hücreler) ‘kanserize alanları’ olarak onkojenik BRAFV600E mutasyonlarını taşıyan kanser-öncesi hücreler düşünülür. Ancak bu alan hücreleri nadiren melanomaya (melanositlerde gelişen kanser tipi) dönüşürler. Science dergisinin son sayısında yayımlanan yeni bir çalışmada kanser başlangıcındaki olayları tanımlamaya odaklanıldı ve birçok kanser araştırma merkezi ve üniversitenin katıldığı bu araştırmada insanBRAFV600E  mutasyonunu taşıyan zebra balığı (ing. zebrafish) melanoma modellerinden yararlanıldı. Aynı genin zebra balığında melanosit-spesifik promoter proteini ise mitfa* olarak biliniyor.
Araştırmada p53 bozukluğu taşıyan bireylerle eşleştirildiklerinde balıkların aylar sonra melanoma geliştirdikleri gözlemlendi. Zebra balığı crestin geni embriyonik olarak sinir ucu projenitörlerinde (NCPs) sentezlenir ve bir de özel olarak melanoma tümörlerinde sentezlenir. Bu da genin ürünlerini ( crestin mRNA ve proteini) melanomayı takip etmek ve gelişimini izlemek için mükemmel bir aday haline getiriyor.

Sonuçlar

Araştırmacılar, embriyonik sinir uçlarında ve melanoma tümörlerinde crestin ekspresyonu paternini kısa yoldan başlatan (veya yineleten) crestin:EGFP reporter’ı geliştirdiler. Daha sonra tranjenik zebra balıklarında  crestinreporter’ları kanserize alanın (BRAFV600Emutant; p53-hasarlı) içinde canlı olarak görüntülendi. Tek bir melanosit NCP durumunu yeniden aktive edebiliyor ve deneyde gözlemlenen durum için ani şekilde yayılan ve melanomaya giden hücresel kader değişimi başlıyor.

Crestin, sox10 de dahil olmak üzere NCP transkripsiyon faktörleri tarafından regüle ediliyor. Yapay biçimde artırılmış sox10 ekspresyonu melanositlerde melanoma kanseri oluşumunu hızlandırıyor. Buna karşılıksox10′in CRISPR/Cas9 paternine hedeflenmesi melanoma oluşum ve gelişimini geciktiriyor. Ayrıca insan ve zebra balığı melanomalarında, süreci melanomaya götüren epigenetik mekanizmaları açığa çıkaran süper-enhancer’ların aktivitesi gözlemlendi.

Tüm bu incelemeler, kanserin tek bir hücre ile doğuşu anından, hücre kaderlerinin değişmesi ile gelişmesi süreçlerinin tanımlanmasını sağladı. Bununla birlikte bahsi geçen alandan, tamamen kansere müsait melanositlerin gelişiyor olması da melanoma başlangıcının belirleyicilerinden veya en azından göstergelerinden biridir denebilir.

Böylelikle, onkojenlerdeki ve tümör baskılayıcı genlerdeki (bu araştırma için p53 geni) tipik genetik değişimlerin kanser gelişimi için zorunlu olduğu ve projenitör kimliğin yeniden ortaya çıkması durumları içinde öncül olduğu gösterilmiş oldu. Çıkan sonuçlara göre NCP kimliğin yeniden ortaya çıkışının engellenmesi terapötik olarak çok yararlı sonuçlar yaratabilecek gibi görünüyor.

mitfa* – Microphthalmia-associated transcription factor a adı ile bilinen transkripsiyon faktörü proteini, fonksiyonları zebra balığından insana kadar korunmuş olup, mutasyonları melanoma, Tietz Sendromu ve Waardenburg Sendromuna sebep olmaktadır.


Kaynak :

  1. Bilimfili,
  2. Charles K. Kaufman, Christian Mosimann, Zi Peng Fan, Song Yang, Andrew J. Thomas, Julien Ablain, Justin L. Tan, Rachel D. Fogley, Ellen van Rooijen, Elliott J. Hagedorn, Christie Ciarlo, Richard M. White, Dominick A. Matos, Ann-Christin Puller, Cristina Santoriello, Eric C. Liao, Richard A. Young, Leonard I. Zon A zebrafish melanoma model reveals emergence of neural crest identity during melanoma initiation Science 29 Jan 2016: Vol. 351, Issue 6272, pp. DOI: 10.1126/science.aad2197
Kategoriler
Pharmacology

Kanser Uçuklatan Virüs

Tahmini okuma süresi: 2 dakika

Bir kanser türüne karşı geliştirilmiş türünün ilk örneği ilacın (tedavi şekli demek daha doğru olabilir) kullanımı Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylandı.

Bir tür cilt kanseri olan malign melanom (MM), güneşten gelen mor ötesi ışınların kişisel özelliklerle birleşmesi sonucu ortaya çıkan, tedavisi güç, tedavi sonuçları her zaman yüz güldürücü olmayan ciddi bir hastalıktır. Bu olumsuz özelliklerine, görülme sıklığının artış eğiliminde oluşu da eklenince tıp bilimi dünyası ve ilaç endüstrisinin öncelik listesinde hızla yukarıya tırmanmaktadır. MM’ye karşı verilen savaşta bulunan bu biyolojik silah, kanser tedavisini yeniden şekillendirecek kadar sıra dışı olmasıyla heyecan yaratıyor.

Herpes Simplex Virus tip 1 (HSV-1), dudaklarınızda ortaya çıkan sevimsiz uçuklardan sorumlu bir hastalık etkeniyken, genetik olarak kurcalanması sonucunda elde edilen talimogene laherparepvec (T-VEC) tarihteki ilkonkolitik (kanser öldürücü) virus olarak savaş alanına sürüldü. Gen eklenmesi ve gen silinmesi şeklindeki moleküler seviyedeki bazı genetik uyarlamalar sonucunda uçuk yapıcı etkisi kaybolan, öldürücü etkisi kanser hücrelerine karşı seçici olan ve insan bağışıklık sistemine ait bazı hücre dizilerinin gelişimini uyaran GM-CSF (granülosit-makrofaj koloni stimüle edici faktör) salgılayan bu zombiye verilen piyasa ismi Imlygic®.

FDA onayını “cerrahi olarak çıkartılamayan, ciltte veya lenf bezlerinde bulunan MM lezyonlarına karşı uygulanmak üzere” alan Imlygic, hastalıklı bölgeye ilk enjeksiyondan 3 hafta sonra ikinci ve sonrasında en az 6 ay süreyle 2 haftada 1 tekrar eden enjeksiyonlar şeklinde uygulanıyor ki bu kürün ortalama maliyetinin 65000 ABD doları olduğu, üretici şirket olan Amgen tarafından belirtiliyor.

Onay almasına bilimsel temel oluşturan OPTiM çalışmasında, uygulandığı hastaların %16.3’ünde lezyonları küçülttüğü veya tamamen yok ettiği izlenen kanser öldürücü bu mutant virüsün, hastaların yaşam sürelerini uzattığı gösterilememiş olsa da, kurgu-bilim gibi görünen bir mekanizmanın bu derece büyük bir başarıyı kabul edilebilir yan etkilerle in vivo (canlı ortamda) göstermiş olması bile kanser tedavisinde moleküler bir devrim olarak nitelendirilebilir.


Kaynaklar :

  1. Bilimfili,
  2. fda.gov,
  3. amgen.com