Evrimsel Duraksama: Genler Arası Rekabet, Evrimin Hızını Doğrudan Etkileyebilir!

Her ne kadar türleri yekpare varlıklar olarak düşünsek de, aslında her canlı modül adı verilen birçok parçanın bir araya gelmesiyle oluşan yapılar olarak düşünülmelidir. Bu modüller, yapısal hiyerarşinin her basamağında mevcuttur: En alt seviyede hücresel moleküller bir araya gelerek fonksiyonel moleküller üretir. Daha üst seviyede hücreler bir araya gelerek doku ve organlar gibi fonksiyonel parçaları oluşturur. Doku ve organlar organizmaları, organizmalar ise popülasyonları oluşturan modüler yapılardır.

Evrim, bu modüler hiyerarşinin herhangi bir basamağına etki edebilen bir süreç olduğu için, bilim insanları bir süredir bu modüllerin bir bütün olarak mı evrimleştiğini, yoksa farklı hızlarda mı evrimleştiğini çözmeye çalışıyorlar. Bugüne kadar organizmalar seviyesinde modüler yapıların bağımsız evrimine yönelik birçok örnek ileri sürüldü; bunları mozaik evrim ile ilgili yazımızdan okuyabilirsiniz. Ancak moleküler düzeyde bunu gösteren çok fazla örnek bulunmuyor.

Modüllerin farklı hızlarda evrimleşebiliyor olması, evrimsel değişimin hızını doğrudan etkileyen bir olgu. Örneğin klasik evrimsel teoride doğal seçilimin modüllerin performansını en uyumlu (optimal) noktaya kadar evrimleştireceği öngörülmektedir. Elbette her zaman mutlak optimum noktaya erişilemez; ancak efektif nötralite sınırı (İng: "margin of effective neutrality") denen bir sınıra ulaştıktan sonra doğal seçilim yavaşlayarak evrimsel süreç (en azından çevre şartları veya popülasyon dinamikleri değişene kadar) durma noktasına gelir.

Ancak eğer ki popülasyon "klonlanma yoluyla", yani eşeysiz olarak ürüyorsa, bu popülasyonda meydana gelen bir avantajlı mutasyonun evrimsel olarak sabitlenmesi (popülasyon içinde %100 sıklığa ulaşması) her zaman mümkün olmayabilir; çünkü aynı popülasyondaki bir başka faydalı mutasyonun etkisi altında diğer mutasyon başarısız kalabilir ve hatta tamamen elenebilir. Buna, klonal etkileşim (İng: "clonal interference")adı verilmektedir. Klonal etkileşim sonucunda bazı adaptif mutasyonların gölgelenmesine evrimsel duraksama (İng: "evolutionary stalling") denmektedir.

Arizona Üniversitesi'nden Dr. Betül Kacar ve ekibinin yaptığı bir çalışmada, klonal etkileşim etkisi altındaki popülasyonlarda, canlının farklı modüler yapılarında meydana gelen evrimsel değişimlerin efektif nötralite sınırına erişme dinamiklerinin klasik teoriden sapabileceği deneysel olarak gösterildi. Bu durum, söz konusu duraksamanın, doğal seçilim yoluyla olan evrimi kısıtlandırabileceğini gösteriyor.

Bu evrimsel duraksamanın niteliklerini anlamak (ve bu süreci karakterize etmek) önemli, çünkü evrimin hangi şartlar altında nasıl yaşandığını daha da iyi anlamamızı sağlayacak. Bu da, uzaydaki yaşam arayışı ve yaşamın farklı koşullar altında nasıl başlayıp, ne şekillerde karmaşıklaştığı sürecini anlamamızı kolaylaştıracak.

Bakterilerde Yapay Evrim

Kacar ve ekibinin çalışmasında, Escherichia coli bakterilerinin RNA'yı proteine dönüştürme (translasyon) mekanizmasında yer alan proteinler yapay olarak mutasyona uğratıldı. En uyumlu olmaktan uzak (sub-optimal) translasyon mekanizmalarına (TM) sahip E. coli bakterilerinin evrimleşmesi sürecinde farklı evrimsel patikaları takip ettikleri gösterildi. Ancak TM'ler zamanla efektif nötralite sınırına yaklaşsalar da, oraya ulaşamadan doğal seçilimin diğer modüllere kaydığı ve TM optimizasyonu sürecinin duraksadığı gösterildi. Bu durum, kimi canlıda klasik evrim teorisi tarafından öngörülenden de uzun bir sürede yaşanıyor olabileceğini gösteriyor.

Uzmanlar, bunu yapabilmek için translasyon sürecini ve bu süreçte görev alan proteinleri (ve bunları kodlayan genleri) özellikle tercih ettiler, çünkü günümüzde var olan TM'ler fazlasıyla optimize edilmiş mekanizmalardır. Dolayısıyla bu optimal durumdan saptırıldıklarında, o noktaya doğru geri evrimleşirken, bu optimal noktadan (ve efektif nötralite sınırından) ne kadar uzakta bulundukları çok daha kolay bir şekilde hesaplanabilir.

E. coli de dahil olmak üzere 4 diğer türde (Salmonell typhimurium, Yersinia enterocolitica, Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa) ve 1 adet atasal varyanttaki 2 farklı genin (tufA ve tufB) mutasyonu ile elde edilen varyantların, beklendiği gibi farklı uyum başarıları olduğu tespit edildi. Bu 6 soy hattının her biri 500.000 hücreyle başlayacak şekilde 10'ar adet popülasyon ürettikten sonra, hepsinin 1000 nesil boyunca evrimleşmesine izin verdiler.

Biorxiv

Beklendiği gibi, 1 tanesi hariç tüm popülasyonların uyum başarısı her nesilde giderek arttı. Popülasyonların ortalama uyum başarısı artışı, başlangıç popülasyonunun uyum başarısı ile ters orantılıydı. Bu durum, çok ciddi uyum başarısı kayıplarının bile kısa sürede evrim tarafından kapatılabildiğini gösteriyor.

Eşeysiz Üremede Klonal Etkileşim Evrimi Yavaşlatıyor!

Evrimleşme süreci boyunca farklı noktalardan örnekler alan araştırmacılar, bakterilerin bütün genomlarını tekrar tekrar dizileyerek hangi noktalarda mutasyonlar yaşandığını ve hangi kombinasyonların doğal seçilim yoluyla seçilip ayıklandığını tespit ettiler. Bu sayede evrimin genler düzeyinde bizzat gözlemeyi başardılar.

Biorxiv

Ekibin gözlemlerine göre TM'ye özgü mutasyonlar son derece sık bir şekilde yaşanmaktaydı ve bu mutasyonların uyum başarısına etkisi kimi zaman orijinal mutasyonlarla rekabete girebilecek kadar güçlüydü. Buna rağmen, klonal etkileşim olgusu, doğal seçilimin TM'yi tekrardan optimize etme başarısını düşürdüğü görüldü. Bu da, eşeysiz üreyen popülasyonlarda mutasyon çeşitliliğinin, sıklığının ve kronolojisinin evrimin gidişatını etkileyebileceği fikrini doğruluyor.

Evrimsel Duraksama, Optimumdan Uzakta Yaşanıyor

Ekibin çalışmasının ilginç bulgularından birisi, faydalı mutasyonların ne kadar sık oluştuğu ve doğal seçilimin bunları ne kadar seri bir şekilde seçebildiğiyle ilgili. Örneğin TM mutasyonlarının ortalamada sadece 300 nesilde sabitlenebildiğini gösterdiler (herhangi bir diğer mutasyonun sabitlenmesi yaklaşık 600 nesil sürmüştür).

Biorxiv

Çalışmanın bir diğer önemli bulgusu, bir mutasyonun maliyetinin artmasına bağlı olarak diğer mutasyonların ön plana çıkabiliyor olmasıdır. Araştırmacılar bunu, doğal seçilimin bir diğer modüle kayması olarak tanımlamaktadırlar. Zaten evrimsel duraksama denen olay da, buna bağlı olarak yaşanmaktadır. Araştırma sonuçlarına göre, TM'ye özgü mutasyonların maliyeti %3-19 civarına ulaştığında, doğal seçilim TM optimizasyonu yerine diğer modüllerin optimizasyonuna yönelmektedir. Bir diğer deyişle, genomun başka bölgelerinde yaşanan mutasyonlar, TM'ye özgü mutasyonlarla rekabete girmekte ve onları gölgede bırakabilmektedir.

Araştırmacıların bulgularına göre duraksama noktasına gelen bir evrimsel sürecin tekrardan yoluna devam edebilmesi için, kendisiyle rekabet eden diğer mutasyonların (ve modüler seçilimin) etkisinin azalması gerekmektedir. Ancak değişen çevre şartları altında diğer mutasyonların süreğenliği devam edebilir ve evrimleşmesini beklediğimiz asıl mekanizmaların evrimi aksayabilir. Bu nedenle evrimsel süreci, genomun tamamına yayılan genlerin birbiriyle etkileşiminden (epistasis kavramından) bağımsız olarak incelemek mümkün değildir. Kacar, araştırmanın önemini şöyle anlatıyor:

Sonuçlarımız, TM uyum başarısının yapısını aydınlatıyor ve bu zari moleküler makinanın nasıl evrimleştiğini anlamamızı sağlıyor. Yaşamın kökenini araştıranlar için bu bulgular, TM gibi temel bir mekanizmanın optimal noktaya tüm türlerin yaşamış son ortak atasından daha önce evrimleştiğini söylemektedir.