Sonik Kirpi: Parmak Yaratma Sürecinin Ardındaki Genler, Çalışma Prensipleri ve Evrim

Yazımıza bir uygulamayla başlayalım. Başparmağınızı avuç içinize doğru kıvırın veya işaret parmağınıza yapışık tutun. Hatta uygulamanın daha gerçekçi olması için başparmağınızı ya avcunuzun içine ya da işaret parmağınıza bir bant yardımıyla sabitleyin. Elinize de günlük hayatımızın vazgeçilmezi olan cep telefonunuzu alın. Göreceksiniz ki başparmağınız olmaksızın kullanmak imkânsız olacak... Hayat ne kadar da zor olurdu değil mi başparmağımız şu anki konumundan farklı olsaydı ya da hiç var olmasaydı! Şimdi de bir su bardağını tutmaya çalışın başparmağınız olmaksızın. Yine göreceksiniz ki bardağı bu haldeyken tutmak normal haldekinden çok daha zor. Bunlar en basitinden bizim çağımızın sorunları... Ancak aynı sorunlar, doğada da benzer karşılıklara sahiptir: başparmağımız olmaksızın alet üretmemiz imkansıza yakın olacaktır. Hatta başparmağımız olsa; ancak şu anda yapabildiğiniz gibi diğer 4 parmağın karşısına gelemese bile bir alet üretmeniz, onu yetkinlikle kullanmanız, şu andakinden çok daha zor olurdur.

Doğanın acımasız olduğu bir gerçektir. Her ne kadar bizler doğanın bu acımasızlığını bir nebze yenmiş olsak da, oralarda bir yerlerde hala bir kovalamaca, hala bir yemek bulma/canını kurtarma mücadelesi devam ediyor. Bu açıdan baktığımızda ise, yaşamı kolaylaştıran her uzuv av/avcı için bir avantaj demek oluyor. Bir primat için ise tutunmayı, kavramayı kolaylaştıran bir “parmağın”, yani sadece 5-10 santimetre uzunluğundaki bir uzvun önemi oldukça büyük oluyor.

Birçok canlı, ana rahminden veya yumurtadan çıkmadan, çok ciddi değişimlerden geçiyor. Örneğin insanlar, bizi “insan” yapan fiziksel özelliklerin büyük bir kısmını ana rahminde geçirdikleri zamanların son birkaç ayında kazanıyor. Bu nedenle, başparmak gibi hayati bir organın evrimini anlamak için, embriyomuzu tanımamız gerekiyor. Bunun içinse, ana rahmine geri dönmemiz gerekiyor!

Doğadaki tüm canlıların ortak bir atadan geldiği gerçeğini düşündüğümüzde yukarıdaki farklı türlerin 1-2 haftalık olan embriyolarının benzer olması son derece doğaldır. Ayrıca, memeliler ve sürüngenler arasında ufak farklılıklar ile birlikte hayvanların embriyolojik gelişim süreçleri de son derece benzerlik göstermektedir. Bir memeli için bu gelişim sürecini 4 basamağa ayırabiliriz:

Bölünüm: Bu aşamada hızlı bir şekilde mitoz bölünmeler serisi gerçekleşir fakat orijinal zigotta bir büyüme gözlenmez. İnsanların gelişimi sırasında bu aşamada 4-8 hücre oluşur. Bu dönemi art arda gelen 5 bölünme sonucu üretilen 32 hücrenin oluştuğu morulla evresi izler.

Blastula: 128 hücreden (7 bölünme sonrası) oluşan embriyoya blastula denir. Bu aşamada artık hücreler farklılaşmaya başlar ve vücut boşluğunun temelleri atılır. Bu boşluk oluşumuna memelilerde “blastosit” denir. Bu aşamayı gastrula izler.

Gastrula: Bu aşamada eşey tabakalarının gelişimi tamamlanır. Bu tabakalar ektoderm (en dıştaki tabaka), endoderm (en içteki tabaka) ve mezodermdir. Gastrulanın yapısını aşağıda görebilirsiniz.

Organ oluşumu (organogenez): Bir önceki aşamada oluşan eşey tabakalarının artık farklılaşıp gruplanarak organları oluşturmaya başladığı evredir. Ektoderm tabakası farklılaşarak, sinir dokuyu, deri ve deriden türeyen yapıları, korneayı ve göz lenslerini; endoderm farklılaşarak, tiroid paratiroid ve timus bezlerini, üreme bezlerinin epitel dokusunu, üretra ve sidik kesesinin epitel dokusunu; mezoderm ise farklılaşarak, iskelet, düz ve kardiyak kaslarını, kan, kemik iliği ve lenfoid dokuyu ve ürogenital sistem organlarını oluşturur.

Fotoğraftan da görebileceğiniz gibi, 17. haftanın sonunda bir insan embriyosunda bazı uzuvların şekilleri belli ölçüde seçilebilir duruma gelmiş oluyor. Bu da yine organogenez ile başlayan “hücre farklılaşması” sürecinin bir parçası. Bu farklılaşmayı daha iyi anlamak için görüş açımızı biraz daha genişletmemiz gerekiyor.

Biraz önce de söylediğimiz gibi, bu gelişim 2 farklı üreme hücresinin birleşmesi sonucu oluşan ve tek bir hücre olan zigottan başlayarak devam etmektedir. Tahmin edebileceğiniz gibi, zigotun da kendine has bir genetik kodu var ve bölünüm aşamasında yalnızca mitoz bölünme geçirerek aynı genetik koda sahip hücreler oluşturuyor. Yani, bizim şu anki genetik kodumuz aslında daha bizler zigot iken belliydi. Ayrıca, vücudumuzun herhangi farklı dokusundan alınacak olan hücrelerde de yine zigot ile ve birbiri ile aynı genetik koda sahip olduğu da görülebilir. Fakat bu kod her hücrede aynı olmasına rağmen, hücrelerin görevlerinin birbirinden farklı olması durumu söz konusudur. Bu durumu da “gen ifadesi” denen bir süreç ile açıklayabiliriz.

Gen İfadesi

Gen ifadesi, özetle, hücre içinden ve/ve ya dışından gelen özel sinyaller sonucu genetik olarak kodlanmış olan ürünlerin üretilmesidir (bu ürünler bazı istisnai durumlarda protein-harici moleküller olsalar da, çoğu zaman proteindirler; bu nedenle yazımızın geri kalanında bu ürünlerden “proteinler” olarak bahsedeceğiz). Bu sürecin bir hücreye ve ya hücre grubuna en büyük getirisi çevre koşullarına uyum sağlamalarını kolaylaştırıyor olmasıdır. Sürecin yardımıyla canlının doğaya uyum sağlayabileceği özellikler, yetenekler oluşuyor. Bu özelliklere sahip canlılar hayatta kalıyor, çevreye uyum sağlayabiliyor. Evrimsel açıdan bakacak olursak, çevreye uyum sağlamanın önemi kuşkusuz ki çok büyük. İşte bu süreç sayesinde ortama uyum sağlamış olan hücreler nesillerini devam ettirmiş ve bu sürece sahip olan hücreler seçilmiştir.

Gen ifadelerinin kontrol edilmesi süreci iki aşamada incelenebilir: Okuma (transkripsiyon) ve dönüştürme (translasyon). DNA’dan elde edilen RNA kopyalarının üretilme sürecine transkripsiyon denir ve bu süreç ökaryotlarda üç ayrı RNA polimeraz enzimi tarafından gerçekleştirilir ve her enzim ayrı bir görev üstlenir.

Görselden de görebileceğiniz gibi, RNA polimeraz enzimi (RNAP) DNA üzerinde hareket eder ve okunması gereken yerleri, yani aktif kısımları okuyarak RNA için uygun bir hale getirir. RNA polimeraz okunması gereken kısmın sonunda geldiğinde durarak görevini tamamlar. Bu süreci başlatan sinyallere “transkripsiyon faktörleri” denir. Bu aşamayı genetik bilginin proteine çevrilme süreci, yani translasyon süreci izler.

Transkripsiyon sürecinde okunan DNA parçaları yine bu süreçte oluşturulan mesajcı RNA (mRNA) adı verilen RNA molekülleriyle üretimin gerçekleşeceği yere taşınır. Okunan parça üzerindeki üçerli nükleotit dizilerine kodon denir. Her bir kodon özel bir amino asidin taşıyıcı RNA (tRNA)'ya bağlanmasını sağlar. Bu kodonlar sayesinde bağlanan amino asitler tRNA'lar sayesinde ise proteini oluşturacak komplekse taşınır ve burada tepkimeye sokulan amino asitler, üretilmesi beklenen proteinleri oluşturur.

Tüm bu süreç, yine genlerimizdeki bilgiler ve kimyasalların yapısal uyumu veya uyumsuzluğu ile sürdürülmektedir. Yani süreç bir defa başladıktan sonra, adeta domino taşları gibi zincirleme tepkimeler birbirini takip eder. Tıpkı dominoda olabileceği gibi, gen ifadesinde de hatalar olabilir ve bunun sonucunda hatalı proteinler oluşur. Kimi zamansa bu hatalar ifadeden değil, ifadeyi kontrol eden genlerde meydana gelen mutasyonlardan kaynaklanır. Bu tür hatalar çoğu zaman etkisizdir veya çok ufak etkilere sahiptir (bu ufak etkiler yararlı veya zararlı olabilir). Geri kalan nadir zamanlardaysa bu hatalar büyük sorunlara neden olabilir ve hastalıklar oluşur. Ancak bu, ayrı bir yazımızın konusu olabilir. Şu anda sadece genlerin ve genlerden üretilen proteinlerin vücudumuzun şekillerini nasıl oluşturduğuna odaklanacağız.

Bu noktada da farkına varacağımız ilk şey, üretimin olduğu yerde bir kontrol mekanizmasının da olması gerektiğidir. Buna genel olarak “gen ifadesinin kontrolü” adı verilir (evet, çok yaratıcı!). Bu süreç sayesinde üretilecek proteinin ne olduğu ve bu proteinin ne kadar üretileceği kontrol edilir. Aynı zamanda hatalı proteinler ayıklanır, geri dönüştürülür veya gerekiyorsa hücreden atılır.

Gen İfadelerinin Kontrolü

Gen ifadelerinin kontrolü süreci üç şekilde gerçekleşir: Transkripsiyon Seviyesi Kontrolü, İşlemleme Seviyesi Kontrolü (Processing-Level Control) ve Translasyon Seviyesi Kontrolü. Transkripsiyon seviyesi kontrolünde en büyük görev transkripsiyon faktörlerindedir. Bahsettiğimiz gibi, transkripsiyon faktörleri genel olarak transkripsiyon sürecini başlatan proteinler olarak bilinirler. Bu proteinler RNA polimerazın da bağlandığı gen bölgesi olan “promotor” bölgeye bağlanırlar. Bu bölgede oluşan protein kompleksine son olarak da RNA polimeraz eklenir ve transkripsiyon başlamış olur. Trankripsiyon faktörleri sadece transkripsiyonu başlatmakla kalmaz, transkripsiyon oranını arttırabilir ya da transkripsiyonun başlamasını engelleyebilir de. Oranı arttıranlara “artırıcılar (enhancers)” engelleyenlere de “susturucular (silencers)” denir. İşte bu tip transkripsiyon faktörleri sayesinde gen ifadeleri kontrol edilebilir, hangi proteinin sentezleneceği ve ne kadar sentezleneceği belirlenebilir.

Bir diğer kontrol etme süreci ise İşleme Seviyesi Kontrolü’dür. Bu sürecin detaylarından bahsetmeden önce bazı terimlerden bahsetmemiz gerekiyor. Bir genden işlemlenen ve bu işlemlenme sonucu oluşan RNA’da bulunan bir grup nükleotit dizisine “ekson” denir. Protein üretimi için kullanılacak asıl kodlar bunlardır. “Uçbirleştirme” sürecinden önce bu ekson gruplarını birbirinden “intron” denen nükleotit grupları ayırır. Fakat uç birleştirme sürecinden sonra intronlar ortadan kaldırılarak anlamlı kısımlar yani eksonlar bir araya getirilir. Bu uç birleştirme süreci de yine eksonlara ve intronlara bağlanan “uçbirleştirme faktörleri (splicing factors)” tarafından kontrol edilir. Bu faktörler kontrol edici proteinlerle bağ kurarak protein kompleksleri oluştururlar ve ardından uçbirleştirme süreci başlar. Uçbirleştirme sürecinde görev alan proteinlerin nereye bağlandığını ve bu sürecin nasıl işlediğini aşağıdaki şemadan öğrenebilirsiniz.

 Bahsedeceğimiz son kontrol mekanizması ise Translasyon Seviyesi Kontrolü. Bu süreç temel olarak amino asit üretimini sağlayan mRNA’in bir çok yönden kontrol edilmesi ile gerçekleştirilir. Biz yazımız için daha önemli olduğundan sadece mRNA’nın yerleşmesinin kontrol edilmesinden bahsedeceğiz. mRNA’nın nereye yerleşeceğini RNA bağlayıcı proteinler, bağlanacak lokalizasyon dizimini (zip kodu olarak da bilinir) tanımlayarak belirlerler. Sonraki süreçte ise hücre iskelet sistemi elemanlarından olan mikrotübüller ve diğer motor proteinler mRNA’nın yerleşeceği bölgeye transferi için önemli rol oynarlar. Bu süreç embriyo gelişimi sırasında embriyonun ön-arka ekseni gelişimi için çok önemlidir. Bu eksenin gelişi sonucunda, baş ve kuyruk boyunca uzuvların nerelerde bulunacağı belirlenir.

Özetle bu mekanizmalar sayesinde dokularımız aynı genetik koda sahip olsa da farklı görevler üstlenebilir. Vücudumuzun şekli ve organlarımızın yerleşimi de yine bu mekanizmalar yardımıyla şekillenir ve bu mekanizmalar sayesinde hayatımızı düzgün bir şekilde sürdürebiliriz. Şimdi bir örnekle anlatımımızı biraz daha pekiştirip ana konumuza geçelim.

HOX Geni

HOX proteinleri HOX genleri tarafından sentezlenen transkripsiyon faktörleridir. Bu proteinler DNA üzerindeki özel nüleotit dizilerine bağlanarak bazı genleri aktifleştirirken bazı genleri baskılar. Bizim için önemi ise embriyonik gelişim sürecinde ön-arka eksen gelişimini düzenlemesidir. Aşağıdaki fotoğrafta Drosophila melanogaster türü bir sineğin vücudunun hangi bölümlerinde hangi HOX genlerinin aktif olduğunu görebilirsiniz.

 Bu farklı genlerin hepsi farklı görevleri olan proteinlerin sentezlenmesine yardımcı olurlar ve böylece ön-arka eksen boyunca farklı yapıların oluşmasına yardımcı olurlar.

Bu sinek türünde 8 adet HOX geni mevcuttur. Homo sapiens’te ise bu genlerin sayısı daha fazladır. Aşağıdaki tablodan bizlerde bulunan HOX genlerini görebilirsiniz.

Dikkat ettiyseniz sinek türünde de bir primat türünde de HOX genleri bulunmaktadır ve ana işlevleri aynıdır. Bu genlerde oluşabilecek bir mutasyon, yapısal bozukluklara yol açabilir. Örneğin gelişimi sırasında bir kelebekte HOX genlerinde mutasyon olması durumunda ekstra kanat oluşabilir, benzer bir durum da insanlarda parmak sayısının artması şeklinde görülebilir. Bazı omurgalılarda ise, HOX genlerinin mutasyonu sonucu omurgalarında problemler oluşabilir. Yani tüm hayvanlar aleminde bu genler mevcuttur ve aktiftir. Bu da HOX genlerinin evrimsel kökeninin çok eskiye dayandığının kanıtıdır.

Sonik Kirpi Geni

Gelişim sürecinde etkili olan bir diğer önemli gen ve bizim de asıl ilgilendiğimiz gen olan Sonik Kirpi genidir. Bu gende kodlanmış olan ve daha sonra sentezlenecek olan Sonik Kirpi proteinleri, embriyonik gelişim boyunca uzuvların, beynin ortahattının, spinal kordun ve dişlerin gelişimini düzenler. Düzenleme mekanizmasının detayına girmeden önce genin keşfinden ve isimlendirilmesinden biraz bahsedelim.

1950 ve 60 yıllarda bir grup biyolog iskelet modelinin nasıl oluştuğunu anlamak için tavuklar üzerinde deneyler yaptılar. Bu deneylerdeki amaç embriyoların dokularının gelişim üzerine etkisiydi. Gelişim evresindeki üyelerin dokularıyla ilgilenen Edgar Zwilling ve John Saunders isimli bilim insanları üyelerdeki kemik düzeninin gelişimini 2 tane dokunun kontrol ettiğini buldular. Devam eden çalışmalarda farklı bakış açıları kazanılmış oldu. En ilgi çeken ve araştırmacıları sonuca en fazla yakınlaştıran deney ise bir tavuk embriyosu üzerinde yapıldı. Bu deneyde, gelişimin ilk evrelerindeyken, üye tomurcuğunun serçe parmağın oluşacağı tarafından alınan bir doku parçası diğer tarafa, birinci parmağın oluşacağı yerin hemen altına aşılandı. Civciv gelişmeye ve kanat oluşturmaya bırakıldı. Kanat gelişimi normaldi; ancak, parmak takımının tam bir kopyası oluşmuştu. Daha tuhaf olansa, parmakların yerleşim düzeniydi: yeni parmaklar, normal parmak takımının ayna görüntüsü şeklinde dizilmişti. Belli ki doku parçasının içindeki bir şey, belki bir molekül veya gen, parmakların yerleşim düzeninin gelişimini yönlendirebiliyordu.

Bu sonuç, art arda bir dizi başka deneyle defalarca tekrarlandı ve söz konusu etkinin pek çok değişik yolla ortaya çıkabileceği anlaşıldı. Devam eden araştırmalar sonucunda bu aşılanan doku parçasına, kutuplaştırıcı etkinlik alanı (Zone of Polarizing Activity - ZPA) adı verildi. Parmak oluşumu için ZPA’da bulunan ve henüz ne olduğu keşfedilemeyen molekülün konsantrasyonunun önemli olduğu düşünülüyordu. Bu doğrultuda yapılan bir deneyde, ZPA parçası ile üyenin geri kalan kısmı arasına çok minik bir folyo parçası yerleştirildi. Amaç, bu folyoyla ZPA’dan diğer tarafa herhangi bir molekülü geçirmeyecek bir bariyer oluşturmaktı. Araştırmacılar, bu bariyerin her iki yanındaki hücrelere ne olduğunu inceledi. ZPA tarafındaki hücreler parmak oluştururken, diğer taraftakiler çoğunlukla oluşturmuyor, oluşturduklarında ise ciddi kusurlar ortaya çıkıyordu. Bu deneyden sonra konsantrasyonun önemli olduğu da kesinleşmiş oldu.

İlerleyen yıllarda, genetik biliminin de gelişmesiyle, Drosophila melanogaster üzerinde yapılan deneylerde bir tür genin kanat oluşumuna yardımcı olduğu bulundu ve bu gene “Kirpi” geni dendi. Araştırmacılar hemen diğer hayvanlarda da bu geni aramaya koyuldu ve ZPA’da aktif olan bu genin diğer hayvanlarda da olduğunu buldular.

İsimlendirme de basitti; araştırmanın yapıldığı sineklerde bir kirpininkine benzer dikenler vardı. Bu yüzden de “kirpi geni” ismi verildi. Bu genin tavukta bulunan versiyonuna ise bir video oyunundan da esinlenerek “sonik kirpi geni” dendi.

Kirpi proteini ailesi memelilerde üç bireye sahiptir. Hint Kirpi Proteini bunlardan biridir ve endokondral kemikleşme sürecinde görev alır. Diğeri Çöl Kirpi Proteinidir ve bu protein ise morfonogenez sürecinin kontrolüne yarayan sinyalleri kodlar. Son üyeleri ise biraz önce de görevlerinden bahsettiğimiz Sonik Kirpi Proteini.

Sonik kirpi proteinleri aslında embriyolojik gelişim sırasında birçok sinyal merkezinden salgılanan sinyallerdir. Örneğin, nöral tüpün karın bölgesindeki kutuplaşmayı başlatması için notokord (embriyonun iskeletine verilen isim) tarafından gönderilen bir sinyal olarak da karşımıza çıkabilir.

Bu protein üzerinde yapılan çalışmalarda, parmak gelişimi ve kutuplaşmasında nasıl görev aldığı net olarak anlaşılmıştır. Sonik kirpi genin transkripsiyonu kolu/bacağı oluşturacak tomurcukların merkezden uzak ucunun ektodermal yapısından salgılanan ikinci set sinyallerin varlığında gerçekleşir. Bu sinyaller transkripsiyonu tetikler. Fakat henüz bu sinyallerin sonik kirpi genini nasıl hedef aldığı net bir şekilde anlaşılamamıştır. Genin moleküler işlemeleri endoplazmik retikulumda gerçekleşir (tranlasyon ve kontrol işlemleri her protein için aynı şekilde işlediğinden o kısmı tekrar anlatmıyoruz). Bu işlemenin ardından sonik kirpi proteinine kolesterol bağlanır, kolesterolün bu süreçte en önemli rolü Sonik kirpi genini hücre zarı içerisindeki aktivite alanını ve hücre dışına salınımını sırasındaki difüzyonunu kısıtlamasıdır. Kolesterolün farklılaşması sonucunda Smith–Lemli–Opitz sendromu gibi bazı doğuştan gelen sorunlar oluşabilir. Kolesterolün bağlandığı protein amacına uygun olan yere gitmek üzere hücre dışına çıkar. Gerekli merkeze ulaşır ve burada üzerine düşen görevi yapmaya başlar.

Bu genin kol/bacak tomurcuklarının uçlarındaki mezenşimin hücrelerinde ifadelendirilmesi, uzvun ön-arka eksen gelişimi için son derece önemlidir. Farelerde bu genin eksikliğinde uzvun yapısal olarak düzgün gelişmediği görülmüştür.

Ayrıca polarizasyonu sağlaması sayesinde de elimizin bir ucundaki parmak diğerinden farklıdır.

Bu mekanizmanın düzenli çalışması uzuvların düzgün bir şekilde oluşması demek oluyor ve başta dediğimiz gibi, doğada yaşamını devam ettirmek için kovalamaca oynamak zorunda olan canlılar için ise bu mekanizmanın önemi daha fazla. İşte yaşamayı kolaylaştıran, avı yakalamayı, avcıdan kaçmayı sağlayan uzuvların oluşumu genel olarak bu ve bu tarz süreçler sonucu ortaya çıkıyor. Bizlerin atalarının evrimsel süreçte tırmanmak için ve kavramak için avantaj sağlayan parmaklarının gelişmesini de sonik kirpi genlerine borçluyuz. Muhtemelen bu genlerden mahrum kalanlar nesillerini devam ettiremediler ve doğa tarafından elendiler. Bizler ise, başarılı genlerin eseri olarak bugünlere geldik.

Uzuv ve parmak oluşumunu etkileyen tek transkripsiyon faktörü yalnızca sonik kirpi proteini değil tabii ki, fakat şu ana kadar mekanizması en iyi anlaşılmış olan ve üzerinden en çok çalışılan protein bu proteindir. Bir kuşun kanadı, bir balinanın yüzgeci veya bir insanın elini genetik olarak karşılaştırdığımızda sonik kirpi genine ulaşabilmekteyiz. Bu genin de evrimsel geçmişi HOX genleri kadar eskiye dayanıyor ve evrimin gerçekliğini bir kez daha gözler önüne seriyor.