Moleküler Evrimde Karmaşıklık, Hiçbir Fayda Sağlamıyor Olmasına Rağmen Evrimleşmiş ve Soy Hatlarına Yapışıp Kalmış Olabilir!

Hücrelerimizdeki birçok protein, "multimerizasyon" adı verilen bir işlemle diğer proteinlerle birlikte belirli kompleksler oluşturur. Biyolojideki diğer karmaşıklık türleri gibi, multimerlerin de doğal seleksiyon tarafından tercih edilen fonksiyonel faydalar gösterdikleri için evrimsel süreçte varlıklarını sürdürdükleri düşünülmektedir. Kıdemli yazar ve Chicago Üniversitesinde insan genetiği, ekoloji ve evrim profesörü Joseph Thornton, bunu şöyle anlatıyor:

Karmaşıklığın nasıl evrimleştiği, evrimsel biyolojideki en büyük sorulardan biridir. Klasik açıklamalar, organizmaya bazı fonksiyonel faydalar sağladıkları için doğal seçilimin sürekli artan karmaşıklık durumlarına yöneldiği, bu yüzden karmaşık yapıların var olmaları gerektiği yönündedir. Açıkça bazı durumlarda karmaşıklık uyumsaldır, gözün evriminde olduğu gibi: Karmaşık yapıdaki göz, basit olandan daha iyi görür. Ancak moleküler düzeyde, karmaşıklığın yığılımını sağlayan diğer basit mekanizmaların olduğunu gördük. [E.N. Bu konuda daha önceden yayınladığımız bir yazıyı buradan okuyabilirsiniz.]

Nature

Thornton ve Chicago Üniversitesi doktora sonrası araştırmacısı Georg Hochberg tarafından yönlendirilen araştırma ekibi, "dimer" adı verilen çiftler halinde birleşen "steroid hormon reseptörleri" isimli protein ailesinde, multimerizasyonun evrimini incelemek üzere bir çalışma başlattı.

Bir çeşit moleküler "zaman yolculuğu" olan "atasal protein rekonstrüksiyonu" tekniğini kullandılar. Thornton, bunun laboratuvarda antik proteinleri yeniden yaratmalarına ve milyonlarca yıl önce gerçekleşen mutasyonlar tarafından nasıl etkilendiklerini deneysel olarak incelemelerine imkan sağladığını söyledi.

Şaşırtıcı bir şekilde antik proteinlerin dimer oluşturmak üzere bir araya geldiklerinde hiç dimer oluşturmak için evrimleşmemişler gibi çalıştıkları görüldü. Kompleksi oluşturmanın kullanışlı ya da yararlı hiçbir yanı yoktu.

Reseptörün dimerik formunu 450 milyon yıl boyunca neden sürdürdüğünün şaşırtıcı bir şekilde basit bir açıklaması olduğu ortaya çıktı. lmanya'nın Marburg kentindeki Max Planck Enstitüsünde grup lideri olan Hochberg, bunu şöyle açıklıyor:

Bu proteinler, kullanışlı bir yanı olmasa da yavaş yavaş interaksiyonlarına bağımlı hale geldiler. Proteinlerin bağlanma ara yüzeyleri, "dimerin evrimleşmesiyle tolere edilebilir ancak tek başlarına bulunmaları durumunda zararlı olabilecek" mutasyonlar biriktirdi. Bu, proteinleri tamamen dimerik biçime bağımlı hale getirdi ve geri dönüşü yoktu. Kullanışsız karmaşıklık, sonsuza kadar yerleşik hale geldi.

Araştırmacılar basit biyokimyasal, genetik ve evrimsel prensiplerin moleküler karmaşıklıkların yerleşik hale gelmesini kaçınılmaz hale getirdiğini gösterdi. Proteinleri kodlayan genler, nesiller boyu sürekli birçoğu proteinlerin düzgün katlanma ve çalışma kabiliyetini bozabilecek mutasyon yağmurlarına maruz kaldı. Doğal seçilimin bir şekli olan saflaştırıcı seçilim, popülasyondan zararlı mutasyonların kaldırılmasını sağladı.

Bir protein multimerize olmak için evrimleştikten sonra, arayüzeyi oluşturan kısımlar, multimer tarafından tolere edilebileceği sürece, tek bulunma durumunda zararlı olabilecek mutasyonlar biriktirebilir. Ardından saflaştırıcı seçilim, karmaşık formu tek bulunma durumuna dönemeyecek şekilde sağlamlaştırır.

Araştırmacılar, sağlamlığın temelinde biyokimyanın basit ve evrensel bir kuralının yattığını gösterdiler. Proteinler suda çözünebilen ya da hidrofobik (sıvı yağda kolayca çözünebilen ancak suda çözülemeyen) amino asitlerden oluşur. Genellikle proteinler, suda çözünebilen amino asitlerin dışarda ve hidrofobik amino asitlerin içeride olması için katlanırlar. Proteinin yüzeyini daha çok yağda çözünebilen hale getiren mutasyonlar, proteinin katlanmasını bozacağından tek bulunan proteinlerde görülürlerse saflaştırıcı seçilim tarafından ortadan kaldırılır.

Ancak eğer protein multimerize olmak için evrimleşirse arayüzeyde bulunan bu hidrofobik amino asitler sudan korunur ve saflaştırıcı seçilime görünmez olurlar. Multimer daha sonra sağlamlaşır; çünkü tekli hale dönerse, yağda çözünebilir ve zararlı arayüzeyi açığa çıkarmış olur.

Bu "hidrofobik mandal", evrensel gibi görünmektedir. Araştırmacılar, yüzlerce dimer ve alakalı tekli proteinleri de içeren devasa bir protein veritabanını analiz ettiler ve arayüzeylerin büyük bir çoğunluğunun dimerik formun derinlemesine yerleşmesini sağlayacak kadar çok hidrofobik hale geldiğini ortaya çıkardılar.

Max-Planck- Gesellschaft

Binlerce proteinin üzerinde yüz milyonlarca yıl boyunca işleyen bu mekanizma hücrelerde birçok kullanışsız kompleksin kademeli birikimine yol açabilir. Hochberg şöyle diyor:

Bazı komplekslerin elbette önemli işlevleri vardır; ancak onlar bile hidrofobik makas tarafından kaybedilmelerini daha zor hale getirerek sağlamlaştırılacaklardır. Arka planda sürekli işleyen makasla birlikte hücrelerimiz, büyük ihtimalle bir çoğu hiçbir zaman yararlı bir işlev göstermemiş ya da uzun zaman önce göstermeyi bırakmış devasa bir sağlamlaştırılmış kompleksler stoğu inşa etmiştir.

Gelecek istikametler, multimerizasyon dışındaki interaksiyonların sağlamlaştırmanın bir sonucu olup olmadığını araştırmayı kapsıyor. Thornton şöyle diyor:

Bu çok yaygın bir süreç olan proteinlerin kendilerinin kopyalarıyla dimerize olmalarının bir hikayesiydi. Ancak hücrelerde bir çok farklı interaksiyon da bulunmakta ve bunların bazılarının benzer bir tür kazanılmış moleküler karmaşıklık bağımlılığından dolayı evrim sırasında biriktirilmesinin mümkün olduğunu düşünüyoruz.