Bilim İnsanları, Test Tüpünde Alternatif Evrim Tarihleri Yaratıyor!

Chicago Üniversitesi'ndeki bilim insanları, ilk çağlardan kalma bir proteinin çok sayıda genetik varyantını inceleyerek evrimin birçok yolla gerçekleşebileceğini keşfetti ve tesadüfün evrim tarihinde çok önemli bir rol oynayabileceğini ortaya koydu.

Chicago Üniversitesi’nde lisansüstü öğrencisi olan Tyler Starr ve danışmanı Profesör Joseph Thornton tarafından Eylül 2017’de Nature'da yayımlanan bu çalışma, çok sayıda protein varyant koleksiyonunu karakterize eden en modern tekniklerle yeniden yapılandırılmış ilk çağlardan kalma proteinleri derin mutasyon taramasına (deep mutational scanning: çok sayıda protein varyantının aktivitesini tek bir deneyde ölçmek için kullanılan yöntem) tabi tutan ilk araştırmadır. Yazarların stratejisi, evrimin daha önce izlediği yolu, izleyebileceği milyonlarca alternatif yolla karşılaştırmalarını sağladı.

Araştırmacılar çalışmalarına günümüzde insan biyolojisi için kritik bir işlevi olan ve 500 milyon yıl önce yeni bir işlev geliştirmiş ilk çağlardan kalma bir proteini diriltmeyle başladılar. Büyük bir genetik varyant koleksiyonunu sentezlediler ve proteinlerin işlevlerini analiz etmek için derin mutasyon taraması kullandılar. Proteinin geçmişte geliştirdiği bu işleviyle ya da daha iyi bir işlevle evrimleşebileceği 800'ün üzerinde farklı yol buldular.

Araştırmacılar protein tarihinin başlangıcındaki tesadüfi mutasyonların daha sonra meydana gelebilecek mutasyonları belirlemede önemli bir rol oynadığını gösterdiler. Sonuç olarak evrimin spesifik sonucunun, bir seri tesadüfi olaylar zincirinin oluşma biçimine son derece bağlı olduğu görüldü. Chicago Üniversitesi’nde biyokimya ve moleküler biyoloji alanında yüksek lisans öğrencisi olan ve bu deneyleri yapan Tyler Starr şunları söylüyor:

Geçmişte gerçekleşen yolu, aynı sonucu verebilecek diğer tüm yollarla karşılaştırarak kendine has (idiosinkratik) evrimin ne olduğunu gördük. İnsanlar, biyolojideki her şeyin işlevine göre mükemmel biçimde adapte olduğunu varsayıyorlardı. Yaptığımız deneylerin sonucunda, bugünkü haline evrimleşmiş olanın [proteinin], işlevsel olarak benzeri hatta daha iyisi olabilecek olasılıklardan sadece biri olduğunu gördük.

Moleküler zaman yolculuğu

Chicago Üniversitesi'nde hem ekoloji ve evrim hem de insan genetiği profesörü olan Joe Thornton, ilk çağlardan kalma proteinlerin yeniden yapılandırılmasıyla ilgili olan “moleküler zaman yolculuğu” araştırmalarına son 15 yıldır öncülük etmektedir. Bu ekip 2013'te, testosteron ve östrojen gibi hormonların eşeyli üreme, gelişme, fizyoloji ve kanser üzerindeki etkilerine aracılık eden ve steroid hormon reseptörleri denilen bir protein ailesinin atalarının işlevlerini canlandırdı ve analiz etti. Vücudun çeşitli reseptörleri farklı hormonları tanır ve farklı hedef genlerin ifadesini aktive eder. Bu durum, özellikle hedeflerin yakınında bulunan ve tepki elemanları olarak adlandırılan DNA dizilerine bağlanarak gerçekleştirilir.

Thornton'un grubu, günümüze ait yüzlerce reseptör diziliminden oluşan bir veri tabanını kullanarak yaşam ağacını istatistiksel yöntemlerle geri döndürüp ilk çağlardan kalma reseptör proteinlerinin genetik dizilimlerini çıkardılar. Daha sonra da ilk çağlardan kalma bu proteinlere karşılık gelen genleri sentezleyip laboratuvarda ifade ettiler ve işlevlerini ölçtüler.

Araştırmacılar, protein ailesinin atalarının östrojen reseptörü gibi davrandığını (sadece östrojenleri tanıyarak östrojene tepki veren elemanlara bağlandığını), ancak belirli bir tarih aralığı boyunca diğer steroid hormonlarını tanıyabilen ve yeni bir tepki elemanı kategorisine bağlanabilen bir altsoya evrimleştiğini buldular. Omurgalı hayvanların ortaya çıkmasından önce üç önemli mutasyonun, atalara ait reseptörün yeni hedef dizilimlere bağlanma kabiliyetini geliştirmesine neden olduğunu buldular.

Bu çalışma, mevcut araştırmayı yeni bir aşamaya getirdi. Thornton'un grubu, geçmişte evrimin tam anlamıyla nasıl gerçekleştiğini bilerek şunları sorguladı: Bu yol yeni işlevi evrimleştirecek tek yol muydu? En yararlı olan mı, yoksa başarılması en kolay olan mı seçilmişti ya da birçok olasılıktan sadece biri mi izlenmişti?

Alternatif geçmişler

Starr, lisansüstü öğrenciliğinin ilk yılında bu proje üzerinde çalışmaya başladı. Atasal reseptörün çok sayıda varyantını, yeni tepki elemanlarına bağlanma yetenekleri açısından değerlendiren bir teknik geliştirdi. İlk olarak, içinde atasal veya yeni tepki elemanlarının bir floresan muhabir genini ifade edeceği mayaları geliştirdi. Ardından, DNA'yı tanıyan reseptörün dört önemli bölgesindeki olası tüm amino asit kombinasyonlarını içeren atasal protein koleksiyonunu sentezledi, böylece proteinin bu kritik bölümünün izleyebileceği tüm olası evrim yollarını, ki toplamda 160.000 taneydi, kapsamış oldu ve bu koleksiyonu geliştirdiği mayaya kattı. Lazerle çalışan bir cihaz kullanarak yüz milyonlarca maya hücresini florışıma yapıp yapmadıklarına göre ayırdı ve daha sonra her bir reseptör varyantını atasal işlevi ve yeni işlevi yerine getirme yeteneği ile ilişkilendirmek için yüksek verimli dizileme (high-throughput sequencing) yöntemini kullandı.

Varyantların çoğu hiçbir işe yaramadı ve bazıları atasal işlevini sürdürdü. Ancak Starr, proteinin geçmişte geliştirdiğine benzer, hatta ondan daha iyi olacak şekilde yeni işlevi de yerine getirebilen 828 yeni protein versiyonu buldu. Dikkat çekici bir şekilde, evrim bunların birçoğuna tarihsel “çözüm”den çok daha kolay bir şekilde erişebilirdi, ancak erişmedi. Görünüşe göre bedenlerimizdeki proteinin versiyonuna gelene kadar olası mutasyonlar arasında dolanıp durdu. Thornton şöyle diyor:

Hepimiz bu protein için aynı gen dizisini paylaşıyoruz, bu yüzden evrimsel bir kader gibi görünebilir, sanki mümkün olan en iyi versiyona ulaşmışız gibi. Ama evrimin gerçekleşebileceği yüzlerce başka yön vardı. Birkaç tesadüfi adımın bizi bu tekil tesadüfi sonuca getirmesi dışında, gerçekleşmiş olan geçmişin özel bir yanı yok.

Derin mutasyon taraması evrimsel biyologlar, genetik uzmanları ve biyokimyagerler için güçlü bir araç olacaktır. Ben de olası sonuçlar dizisinin zaman içinde nasıl değiştiğini görmek için tarihin farklı noktalarındaki ardıl atalara bu yaklaşımı uygulamayı dört gözle bekliyorum.

Geçmişe dönmek için moleküler bir zaman makinemiz var ve geçmiş gidebildiğimizde, gerçekleşebilecek her alternatif geçmişi eşzamanlı olarak izleyebiliriz. Bu, her evrimsel biyoloğun hayalinin moleküler versiyonudur.