Yeni Organlar Nasıl Evrimleşir?

Bir pirinç tanesinden daha büyük olmayan minik gezici böcek, Joe Parker'ın laboratuvarındaki cam tabağın altında, kendisinden üç kat daha büyük olan karıncanın hemen önünde savunmasız bir şekilde açıkta görünüyordu. Böceğin üzerine doğru yürürken karıncanın çeneleri açıldı ve böceği yakalamaya hazırlandı. Aniden, böceğin karnı yukarı kıvrıldı ve bir şey oldu: Karıncanın geriye doğru sendelemesine, bacaklarının ve antenlerinin sallanmasına neden olan bir şey oldu. Böcek, odanın başka bir bölümüne en azından geçici olarak sığınmak için hızla kaçtı.

Böceğin kurtuluşunu sağlayan, karnının üst arka yüzeyinin hemen altında, karıncanın yüzüne zehirli bir kimyasal karışımı püskürten bir bezdi. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde (Caltech) evrimsel biyolog olan Parker, yakın zamanda bu basit ama yeni yapının evrimine yol açan adımların izini süren bir ekibe liderlik ediyor. Bez, benzersiz olsa da, bu çalışmadan elde edilen bilgiler daha evrensel bir soruyu aydınlatabilir: Yeni organlar nasıl evrimleşir?

İster göz, ister kalp, ister karaciğer olsun, çok hücreli bir organizma hücreleri arasında bir işbölümü kurduğunda yeni bir organ gelişir. Ancak bu uzmanlığın nasıl geliştiği "tavuk mu yumurta mı" bilmecesi gibi bir problem: Bir organdaki çeşitli hücreler, faydaları yalnızca tüm çalışan organın amacı bağlamında açık olabilen farklı işlevleri yerine getirir, peki bu hücreler ve işlevler neden ilk etapta evrim geçirdi?

Gizemi derinleştiren birçok organ o kadar eski ki, kökenlerini yeniden oluşturmak neredeyse imkânsız. Ottawa Üniversitesi'nde böceklerin evrimi üzerinde çalışan gelişimsel biyolog Rajendhran Rajakumar, konuyu anlaşılması güç olarak tanımlıyor:

Bir şeyi bütün bir organ kadar karmaşık hale getirmek için meydana gelen geçişleri tam olarak belirlemek gerçekten zor.

Ancak son yıllarda bilim insanları, çeşitli omurgasızlardaki gözlerin ve diğer özelliklerin kökenini araştırarak bu soruna derinlemesine girmeye başladılar. Ve şimdi Parker ve meslektaşlarının yaptığı çalışma, yeni organların ortaya çıkmasına rehberlik eden önemli ilkelerin neler olabileceğini tanımlıyor. İlk olarak, bir hücre tipindeki değişiklikler, komşu hücreler için yeni fırsatlar veya nişler açabilir. İkincisi, böyle bir ortaklık bir kez başarılı bir şekilde kurulduğunda, farklı hücre tipleri, karşılıklı bağımlılık döngüsünde kilitlenmiş olarak birbirlerine bağımlı hale gelebilirler.

Parker, araştırmacıların böcek bezinde gözlemlediği bu karşılıklı evrimin (İng: "co-evolution"), niş yaratma süreci yoluyla genel olarak organların işlevsel evrimi için bir tür paradigma olabileceğini söylüyor.

Bezler, daha ayrıntılı organlara kıyasla mütevazı görünebilir, ancak bu tür çalışmalar için önemli bir odak noktası haline geldiler. Karmaşık organlardan daha az hücre tipine sahip olduklarından, temel ilkelerin keşfi için daha basit bir başlangıç ​​noktası sunarlar. Tipik olarak daha yakın zamanda evrimleşmişlerdir, bu da evrimlerini yeniden yapılandırmayı kolaylaştırır. Aynı zamanda, yeni kimyasal savunmalar ve biyolüminesans gibi dikkate değer biyolojik yeniliklerin de sıklıkla görüldüğü yerlerdir.

Ayrıca, Cornell Üniversitesi'nde evrimsel gelişim biyoloğu olan Leslie Babonis, bezlerdeki ve diğer dokulardaki salgı hücrelerinin "yeni işlevin evrimi için sıcak noktalar" olabileceğinin de mantıklı olduğunu söylüyor. Tanım olarak, bu tür hücreler, gen ürünlerini veziküllere yoğunlaştırmada ve daha sonra bunları salgı yoluyla hücre gövdesinden çıkarmada yetkindir:

Gen ürünlerini, proteinleri, bir kesecik içinde yoğunlaştırma ve hücrenin dışına salgılama yeteneği gerçekten güçlüdür. Hücrenin içinde neler olup bittiği üzerinde çok fazla kontrole sahip olmasına izin verir, aynı zamanda bilgi iletir ve dışarıda etkiler uygular.

Yeni Hücre Tipleri Nasıl Evrimleşir?

Bezlerin hızlı ve dikkate değer evrimsel değişim için bir kazan görevi görebileceğine dair kanıt olarak, gezici böcekler (Staphylinidae) adı verilen geniş böcek ailesinden daha iyi bir yer olamaz. Bilinen 350.000'den fazla böcek türünden 64.000'i gezici böceklerdir. Bu küçük, alçakgönüllü böcekler, çoğu böceğin karnını kaplayan ve koruyan sertleştirilmiş ön kanatlardan yoksundur, bu nedenle yaşadıkları yaprak çöpü arasında kıvrılırken esnektirler, ancak aynı zamanda yırtıcılara karşı savunmasızdırlar. Koruma için, birçok gezici böceği soyundan bağımsız olarak, karınlarının farklı noktalarından zararlı kimyasallar püskürten çeşitli savunma bezleri evrimleşmiştir.

Quanta Magazine

Caltech araştırmacıları, bir savunma bezinin nasıl evrimleştiğini anlamak için Aleocharinae alt familyasındaki Dalotia coriaria türüne odaklandı. Savunmacı tergal bezi, muhtemelen bu soyun evrimsel başarısını açıklayan önemli bir yeniliktir. Yaklaşık 17.000 tür ile aleocharinler, gezici böceklerin en büyük kladıdır.

Doktora sonrası araştırmacı Adrian Brückner tarafından yönetilen Parker'ın ekibi, bezin kimyasal kokteylini analiz ederek başladı. Uzun hidrokarbon bileşiklerinin (alkanlar ve esterler) bir çözeltisinde oldukça tahriş edici benzokinonların sıvı bir karışımı olduğu kanıtlanmıştır. Daha ileri çalışmalar, bezi oluşturan iki hücre tipinin her birinin bu karışımdaki bileşenlerden sorumlu olduğunu gösterdi. Alkanları ve esterleri üreten "çözücü hücreler", dış iskeletteki yumuşak zarın bir parçasıdır; iki karın segmenti arasında bir kese veya rezervuar oluştururlar. Çözücü hücrelerin altında, kanallar yoluyla rezervuara saldıkları benzokinonları yapan bir dizi "bez hücresi" bulunur. Kemirgen böceği karnını kaldırıp, segmentleri birbirinden ayırdığında, hazne açılır ve karışımı karıncalara veya diğer yırtıcı hayvanlara püskürtür.

Ancak araştırmacılar, bu hücrelerin nasıl evrimleştiğini ve ürünlerini üretme yeteneğini kazandıklarını daha derinlemesine incelediklerinde, bir dizi sürprizle karşılaştılar.

Parker'ın ekibinin, ilk olarak çözücü hücrelerin evrimleştiğini düşünmek için nedenleri vardı: bir tergal bezi olan Aleocharinlerin en eski ve ilk dalı esterleri üretebilir, ancak benzokinonları üretemez. Araştırmacılar, alkanların ve esterlerin, böceğin çekirdek metabolizmasının bir kısmından türetilen bir yağ asidi yolu ile yapıldığını varsaydılar ve bezin ana rezervuarını kaplayan hücrelerde yağ asitlerinin sentezini durdurduklarında, alkanların ve esterlerin yok olduğunu keşfettiler. Parker'a göre bu da bize, hücre tipinin hidrokarbon tipi bileşikler ürettiğini ve bunu hücreden bağımsız bir yağ asidi yolu aracılığıyla yaptığını söylüyor.

Quanta Magazine

Araştırmacılar, bireysel çözücü hücrelerde genetik olarak ifade edilen (İng: "gene expression") RNA moleküllerine baktıklarında, çözücü hücrelerde birlikte ifade edilen gen transkript setlerinin böceğin yağ dokusu gibi kabaca memeli karaciğerine eşdeğer olan bazı diğer dokularda da birlikte ifade edildiğini keşfettiler.

Parker, böceğin, yağ gövdesinde ve feromon üreten hücrelerde gelişen bu eski yağ asidi biyosentezi araç setini yeniden kullandığını, ancak evrimin bu alet takımını bir kütikül (üst deri) parçasına yerleştirerek, onu kimyasal bir salgı deposuna dönüştürdüğünü söylüyor. Bu fenomeni "transkriptomik hibridizasyon" olarak adlandırıyor, çünkü yeni çözücü hücreler aslında kütikül hücreleri ve yağ gövdesi veya feromonal hücreler gibi iki atasal hücre tipinden gen ekspresyon modellerinin bir füzyonudur:

Milyonlarca yıldır birlikte evrimleşen bu gen ürünleri setini birlikte çok etkili bir şekilde çalışmak için kullandıklarını düşünüyorum; kütikülün bir kısmına yerleştiriyorlar ve ardından yeni salgılanmış bileşikler üretmeye başlayabiliyorlar.

Santa Barbara Kaliforniya Üniversitesi'nde gözlerin ve biyolüminesansın evrimi üzerine çalışan ve Caltech projesinde yer almayan Todd Oakley, bu evrimsel ilkeyi, mevcuttaki malzemelerin yaratıcı bir şekilde yeni yaratımlar halinde bir araya getirildiği, brikolaj adı verilen sanat tekniğine benzetiyor:

Mevcut hücre tiplerinin parçalarını alıp yeni bir kombinasyon halinde bir araya getiren hibrit bir hücre tipi gibi görünüyor. Bu tür hibrit ekspresyonlarla ilgili bilimsel literatür sınırlıdır, çünkü yakın zamana kadar tek tek hücre tiplerinde ifade edilen tüm genleri incelemek için gereken teknolojiye sahip değildik. Yine de bu, evrimde tekrar tekrar gördüğümüz bir ilkedir.

Bir Sinyal Yeterli Olabilir!

Bu gen düzenleyici ağların modülerliği, yeni bir hücre tipi oluşturmak için tek bir transkripsiyon faktörünün yeterli olabileceği anlamına gelir, çünkü farklılaşmaya dahil olan tüm gen takımlarını aktive edebilir veya bastırabilir. Gelişim Biyolojisi Derneği'nin 2021 Temmuz ayında düzenlenen yıllık toplantısında sunulan bir çalışmada Babonis, deniz anemonlarında, denizanalarında, mercanlarda ve sölenterler adı verilen deniz omurgasızları grubunun diğer üyelerinde bulunan knidositlerin, aynı zamanda belirli bir nöron seti üreten bir hücre soyundan geldiğini gösterdi. Babonis, tek bir transkripsiyon faktörünün, olgunlaşmamış hücrelerin nöron olarak gelişmesini durdurarak, onları avı yakalamak için dikenli, sarmal bir filament ile tamamlanmış, sokan hücrelere dönüştürmek için yeterli olduğunu buldu.

Parker, böceklerin mevcut gen setlerini yeni bağlamlarda yeniden kullanarak yeni özellikler icat etmesinin nispeten kolay olabileceğine inanıyor. Ona göre, böcekler bunu her zaman yapıyor, yani her zaman feromon üreten hücrelerin veya savunma bezlerinin küçük parçaları evrimleşiyor. Bu, bez hücrelerinin neden tüm hayvanlarda en hızlı ve yakınsak olarak gelişen hücre türleri arasında olduğunu açıklayabilir.

Gezici böcekler muhtemelen yağ asidi türevlerini tarihlerinin başlarında geliştirmiş olsalar da, alkanlar ve esterler gibi bileşikler kendi başlarına özellikle yırtıcıları kovmak için iyi değiller. Kilit nokta benzokinonlardır, çünkü belirli ağrı reseptörlerine bağlanır ve onları aktive ederler. Parker, bu ikinci bileşenin kimyasal savunmaya eklenmesinin kesinlikle makro evrimsel sonuçlara yol açacağını söylüyor ve bu da benzokinon üreten gezgin böceği dalının neden 17.000 türe sahip olduğunu, bir önceki kardeş şubede ise neden sadece birkaç düzine olduğunu gayet iyi açıklayabilir.

Çözücü hücreler açıkça dış iskelet zar hücrelerinden türetilmiş olsa da, yeni benzokinon üreten hücrelerin gelişimsel kökeni hala gizemlidir. Bununla birlikte, araştırmacılar, benzokinon üreten hücrelerin, dış iskeletin kütikülünü sertleştiren ve koyulaştıran "bronzlaşma" sürecinde enzimlerle ilgili iki enzimi yüksek düzeyde ifade ettiğini keşfettiler. Enzimleri susturmak için RNA müdahalesi kullandıklarında, böceklerin artık benzokinon üretemediklerini gördüler.

Kısacası, başlangıçta kütikül tabaklama için evrimleşen enzimler, savunma bezinde yeniden konuşlandırılmış gibi görünüyor. Parker bunların, bir bağlamda çalışmak üzere evrimleşmiş ve başka bir bağlamda yeniden konuşlandırıldıklarında oldukça etkili bir şekilde birlikte işlev gören kasetler olduğunu söylüyor.

Quanta Magazine

Yine de benzokinonlar, alkanlar ve esterlerin yokluğunda evrimleşmiş olsaydı, böcekler için etkili savunmalar olamazdı, çünkü benzokinonlar katı maddelerdir; avcıların üzerine püskürtülmesi veya bulaşması için karbon çözücüler içinde çözülmeleri gerekir.

Parker, ancak çözücü hücreler geliştikten sonra benzokinon üreten bez hücrelerinin ortaya çıkması için bir fırsat doğduğuna inanıyor:

ve aniden, gerçekten etkili bir kimyasal savunma mekanizmasına sahipsinizdir. Organın işlevini değiştiren ikinci hücre tipini elde ettiğiniz anda, iki şeyi birbiriyle birlikte evrimleşecek bir birim olarak birleştirir.

Bu iki ilkenin, yani hücreler için yeni fizyolojik nişlerin yaratılması ve eski genetik devrelerin yeniden kullanılmasının böcekler dışındaki türlerde de işlediğine dair halihazırda kanıtlar var. Birkaç yıl önce, Oakley gözlerin evrimini incelerken, sadece knidlilerde en az dokuz kez bağımsız olarak evrimleştiğini iş başında gördü.

Oakley ve meslektaşları, bu vakaların dokuzunda, fotoreseptör hücrelerinin, pigment hücrelerinin ve lens hücrelerinin moleküler bileşenlerinin çoğunun, ışığa stres tepkisinde daha önce rolleri olduğunu buldu.^[1] Örneğin, kriptokrom geninin orijinal rolü, DNA hasarını onarmak için ultraviyole ışıktan gelen enerjiyi kullanmaktı. Kriptokrom, çok fazla ışık alan cnidarian cisimlerinin bölgelerinde yüksek oranda ifade edildiğinden, bu genin varyant kopyaları, hayvanların sirkadiyen ritmini ayarlamaya yardımcı olan fotoreseptörlere dönüştü.

Stres Altında Evrimleşmek

Oakley, ışıktan kaynaklanan stresle başa çıkmak için benzer mekanizmaların, ışığa duyarlı hücreleri yavaş yavaş fotoreseptörlere dönüştürmüş olabileceğinden şüpheleniyor. Bu, UV koruyucu pigment hücrelerinin fotoreseptör hücrelerini korumak için evrimleştiği başka bir olaylar zincirini başlatabilirdi ve bu koruma, fotoreseptör hücrelerin sadece yoğunluğunu değil, gelen ışığın yönünü de algılaması için fırsat sağladı.^[2] Yönlülük yeteneği, lenslerin yön bilgisine ince ayar yapmak için gelişme fırsatı yarattı. Lensler, birçok ısı şoku proteini ve detoksifikasyon enziminin birlikte kristalleşmesinin sonucu gibi görünüyor.^[3]

Oakley, sık sık, ısı stresi, UV stresi ve oksidatif hasar gibi, ışığın neden olduğun stresle ilgili bağlantıların var olduğunu ve tüm bunların brikolaj fikrine, yani orada olanla çalışma ilkesine uyduğunu söylüyor.

Son zamanlarda, Oakley, laboratuvarının enerjisinin bir kısmını, neredeyse 100 kez bağımsız olarak gelişen başka bir evrimsel yeniliğe yönlendirdi: biyolüminesans. Denizin minik ateş böcekleri gibi, biyolüminesan ostrakod kabukluları, biyolüminesans yapışkanlarını yapan bir beze sahiptir. Bezdeki bir hücre tipi bir lusiferaz enzimi salgılarken, ikinci bir hücre tipi substrat vargulin salgılar. Bu kimyasallar salgılanan mukusta birbirine karıştığında, lusiferaz vargulini oksitler ve enerjideki bu değişiklik ışık olarak salınır. Lisa Mesrop ve Oakley'in ekibinin diğer üyeleri şu anda lusiferaz ve vargulini üreten ve salgılayan hücre tiplerinin kökenini anlamaya çalışıyorlar.

Yeni organların kökenleri hakkındaki sorular eski olsa da, yeni organların nasıl evrimleştiğine dair çalışmalar henüz emekleme aşamasındadır. Ancak Heidelberg'deki Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda hücre tipi evrimi inceleyen Jacob Musser, tek hücreli RNA dizilimi gibi yeni tekniklerin yükselişinin, aslında şimdi genetik olarak neler olup bittiğini araştırma ve anlama yeteneğini kazanmaya başladığımız anlamına geldiğini söylüyor:

Tam olarak neler olup bittiği veya bazı verilerimizin nasıl yorumlanacağı konusunda hemfikir olmamız gerekmez. Çünkü bu, gelişmekte olan bir alanın doğasıdır.