MikroRNA ve Hızlı Evrim: Düzenleyici RNA Parçaları, Kısa Sürede Yepyeni Türlerin Evrimine Neden Olabiliyor!

Evrimsel biyologlar, bir türün iki yeni türe evrimleşmesi süresinde, popülasyonları arasındaki coğrafi engellerin belirleyici bir rol oynadığını biliyorlar. Allopatrik türleşme adı verilen bu türleşmede bir tür, fiziksel olarak iki veya daha fazla izole popülasyona ayrılır, böylece bu gruplar arasındaki gen akışı engellenir. Böylelikle alt popülasyonlar, kendi yaşam alanlarına uyum sağlar ve farklı özellikleri olan, bağımsız türlere dönüşür. Bu, evrimsel türleşmenin yaygın yöntemidir.

Simpatrik Türleşme Mümkün mü?

Ancak son yıllarda, Konstanz Üniversitesi'nden evrimsel biyolog Profesör Axel Meyer, yeni türlerin ortak bir habitat içinde, aralarında coğrafi izolasyon olmaksızın, gen akışının devam ettiği ortamlarda, simpatrik türleşme adı verilen bir evrimleşme süreci sonucunda, kaynak popülasyondan iki yeni türün evrimleşebileceğini kanıtlamakla kalmayıp, aynı zamanda bu tip türleşmenin tahmin edilenden çok daha yaygın olabileceğini de gösterdi.

Coğrafi engelleri olmayan farklı ekolojik nişlere evrimsel olarak bölünmüş soyları içeren simpatrik türleşme, evrimsel biyolojideki en tartışmalı konulardan biridir.^{[1], [2], [3], [4]} Bu tartışma, kısmen, gen akışının olduğu ortamlarda fenotipik ve genetik ıraksama (farklılaşma) üreten mekanizmaların tam olarak anlaşılmamış olmasından kaynaklanmaktadır.^{[5], [6]}

Elbette, farklı ekolojik nişlerde yaşayan popülasyonların maruz kaldığı farklı seçim rejimlerinin, farklı popülasyonlarda yeni genetik varyantların birikmesine yol açması gerektiği açıktır.^[7] Yine de, gen akışı ve rekombinasyonun bu varyantları homojenleştirmesi ve fiziksel bağlantılarını kırarak faydalı allel kombinasyonlarını bozması da beklendik bir sonuçtur.^{[8], [9]} Bu nedenle, sempatik türleşmenin uzun zamandır olası olmayan bir türleşme modu olduğu düşünülüyordu.

Bununla birlikte, son birkaç on yılda, birkaç teorik model ve ampirik çalışma, gen akışıyla türleşmenin şaşırtıcı derecede yaygın olabileceğini öne sürdü.^{[10], [11]} Dahası, adaptif ıraksamayı etkileyen lokusların, çok az fiziksel bağlantı sergilemesine veya hiç göstermemesine rağmen, bağlantı dengesizliği veya alellerin farklı lokuslarda rastgele olmayan birlikteliği sergileyebileceği artık açıktır.^{[8], [12]}

Bu çerçevede, "Simpatrik türleşmeyi kolaylaştıran adaptif özelliklerin belirli genetik mimarileri var mı?", "Farklı gen ekspresyonu özellik varyasyonu ile nasıl ilişkilidir?", "Bu ayrışmayı teşvik etmede gen düzenleyici mekanizmaların rolleri nelerdir?" gibi gen akışı karşısında ayrışmayı teşvik eden moleküler mekanizmalarla ilgili daha önce araştırılamayacak bazı sorular, artık ele alınabilir. "Genomik çağın" gelişiyle ve büyük ölçekli dizileme ve güçlü biyoinformatik araçların artan kullanılabilirliğiyle birlikte, artık sempatik ayrışmanın moleküler temeli hakkındaki soruları daha önce görülmemiş bir güç ve çözünürlükle ele alabiliriz.^{[13], [14]}

İşte Meyer'in ekibi, simpatrik türleşmenin gerçekleşmesine olanak tanıyan hem ekolojik hem de genetik mekanizmaları araştırmaktadır. Yakın zamanda Molecular Biology and Evolution adlı bilimsel dergide yayınlanan bir makalede; Axel Meyer ve meslektaşları Paolo Franchini, Peiwen Xiong, Carmelo Fruciano, Ralf Schneider, Joost Woltering ve Darrin Hulsey, bir tür genetik anahtar olarak tanımlanabilecek mikroRNA'ların simpatrik türleşmede oynadığı belirleyici rolü tanımladı.^[15]

Çiklitlerin Hızlı Evrimi

Axel Meyer liderliğindeki araştırmacılar, araştırmalarında model sistem olarak Nikaragua'nın volkanik krater göllerindeki Midas çiklit balıklarını inceliyorlar. Çiklitler, yeni ortamlara son derece hızlı bir şekilde uyum sağlama ve yeni türler oluşturma kabiliyetleriyle tanınır.

Bu yeni balık türü, Nikaragua'nın büyük göllerinde bulunan bir popülasyondan köken almaktadır; fakat bu ortak atadan ayrılan birkaç soy hattı, birden fazla küçük ve genç krater gölünü kolonileştirdikten sonra yeni ekolojik nişlere de adapte olmuşlardır. Yeni ortamlarına göre evrimleşen balıklarda, örneğin daha uzun bir gövde veya farklı bir çene gibi yeni özellikler evrimleşmiştir ve tüm bu balıklar, 22.000 yıldan daha kısa bir süre içinde çeşitli yeni türlere dönüşmüşlerdir.^{[16], [17]} Bu Midas çiklitlerinin bir diğer karakteristik özelliği, küçük krater gölleri içindeki farklı ekolojik nişlere uyum sağlayarak, bazen tekrar tekrar, aynı popülasyon içinde farklı türlere evrimleşmeleridir. Yani bu balıklar, sadece yeni göllere ulaştıklarında türleşmezler; aynı göl içinde de birkaç yeni türe evrimleşebilirler.

Molecular Biology and Evolution

Nikaragua'daki Midas çiklitleri, sempatrik türleşmenin en iyi bilinen örneklerinden biridir. Bu kadar kısa bir süre içinde yeni mutasyonların meydana gelmesi ve seçilmesi pek olası görülmediği için; farklı vücut şekillerini, uyarlamaları ve dolayısıyla farklı ekolojik nişleri ortaya çıkarabilecek moleküler mekanizmayı keşfetme çabalarını tetiklemiştir. Oldukça zor ve ilginç araştırmalar sonucunda; mikroRNA'ların ve genlerin ifadesini düzenlediği yeni hedef bölgelerinin evriminin, aşırı genç türler arasında çok az sayıda genetik farklılık ile çok hızlı bir evrimsel değişimi meydana getirebilecek potansiyel bir moleküler mekanizma sağladığı keşfedilmiştir.

Bir Evrim Mekanizması Olarak MikroRNA!

Konstanz Üniversitesi'nden biyologlar, Apoyo ve Xiloá krater göllerinden beş Midas çiklit türünün genetik analizlerini gerçekleştirdi. Burada, özellikle mikroRNA adı verilen, gen ifadesi üzerinde düzenleyici bir etkiye sahip kodlayıcı olmayan bir ribonükleik asitlerin işlevine odaklandılar.

Araştırmacılar, genç balıklarda, balık gövdelerinin oluştuğu bir aşamada yumurtadan çıktıktan bir gün sonra artış gösteren mikroRNA aktivitesi buldular. MikroRNA ve gen ifadesi arasındaki etkileşimi analiz edip belirli mikroRNA çiftlerini ve birbirini etkileyen genleri belirlediler.

MikroRNA, hedef genlerin ifadesini baskıladığı için bunlar üzerinde düzenleyici bir etkiye sahiptir: Belirli bir mikroRNA ne kadar aktifse, hedef gen o kadar etkili bir şekilde bastırılır veya "kapatılır". Paolo Franchini şöyle diyor:

Araştırma sonuçlarımız, son derece hızlı gelişen mikroRNA düzenlemesinin Midas çiklitlerinin hızlı simpatrik türleşmesine katkıda bulunduğuna dair güçlü kanıtlar sunuyor.

Tarihsel olarak, uyarlanabilir evrimin altında yatan moleküler mekanizmaları araştıran çalışmalar, protein kodlayan dizi varyasyonuna odaklanmıştır.^{[18], [19]} Britten ve Davidson tarafından 1969 yılında yapılan çığır açıcı akademik çalışmalar sonrasında gen düzenlemesi, tür farklılaşmasının ana itici güçlerinden biri olarak giderek daha fazla kabul edilmeye başlanmıştır. Yine de, gen ekspresyonundaki değişikliklerin genellikle fenotipik sapmanın altında yattığı hipotezi, yalnızca gen ekspresyonunun nicel tahminlerine izin veren yaklaşımların geliştirilmesiyle test edilebilir hale geldi.^[20]

Şimdi, gen düzenlemesi, adaptif evrimin altında yatan en hızlı ve en etkili mekanizmalardan biri olarak kabul ediliyor ve özellikle türleşmenin ilk aşamalarıyla ilgili olduğu düşünülüyor.^{[21], [22], [23], [24]} Yaygın olarak ifade edilen protein kodlama dizilerindeki sinonim olmayan (fark yaratan) değişiklikler, fenotip üzerinde büyük pleiotropik etkiler (aynı genin birden fazla özelliği etkilediği değişimler) yaratabilmesine rağmen; transkripsiyon faktörleri, DNA metilasyonu ve mikroRNA'lar (miRNA'lar) gibi gen düzenleyici mekanizmalar daha ince ayarlanmış bir sonuç üretebilir. Adaptasyonu ve potansiyel olarak üreme izolasyonunu kolaylaştıran gen ifadesini değiştirerek, gen regülasyonu, gen akışı karşısında bile genetik temelli ayrışmanın temelini oluşturabilir.

Molecular Biology and Evolution

Artık miRNA'ların, mRNA'lara hedeflenen bağlanma ile mRNA bölünmesi ve/veya translasyonel bastırma yoluyla gen ekspresyonunu doğrudan aşağı regüle edebildiği bilinmektedir.^{[25], [26]} Ek olarak, miRNA'ların, hücresel farklılaşma, hücre kaderi belirleme, proliferasyon ve doku gelişimi gibi farklı süreçlerde yer alan birçok proteini düzenlediği gösterilmiştir.^{[27], [28]} Transkripsiyon sonrası gen ekspresyonunun temel düzenleyicileri olarak miRNA'lar; ayrıca çevresel adaptasyona, fenotipik çeşitlendirmeye ve türleşmeye katkıda bulunabilir.^{[29], [30]} Protein kodlayan genlerin çoğu miRNA'lar tarafından düzenlenir ve miRNA'ların ekspresyonu genellikle sıkı zamansal ve uzamsal kontrol altındadır.^[31] Ayrıca, ayrı ayrı genler, ilgili bağlanma yerleri mevcut olduğunda birden fazla miRNA tarafından düzenlenebilir.

İşte yeni deneyde de gösterildiği üzere, miRNA'lar aracılığıyla gerçekleşen posttranskripsiyonel düzenleme, muhtemelen Nikaragua gölündeki Midas çiklit balıklarının sempatik ayrışmasında rol oynamıştır. Araştırmacılar, birkaç bin yıldan fazla bir süredir farklılaşan çiklit balıklarında, birden fazla miRNA ve bunların hedef genleri için türe özgü ifade alanları bulmayı başarmışlardır.

Birlikte ele alındığında, bu sonuçlar, genel olarak adaptif radyasyonlarda hızlı evrimsel sapma sırasında miRNA regülasyonunun ve özellikle de Midas çiklitlerinin rolünü araştırmak için yeni yollar açmıştır. Midas türleri arasında birçok farklı şekilde ifade edilmiş miRNA/gen çifti vardır, bu da bu çiftler arasındaki fonksiyonel bağlantının, gen akışının varlığında bile fenotipik ayrışmaya katkıda bulunduğunu düşündürmektedir. Bu sonuçlar, miRNA düzenlemesinin, gen akışı varlığında bile hızlı evrimsel sapmaya katkıda bulunabileceğine dair güçlü kanıtlar sağlamıştır. Elbette bu miRNA'lar ve bunların hedef bölgelerinin bir kısmı, bu türlerin bazılarında daha yeni evrimleştiği için, bu miRNA'ların düzenleyici kapasitesi, fenotipik ıraksama oluşturmadaki rollerini anlamak için daha fazla araştırılma gerekmektedir.