Ana sayfa 48. Sayı Doğa nasıl seçiyor – 3 DNA düzeyindeki seçilimi saptamak Var...

Doğa nasıl seçiyor – 3 DNA düzeyindeki seçilimi saptamak Var olan genetik çeşitlilikten çıkarımda bulunmak

176
PAYLAŞ

Ergi Deniz Özsoy

 

DNA dizilerindeki farklılıklardan genler üzerindeki seçilimi tanımlayabilmemiz artık mümkün ve kolaylaşmış durumdadır diyebiliriz. Ancak temel sorun, çözüme doğru çok önemli bir adım atılmış da olsa, hâlâ karşımızdadır; bir başka deyişle, biyolojik değişkenliği doğal seçilim olarak anlamamızı sağlayan biyolojik süreçlerin gen ve gen etkileşim durumları açısından tam olarak tanınması ve genden fenotipe uzanan karmaşık yolun evrimsel bakışla aydınlatılması sorunu. Bu iki bileşenli sorunun çözümüne ilişkin yollar ise on yıldır parlak sonuçlar veren evrimsel genomiks ve evrimsel gelişim biyolojisinin bulguları arasında uzanmaktadır.

 Yazımızın önceki bölümlerinde, doğal seçilimi, belirli ölçüde deterministik olan evrimsel bir değişimi bulguladığımız istatistiksel bir tanımlama şeklinde kavramlaştırmıştık. Bu kavramlaştırmanın can alıcı noktası, böyle bir kesintili deterministik değişimin (çevre koşulları değiştiğinde doğal seçilimin yönü kestirilemez hale geliyordu; bkz. “Seçilim Algısının Doğal Karmaşıklığı”, Bilim ve Gelecek, Kasım 2007) aralarında uyumsal farklar olan ve organizmanın biyolojik özelliklerini net biçimde etkileyen alternatif alellerin frekans değişimini (artışı ya da azalışı) temel alan mekanistik bir çerçeve önermesidir.

Alternatif allelerin, yani genlerin alternatif biçimlerinin, alternatif (işlevsel açıdan farklı) proteinler kodladığını düşündüğümüzde, doğal seçilimin mekanistik-biyolojik çerçevesinin tamamlandığı düşünülür. İşlevsel farklılığı olan proteinlerin, bu farklılıklarının seçilimle ilişkilendirilebildiği sağlam bilimsel senaryolar vardır ve böyle senaryoların öngörüleri laboratuvarda ayrıntılı çalışılmış biyokimyasal sınamalara dayanır ve genellikle proteinin iş gördüğü birincil moleküler işlev üzerine temellendirilir.

Alkolü parçalayan enzimi kodlayan gen örneği

Bu durumu, son 35 yılda evrimsel genetik açıdan yoğun araştırma konusu olan alkol dehidrogenaz enzimini (ADH) kodlayan gen örneğiyle açıklayabiliriz. Bu gen, sirke sineğinde -ki genin en çok çalışıldığı model canlı budur- 255 aminoasitten oluşan bir proteini kodlamaktadır. ADH enziminin en önemli birincil işlevinin sirke sineğinin bulunduğu ortamda maruz kaldığı alkolu parçalamak olduğu deneylerle sabittir. Dişi sinekler yumurtalarını çürümekte olan meyvelere bırakırlar ve yumurtadan çıkan kurtçuklar çürümekte olan meyvede yerleşmiş bulunan maya kolonilerini yiyerek beslenirler ve belirli bir ağırlığa ulaşan bir kurtçuk uygun bir yerde başkalaşıma girer ve ardından ergin sinek haline geçer ve yaşamına devam eder. Çürüyen meyveye yerleşik olan maya hücreleri ise yaşama etkinliklerinin bir parçası olarak fermantasyon ile alkol üretirler. Bir başka deyişle, hareketleri sınırlı olan kurtçuklar kendileri için zehirli olabilecek düzeylere yükselebilen alkol derişimi ile beslendikleri ortamda hep karşı karşıyadır.

Sahip olunan alkol dehidrogenaz enziminin yapısal özelliği işte tam bu noktada önemini göstermektedir; alkolü en hızlı ve etkin biçimde parçalayabilen, hatta alkolden enerji olarak da en verimli biçimde yararlanabilen enzimi (ADH enzimi) olan kurtçukların yaşamda kalma olasılıkları daha yüksektir. Alkol yaşama ortamında öldürücü miktarda bulunmasa da, alkolü hızlı parçalayıp etkisiz hale getirenler onu etkin biçimde enerji kaynağına da dönüştüreceklerinden, böyle sineklerin daha hızlı biçimde uygun ağırlığa ulaşarak başkalaşıma görece erken girmeleri ve daha erken erginleşmeleri söz konusudur. Alkolün zaralı etkisinden kurtulup hayatta kalma ya da erken erginleşip daha önce üreme sonucunda, alkolü hızlı parçalayan sineklerin bu “alkol avantajı” sağlayan genleri, sonraki kuşaklara daha sık aktarılacak ve böylece doğal seçilimin düşük avantajlı alternatifi (burada alkolü daha düşük verimle parçalayan ADH enziminin aleli) aleli elediği bir süreçlerle ADH gen frekansları belirlenmiş olacaktır.

Yukarda ana hatlarını verdiğimiz bu senaryo uydurma değildir ve onu destekleyecek bir moleküler yapı ve biyokimyasal etkinlik gerçekliği ile örtüşür görünmektedir. Öncelikle, sirke sineğinin dünyadaki hemen tüm populasyonlarında enzimin iki ayrı alel tarafından kodlanan yalnızca iki formu bulunmaktadır: ADH-F ve ADH-S olarak adlandırılan bu formlar, bir jel ortamında yaratılan elektrik alanındaki göreli hareket hızlarını ifade edecek şekilde F (İngilizce Fast=hızlı sözcüğünün ilk harfi) ve S (Slow=yavaş sözcüğünün ilk harfi) biçiminde birbirinden ayırılır ve ADH enzimini kodlayan genin (Adh) iki farklı alelinden üretilen enzimleri ifade ederler. Bu iki farklı enzim, 255 aminoasit uzunluğundaki temel protein yapısı açısından bakıldığında, yalnızca 1 aminoasit açısından farklıdır; S alelinin kodladığı enzimin 192’nci aminoasidi bir lizin iken, F alelinde threonin aminoasididir. Doğada (sirke sinekleri açısından) ADH enzimini kodlayan genin, tek bir aminoasit yerdeğiştiriminin sorumlu olduğu bu iki alelinden (proteininden) başka aleli olmaması, aminoasit yer değiştirimini ifade eden diğer alellerin seçilimle elenmiş olduğuna işaret etmektedir (Kreitman, 1983).

Bu iki farklı enzim (F ve S) arasında, enzimin parçaladığı substrata (alkol) bağlanma düzeyi ve reaksiyon hızları açısından net farklar vardır; ADH-FF genotipi alkolü ADH-SS genotipine oranla yaklaşık iki kat hızlı ve verimli biçimde parçalar ve genotipi ADH-SS olan sirke sinekleri yüksek alkol derişimi olan ortamlardaki ölüm oranı, ADH-FF sineklerine oranla daha yüksektir (van Delden, 1982). Dahası, alkolün parçalanarak lipidlerin (yağların) oluşturulduğu çok adımlı ve enzimli karmaşık metabolizma açısından bakıldığında, metabolik kontrol teorisi bağlamında, ADH-F alelinin kontrol sayısı en yüksek değer olan 1.0’a yakındır; yani hücrenin temel yapıtaşlarından olan lipidlerin sentezlenmesinde ADH-F alelinden üretilen ADH-FF proteini, ADH-S alelinden üretilen ADH-SS proteinine göre çok daha etkindir. Sirke sineğinde ADH enzimlerini kodlayan Adh geninin alel frekanslarının doğadaki belirgin bir dağılım örüntüsü sergiledikleri görülür: Tropikal kuşaklardan daha soğuk kuşaklara, kuzey enlemlerine doğru çıkıldıkça ADH-F alelinin frekansı artar, ADH-S alel frekansı azalır. Sıcaklığın daha yüksek olduğu güney enlemlerinde ise ADH-S alel frekansı yüksektir. Üstelik, bu güney- kuzey coğrafi frekans değişim ilişkisinin varlığı 4 kıta için de gösterilmiştir. Evrimsel genetik açıdan “klinal” olarak tanımlanan böyle bir genetik çeşitlilik derecelenmesinin (4 kıta için aynı örüntünün varlığı düşünüldüğünde) rastlantısal etki ile-yani genetik sürüklenme ile-açıklanması olanak dışıdır ve alternatif aleller üzerine farklı coğrafi-ekolojik koşullarda gerçekleşen doğal seçilim bu durumda en olası izahı verir.

Özetlediğimiz bu ADH protein (enzim) çeşitliliğine baktığımızda durum gerçekten de çok çarpıcı, net bir temel nedensel ilişki ve o ilişkinin yansımaları ile açıklanabilen bir doğal seçilim resmini ifade ediyor gözükmektedir: Sirke sineğinin en önemli yaşama evresi (kurtçuk) alkol oranı yüksek olabilen bir çevrede tamamlanmaktadır. Sinekler alkolü parçalayıp etkisiz hale getirebilen, alkolün enerji kaynağı olarak kullanılmasını da sağlayan bir enzime (ADH) sahiptirler. Doğadaki sinek populasyonlarında bu enzimin genetik açıdan iki farklı aleli ifade eden iki farklı formu bulunur (F ve S). Bu enzim formları arasında katalitik etkinlik açısından keskin farklar vardır ve bu farklar alkolun bulunduğu ortamlarda formlardan birini (F), homozigot (FF) ve heterozigot (FS) olarak taşıyanların hayatta kalma şansını artırır. Böyle sinekler, artmış hayatta kalma şanslarına ve erken erginleşerek daha çabuk yavru döl verme özelliğine sahip olduklarından seçilimsel bir avantaj sergilerler. Laboratuvarda gerçekleştirilen deneylerin hemen tamamı bu nedensel zinciri doğrulamaktadır. Hatta şaraphanelerde-sirke sinekleri alkole ve alkol türevli ürünlerin bulunduğu ortamlara çekilirler-bulunan sineklerin hemen tamamı ADH-FF ya da (daha az sıklıkta olmak üzere) ADH-FS genotipine sahiptir. Sirke sineği çalışan büyük genetikçi Michael Asburner’in sözleriyle vurgularsak: “İnsan ve sirke sineğinin iki ortak özelliği var. İkisi de Afrika’dan çıkmıştır ve ikisi de alkolü sever”.

Alkol dehidrogenazın 35 yıllık araştırma tarihinin son 20 yılı, bununla birlikte, ADH enziminin doğru biçimde açıklanan birincil (katalitik-biyokimyasal) etkinliği üzerine kurulan seçilimsel senaryonun geçerliğini hayli kuşkulu kılmaktadır. Bu kuşkuyu yaratan, ADH enzimlerini kodlayan alellerin frekans dağılımlarının başka genetik etkenler tarafından önemli ölçüde etkilendiğinin bulunması ve hatta Adh geninin, alkolü parçalama ve kullanma olarak tanımlanan birincil işlevinden bağımsız görünen pek çok önemli biyolojik özelliği etkilediğinin ortaya çıkmasıdır.

Öncelikle, Adh geni ile aynı kromozomda yer alan bir başka gen, αGpdh (alfa gliserofosfat dehidrogenaz) etkileşim içindedir: sirke sineğinde etkin uçuş için önemli bir gen olan αGpdh ile Adh arasında enzim aktivitesi, sineklerin gelişim zamanı, kurtçukların besin kaynakları açısından rekabeti, ergin olarak hayatta kalış ve açlığa direnç gösterme gibi pek çok yaşamsal özellik açısından bir ilişkilenme vardır. Bu iki genin kodladığı enzimler (αGPDH ve ADH) lipid sentezi açısından da etkileşirler. Bu iki enzimi kodlayan alellerin frekansları, birlikte etkiledikleri biyolojik süreçlerdeki paylaşımsal rolleri açısından, birbirine bağımlı dağılımlar gösterebilmektedir.

İkinci ve Adh alel frekans dağılımını etkileyen önemli bir etken, hem Adh hem de αGpdh genlerini içeren bir kromozom değişkenliğinin varlığıdır. Bu kromozom mutasyonu, hem Adh hem de αGpdh genini içeren bir kromozom bölgesinin kırılıp, kırıldığı yere tekrar ama ters konumda (içerdiği genlerin sırasının öncekine ters olması) yapışmasıyla oluşmuştur. Böyle kromozom mutasyonlarına “inversiyon=ters konumlanma” denir, tipik Mendel genleri gibi kalıtılırlar ve böcekler dahil pek çok canlıda uyum başarısıyla ilgili özelliği etkiledikleri bilinmektedir. Aslında modern evrimsel genetik öncesi, genetik çeşitlilik-doğal seçilim içerikli hipotezlerin sınanmasında kullanılan temel genetik faktördürler; evrimsel genetiğin hâlâ gözde mutasyonları arasındadırlar ve moleküler çerçevede çalışmaları sonucunda tür-içi uyarlanmalardan türleşmeye dek pek çok önemli evrimsel bağlamda ele alınırlar.

Sirke sineğinde Adh ve αGpdh genlerini de kapsayan inversiyon In(2L)t adını alır. Bu inversiyonun tropikal bölgelerdeki frekansının yüzde 50 civarına ulaştığı bilinmektedir. Yüksek sıcaklıklarda uyum başarısı yüksek olan bu inversiyonun ilgilendiğimiz genler (Adh ve αGpdh) açısından tipik özelliği, inversiyonu taşıyan bir sirke sineğinde bu inversiyonun her zaman AdhS αGpdhF gen kombinasyonlarını taşımasıdır (inversiyon homozigotlarında AdhS αGpdhF/ AdhS αGpdhF kombinasyonu vardır). Bu iki genin inversiyon içinde neden hep bu kombinasyonlarda bulunduğu, ters konumlanma ile tanımlanan bir kromozom mutasyonunun ortaya çıkışına ilişkin matematiksek model ile açıklanabilir bir durumdur. Ancak bizim için önemli nokta, inversiyon taşıyan sineklerin bulunduğu bir populasyonda, AdhS gen frekansının, S alelinin düşük alkol parçalama özelliği olan birincil işlevinden bağımsız bir bileşen içereceğidir. Nitekim, In(2L)t frekansının belirgin bir dereceli değişim gösterdiği coğrafi kesitteki populasyonların tipik güney-kuzey enlem ilişkisini göstermediği, tersine rastlantısal bir Adh frekans dağılımı sergilediği gözlenmiştir. Bunun en önemli nedeni ise, inversiyonda bulunduğu yer itibarıyla Adh geninin αGpdh genine oranla inversiyon tarafından çok daha yüksek bir düzeyde sürüklenmesidir; bir başka deyişle, In(2L)t bulunduğunda, Adh geninin frekans dağılım örüntüsün-Adh alellerinin, birincil biyokimyasal etkinliğin (alkolü parçalama) yarattığı uyumsal farklardan bağımsız şekilde-inversiyon tarafından belirlenmesidir. Dahası, alkol dehidrogenaz geni açısından 4 kıtada gözlenen güney-kuzey enlem coğrafi frekans dağılım örüntüsünün, alkol parçalama ya da kullanma ile ilişkisi olduğunu gösteren bir kanıt bulunmamaktadır. Bununla birlikte, böyle dereceli bir alel frekansı değişiminin yaygın biçimde gözlenmesini yalnızca doğal seçilim açıklayabilmektedir (Endler, 1977). Alkol dehidrogenaz frekans dağılımı, enzimin birincil moleküler işlevi ile ilgisi olmasa bile, şimdilik bir bölümünü tanımlayabildiğimiz başka seçilimsel etkenler ile biçimlenmektedir.

Alkol dehidrogenaz geninin öyküsü, tek bir gen üzerinden sınırları katı biçimde konmuş, genin birincil moleküler işleviyle doğrudan bağlantılı doğal seçilim açıklamalarının konusu olan pek çok gen ile aynı kaderi paylaşmaktadır: Gen bir şekilde doğal seçilimle ilişkilendirilmektedir ama genin mekanistik açıdan işe karıştığı seçilimle ilgili durum bilinmemektedir. Örneğin, Adh geni alkol parçalama dışında hangi moleküler biyolojik süreçlere katılmaktadır? Gelişim biyolojisi ve genetiği açısından-evrimsel bağlamda-Adh’in anlamı nedir? Daha doğrusu, Adh alel frekansı değişimi söz konusu olduğunda asıl seçilim birimi nedir (van Delden and Kamping, 1997)?

Doğal seçilimin gösterilmesi açısından sorun oluşturmayan ama seçilimin nihai hedefi olan genin seçilimle biyolojik ilişkisinin gösterilmesi açısından umut kırıcı olan bu genel durum, DNA dizi analizlerinin rutin biçimde kullanılmaya başlandığı 1980’lerin sonundan itibaren yeni bir çerçeveye oturmuştur. Oldukça zahmetli laboratuvar deneyleri kullanarak bir genin kodladığı protein yapı farklılıklarını, proteinin ilgili biyokimyasal işlevi üzerinden seçilimle ilişkilendirmek yerine, doğal seçilimin varlığını bu kez doğrudan genin DNA dizisinde göstermek, evrimsel genetik açısından Kuhnvari bir paradigma değişimine neden olmuştur.

Aslında 1960’ların sonunda başlayan ve 1980’lere gelindiğinde zaten matematiksel yapısına kavuşmuş olan bir DNA evrimi modeli bulunmaktadır. Bu modelin temelinde, DNA dizisindeki nükleotid yerdeğiştirmelerinin seçilimsel avantaj ya da dezavantajla ilgisi bulunmadığı, moleküler evrimleşmenin yalnızca genetik sürüklenme ve mutasyon arasındaki ilişki ile belirlenen bir dinamiği olduğu düşüncesi yer almaktadır (Kimura, 1983). Nötral (seçilimsel etki yaratmayan) alel teorisi denen bu kuramsal çerçeve, protein elektroforezinin evrimde kullanılmaya başladığı (Lewontin and Hubby, 1966) günlerden 1990’ların başına dek ağırlığını korumuş ve sonrasında-DNA dizi çalışmalarının seçilen pek çok türdeki pek çok gendeki doğal seçilim izlerini göstermesiyle-doğal seçilimin sınandığı istatistiksel genetik bir modele dönüşmüştür.

Günümüzde, DNA dizi farklılıklarını kullanarak geliştirilmiş önemli doğal seçilim testleri vardır ve bunlar geom dizilerinin peş peşe çıkarılmasıyla da ayrı bir önem kazanmaktadır. Bu testlerin özelliği, altını çizersek, bir gendeki seçilimin doğrudan DNA düzeyinde gösterilmesidir. Yukarda özetlediğimiz klasik durumda, gen düzeyindeki seçilim birincil biyokimyasal işlev üzerinden gösterilmeye çalışılıyor, ancak genellikle başarısız olan bu gösterim, gen üzerinde birincil işlevden bağımsız olan seçilimin gösterilmesiyle dolaylı -yani genin tekil olabildiği bir nedenselliğe indirgenemeyen- bir evrimleşme senaryosu ile sonuçlanıyordu. DNA üzerinden seçilim algısı ise, bu kez bir adım daha ileri giderek, genin doğrudan yapısındaki ya da genle yakın fiziki ilişkili kontrol elementlerindeki farklılıları kullanarak ilerler: Seçilimin varlığı gen üzerinde gösterilir, ancak seçilimin gerçekleştiği biyolojik durum çoğu zaman, klasik durumda olduğu gibi, belirsiz kalabilir. Ancak bu kez, biyolojik durum daha doğru biçimde tahminlenecektir, zira DNA dizisi, bir gene ilişkin protein dizi farklılıklarına oranla çok daha yüksek oranda evrimsel ve işlevsel bilgi verecektir. Şimdi DNA düzeyindeki yaygın testleri tanımlayan değişkenleri tanımlayabileceğimiz bir örnekten konumuza devam edelim:

 

AATCGAGACTTTAGC

ATTCCAGATTTAAGC

ATTCCAGATTTAAGC

AATCGAGACTTTAGC

TATCGAGACTATCCC

 

Yukarda verilen bu 5 bireye ait DNA dizi bölümünün, aynı türe ait bireylerden elde edilmiş bir gendeki nükleotidlerden oluştuğunu varsayalım. Bu 5 dizi nükleotid, bileşenleri açısından farklıklar göstermektedir. Beş bireyden oluşan bu populasyondaki genetik farklılıları bu dizi üzerinden tanımlayabiliriz. Tanımlayacağımız değişkenler öncelikle şunlar olmalıdır:

  • Birbirinden farklı olan nükleotid bölgelerinin sayısı, S. Farklılık gösteren nüklotid bölgeleri şekilde gri olarak gösterilmektedir.
  • Karşılaştırılan toplam bölge sayısı, N. Bu örnekte 15 (dizinin uzunluğuna eşittir).
  • Populasyondaki farklı nükleotid bölgelerinin oranı, p. (p = S/N)
  • Nükleotid çeşitliliği, π. Dizi çiftleri arasındaki ortalama nükleotid farklılıkları oranı. Nükleotid düzeyindeki heterozigotluğu ifade eder.

Şimdi bu değişkenleri kullanarak geliştirilen önemli bir doğa seçilim testini tanımlayalım:

 

Tajima’nın D değeri

Tajima (1983) tarafından geliştirilen bu test, birbirinden farklı olan nükleotid bölgelerinin sayısı (S) ile nükleotid çeşitliliği (π) arasındaki ilişkiye dayanır. Nötral alel teorisinden yukarda kısa söz etmiştik. Bu teoriye göre nükleotid çeşitliliğinin beklenen değeri:

E(π) = Θπ,

Θπ, populasyon büyüklüğü (N) ile nötral (seçilimsel etkisi olmayan) mutasyon oranı (u) arasındaki ilişki ile tanımlanır ve nötral teori bağlamında Θπ = 4Nu’dur. Bir başka deyişle bu değer nötral teorinin tanımladığı-nükleotid farklılıklarının doğal seçilime yol açmadığının kabul edildiği durum- nükleotid çeşitliliğini verir.

Nükleotid çeşitliliği -nötral alel teorisi bağlamında- değişim gösteren nükleotid bölge sayısının bir fonksiyonu olarak da tanımlanabilmektedir:

E(S) = a1ΘS. Buradan Θs = S/a1, şeklinde tanımlanır.

Bu iki nükloetid çeşitliliği (Θπ ve ΘS ) populasyondaki genetik çeşitliliğe ilişkin farklı bilgileri yansıtmalarına karşın, nötral teori bağlamında büyüklüklerinin aynı olması beklenir. Tajima (1983) bu noktadan hareketle değerler arası bir fark, d, tanımlamıştır. Bu fark, d= Θπ – ΘS olarak yazılır. İki farklı nükleotid çeşitliliği tanımlaması arasındaki fark (d), bu farkın standart sapmasına bölünmesiyle:

Formül
şeklinde tanımlanır. D’nin alacağı değerleri kapsayan bir dağılım yaratılmıştır ve D’nin büyüklüğü oranında bu dağılımda alacağı sayısal aralığa göre nötral teori ilgili gen ya da gen bölgesi açısından kabul ya da reddedilir. Nötral beklentilerin uygun olmayışının istatistiksel olarak saptanması, gendeki nükleotid farklılıklarının doğal seçilim ile belirlendiğini gösterecektir. Burada son derece yalın halde gösterdiğimiz bu testin değişik versiyonları vardır ve versiyonlar arasındaki farklar araştırıcıların yoğunlaştıkları evrimsel düzey farklılıklarını yansıtır. Şimdi bu yolla varlığı saptanan seçilim örneklerinden biri üzerinde kısaca duralım:

Örneğimiz, insan populasyonlarını konu alan bir çalışma. Garrigan ve Hedrick (2003), bağışıklık sistemi tanıma proteinlerini kodlayan önemli bir gende, HLA-A geninde, DNA dizi deiğşkenliğini kullanarak Tajima testi ile doğal seçilim varlığını araştırdı. Örnek olarak kullandıkları 12 farklı insan populasyonunun 11 tanesinde bu gen açısından nötral teoriden önemli sapma olduğunu buldular. Bağışıklık sistemiminin kırılganlığı göz önüne alındığında, bu gendeki genetik çeşitliliğin doğal seçilimle belirleniyor olması oldukça makuldur. Eğer bu gendeki çeşitlilik zaman ve mekânda rasgele değişim gösterseydi, insan toplumlarının tarihleri boyunca karşılaştığı salgın hastalıklarla tamamen ilgisiz bir bağışıklık geni (HLA-A) söz konusu olurdu ki, bu haliyle eşyanın tabiatına aykırı, gerçek durumla ilgisiz bir olgu olurdu. Yapılan diğer çalışmalar, HLA genlerinin büyük oranda doğal seçilim ile evrimleştiğini göstermektedir.

Sinonim-olmayan kodon değişimlerinin sinonim kodon değişimleri ile karşılaştırılması

Son zamanlarda yaygın olarak kullanılan bir DNA düzeyi doğal seçilim saptama biçimi, genin kodlayan bölgelerinde bir nükleotid değişimi olduğunda, bu değişimin o bölgeden kodlanan bir aminoasidin aynısı bir aminoasit mi yoksa farklı bir aminoasit mi oluşabileceğine dayanır. Elbette soru, kodon değişimi ile yeni bir aminoasidin oluşup oluşmayacağı değil, kodon değişimi ile yeni bir aminoasit proteindeki önceki aminoasidin yerini aldığında bu değişikliğin seçilim açısından ne etki yaratacağıdır. Bir kodondaki nükleotid değişimi proteine yeni bir aminoasit girişine yol açıyorsa buna sinonim-olmayan (eskisinden farklı) değişim denir. Eğer kodondaki farklılık aynı aminoasidin proteine sokulmasını sağlıyorsa, buna sinonim değişim adı verilir. Belirgin bir işlev açısından optimal bir evrimleşme düzeyinde bulunan bir proteinin aminoasit yapısındaki bir değişim, o proteini kodlayan genin elenmesine ya da kazanılan yeni işlev nedeniyle hızlı biçimde evrimleşmesine neden olabilir. Protein yapısının içerdiği sınırlamaya ve işlevin önem derecesine bağlı olan bu evrimleşme olasılıkları, evrimsel biyologların kodon yerdeğiştirme biçimine olan ilgisini hayli artırmıştır.

Doğal seçilimin bu saptanma biçimini şöyle özetleyebiliriz:

dN: bir proteini kodlayan gendeki sinonim-olmayan kodonların oranı

dS: bir proteini kodlayan gendeki sinonim kodonların oranı

dN/dS = 1.0, doğal seçilim yok.

dN/dS < 1.0, saflaştırıcı bir seçilim var. Kodon değişimi ile yeni aminoasitlerin proteine girmesinin yarattığı etki zararlı ve bu nedenle böyle değişimler eleniyor.

dN/dS > 1.0, pozitif (Darwin seçilimi) seçilim var. Yeni aminoasit girişi ile proteinin etkinliği artıyor ve eskisinden daha verimli hale geliyor ya da yeni bir işlev kazanarak hızlı bir ileri evrime yol açıyor.

Şimdi bu yolla saptanan seçilime ilişkin örneğimizi verelim. Örneğimiz insan ve ona yakın primatlar arasındaki karşılaştırmaları içeriyor. Öyle görülüyor ki, türümüzü tanımlayan pek çok biyolojik özellik; büyük bir beyin, ileri bilişsel etkinlik, karmaşık ses organları, iki ayak üzerinde durma ve hareket etme gibi pek çok özellik pozitif doğal seçilimle evrimleşmiş gözüküyor. Ayrıca, konak-patojen etkileşimleri, üreme, besin uyarlanımları gibi pek çok diğer özelliğimiz de, belirli bir ölçüde pozitif seçilimle evrimleşmişe benziyor. Bu anılan özelliklerin altını çizen çok sayıdaki genin geçirdiği pozitif seçilimi sinonim-olmayan / sinonim olan kodon oranı ilişkisinden öngörmek ise artık mümkün durumda (Vallander ve Lahn, 2004).

Sonuç olarak, DNA dizilerindeki farklılıklardan genler üzerindeki seçilimi tanımlayabilmemiz (içerdiği kimi istatistiksel güçlüklere karşın) artık mümkün durumdadır diyebiliriz. Hatta bu tür seçilimi bulgulama işinin, hangi organizmayı çalışıyorlarsa çalışsınlar, evrimsel biyologların rutin işlerinden biri olacak denli kolaylaştığını da söyleyebiliriz. Ancak temel sorun, çözüme doğru çok önemli bir adım atılmış da olsa, hâlâ karşımızdadır; bir başka deyişle, biyolojik değişkenliği doğal seçilim olarak anlamamızı sağlayan biyolojik süreçlerin gen ve gen etkileşim durumları açısından tam olarak tanınması ve genden fenotipe uzanan karmaşık yolun evrimsel bakışla aydınlatılması sorunu. Bu iki bileşenli sorunun çözümüne ilişkin yollar ise on yıldır parlak sonuçlar veren evrimsel genomiks ve evrimsel gelişim biyolojisinin bulguları arasında uzanmaktadır.

 

KAYNAKLAR

1) Kreitman, 1983. Nature 304: 411-417.

2) Van Delden, 1982. Evolutionary Biology 15: 187-222.

3) Lewontin and Hubby, 1966. Genetics 54: 595-609.

4) Kimura, 1983. The Neutral Theory of Molecular Evolution, Cambridge University Press.

5) Tajima, 1989. Genetics 123: 585-595.

6) Endler, 1977.Geographical variation, Speciation and Clines, Princenton University Press.

7) Van Delden and Kamping, 1997. Environmental Stress, Adaptation and Evolution, Eds: R.Bijlsma and V. Loeschcke içinde, Birkhauser Verlag, Basel, s.97-115.

8) Garrigan and Hedrick, 2003. Evolution 57: 1707-1722.

9) Vallander and Lahn, 2004. Hum. Mol. Genet. 13, Review Issue 2.