Genetik Kodun Evrimi: Bütün Canlılar Neden Aynı Genetik Kodu Kullanıyorlar?

Yazdır Genetik Kodun Evrimi: Bütün Canlılar Neden Aynı Genetik Kodu Kullanıyorlar?

Herkesin bildiği gibi genetik kod, bir canlının ne olacağını, neye benzeyeceğini, yapılarının nasıl oluşup, nasıl görev yapacağını belirleyen kimyasal bir koddur ve genlerimizde depolanır. Genlerimiz içerisinde bulunan ve nükleik asit verilen kimyasalların dizilimi, bizlerin genetik kodunu belirler. Örneğin insanlarda 3.2 milyar nükleotitten (nükleik asit + fosfor + şekerden oluşan bir kimyasal bileşik) bulunur. Kimi canlıda bu sayı onlarca milyar ile ifade edilirken, bazı diğerlerinde birkaç milyona kadar düşebilir. Bu sayı, gelişmişlik belirtisi olmasa da (yani daha fazla sayıda nükleotite sahip olmak, genellikle daha gelişmiş olmak demek değildir), birçok canlının genetik kodu oldukça karmaşık yapılıdır. Bu nükleotitlerin bir araya gelmesiyle oluşan genler, karmakarışık bir ağ kurarak vücudumuzda sayısız görevi yerine getirir.

Bu nükleik asitler, çeşitli enzimler tarafından üçlü üçlü okunur (bu üçlü kodlara "kodon" adı verilir) 5ve ribozom adı verilen organellerimiz içerisinde proteinlere dönüştürülür. Bu proteinler, envai çeşit göreve sahiptir. Kimisi yapısal olarak vücudumuzun parçalarını oluşturur, kimisi diğer proteinlerin yapımında görev alır, kimisi saç ve göz rengi gibi yapısal özelliklerimizi belirler, kimisi çeşitli davranışlarımızı etkiler, kimisi çeşitli yapıların onarılmasını sağlar ve daha nicesi... İyi ama, bu genetik kod nasıl var olmuştur? Genetik kodumuzun evriminden söz edebilir miyiz? Elbette söz edebiliriz ve birçok biyokimyacı ve evrimsel biyolog, bu konu üzerinde kapsamlı araştırmalar yürütmektedir. Uzmanların bugüne kadar tespit edebildiği kadarıyla, genetik kod da diğer her özelliğimiz gibi biyolojik evrimin bir ürünüdür, yoktan var olmamıştır. Bizlerin ve diğer tüm canlıların vücudundaki her bir hücrenin içerisinde bulunan genetik kodlarımız, kendilerinden önce gelen, daha basit yapılı genetik kodlardan evrimleşmiştir.

Bunu dediğimizde, daha basit yapılı atalarımızın daha basit yapılı genetik kodlarından söz ettiğimiz anlaşılabilir. Dediğimiz gibi, genellikle gelişmişlik düzeyi ile nükleotit sayısı arasında doğrudan bir ilişki yoktur. Fakat gen çoklanmaları gibi nükleotit sayısını katlayarak arttıran mutasyonlar göz ardı edildiğinde, daha az sayıda özelliğe sahip olan canlılarda daha az sayıda nükleotit bulmayı beklemek de çok hatalı olmayacaktır. Ne var ki "Genomlarımız, daha basit genomlardan evrimleşmiştir." dediğimizde sadece atalarımızın genomlarının (bir canlının bütün genetik koduna "genom" adı verilir) evrimleşerek bizleri oluşturmasından bahsetmiyoruz. "Genom" dediğimiz şeyin, yani nükleotitlerin bir araya gelmesi sonucu inşa edilen genetik yapının da, daha basit yapılı bir koddan evrimleştiğini söylüyoruz! Yani sadece biyolojik bir evrimden değil, kimyasal bir evrimden de söz ediyoruz.

 

Modern Genomun Ortak Dili

Daha basit yapılı bir genomu anlamak için, günümüz genomlarının temel özelliklerini listelemek faydalı bir girişim olacaktır. Modern canlıların genomlarında, temel olarak şu 10 özelliği görmekteyiz:

1. Mesajcı RNA (mRNA) adı verilen moleküller, sadece 4 adet nükleotitten oluşurlar: Adenin (A), Guanin (G), Urasil (U) ve Sitozin (C). Bunlar yan yana gelip, değişen uzunlukta zincirler oluştururlar.

2. mRNA kodonuü, 3 nükleotitin bir araya gelmesinden oluşan dizilerdir. Bu üç nükleotit, 1 adet aminoasiti tanımlar.

3. Genetik kodumuz içerisinde "virgüller" bulunmaz; yani kodumuz arasında "boşluk" tuşu bulunmaz. UUUCCC tam bir koddur ve UUU ile CCC'nin kodladığı aminoasitlere karşılık gelir. Bu tip kodlara "virgülsüz kodlar" denir. Aynı zamanda genomumuz "örtüşmeyen" yapıdadır. Yani UUUCCC kodunda UUU, UUC, UCC, CCC gibi 4 ayrı kod dizgesi bulunmaz. Dizi, UUU ve CCC'den ibarettir. Yani her bir kodon süreğen ve kesintisiz bir diziyi tarif eder. mRNA, dizinin bir ucundan başlar, diğer ucuna kadar üçer üçer okur.

4. mRNA içerisindeki okuyucu çerçeveler genellikle AUG kodonundan okumaya başlar, UAA, UAG veya UGA dizilerinden birini gördüğünde okumayı durdurur. Dolayısıyla genom içerisinde "okumayı başlat" ve "okumayı bitir" komutları bulunmaktadır. 

5. Kodon dizisi bir antikodona karşılık gelir. Bu antikodon, taşıyıcı RNA (tRNA) molekülü üzerinde bulunur. Bu molekül, spesifik bir aminoasidi mRNA kodonuna taşır. 

6. Her yaşayan organizma, evrensel bir kodu paylaşır. Yani belli canlılarda bir tip kod, diğer canlılarda başka bir tip kod bulunmaz. Bu, tüm canlıların ortak bir atadan evrimleşmesinden ötürü böyledir. Bugüne kadar bunun istisnası olan sadece bazı mikoplazmalar ve silli protistalar keşfedilmiştir (ki onlarınki de tamamen farklı değildir); onun haricinde bütün canlılar için aynı kod geçerlidir. Ayrıca mitokondri isimli organellerimiz içerisindeki DNA'da da ufak tefek kod farklılıkları tespit edilmiştir.

7. Bu kod içerisinde bugüne kadar belirsizliğe rastlanmamıştır. Belirsizlik şu anlama gelir: Genomumuzda bir kod, birden fazla aminoaside işaret etmez. Her aminoasidin spesifik bir kodu veya kodları bulunur.

8. Metiyonin ve triptofan isimli aminoasitler haricinde her aminoasit, birden fazla kodon ile ifade edilir. Buna "gerejsiz fazlalık" (İng: "redundancy") adı verilir.

9. Birden fazla kod ile kodlanan aminoasitler, genellikle kodonun 3. pozisyonundaki varyasyonlar ile belirlenir. Örneğin valin, treyonin ve alanin gibi meşhur aminoasitler de dahil olmak üzere 8 ayrı aminoasit, 4 ayrı kodon ile kodlanır. Bu dörtlü kodonların her biri, birbirinden sadece 3. pozisyondaki farklılık ile ayrılır.

10. Bir aminoasit, dörtlü kodon içerisinden sadece iki tanesini (düet) kullanıyorsa, üçüncü kodon pozisyonunun her ikisi de pirimidindir (Urasil ya da Sitozin) veya her ikisi de pürindir (Adenin ya da Guanin). Asla biri pirimidin, diğeri pürin olamaz.

Görülebileceği gibi bu kurallar dizisi, aslında Dünya gezegeni üzerindeki yaşamın nasıl çalıştığının da bir tarifi gibidir. Yani bir algoritmadır. Bu algoritma takip edildiği müddetçe, yepyeni canlılar yaratmamız da mümkün olabilecektir. Ancak şimdilik asıl görevimiz, bu algoritmayı kullanarak canlılığı daha yakından tanımak ve onların nasıl evrimleştiğini daha iyi aydınlatmaktır.

Aminoasit ve Kodon Dairesi

Genetik kodumuzdaki gereksiz fazlalığın nedenlerini anlaması hiç de güç değildir. Sonuçta evrim kusursuz işleyen bir süreç değildir ve tek bir kodonu okuyan birden fazla tRNA evrimleşmesi son derece olasıdır. Örneğin lösin (İng: leucine) isimli aminoasidi kodlayan tRNA antikodonları AAU, AAC veya GAG dizilerine sahip olabilir. DNA'nın kâşiflerinden Francis Crick, bu gereksiz fazlalık desenlerinin genellikle üçüncü kodon pozisyonunda olmasını çalkantılı eşleşme isimli bir olguyla izah etmektedir. Bu açıklamaya göre tRNA, genetik dizilime bazı baz noktalarında tam olarak oturmasa bile onu okuyabilir. Crick'in bu açıklaması, günümüzde ispatlanmış bir gerçektir. Gerçekten de, üçüncü pozisyonda inozin (I) isimli kimyasalı içeren tRNA antikodonları, U, A veya C bazları ile eşleşebilirler. Kimyadan biraz anlayan okurlarımız için, inosinik asit, baz olarak pürin hipozantin (İng: purine hypoxanthine) isimli kimyasalı kullanan bir nükleotittir. Hipozantin, meşhur Adenin bazının amino gruplarından birini yitirmesi sonucu oluşan bir kimyasaldır. Sadece inozin değil, bu şekilde çalkantılı eşleşmeye neden olan başka tRNA nükleotitleri de bulunmuştur. Örneğin 5-metoksiüridin çifti hem A, hem G ile bağlanabilir; hatta zayıf da olsa U ile de kimyasal bağ kurabilir. Üçüncü antikodon pozisyonunda G olan tRNA'lar ise U veya C pirimidinlerinden her ikisine de bağlanabilir. Üçüncü pozisyonda U olan antikodonlar ise, A ve G pürinlerinden her ikisine de bağlanabilir. İşte bu nedenle, üçüncü pozisyonda yer alan gereksiz fazlalık, aminoasitlerin belirlenmesinde ilk iki kodon pozisyonunun önemini bizlere göstermektedir. Yani bu iki kodon pozisyonu, bir aminoasidi tanımlamak için çoğu zaman fazlasıyla yeterlidir. Hele ki sözünü ettiğimiz, kodon dörtlüsü (kuartet) kullanan 8 aminoasit için bu 2 pozisyon tek başına bile yeterlidir; üçüncü pozisyona bakmaya gerek yoktur.  

Burada dikkatinizi çekmek istediğimiz bir diğer önemli nokta şudur: Görebileceğiniz gibi, biyolojik olarak gerçekleşen her olayın altında kimyasal faaliyetler yatmaktadır. Bu kimyasal etkileşimleri anlamak, biyolojik özelliklerin neden ortaya çıktığını anlamamızı da sağlayabilecektir. Dolayısıyla kimi zaman anlaşılmaz gelen ya da "Neden öyle yapıyor ki?" diye düşünebileceğimiz biyolojik olayların altında kimyasal süreçler bulunmaktadır. Bu yüzden bilimin eksiksiz olarak öğrenilmesi önem arz eder.

Peki, bu durumda şunu sormak gerekir: Neden bütün canlılar aynı genetik kodu kullanıyorlar? Bunlar, hepsinin birdenbire, tek bir kaynaktan var edildiğinin bir göstergesi midir? Yoksa bu benzerlikler, tek bir ortak atadan farklılaşan yapıların evriminin bir örneği midir? Eğer ki daha basit yapılı genetik kodlar bulabilecek olursak ya da o tip genetik kodların da işlevsel olabileceğine dair bulgular elde edebilirsek, o zaman cevap tartışmasız bir şekilde ikincisi olacaktır. Zira daha basit bir başlangıçtan, daha karmaşık ve gelişmiş yapıların evriminin mümkün olduğunu biliyoruz. Dolayısıyla incelememiz gereken şey, aminoasitler ile bunları kodlayan kodonlar ve onları okuyan antikodonlar arasında evrimsel ve kademeli bir ilişki bulup bulamayacağımızdır. Yani örneğin UUU ve UUC kodonu neden fenilalanini kodluyor da, metiyonini kodlamıyor? Bu kodon ile aminoasit arasındaki ilişki nedir? Bu ilişki nasıl evrimleşmiştir? Bunlar, genom dilinin evrimini anlamamızı sağlayacak sorulardır.

Tarihsel olarak bu konuda yapılan en temel açıklamalardan bir tanesi, kodonlar ve antikodonların stereo-kimyasal uyum dolayısıyla birbirine oturdukları yönündedir. Stereokimya, atom ve molekül gruplarının uzaysal olarak birbirleriyle nasıl uyuştuğunu inceleyen kimya dalıdır. Özellikle de suyla olan etkileşim (hidrofobik, ya da sudan korkan ve hidrofilik, veya suyu seven yapıda olmak) gibi özelliklerin bu eşlenmelerin arkasında yatan neden olduğu, sıklıkla dillendirilmiş bir hipotezdir. Örneğin fenilalanin gibi bir aminoasit ve UUC gibi bir kodon ve onun antikodonu olan AAG arasında bir kimyasal eşlenme olması olasıdır. Bu hipotez halen tamamen çürütülmemiş olsa da, bazı araştırmacılara göre bu tip bir tercihî eşleşmeye dair çok az veri bulunmaktadır. Dahası, eğer ki bu hipotez evrensel olarak geçerli olsaydı, UC ile başlayan ve herhangi bir diğer baz ile devam eden dörtlüler (bunlara UCN diyoruz; N, herhangi bir nükleotite/baza işaret ediyor) ile AGU-AGC çiftleri gibi bu kadar farklı dizilerin aynı serin (İng: serine) aminoasidini üretmesini beklemezdik. 

Pekala, alternatif bir açıklama geliştirebilir miyiz? Yine tarihsel olarak biyokimyagerler ve evrimsel biyologlar, birden fazla olası genom dilinden sadece bir tanesinin günümüze kadar erişmiş olduğu fikrini geliştirmişlerdir. Yani yaşam ve evrim tarihinde belki de birden fazla kod, birden fazla alternatif bulunuyordu. Yani aminoasitler ile kodonlar arasındaki ilişki, birden fazla şekilde kurulabilmekteydi. Ancak bunlardan yalnızca 1 tanesi günümüze kadar gelebildi; çünkü diğer kodların bugünküne nazaran avantajsız özellikleri vardı. Yani cansızlıktan canlılığın evrimini mümkün kılan kimyasal evrim, genom dilinin evriminde de etki etmiş olabilir!

 

Donmuş Kaza Hipotezi: Modern Genomik Dilin Ana Sorumlusu

DNA'nın yapısal şeklinin kâşiflerinden Francis Crick'in 1968 tarihli donmuş kaza hipotezine göre, bir genetik dil bir kere oluştuktan ve yer ettikten sonra pek fazla değişmesi mümkün olmamaktadır, çünkü artık sağlam bir şekilde gelişmiş bir protein sentezi süreci, uzun aminoasit zincirlerinden oluşan polipeptitlerin içerisindeki her bir aminoasidin pozisyonunu sabitlemektedir. Dolayısıyla bu genomik dilde meydana gelecek herhangi bir değişim, spesifik aminoasitlerin bir araya gelmesiyle oluşan proteinlerin yapısını kökünden değiştirebilecektir. Örneğin, eğer ki UUU kodonuyla tanımlanan fenilalanin aminoasidinin kodu, serin kodonu olan UCU'yu da kapsayacak şekilde genişletilecek olsaydı, fenilalanin taşıyan tRNA molekülleri, normalde serin olması gereken yerlere fenilalanin yerleştirecekti. Bu iki aminoasit yapısal olarak ciddi anlamda farklı olduğu için, böylesine ani bir değişim canlı için ölümcül olabilecektir. Donmuş kaza hipotezi henüz ispatlanmamış olsa bile, oldukça faydalı ve etkili bir hipotezdir; çünkü bütün canlıların genomunda görülen bazı ilginç benzerlikleri de tek seferde açıklamayı başarmaktadır. Örneğin bütün canlıların proteinleri, sol-elli (L) olarak bilinen optik izomerleri taşımaktadır. Bütün nükleotitler, sağ-elli (D) şekerlerden oluşmaktadır. DNA çift sarmalı, sol-elli bir sarmal değil, sağ-elli bir sarmaldır. Donmuş kaza hipotezi, bu optik rotasyon denen özelliklerin neden "evrensel" olduğunu açıklamaktadır! 

Ancak bu "donma", yani sabitlenme olayı yaşanmadan önce genetik kodda bol miktarda değişim yaşanmış olmalıdır; çünkü birçok çeşitli genom dili varyasyonu bulunmalıdır. Bunlar arasında bir rekabet olmalıdır ve bunlardan sadece en işlevsel olanlarını kullanan kimyasal yapılar süreğenliklerini sağlayarak varlıklarını koruyabilmelidir. Örneğin, bu sabitlenme yaşanmadan önce var olan proteinler muhtemelen günümüzdekinden çok daha kısa yapılıydı, çok daha az sayıda aminoasit içeriyordu ve bünyelerinde çok daha fazla hata barındırıyorlardı. Söz konusu proteinlerin fonksiyonel belirlilikleri son derece kısıtlı olmalıydı; yani bir protein, birden fazla işlevi yapabiliyor olmalıydı (ancak bu, işlem verimliliğini düşürüyordu). Öyle ki, tek bir mRNA'dan üretilen iki proteinin birbirine benzeme olasılığı, günümüzde olduğu gibi %100'e yakın olmaktan ziyade, oldukça istatistiki bir olasılıktı; çünkü sistem henüz tam oturmamıştı. Bu ilk etapta kulağa felaket gibi gelebilir; ancak eğer ki yeterince fazla sayıda genomik yapı üzerinde bu tip bir genomik dil varyasyonu bulunuyorsa, bu farklılıklar avantajlar ve dezavantajların ortaya çıkması için gereken uygun fırsatı sağlayabiliyor olmalıdır. Yani bu genomik dil, şu anda sabitlenmiş olanın aksine, değişmeye açıktır. Erken aminoasitlerden bazıları, diğerlerine çok daha kolay dönüşebiliyor olmalıdır. Hatta o zamanlarda, şu anda var olan aminoasitlerin tamamı muhtemelen bulunmuyordu.

Buna yönelik araştırmalar, genomik dilin ne kadar basitleşebileceğine dair incelemelere kapı aralamıştır. Acaba genom dili, 3 nükleotitli bir diziden daha az sayıda diziye dayanan şekilde inşa edilebilir miydi? Yani bizim şu anda sahip olduğumuz 3 nükleotit üzerine kurulu olan genomik dil, daha az sayıda nükleotit üzerine kurulabilir mi? Özellikle de üçlü nükleotitlerden oluşan dörtlülerin aynı aminoasidi kodluyor olması ve bunlardan sadece ilk iki nükleotitin aminoasidi belirlemeye yetiyor da artıyor olması, böyle bir olasılığı destekleyen bir gerçektir. Belki de antik genomik dil, sadece tekli koda dayanıyordu. Yani A, U, G ve C, sadece 4 adet aminoasidi kodluyordu! Daha sonradan bu tekli kod, ikili koda evrimleşmiş olabilir. Bu basit evrimsel sıçrama, 4 aminoasit yerine 16 ayrı aminoasidin kodlanabilmesini (AA, AU, AG, ...) mümkün kılmıştır. Bu 16 aminoasit dizgisinden 15 tanesi gerçek aminoasitleri, 1 tanesi ise okumayı durduran dizge olabilir. Nihayet, bu ikili kod da evrimleşerek, günümüzde var olan üçlü kodu ortaya çıkarmış olabilir. 

Bu fikir her ne kadar yüzeysel olarak çekici olsa da, genomik dilin bu şekilde evrimleştiği oldukça şüphelidir. Çünkü bu tip bir evrim gerçekleşecek olsaydı, her bir yeni basamakta (örneğin tekli koddan ikili koda geçildiğinde) ortaya çıkan yeni kombinasyonlar, bir önceki dilden oldukça farklı olacaktır. Örneğin ikili bir kodda mRNA tarafından kodlanan AU CG UU GU AG CG dizgesi, üçlü kod evrimleştiğinde AUC GUU GUA GCG şeklinde okunur ve tamamen farklı bir proteinin ortaya çıkmasına neden olurdu. Böylesine köklü bir değişimde, canlının hayatta kalmasını beklemek mümkün olmazdı.

Buna karşılık, bazı araştırmacılar, bu sorunu çözen çok ilginç bir olasılık üzerinde durmaktadırlar: Belki de ikili kodun üçlü koda evrimi, dilin doğrudan değişmesi anlamına gelmiyordu; ancak ikili kodda var olan bir şey, üçüncü koda geçişi kolaylaştırmıştı: nükleotit ayrıştırıcılar. Bunları bir metin yazarken kullandığınız "boşluk" tuşuna benzetebilirsiniz. Boşluk, kelimeler arasındaki ayrımı yapmaktadır. Günümüzdeki üçlü dilin boşluksuz yapıda olduğunu söylemiştik; kodonları birbirinden ayıran nükleotitler bulunmamaktadır. Ancak eğer ki ikili kodun üzerine bir de nükleotit boşlukları (nükleotit ayrıştırıcılar) eklenecek olursa, üçlü kodun ikili koddan evrimleşmesi mümkün olabilir!

Bu olasılığı mekanik incelemeler doğrulamaktadır. Tek başına tekli veya ikili kodun tRNA antikodonu ile mRA kodonu arasında stabil bir eşleşme kurabilmesi pek mümkün gözükmemektedir. Eğer ki dörtlü veya beşli bir kod olsaydı da, bu çok "yapışkan" olurdu. Yani muhtemelen dörtlü ya da beşli kodonlar da çalışabilirdi (örneğin AUU yerine AAUGU gibi bir kodon). Ancak bu kodonların kimyasal olarak birleşip, okunduktan sonra, birbirlerinden ayrışması uzun sürebilirdi. Bu da, DNA'nın yeterince hızlı okunmasına engel olurdu. Bu nedenle birçok uzman, üçlü kodun daha en başından üçlü olacak şekilde sabitlendiğini düşünmektedir. Yani ortamda tekli, ikili, hatta dörtlü, beşli, vs. kodlar bulunabilir; ancak üçlü kod, tekli veya ikili koddan doğrudan evrimleşmiş olmamalıdır. Üçlü kodonun bir avantajı da, üçlü antikodonun genişliğinin en az yer işgal ettiğini belirten uzmanlar da bulunmaktadır. Bu en az boşluk sayesinde tRNA moleküllerinin birbirine yeterince yakın durabilirler. 

 

Evrensel Genetik Kodun Evrim Ağacı

 

Antik Genetik Koddan, Modern Genetik Koda Evrimsel Ara Basamaklar

Bu durumda, elimizde üçlü bir kod dili var; ancak ilk başta bu üçlü kod muhtemelen bu kadar fazla sayıda bir aminoasit çeşitliliğini kodlamıyordu. Bu noktadan sonra günümüze kadar olan evrimi mümkün kılan 3 ara geçiş basamağı tanımlayabiliriz:

• Eşlenmeler sırasında meydana gelen hatalar (mutasyonlar) dolayısıyla oluşan nükleotit yer değiştirmeleri, olabildiğince az sayıda aminoasit değişimi yaratacak şekilde özelleşmelidir.

• Aminoasit başına düşen farklı kodon sayısı, söz konusu aminoasitlerin proteinler içerisinde bulunma sıklığıyla genel olarak orantılı olmalıdır.

• mRNA-tRNA çevrimi sırasında meydana gelen hatalar, olabildiğince az büyük değişime neden olmalıdır.

Görebileceğiniz gibi bu basamaklar oldukça mantıklı seçilim baskılarıdır ve günümüzde de bu tip seçilim baskılarını canlılar üzerinde görmek mümkündür. Dolayısıyla geçmişte, bu üç basamağı ayrı ayrı ya da farklı kombinasyonlar halinde sağlayanlar, bunu yapamayanlara göre avantajlı konuma geçmiş olmalıdır. Nihayetinde, bu üçünü birden başarabilen genomik dil, artık "donmuş kaza" haline gelecektir ve değişmeyecektir. İşte Crick'in sözünü ettiği evrimsel değişim ve sabitlenme, tam olarak budur! Bu, diğer organizma seviyelerinde de gördüğümüz bir durumdur. Örneğin denizel canlılar, karasal canlılara evrimleştiklerinde, parmak sayıları da seçilime uğramıştır. Bir elinde 5, 6, 7 ve hatta 8 parmak bulunan atalarımızdan sadece 5 parmaklı olanlar seçilmiştir. Bu özellik, olduğu gibi sabitlenmiş ve o atadan sonraki bütün torunlara aktarılmıştır. Bu nedenle günümüzdeki karasal omurgalıların uzuvlarında 5 parmak bulunur. Keza, omurgalı hayvanlarda "omurga" yapısı bir kez evrimleştikten sonra, yüz milyonlarca yıl boyunca sabitlenip kalmıştır. Tüm bunlar, donmuş kazalara örneklerdir. 

Evrim, yukarıdaki ara basamaklardan ilkine yönelik olarak, tek bir aminoasit tarafından kullanılan kodon sayısını arttırmaya yönelik bir seçilim uygulayacaktır. Böylece rastgele baz değişimleri olsa bile, aynı aminoasit kodlanabilecektir. Daha önceden sözünü ettiğimiz "gereksiz fazlalık", tam da bunun bir ispatıdır! Tek bir aminoasit, birden fazla kodon tarafından kodlanabilir. Bu fazlalılığın getirdiği bir diğer avantaj, "anlamsız mutasyonlar" ve "durdurucu mutasyonlar" denen bir grup mutasyonun etkilerini en aza indiriyor olmasıdır. Anlamsız (veya durdurucu) mutasyonlar, normalde aminoasit kodlayan bir kodonun, mutasyon sebebiyle, okumayı durdurucu bir kodona (örneğin UAG veya UGA) dönüşmesidir. Gereksiz fazlalığın bulunması sebebiyle, mutasyonların çoğu bu şekilde anlamsız mutasyon değildir; sadece bir aminoasidi diğerine dönüştürür. Ayrıca, bu gereksiz fazlalılığı dengeleyen ilginç bir seçilim baskısı da vardır: Kod sözlüğü kısıtlıdır; sadece 64 üçlü kod bulunmaktadır. Bu durumda, yeterli sayıda aminoasidin kodlanabilmesi için, tek bir aminoasidin abartılı sayıda kodu işgal etmemesi gerekir. Örneğin tek bir aminoasit 30 farklı kodon ile kodlanacak olsaydı, geriye kalan 19 aminoasidi yalnızca 34 kodon kodlayabilirdi. Bu nedenle birçok aminoasit 1-4 farklı kodon ile kodlanacak şekilde özelleşmiştir. 

Yukarıda saydığımız ara basamaklardan ikincisine yönelik baskıyı da günümüz aminoasit ve kodon dağılımlarında görebilmekteyiz. Gerçekten de, bir protein içerisinde belirli bir aminoasidin bulunma sıklığı ile, kodon sayısı arasında bir orantı bulunmaktadır. 53 farklı omurgalıdan alınan 5492 ayrı nükleotit pozisyonu üzerinde yapılan br çalışma, söz konusu aminoasit ve kodon sayısı arasındaki ilişkinin 0.89 oranlarında olduğunu göstermiştir. Eğer ki bu oran 1 olsaydı, %100 ilişkiden söz ediyor olurduk. 0 olsaydı, arada hiçbir ilişki yok demek olacaktı. %89'luk bir uyum, hipotezimizi doğrulamaktadır: Bir aminoasit ne kadar sık bulunuyorsa, o kadar fazla sayıda kodon işgal etmektedir. En sık bulunan aminoasitlerden biri olan serin, 6 ayrı kodonla kodlanmaktadır (UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC). En az bulunan triptofan, sadece 1 kodonla kodlanmaktadır (UGG). Dolayısıyla aminoasitler ile onları kodlayacak olan kodonlar, evrimsel bir seçilim baskısı sonucunda belirlenmiş olabilir.

Belki aradaki ilişkinin neden %100 olmadığı kafanıza takılabilir. İki aminoasit, bu durumu bozmaktadır: Arjinin, 6 ayrı kodonla kodlanmasına rağmen (yani kodon sözlüğünün %9.8'ini işgal etmesine rağmen), birçok proteinde %5'ten az görülür. Buna karşılık, lisin aminoaidi sadece 2 kodonla kodlanmasına rağmen (yani sözlüğün %3.3'ünü işgal etmesine rağmen), proteinler içerisinde %6.6 oranında bulunur. Bunun nedenlerini inceleyen bilim insanları, arjinin üzerinde meydana gelen mutasyonların lisinde meydana gelen mutasyonlara nazaran genellikle daha zararlı etkilere neden olduğunu ortaya koymuşlardır. Jukes tarafından 1974 yılında yapılan bir araştırma, arjininin göreceli olarak daha yakın zamanda evrimleşmiş bir aminoasit olduğunu göstermektedir. Aynı araştırma, arjininin evrimsel tarihini de açığa çıkarmaktadır: Üre döngüsü (idrar döngüsü) sırasında meydana gelen bir mutasyon, arjinin aminoasidini doğurmuş olabilir! Üre döngüsünde bulunan ornitin isimli bir aminoasit, sitruline dönüşür; o da arjinosusinik aside... Bu asitten de arjinin oluşur ve üre döngüsüne dahil olur.

Arjinin, üre döngüsündeki ornitin isimli bir başka aminoasit tarafından kullanılan tRNA moleküllerine yapısal olarak fazlasıyla çekim duyar; yani bu tRNA moleküllerine bağlanmaya çalışır. Arjinin, ornitine göre daha basit yapılı bir aminoasit olduğu için, bazı proteinlerde çeşitli yapısal avantajlar sağlamış olması çok olasıdır. Bu nedenle arjinin, zamanla ornitin aminoasidinin yerini almıştır ve bu aminoasitlerden geriye kalan görevler de lisin tarafından üstlenilmiştir; çünkü lisin de yapısal olarak ornitine kısmen de olsa benzemektedir. Jukes'un araştırmasına göre, evrim tarihinde muhtemelen 6 farklı kodon tarafından kodlanan ornitin yerine, sadece 2 kodonlu lisinin o görevleri üstlendiği görülmektedir. Yani evrimsel süreçte daha uygun bir aminoasit ortaya çıktığında, sağlanan avantaj nedeniyle genetik dil de değişmiştir. 

Son olarak, yukarıdaki ara basamaklardan üçüncüsüne bakalım: translasyon sırasında olan hataları en aza indirgemek... Bu, muhtemelen genomik dili en fazla etkileyen evrimsel baskılardan birisidir. Örneğin, üçüncü kodon pozisyonundaki gereksiz fazlalığı, eğer ki bu pozisyondaki mutasyonlar en fazla zarara neden olan mutasyonlar ise görmeyi bekleriz. Sonuçta bu pozisyonda meydana gelen mutasyonlar zararlıysa, o mutasyonların meydana gelmesi halinde bile aynı aminoasidin üretilmesi avantaj sağlardı; çünkü mutasyondan doğan söz konusu zarar ortaya çıkamazdı. Gerçekten de, üçüncü pozisyonda meydana gelecek mutasyonlar, eğer ki bu pozisyondaki farklılıklar aynı aminoasidi kodlamıyor olsaydı, en fazla yapısal zararı verecek olan mutasyonlardır. Bunu bilimsel olarak nasıl test ederiz? Üçüncü pozisyondan sonra, birinci veya ikinci pozisyonlar arasından hangisinin daha zararlı mutasyonlara ev sahipliği yaptığına bakarak. Sonrasında da, bunlardaki varyasyon sıklığını incelersek ve eğer ki zararlı mutasyon görülme olasılığı ile varyasyon arasında bir ilişki tespit edersek, hipotezimiz doğrulanmış olacaktır. Gerçekten de, üçüncü pozisyondan sonra en fazla zararlı mutasyon oluşma olasılığı olan kodon pozisyonu birinci pozisyondur. Ve yine, gerçekten de, birinci pozisyondaki gereksiz fazlalık miktarı, ikinci pozisyona göre daha fazladır. Örneğin UUA lösini kodlarken, CUA da lösini kodlar. Hatta daha da ilginci, birinci pozisyonda meydana gelen mutasyonlar, benzer fonksiyona sahip aminoasitlerin yer değiştirmesine de neden olabilir. Örneğin UUA lösini kodlarken, GUA, lösin ile çok benzer görevlere sahip olan valini kodlar. 

Bu durumda sözünü etmediğimiz bir kodon pozisyonu kaldı: ikinci pozisyon. Yapılan araştırmalar, ikinci kodon pozisyonunun evrim tarihinde, birbirinden farklı ve eşsiz görevleri olan, büyük aminoasit sınıflarını birbirinden ayırmak için kullanılmış olabileceğini göstermektedir. Genomik dil içerisinde böylesi bir kategorizasyonun evrimleşmesi, sınıflar arası mutasyonların en aza indirgenmesini mümkün kılacaktır. Böylece sınıf-içi mutasyonlar meydana gelip de, benzer görevli aminoaisitler yer değiştirecek olsa bile, sınıflar arası, yani birbirinden farklı aminoasitler pek sık yer değiştirmeyecektir. Böylesi bir gruplanmanın izlerine, günümüzdeki genomik dilde de rastlamaktayız. Lösin, izolösin ve valin gibi aminoasitlerin her birinin ikinci pozisyonunda U bulunur. Bu aminoasitlerin hepsi (ve çoğunlukla bunları barındıran proteinler), aynı zamanda hidrofobik aminoasitlerdir; yani sudan korkarlar (uzak dururlar). İkinci pozisyonunda A bulunan aminoasitlerinse (örneğin glutamik asit, histidin ve aspartik asit) her biri hidrofiliktir; yani suyu severler. 

 

Sonuç

Uzun lafın kısası, üçlü genetik kodun evrim tarihinde kısmen daha az sayıda aminoasidi kodlamış olması veya sadece ikinci kodon pozisyonu üzerinden belirlenen bir aminoasit kategorizasyonu yapacak şekilde evrimleşmiş olması olasıdır. Zaman geçtikçe, ilk kodon pozisyonu da önemli görevler üstlenmeye başlamıştır. Nihayetinde, üçüncü aminoasidin de kodon repertuvarını genişletmekte kullanılması mümkün olmuştur. Yani belki üçlü kodon, tekli veya ikili kodonlardan evrimleşmemiştir; ancak üçlü kodon da kendi içerisinde bir kademeli evrim sürecinden geçmiş olmalıdır. Genetik translasyon olayı (protein üretimi) yeterince stabil bir şekilde sağlanabilmeye başlandıktan sonra, kodonlar arasında bir miktar yer değiştirme de mümkün olmuştur. Üçüncü pozisyonda meydana gelen gereksiz fazlalık durumu, sadece mutasyonlara karşı bir direnç sağlamayı mümkün kılmamıştır; aynı zamanda DNA okunma hızını arttırarak da hücrelere ve organizmalara avantaj sağlamıştır.

Jukes tarafından 1983 yılında yayınlanan bir makalede, 15 aminoasidi kodlayan 16 antikodonlu bir atasal genomik dil ve 18 aminoasidi kodlayan 31 antikodonlu bir ara geçiş dili ileri sürülmüş, bunlar üzerinden günümüzdeki 20 aminoasidi kodlayan 43 antikodonluk dil sistemine geçiş yapılmıştır. Bu tip basit antikodonların var olmuş olabileceğine yönelik destek de, günümüzdeki mitokondrilerden gelmektedir. Mitokondri DNA'sı son derece küçük ve fonksiyonel olarak kısıtlı olduğu için, tek bir aminoasidin tek bir antikodona denk gelmesi ekonomik bir avantaj sağlamaktadır. Sonrasında, bu antikodonun çiftlenmesi ve mutasyona uğraması ile, aynı aminoasidi kodlayan ikinci bir kodon evrimleşmiş olabilir. Örneğin, antik bir genomik dil içerisinde AAU antikodonu, fenilalanin aminoasidine yapışacak tRNA'yı kodluyor olabilir. Sonrasında, bu AAU antikodonu çoklanarak, iki ayrı kopyaya dönüşmüştür - ki bunu, evrim tarihinde çok sık bir şekilde görmekteyiz; hatta günümüzde de bu tip çoklanma tipi mutasyonlara sıklıkla rastlamaktayız. AAU'nun üçüncü pozisyonunda meydana gelen bir mutasyon, AAG'yi oluşturmuş olabilir; ancak bu, aynı aminoaside karşılık gelmneye devam etmiştir. Çünkü AAG antikodonu, sadece UUU ve UUC kodonları ile eşleşebilir. Buna karşılık AAU antikodonu, sadece UUA ve UUG ile eşleşebilir. Dolayısıyla her ne kadar iki atasal tRNA antikodonu da fenilalanine karşılık geliyor olsa da, AAU versiyonu mutasyona uğralayarak fenilalanin yerine lösine bağlanmaya başlayabilir. Dolayısıyla sırf bu basit mutasyon dolayısıyla UUA ve UUG kodonları bir anda lösin aminoasidine karşılık gelmeye başlayabilir. Bu çok olasıdır; çünkü bir tRNA antikodonunun hangi kodona bağlanacağını belirleyen aminoasit-aktifleştirici enzimler bulunmaktadır. Örneğin, bazı mutasyonlar, normalde sadece X aminoasidine bağlanan bir tRNA'nın, yepyeni bir Y aminoasidine bağlanmasına neden olabilir. Benzer şekilde, aminoasit-aktifleştirici enzimlerde meydana gelen bir mutasyon, Z aminoasidinin Y'ye bağlanan tRNA'ya bağlanmaya başlamasını mümkün kılabilir. Jukes ve arkadaşlarının belirttiğine göre, bu tip bir "aminoasilasyon" olayı, kısmen az sayıda protein üreten mitokondrilerin genetik kodunda meydana geldiği için, ilkin canlılarda da meydana gelmiş olabilir. Bu sayede, tRNA moleküllerinin sayısı giderek artar ve yeni aminoasitler koda dahil olur. 

Evrensel Genetik Dilin Evrimindeki Olası Ara Basamaklar

 

Görünen o ki, en eski ve ilk defa canlılığa adım atan atalarımızda 20 aminoasit her işi görmeye yeterli olmuştur. Çünkü unutmayın: Biz hep 20 aminoaside odaklanıyor olsak da, bugüne kadar tanımlanmış 500'den fazla aminoasit bulunmaktadır. Bu 20 aminoasit, bizlerin vücudunda bulunan ve canlılığın yapısına katılan aminoasitlerdir; o nedenle özel bir ilgi görürler. Eğer ki atalarımızda 20 değil de, 200 adet aminoasit vücuda ve sürece dahil olmuş olsaydı, belki günümüzde çok daha farklı yapılar ve çok farklı bir genomik dil görmemiz mümkün olabilirdi. Ancak 20 aminoasit yeterli olmuştur ve genomik dil, o noktada "donmuştur". Bu donma olayı, anlık bir olay değildir. Bir kere işe yarar bir genomik dil elde edildikten sonra, gelecek nesillerde de hep aynı dil kullanılır. Elbette süreç içerisinde ufak tefek değişimler yaşanmış olabilir; ancak genomik dilin özü, o noktadan sonra pek değişmemiştir. Öyle ki, Osawa tarafından yapılan bazı araştırmalar, söz konusu genomik dilin bazı basit yapılı genomlarda halen evrimleştiğini göstermektedir. Özellikle mitokondriyal DNA üzerindeki aminoasit kompozisyonları ve okumayı durdurucu mutasyonlar, bildiğimiz diğer genomlara göre çok daha dirençlidir. Osawa'nın tespitlerine göre mutasyon ya da seçilim etkisiyle bazı kullanılmayan kodonlar yeni işlevler kazanabilir veya halihazırda işlevi olan kodonlar, bu görevlerini yitirebilirler veya yeni görevler üstlenebilirler.

Genomik dilin tam olarak nasıl evrimleştiğini belki de hiçbir zaman çözemeyeceğiz; çünkü cansızlıktan canlılığa ilk adımlarını atan atalarımızda bir kere sabitlendikten sonra, pek fazla değişime uğramadı. Ve bizlerin, o zamanlara geri dönme şansımız (şimdilik) bulunmuyor. Ancak doğanın dikkatli ve zekice incelenmesi, çok ilginç tespitlerde bulunmamızı mümkün kılabilmektedir. Bu dikkatli gözlem ve incelemeler, her bir canlının vücudunu inşa eden yapıların evrimsel tarihini ortaya çıkarmaya yarayabilir. Tek yapmamız gereken, doğaya kulak vermek ve ondan olabildiğince fazla şey öğrenmek. Çünkü bizi var eden o. Evrimin nasıl ve neden o şekilde olduğunu da, ondan daha iyi bilen kimse veya hiçbir şey yok.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. Evolution, Monroe Strickberger, 3. Baskı, sf. 149-154
  2. Evolution of the Genetic Code
  3. Angewandte Chemie
  4. Microbiological Reviews
6 Yorum