Evrimde "De Novo" Gen Oluşumu: Evrim, Genleri Sıfırdan Nasıl Oluşturur?

Bilim insanları uzun zamandır evrimin mevcut genleri tamir ederek yeni bir gen ortaya çıkardığını düşünüyorlardı. Ama evrimin çok daha yaratıcı olduğu anlaşıldı.

Morina balığının bazı türleri, donmayı önleyen yeni bir gene sahip. Kışın en soğuk günlerinde buz kaplı Arktik okyanusunda (kuzey kutbu) suyun sıcaklığı 0’ın altına düşebilir. Bu sıcaklık birçok balığı dondurabilir ama morina balığını değil. Kanındaki ve dokularındaki bir protein, minik buz kristallerine bağlanır ve buz kristallerinin büyümesini önler.

Biyolog Helle Tessand Baalsrud bu ilgi çekici yeteneğin doğasını açıklamak istedi. O ve Oslo Üniversitesi'ndeki ekibi, antifriz genini taşıyan akrabalarını bulabileceklerini düşünerek, Atlantik morinalarının (Gadus morhua) ve en yakın akrabalarının genomlarını taradılar. Aama gene rastlayamadılar. Araştırma sırasında yeni anne olan Baalsrud, uykusuzluğu yüzünden bir şeylerin gözünden kaçtığını düşündü.

Ancak daha sonra “genlerin her zaman var olanlardan evrimleşmediği” fikri ile karşılaştı. Bazıları genomun boş kısımlarından biçimlendirilebilirdi. Balık genomlarını tekrar incelediğinde, balıkların yaşamda kalmaları için elzem olan bu proteinin, sıfırdan oluşmuş olabileceği fikrine vardı. Ondan bağımsız olarak bazı diğer araştırmacılar da aynı sonuca varmıştı.

Morina balığı bu konuda yalnız da değildi. Araştırmacılar son 5 yılda araştırdıkları her soyda bu yeni karşılaşılan de novo genlerin (E.N. Latincede "sıfırdan", "yeniden" anlamına gelen bir sözcüktür; bu bağlamda, bir diğer genin kopyası olmadan, sıfırdan üretilen genlerdir) sayısız özelliği ile karşılaştılar. Meyve sinekleri, fareler, çeşitli mahsul bitkileri ve insanlar da bu örneklerin içerisindedir (genler beyin ve testis dokusunda, bazıları ise çeşitli kanser türlerinde görülmüştür).

De novo genler, Evrim Teorisi'nin bazı kısımlarının yeniden düşünülmesine bile yol açmaktadır. Geleneksel olarak mevcut genlerin tesadüfen, kopyalama sırasındaki bir hata ile, başka bir genle harmanlanması ile veya parçalanma sonucu yeni genlerin ortaya çıktığı düşünülüyordu; ancak şimdi bazı araştırmacılar de novo genlerin oldukça yaygın olabileceğini düşünüyor: Bazı çalışmalar, genlerin en az onda birinin de novo olabileceğini öne sürüyor. Dahası; gen çoğalmasından ziyade, daha fazla genin de novo olarak, sıfırdan ortaya çıkabileceği tahmin ediliyor. Bu genlerin varlığı, bizim bir gen nasıl oluşur anlayışımızı sorgulatmakta ve bazı genlerin henüz kodlanmamış DNA parçasından oluştuğunu göstermektedir. İnsan beynindeki de novo genlerin rolünü inceleyen bir genetikçi olan ve Pekin'deki Çin Bilimler Akademisi'nden Yong Zhang şöyle diyor:

Organizmaların bu şekilde yeni genler kazanabilme yeteneği, evrimin “imkansız gibi görünen bir şeyi mümkün kılmak için esnekliğinin” kanıtıdır.

Ancak araştırmacılar henüz bir genin, kesin bir şekilde de novo olarak nasıl tanımlanacağını çözemediler ve hala ne kadar ve ne sıklıkta doğdukları konusu bilinmiyor. Bilim insanları, bu kadar genetik materyal varken, evrimin neden sıfırdan genler ürettiğini de merak ediyor. Bu sorular, bu alanda daha ne kadar işin başında olduğumuzun da bir işareti. Baalsrud, şöyle diyor:

De novo genlerin evrimleşebileceğinin reddedildiği dönemler pek de eski değil.

Yeni Bilgiler

1970'lerde, genetikçiler evrimi oldukça muhafazakar bir süreç olarak görüyorlardı. Susumu Ohno, çoğu genin “kopyalama” yoluyla evrimleştiği hipotezini ortaya koyduğunda, “evrimde ‘de novo’ [sıfırdan, yepyeni bir şekilde] hiçbir şey oluşamayacağını, her yeni gen’in zaten var olan bir genden kaynaklanmış olmalısı gerektiğini” yazmıştır.

Gen duplikasyonu (kromozoma veya gene ait bir parçanın aynı kromozom/gen üzerinde birden fazla kopyasının bulunması) hatası DNA çoklanması (ikileşmesi) sırasında oluşur. Nesiller boyunca, genler değişim geçirir ve birbirinden uzaklaşır, böylece sonunda her biri kendi işlevine sahip farklı molekülleri kodlar hale gelirler. 1970'lerden bu yana araştırmacılar, evrimin genlerle nasıl değişimi tetiklediğine dair onlarca örneğe ulaşmıştır: Var olan genler türler arasında parçalanabiliyor veya “yanal olarak transfer edilebiliyor. Ancak tüm bu yöntemlerin ana malzemesi, halihazırda var olan kodlardır.

Ama genomlar (bir organizmanın DNA moleküllerinin bütünü), sadece genlerden fazlasıdır: Örneğin insan genomunun ancak yüzde birkaçı “gen kodlamak” için çalışmaktadır. DNA’nın önemli bir kısmı da “hurda DNA” (önemsiz, işe yaramaz DNA) olarak adlandırılmaktadır. Bunlarında bazıları gen olarak işlevleri olmadığı halde, protein kodlayan genlerle aynı özellikleri taşırlar.

Bilim insanları, 21. yüzyıl öncesinde de, DNA'nın kodlamayan bölümlerinin proteinler için yeni fonksiyonel kodlara yol açabileceği konusunda ipuçlarını görmeye başladılar. Araştırmacılar; genetik dizilim yakın akrabaların tüm genomlarını karşılaştırabilecekleri noktaya geldikçe, genlerin evrim sırasında hızlı bir şekilde kaybolacağına dair kanıt bulmaya başladılar. Bu, genlerin bu kadar hızlı bir şekilde nasıl ortaya çıktıkları sorusunu merak etmelerini sağladı.

2006 ve 2007'de, Kaliforniya Üniversitesi'nden evrim genetikçisi David Begun’un “meyve sineklerinde de novo gen oluşumu” üzerine makalesi, birçok kişi için bu alandaki ilk makale sayılmaktadır. Çalışmalar, bu genlerin erkek üremesinde görülmesini sağladı: Begun, bu genlerin testislerde ve testis bezinde konumlandığını, yeni bir genin doğumunda, cinsel seçilimin evrimsel gücünün harekete geçirici olduğunu açıkladı.

Bundan kısa bir süre önce, İspanya, Barselona'daki Hospital del Mar Tıbbi Araştırma Enstitüsü'ndeki evrim genomisti Mar Albà, genç bir genin, daha hızlı evrimleşme eğiliminde olduğunu göstermiştir. Genç genler tarafından kodlanan moleküllerin daha fazla kusurlu ve ayarlama ihtiyacı göstermesi nedeniyle bunların de novo genlerden oluştuğunu düşünmüştür (daha yaşlı genler tarafından kodlanan moleküller önceki yapılarına daha kusursuz bir biçimde bağlı kalıyordu). Hem Albà hem de Begun konuyla ilgili ilk çalışmalarını yayınlamanın zor olduğunu hatırlıyor. Albà şöyle diyor:

Çok fazla şüphecilik vardı. O günlerden bu günlere nasıl gelindi, şaşırtıcı.

Çalışmalar, de novo genlerin ne yaptığını da ortaya çıkarmaya başladı. Bir gen, örneğin Fare Kulağı Teresinin (Arabidopsis thaliana) nişasta üretmesine izin verir, diğeri ise maya hücrelerinin büyümesine yardımcı olur. Konakları için neler yaptıklarını anlamak, neden var olduklarını açıklamaya yardımcı olmaktadır - neden mevcut malzemelerden gelişmek yerine sıfırdan yaratmanın avantajlı olduğunu da. Begun şöyle diyor:

Ne yaptıklarını anlamadığımız takdirde, bu genlerin neden geliştiğini anlamayacağız.

Eşlik Eden Genler

De novo genlerin incelenmesi, parça genetiği, parça düşünce deneyi olarak ortaya çıkıyor. Pennsylvania'daki Pittsburgh Üniversitesi'nden Anne-Ruxandra Carvunis, şöyle diyor:

Alanımız neden bu kadar zor? Felsefi meseleler yüzünden.

Carvunis'in aklında on yıldır sorduğu bir soru var: Gen nedir? Bir gen, genel olarak fonksiyonel bir molekülü kodlayan bir DNA veya RNA dizisi olarak tanımlanır. Ancak örneğin maya genomu, teorik olarak proteinlere çevrilebilecek açık okuma çerçeveleri (ORF'ler) olarak bilinen yüz binlerce diziye sahiptir, ancak genetikçiler bunların benzerlerine oranla çok daha kısa ve farklı olduklarını düşünmektedirler.

Carvunis doktora çalışması için maya ORF'lerini okuduğunda, bu bölümlerin tamamının uykuda kalmadığından şüphelenmeye başladı. 2012 yılında yayınlanan bir çalışmada, bu ORF'lerin RNA'ya kopyalanıp dönüştürülmediğine ve proteinlere çevrilip çevrilmediğine baktı (genler gibi çoğu da oradaydı). Her ne kadar proteinlerin maya için faydalı olup olmadığı veya bir işleve hizmet etmek için yeterince yüksek seviyelere çevrilip çevrilmedikleri belirgin olmamasına rağmen. Carvunis şöyle diyor:

Peki bir gen nedir? Bilmiyorum.

Yine de bulduğunu düşündüğü şey, "evrim için bir ham madde, bir rezervuar".

Beklemede olan bu genlerin bazıları -Carvunis ve meslektaşları proto-genler diye isimlendirmişlerdir- DNA'yı proteinlere dönüştürmek için gereken daha uzun dizilere ve daha fazla talimata sahiptirler. Proto-genler, kodlanmayan materyali gerçek genlere dönüştürme denemeleri için verimli bir test alanı sağlayabilir. Trinity College Dublin'de moleküler evrim üzerinde çalışan Aoife McLysaght şöyle diyor:

Bu bir beta lansmanı gibi...

Hatta bazı araştırmacılar, kodlanmayan materyali ifade etme konusunda gözlemlerin ötesine geçerek organizmaları manipüle etme noktasına gelmişlerdir. Michael Knopp ve İsveç Uppsala Üniversitesi'ndeki meslektaşları, rastgele oluşturulmuş ORF'lerin Escherichia coli'ye yerleştirilmesinin, bakterinin antibiyotiklere direncini artırabildiğini, bir sekansın 48 kat dirençli bir peptid ürettiğini gösterdiler.

Benzer bir yaklaşım kullanarak, Diethard Tautz ve Plön, Max Planck Evrimsel Biyoloji Enstitüsü'ndeki ekibi, sekansların yarısının bakterinin büyümesini yavaşlattığını ve çeyreğinin de hızlandığını gösterdi - ama onların sonuçları halen tartışılmaktadır. Bu tür çalışmalar rastgele dizilerden gelen peptitlerin şaşırtıcı biçimde işlevsel olabileceğini göstermektedir. Tucson'daki Arizona Üniversitesi'nden evrimsel biyolog Joanna Masel şöyle diyor:

Ancak DNA'nın rastgele dizileri, reaktif ve tehlikeli olarak toplanıp kötü şeyler yapma eğiliminde olan peptidleri de kodlayabilir.

Bu dizileri düşük seviyelerde ifade etmek, doğal seçilimin potansiyel olarak tehlikeli kısımları (dağınık ya da yanlış katlanmış proteinler yaratan kısımlar) dışarıda bırakmasına yardımcı olabilir, böylece kalanlar muhtemelen iyi huylu olacaktırlar. Albà şöyle diyor:

Kodlama yapmayan bölgelerden gen üretmenin, diğer gen üretme yöntemlerine göre daha fazla fayda sağlayabilir. Gen kopyalama, atalarıyla birebir benzer proteinler üreten “çok muhafazakar bir mekanizma”dır; bunun aksine de novo genlerin belirgin şekilde farklı moleküller üretmesi muhtemeldir.

Bu, de novo genlerin, köklü gen ve protein şablonlarına uymalarını zorlaştırabilir - ancak bazı yeni görevlere daha uygun olabilirler.

Örneğin yeni bir gen, organizmanın bulunduğu ortamdaki bir değişikliğe hızlı bir şekilde cevap vermesini sağlayabilir. Bu duruma örnek, Kuzey Yarımküre yaklaşık 15 milyon yıl önce soğuduğunda antifriz proteinini edinen morina için geçerli gibi görünüyor.

Doğum Oranı

De novo genlerin hangi organizmanın genlerinden üretildiğini bulmak için, araştırmacılar organizma ve yakın akrabalarına ait kapsamlı dizilere ihtiyaç duyarlar. Pirinç, bu çalışma için uygun bir bitkidir. Çin'in güneyinde bulunan tropik bir ada olan Hainan'ın, yüksek sıcaklık yüzünden zorlu çalışma koşullarına sahip olsada, aynı sıcaklık pirinç yetiştirmek için de mükemmel ortamı sağlamaktadır. Chicago Üniversitesi, Illinois Üniversitesi'nden evrimsel genetikçi Manyuan Long şöyle diyor:

Burası korkunçtur. O kadar sıcak ki, kum üzerinde yumurta pişirebilirsin!

Long’un ekibi, Oryza sativa japonicane alt türünden olan pirinçlerde ne kadar de novo gen oluştuğunu ve bu genlerin hangi proteinleri üretebileceğini öğrenmek istedi. Böylece ekip bu pirinç türünün genomunu ve yakın akrabalarının genomlarını karşılaştırarak sıraladı ve gen içeren bölgeleri seçmek için bir algoritma kullandı, bazılarında bu genlerin olmadığını gördü. Bu, araştırmacıların söz konusu ‘gene’ yol açan kodlanmayan DNA'yı belirlemelerine ve bir gen olma yolundaki yolculuğunu izlemelerine olanak verdi. Ayrıca, (Oryza sativa japonicane) pirinç türünde ortaya çıkan de novo genlerin sayısını da arttırabilirler: 3.4 milyon yıllık evrimde 175 gen (aynı dönemde, tür, dublikasyondan 8 kez daha fazla gen kazandı).

Çalışma, alanın en büyük sorusunun cevabını arıyor: bir genin gerçekten de novo olup olmadığını nasıl söyleyeceğimize. Cevaplar sıra dışı bir şekilde değişmekte ve yaklaşımlar hala gelişmektedir. Örneğin, ilk çalışmaların birinde, bir primatta 15 de novo gen buldu; daha sonraki bir çalışmada da, insanda 60 de novo gen bulundu.

Aday de novo genleri bulmak için benzer türler üzerinde algoritma ile arama yapılmaktadır. Eğer hiçbir şey görünmezse, o zaman genin de novo olması mümkündür. Ancak bir akraba bulamamak, akrabası olmadığı anlamına gelmez: gen, yol akrabalarından çok uzak bir şekilde şekil değiştirmiş olabilir. Pirinç denemesi, kodlayıcı olmayan DNA parçalarının de novo genler haline dönüştüklerini açıkça göstermiştir. Tautz şöyle diyor:

Uzun evrimsel süreçte (ki pirincin milyon yıllık evrim süreci bunun yanında çok kısa kalır), bir de novo genini ve atalarından çok uzak bir yerde ayrılan bir tanesini ayırt etmek zordur; bu nedenle, kaç genin de novo ile kaç genin duplikasyon yöntemi ile oluştuğunu belirlemek hemen hemen imkansızdır.

Farklı yöntemlerin sonuçlarının ne kadar değişken olabileceğini göstermek için, College Station'daki Texas A&M Üniversitesi'ndeki evrimsel genetikçi Claudio Casola, önceki çalışmaların sonuçlarını yeniden analiz etmek için alternatif yaklaşımlar kullandı ve de novo olarak tespit edilen genlerin %40'ını doğrulayamadı. Casola şöyle diyor:

Bu, testleri standartlaştırma ihtiyacına işaret ediyor. Şu anda, çok tutarsız görünüyor.

İnsan genomundaki de novo genlerin sayılmasında da, aynı soru yaşanmaktadır. Ancak de novo genlerin tespit edildiği yerlerde, araştırmacılar sağlık ve hastalıktaki rollerini keşfetmeye başlıyor. Zhang ve arkadaşları, insanlara özgü bir genin, Alzheimer hastalığı olan insanların beyninde daha yüksek düzeyde ifade edildiğini ve önceki çalışmalarda, genin bazı varyantlarını nikotin bağımlılığına bağladığını bulmuşlardır. Zhang için de novo genler insan beynine bağlayan araştırmalar titizlik gösteriyor. Şöyle diyor:

Bizi insan yapan şeyin beynimiz olduğunu biliyoruz. Beynimizin gelişimini zorlamak için bazı genetik kitlerin olması gerekiyor.

Bu, gelecekteki çalışmalar için bir yol sunuyor. Zhang, araştırmacıların, model organ olarak görev yapan insan organoit kültürlü hücreleri ile deneyler yaparak genetik malzemeyi de araştırabileceğini öne sürüyor.

De novo genler kanseri anlamada işimize yarayabilir. İnsanlara ve şempanzelere özgü bu tür bir gen, farelerde kanserin ilerlemesi ile ilişkilendirilmiştir. Ve insan papilloma virüsünün kansere neden olan versiyonları, kansere neden olmayan formlarda bulunmayan bir geni içerir.

Birçok de novo genin karakteristik özelliği yoktur, bu nedenle sürecin sağlık ve hastalık için potansiyel önemi belirsizdir. Carvunis şöyle diyor:

Bu genlerin, insan sağlığına ve insan türünün kökenine ne ölçüde katkıda bulunduğunu tam olarak anlamamız biraz zaman alacak.

De novo genler gizemli kalsa da, onların varlığı bir şeyi açıklığa kavuşturur: Evrim, basitçe, hiçbir şeyden bir şeyler yapabilir. Casola şöyle diyor:

De novo genlerle çalışmanın en güzel yanlarından biri, genomların stabil değil hareketli olduklarını görmektir.