48 Kromozomlu Atalardan 46 Kromozomlu İnsan Nasıl Evrimleşti?

Evrimsel biyolojinin gelişmesi ve interdisipliner olarak hemen her bilim dalında kullanılmaya başlanmasıyla birlikte artık kesin olarak biliyoruz ki insan da sıradan bir hayvan türüdür. Her canlı gibi, insan da diğer tüm canlılarla evrimsel bir geçmişi paylaşmaktadır.

Benzer şekilde kesin olarak bildiğimiz bir diğer nokta, insanın bu akıl almaz sayıdaki canlıların her biriyle akraba olduğu, ancak en yakın akrabasının Pan cinsi, yani şempanzeler ve bonobolar olduğudur. Ondan sonra sırasıyla goriller ve orangutanlar gelir.

Tüm yakın kuzenlerimizde (şempanzeler, bonobolar, goriller, orangutanlar) 24 çift ya da 48 adet kromozom bulunur. Biz insanlarda ise 23 çift, ya da 46 kromozom bulunmaktadır. Occam'ın Usturası çerçevesinde düşünecek olursak, şempanzeler ve diğer yakın kuzenlerimizle ortak atamızın da 48 kromozomlu olduğunu düşünmek mantıklıdır.

Bu durumda elimizde kritik bir soru bulunmaktadır: Eğer insanların ataları 48 kromozomlu idiyse, nasıl oldu da bu atalardan 46 kromozomlu torunlar evrimleşebildi? Nasıl oldu da bu 46 kromozomlu torunlar günümüzde baskın hale geldi ve artık hiç "48 kromozomlu insan"lara rastlanmamaktadır?

Kromozomları Anlamak

Bu noktada, şu bilgi önem arz etmektedir: Esasında kromozomların sayıca azalması veya artması durumu pek de anormal değildir ve doğada sıklıkla görülür.

Kromozomlar, burada ayrıntısıyla açıkladığımız gibi, aslında DNA'nın paketlenme biçimi demektir. Yani kromozom kendi başına pek de anlamlı değildir. Asıl anlam, içerisinde barındırdığı DNA'da ve genlerde yatmaktadır. Kromozomlar, yalnızca ve yalnızca bu uzun DNA bilgisinin nasıl "paketlendiği" ile ilgilidir.

Kromozomların 1, 2, 3, 4... diye sıralanmasının hiçbir anlamlı nedeni yoktur. Bilim insanları, kolaylık olması için kromozomları en kısadan en uzuna doğru sıralamayı seçmişlerdir. Örneğin X kromozomonun adının "X" olmasının sebebi, içerisinde barındırdığı upuzun DNA şeridinin bir X harfine benzer şekilde paketlenmiş, dizilmiş olmasıdır. Y kromozomu için de benzer bir durum geçerlidir.

Flickr

İşte insanda, bu ve benzeri tip kromozomlardan 23 çift kromozom bulunmaktadır. Burada bilinmesi gereken kritik bir diğer nokta, aslında bir çiftin aslen bir kromozom olduğu; mayoz bölünme öncesinde tekil halde bulunurken de "kromozom" olarak adlandırıldıkları, birleşik haldeykense her bir parçaya kromatit dendiğidir. Bunlarla ilgili detayları buradan öğrenebilirsiniz.

Mun

Şempanzede ise 24 çift kromozom bulunur. Tüm listeyi aşağıda görebilirsiniz:

Benzerlik çarpıcı, öyle değil mi? Sorumuza aradığımız cevaba yönelik ilk ipucunu, muhtemelen atalarımızın kromozomlarını daha iyi yansıtan bu yakın kuzenlerimizin kromozom setini incelediğimizde alıyoruz: Şempanzelerde bulunan 2A ve 2B kromozomlarına dikkatinizi çekeriz. Daha net görelim:

Indiana University

Devam etmeden önce son bir bilgi daha: Kromozomların uç kısımlarına telomer denir. İki kromatitin birleşerek tek bir kromozom halini aldıkları düğüm/boğum noktalarına ise sentromer denir. Genomu bilinen canlılarda, telomer ve sentromer yapıları nükleotit dizilerine bakarak rahatlıkla ayırt edilebilmektedir. Örneğin tüm omurgalı hayvanların kromozomlarında telomer bölgesi TTAGGG dizisinin yüzlerce, hatta binlerce defa tekrar ettiği bir bölgedir. Omurgalı bir hayvan olan insanda bu dizi telomer bölgelerinde yaklaşık olarak 2500 defa tekrar eder. Sentromerler ise biyokimyasal araçlar kullanılarak ve mayoz bölünme sırasında bu hücreler gözlenerek tespit edilebilmektedir. Telomer ve sentromerler, sorumuzun yanıtında kilit bir rol oynayacaktır.

Eksilmenin Nedeni: Robertson Tipi Yer Değiştirme Mutasyonu

Şimdi, bu noktayı anladıktan sonra, ikinci bir noktaya ve aslında bir tip mutasyona geçebiliriz: Robertson Tipi Yer Değiştirme Mutasyonu (Robertsonian Translocation Mutation).

Bu mutasyon tipinde, iki kromozom birbirine kaynar veya yapışır. Bu kaynama, çok farklı noktalarda meydana gelebilir. Şaşırtıcı olabilir; ancak bu mutasyon, canlılık tarihinde gördüğümüz en yaygın mutasyonlardan birisidir. İnsanlarda şu anda her 1000 doğumdan 1 tanesinde bu tarz bir mutasyon görülmektedir! Yani insanların evrimsel tarihindeki 48 kromozomun 46 kromozoma inmesi o kadar da sıradışı bir olay değildir. Öyle ki, insanlarda günümüzde 13, 14, 15, 21 ve 22 numaralı kromozomlarda bu tarz bir mutasyona sıklıkla rastlamaktayız! Ancak diğer canlılarda da bu oldukça yaygındır. Örneğin bu mutasyonu ilk tespit eden William Rees Brebner Robertson bunu 1916 yılında çekirge kromozomları üzerinde çalışmaktaydı.

Bu mutasyon genellikle akrosentrik sentromerlere sahip olan kromozomlarda görülmektedir. Bu tarz sentromerler, kromozomun tam ortasında değil de, bir ucuna daha yakın bir noktada oluşan düğüm noktalarıdır. Buna bağlı olarak kromozom upuzun bir kol ile çok daha kısa bir kola ayrılır. İşte çoğu geni üzerinde bulunduran uzun kollar, kimi zaman kaynaşarak tek bir kromozoma dönüşebilirler. Kısa kollar da birleşip bir diğer kromozom yaratabilirler; ancak bu daha kısa kromozomlarda daha az sayıda gen bulunduğu için genellikle elenirler.

School Bag

Her mutasyon gibi, bu mutasyon da faydalı ve zararlı etkilere sahip olabilir. Buna karar verecek olan, mutasyonun ne gibi bir etkiye neden olduğu ve bu etkinin sebep olduğu yeni fiziksel özelliklerin, canlının içinde bulunduğu çevrede avantaj mı, yoksa dezavantaj mı sağladığıdır. Hiçbir mutasyon, bu analiz yapılmaksızın, "evrensel olarak faydalı" veya "evrensel olarak zararlı" şeklinde kategorize edilemez.

Örneğin insanlarda, şu anki yaşam şartları altında, 21. kromozomun uzun kolu ile 14 veya 15. kromozomun uzun kolu aralıklarla birleşmektedir. Bu birleşmenin heterozigot taşıyıcıları tamamen normal bireylerdir! Hiçbir fiziksel anomali taşımazlar, rahatlıkla çiftleşebilirler; ancak çiftleşme sonucunda bir ihtimal Down Sendromlu bir yavru doğurabilirler. Down Sendromu genel olarak modern şartlardaki yaşam standardını düşürse de, türün yok olmasına sebep olacak kadar tehlikeli bir durum değildir.

İşte atalarımız, şempanzeler ile ortak olan atamızdan ayrıldıktan sonra bu tarz bir kromozom eksilmesi yaşamıştır.

Diğer Kuzenlerde Kromozom Artışı Olmuş Olmasın?

Neden şempanzeler kromozom artışı yaşamış olmasın diye sorabilirsiniz. Bu iki sebeple pek mümkün değildir: Birincisi, yeni bir kromozom kazanmanın, bir kromozom kaybetmeye göre çok daha zor olmasıdır. İkinci nedense, Occam'ın Usturası'dır: Diğer bütün kuyruksuz maymunlarda 48 adet kromozom bulunurken, sadece insanda 46 adet kromozom bulunması, diğer hepsinin bağımsız olarak kromozom kazanmasındansa, insanın kromozom kaybetmesini mantıklı kılmaktadır.

Sorunun Yanıtı: İkinci Kromozom!

Bilim insanları, şempanze ve insan genomu üzerinde ayrıntılı incelemeler yapmışlardır ve çok ilginç bir bulguya rastlamışlardır: Normalde, her kromozomda 1 sentromer (kromozomun ortasında) ve 2 telomer (iki uçta) bulunur. Ancak insana ait 2. kromozoma baktığımızda, ilginç bir yapı görmekteyiz. 2. kromozomumuzun ortasında telomer yapısına rastlamaktayız ve bu başka hiçbir kromozomumuzda olmayan, beklenmedik bir durum. Bu da bilim insanlarını, 2. kromozomun, iki adet şempanze kromozomunun kaynaşması sonucu oluştuğu, bu sebeple de 46 kromozoma sahip olduğumuz düşüncesine yöneltmiştir.

Günümüzde 2p ve 2q (kimi zamansa 2a ve 2b) olarak adlandırılan iki bağımsız şempanze kromozomu, insanların atalarında kaynaşarak tek bir kromozom haline gelmiştir! Bu kromozoma bugün "2. kromozom" adını vermekteyiz.

Bu konuyla ilgili çok daha detaylı bir yazımız bulunduğu için ve bu tarz kromozomal kaynaşmalar sadece insanlarda görüşmediği için burada insan örneğinin tüm detaylarına girmeyeceğiz. O yazımızı okumak için buraya tıklayabilirsiniz.

Doğadan Kromozomal Eksilme Örnekleri

Vahşi doğada atların 33 çift (66 adet) kromozomu bulunur. Ancak evcilleştirilmiş atlarda 32 çift kromozom bulunur. Bu kromozomal kaynaşma, son 6.000 yıl içinde yaşanmıştır! İnsanlarda yaşanan kaynaşmadan çok ama çok sonra!

Bir diğer ekstrem örnek ise kelebeklerdedir: Güney Amerikan Philaethria Kelebeği'nin kromozom sayısı 12 ile 88 arasında değişmektedir! Bu kadar farklı kromozom sayısına rağmen, nasıl olup da oluşan kelebeklerin hepsi "kelebek"tir ve temel olarak birbirine benzerler? Çünkü daha önce de belirttiğimiz gibi, paketlenmenin özel bir anlamı bulunmamaktadır. 12 kromozomlu paketlenme tipi ile 88 kromozomlu paketlenme tipi birbirinin aynı genomu, yani aynı DNA'yı taşıdığı sürece bir anlam ifade etmez.

48 Kromozomdan 46 Kromozoma Geçiş

48 kromozomlu bir popülasyondan 46 kromozomlu bir popülasyonu yaratmak imkansız değildir; ancak belirli zorlukların da aşılması gerekir. Burada dört olasılık karşımıza çıkıyor:

1. 46 kromozomlu bireylerin 48 kromozomlu atalarla çiftleşmesi
2. 47 kromozomlu bireylerin 47 kromozomlu atalarla çiftleşmesi
3. 47 kromozomlu bireylerin birbiriyle çiftleşmesi
4. 46 kromozomlu bireylerin birbiriyle çiftleşmesi

Her birini tek tek inceleyelim:

46 Kromozomlu Birey ile 48 Kromozomlu Bireyin Çiftleşmesi

46 kromozomlu bir bireyle, 48 kromozomlu bir birey çiftleşecek olursa ne olur? 47 kromozomlu bir yavru oluşur; çünkü 46 kromozomlu bireyin yumurta veya spermi 23 kromozom taşıyacaktır. 48 kromozomlu bireyinki ise 24 çift. Bunlar birleşince, 47 kromozomlu bir birey doğar. Bu bireyler genelde kısırdır; çünkü mayoz bölünme sonucu sağlıklı sperm ve yumurtalar üretemezler.

Fakat popülasyonda yeterince 47 kromozomlu "ara birey"lerin bulunması, 46 kromozoma giden evrimsel yolak açısından büyük öneme sahiptir. Çünkü bu bireylerin ataları veya birbiriyle çiftleşmesi, oldukça zengin bir olasılıklar ağını doğurmaktadır. Bunları inceleyelim:

47 Kromozomlu Birey ile 48 Kromozomlu Bireyin Çiftleşmesi

Teknik olarak 47 kromozomlu bir birey ile 48 kromozomlu bir birey çiftleşebilir. ancak istatistiki olarak çocuklarının %66'dan fazlası hayatta kalamayacaktır. Yani daha gebelik sırasında yavru ölecektir. Ancak yine de, bu ölümün kesin olmadığını ve belirli bir ihtimaller dahilinde gerçekleşeceğinin altını çizmekte fayda var.

Aslında "gebelikte ölüm" ("düşük") kulağa kötü gelse de, evrimsel açıdan fazlasıyla faydalıdır: Vahşi yaşamda, modern dünyadaki teknolojik ve tıbbi imkanlar bulunmadığı için, hayata tutunma şansı daha düşük olan bireyler bir an önce elenmelidir. Böylece ebeveynler çok kıymetli olan kaynaklarını başarısız bir yavruya harcamamış olurlar. Hayatta kalamayacak yavrunun daha doğmadan ölmesi önemli bir seçilimsel baskıdır.

%66'lık başarısız doğumlardan geriye %34 ihtimalle başarılı yavrular kalmaktadır. Ancak sağlıklı bir şekilde doğan bireylerin de bir sorunu var: Popülasyonları içindeki diğer 48 kromozomlular ile çiftleştiklerinde, yavruları ya kısır doğacak ya da 48 kromozomlu olacaktır. İnceleyelim:

Her insanda, yukarıda da değindiğimiz gibi, her kromozomdan iki tane bulunur. Yani kromozom 1'den iki tane, kromozom 2'den iki tane, vb. Mayoz sırasında her bir hücre bu kromozomlardan birini alır. Böylece, mayoz sonrasında kromozom sayısı yarıya iner. Ancak döllenmeyle birlikte oluşan zigot, hem anadan, hem babadan birer adet kromozom alacağı için, sayı tamamlanır. İşte eksik kromozomlularda sorun, burada başlamaktadır: Bu zigotlarda, bir tane çift olmayan kromozom ve bir tanesi fazla olan çiftlenmiş bir kromozom bulunur.

Stanford Üniversitesi'nin Tıp Okulu'ndan Dr. Barry Starr, bu durumu açıklamak için şöyle bir şema kullanmaktadır:

Stanford University

Yukarıdaki grafikte ilk sırada anne ve baba gözükmektedir. Bu bizim 48 kromozomlu ve 47 kromozomlu bireylerimiz olsun. Kolaylık olması açısından sadece 14 ve 15 numaralı kromozomlar gösterilmiş, diğer kromozomlara yer verilmemiştir. Diyelim ki sol taraftaki elips 48 kromozomlu anneyi, sağ taraftaki ise 47 kromozomlu babayı temsil etsin.

Annede (sol üst köşede) iki kromozom normal bir şekilde ayrışmaktadır. Dolayısıyla bu annenin ürettiği yumurta (hemen altında, okun ucunda gösterilmiştir), normal şekilde 14. ve 15. kromozomlardan birer tane içerecektir.

Sağ taraftaki baba (en sağ üst köşe) ise 47 kromozomludur. Göreceğiniz üzere 14 ve 15 numaralı kromozomlar kaynaşmış haldedir. Bunun vereceği spermlerde çok farklı kombinasyonlar görmek mümkündür: sadece 14. veya 15. kromozom olanlar, 14 ve 15'in düzgün ayrışabildikleri (tıpkı annede olduğu gibi), 14 ve 15. kromozomun kaynaştığı spermler, 14 ve 15'i kaynaşık olarak bulundurmanın yanı sıra 14 veya 15. kromozomun ikinci bir kopyasını taşıyan spermler... Her bir durum, sağlıklı dişi ile çiftleşme sonucu farklı nitelikte zigotlar doğuracaktır.

Bu zigotlar, en alt sırada gösterilmiştir. Üzeri çizili olanlar, kromozom eksikliği ya da fazlalığından dolayı düşük olacak olan, yani ölü bireylerdir. Diğerleri ise hayatta kalabilecek olan kombinasyonlardır. Dikkat edilecek olursa, 47 ve 48 kromozomlu iki bireyin çiftleşmesi sonucunda 6'da 4 ihtimalle (%66 civarı) ölü, 6'da 2 ihtimalle (%34 civarı) sağlıklı bireyler doğmaktadır.

Ancak sağlıklı doğan bireyleri incelediğimizde ilginç bir sonuç görürüz: Bu bireyler ya anneleri gibi 48 kromozomludur ya da babaları gibi 47 kromozomlu...

Dolayısıyla 46 kromozoma geçiş bu şekilde olamaz. Fakat bu çiftleşmenin her zaman ölümle sonuçlanmaması, popülasyon içindeki 47 kromozomlu birey sayısını arttırabilir.

Bu da bizi bir sonraki soruya götürür: Peki ya iki 47 kromozomlu birey birbiriyle çiftleşirse?

47 Kromozomlu Bireylerin Birbiriyle Çiftleşmesi

Bu senaryoda, kromozom eksikliğine sahip bireylerin birbiriyle çiftleşmesi durumu söz konusudur. Bunlar aynı kabileden olabileceği gibi, farklı kabilelerden bireyler de olabilir. Önemli olan kromozomlarının sayısıdır. Esasında aynı tip mutasyona sahip olan bireylerin denk gelmesi kısmen düşük ihtimalli olsa da, örneğin akraba olan bireylerde (kuzenler arasında) bu durum görülebilir ve bunların çiftleşme ihtimali oldukça yüksek olabilmektedir.

Şimdi, yine Dr. Starr'ın bu konuyla ilgili bir diğer şemasına bakalım:

Bu karmaşık tabloda gördüğümüz, bir önceki grafikte gördüğümüz "baba" ile benzer iki bireyin çiftleşmesi durumunda, her bir sperm ve yumurta olasılığının bir araya gelmesi halinde ne tarz bir tabloyla karşılaşacağımızdır.

Tablonda en üstteki 6 kutu babanın sperm ihtimallerini, en soldaki 6 kutu ise annenin yumurta ihtimallerini göstermektedir. Diğer bütün kutular, bunların eşleşmesi ihtimallerini ele almaktadır ve üzeri çizili olanlar hayatta kalamayacak kombinasyonları göstermektedir.

Bu şemada yavruların hayatta kalma olasılığının 36'da 8 (%22) civarında olduğu görülmektedir. Tüm yavruların 36'da 1'i (%3) ise iki kromozom açısından da kaynaşma durumuna sahip olacaktır (bu ihtimal, ortadaki yuvarlak içerisindekidir).

Tavlada 6-6 atmak ile eşit olan bu olasılık her tuttuğunda, 46 kromozomlu yavrular üreyecektir. İşte 48 kromozomdan 46 kromozomlu bireylerin evrimleşmesi bu şekilde mümkündür.

Ancak tek olasılık bu değildir.

46 Kromozomlu Bireylerin Birbiriyle Çiftleşmesi

Daha önceden her 1000 doğumdan 1'inin 46 kromozomlu olduğunu söylemiştik. Dolayısıyla 48 kromozomdan 46 kromozoma geçiş, söz konusu Robertson-tipi mutasyona sahip bireylerin birbirleriyle çiftleşmesi yoluyla olmalıdır.

Bu, eğer ki ortamda bir seçilim baskısı mevcutsa, makul bir opsiyon olabilir. Seçilim baskısından söz edebilmemiz içinse, 46 kromozomlu olmanın bir avantajı olmalıdır. İşte bu, iki önemli soruyu birden yanıtlamaktadır:

1. 46 kromozomlu torunlar nasıl kendi popülasyonlarını inşa ettiler?
2. 46 kromozomlu torunlar, nasıl oldu da 48 kromozomlu atalarına üstün geldiler?

Bunun en olası açıklaması, evrimin genetik sürüklenme mekanizmasıdır. Yani bir grup 46 kromozomlu insan atası, bir sebeple ana popülasyondan ayrılarak, kendi minik popülasyonlarını kurmuş olabilirler veya 48 kromozomluların bir sebeple yok olmuş olabilirler. "Darboğaz" olarak adlandırılan bu tip durumlar evrim tarihinde sıklıkla görülmektedir. Torunlar, popülasyonu inşa eden az sayıda bireyin gen havuzunu sürdürürler ve zaman içinde mutasyonlar ve eşeyli üreme gibi yollarla çeşitlenirler. Bu durumda, bir soru işareti doğabilir: 46 kromozomluluk, acaba bir fayda sağlıyor olabilir mi?

Yapılan bir çalışma, insanlardaki 46 kromozom ile diğer kuzenlerdeki 48 kromozom içindeki heterokromatin miktarını kıyaslayarak, 46 kromozomlu bireylerin değişken ortam şartlarına (özellikle de sıcak iklime) daha kolay adapte olabileceğini gösterdi. Yani atalarımızın orman yaşantısından çıkıp, savana yaşantısına geçişi, 46 kromozomlu olanların avantajlı konuma geçmesiyle örtüşüyor olabilir! Dahası, kromozomların kaynaması sırasında bazı yeni genler evrimleşmiş ve 46 kromozomlu bireylere avantaj katmış olabilir.

Sonuç

Kısacası, bu yöntemlerin bir araya gelmesi sonucunda evrimsel geçmişimizde bir noktada kromozom sayımız azalmış ve bir şekilde bu yeni kromozom durumundakiler üstün hale gelmiştir.