Kendisini taşımayan hücreleri öldüren 'bencil' genler keşfedildi

Topluluk içinde kendi kopya-sayılarını artıracak mekanizmalara evrilerek kendisine “rakip” gen-tiplerini (alelleri) içeren hücreleri öldüren 25 adet bencil gen keşfedildi.

bilimsoL - Gönensin Ozan Bozdağ

Her birimiz DNA’mız üzerinde aynı genleri taşıyoruz. Fakat genlerimize harf-harf (nükleotid dizisi olarak) bakıldığında, ortalama olarak, bir insan bir başka insandan her bir 1000 harf içinde 1 harf farklanıyor.

Dizi olarak kendisinden çok küçük farklara sahip alternatiflerine oranla nesiller içinde bir alelin (gen-tipinin) topluluk içinde görülme şıklığının artışı, yani “genin kendi kopya-sayısını artırabilmesi”, ilgili genin içinde bulunduğu bireyin hayatta kalma ve yavrulamasına ('doğal seçilim değeri'ne) sağladığı katkı ile oluyor [1].

BENCİL GENLER: MENDEL’İN EŞİT-DAĞILIM İLKESİNİ ÇİĞNİYORLAR

Peki, bir gen, gen havuzu içerisinde kopya sayısını artırmak için, kendi alternatifi olan genlere ve canlı organizmaya zarar verecek mekanizmalara evrilebilir mi?

Sorunun yanıtı, evet! İçinde bulunduğu bireyin evrimsel başarısına katkı sağlamadan, ve hatta zarar vererek, sadece kendi kopya-sayısını artıracak mekanizmalara evrilen genler var. Bu genler, ‘bencil gen’ veya ‘parazit DNA bölgeleri’ olarak adlandırılıyor [2].

Bencil genlerin, nasıl olup da organizmaya zarar vermeye varacak mekanizmalara evrildiği sorusunun cevabı, ‘seçilim birimi’nin, işbirliği halinde çalışan genlerin bütünü olan bireylerden (“bireyler-arası seçilim”), daha küçük bir seçilim birimi olan, genomun küçük DNA bölgeleri arasında (“birey-içi” veya “genom-içi”) seçilim düzleminde düşünülmesi ile anlaşılabilir [3].

Buradan devamla, Mendel Genetiği’nin eşit dağılım ("segregasyon") ilkesine göre, vücudumuzda (anne ve babadan gelmiş) iki kopya olarak bulunan alellerin (‘gen-tipi’lerinin) her biri, eşey hücrelerine (sperm ve yumurtaya) eşit (%50) kalıtım olasılığına sahiptir. Örneğin, çok sayıda üretilen sperm hücrelerinin %50’si annemizden aldığımız bir aleli içerirken diğer %50'si babamızdan aldığımız alternatif aleli içerir. Bencil genler ise, Mendel’in adil dağılım ilkesini - "genom-içi"/"genler-arası" seçilim düzleminde evrilerek - çiğneyip, yavru döllerin %50’sinden fazlasına, örneğin, sperm hücrelerinin %60’ına aktarılır, ve toplulukta temsil sıklıklarını artırırlar.

YENİ BENCİL GENLER KEŞFEDİLİYOR

100 yıldır varlıklarından haberdar olunan bu bencil gen bölgelerine dair bilinenler sınırlı.

İşte geçtiğimiz hafta eLife dergisinde (Haziran, 2017) yayınlanan iki farklı araştırma grubunun sunduğu sonuçlar bencil genlerin bilinen örneklerine yeni bir katalog eklerken işleyişlerine dair çok önemli bilgiler veriyor.

İki araştırma grubu da bencil genleri çalışmak için, bu DNA bölgelerine sahip olduğuna dair ipuçları olan bir tekhücreli maya ile çalışıyorlar. Bu mayalar, eşeyli üreyen çokhücreli canlılarda olduğu gibi, iki farklı cinsiyet içeriyor. İki farklı cinsiyete sahip haploid (tek gen seti taşıyan) hücreler (sperm ve yumurta gibi) birleşip diploid (iki gen seti taşıyan) ebeveynleri oluşturuyor. Bu ‘döllenmiş’ maya hücreleri, insanlarda dışilerin yumurta üretimine benzer şekilde, (mayoz bölünme ile) 4 adet haploid yavru hücreye bölünüp yaşam döngüsünü tamamlıyor.

Araştırmacılar, iki farklı soya ait mayayı çiftleştirip yavru döl oluşumunu izlediklerinde, iki gözlem öne çıkıyor. Öncelikle, belli genetik kombinasyonlarda, yavruların ciddi oranının öldüğünü gözlüyorlar. İkinci olarak, hayatta kalan hücrelerin DNA'sını inceleyen araştırmacılar, 3 adet genin, Mendel’in eşit dağılım/kalıtım (%50-%50) ilkesini bir şekilde çiğneyip hayatta kalan yavruların %50’sinden çoğuna yayılmış olduğunu görüyorlar.

"KATİL" BENCİL-GENLER

Üzerinde çalışılan bencil genleri klonlayıp mayoz bölünme sonucu oluşan 4 yavruya kalıtımını daha detaylı inceleyen araştırmacılar, genin aktarıldığı 2 adet hücrenin hayatta kaldığını, alternatif aleli (yani bencil olmayan geni) içeren diğer 2 yavrunun ise öldüğünü görüyorlar (Şekil 1A).

Bu kalıtım oranı bencil gen tanımına uygun: Mendel’in eşit dağılım ilkesine göre 4 yavrudan 2’si bir aleli diğer 2’si alternatif aleli içermeli (%50-%50 adil dağılım). Fakat, bencil geni içermeyen iki yavru hücre öldüğü için, yavruların %100’ü (2:0) bencil geni içeriyor. Ebeveynin net evrimsel başarısı (yavru sayısı) düşerken, bencil genin, kendisinin alternatifi olan genlere göre, toplulukta temsil edilme şıklığı artıyor.

Peki, bencil gen kendisinin içinde olmadığı yavruları nasıl öldürüyor?

Araştırmacılar, bu soruyu cevaplamak için, bencil genin sentezlediği protein ürününü mikroskop altında takip ediyor. İlk bulgu: bencil gen bölgesinden iki adet protein sentezleniyor. İki proteini içeren hücreler hayatta kalıyor. Proteinlerden birisi hücre dışına nüfuz ediyor. Bu protein diğer aleli içeren yavru hücrelerin etrafında birikiyor ve birkaç saat sonra bu iki yavru hücre ölüyor.

Bu gözlemlere göre, bulunan bencil genler “zehir” ve “panzehir” modeline göre işliyor (Şekil 1B).

Şekil 1. A) 4 adet eşey hücresinin mikroskop fotoğrafı. 2 hücre (gri renkli olanlar) bencil geni içeriyor ve hayattalar. Diğer iki yavru hücre (siyah renkli olanlar) ise bencil gene sahip değiller ve ölümüşler (image source: Hu et al. 2017, eLife). B) Bencil genin “zehir” ve “panzehir” modeli. Hücre bölünmesi (‘meiosis’) sonrası Mendel’in eşit dağılımına göre iki yavru hücre (eflatun renkli) bencil geni (wtf4, eflatun-çubuklar), diğer iki hücre ise alternatif geni içeriyor (yeşil-çubuklar). Bencil gen hem “zehir” (küçük-yuvarlak semboller) hem “panzehir” (küçük-çarpı işaretleri) proteinlerini sentezleliyor, ve sentezlendiği hücreler hayatta kalıyor. “Zehir” işlevi gören protein hücre dışına gametlerin etrafına (‘gametes’) dağılıyor. “Panzehir”i (ve bencil geni) içermeyen gametler öldürülüyor (buruşuk ve soluk renkli hücreler) (image source: Nuckolls et al. 2017, eLife).

BENCİL GENLERE DAİR BİLİNMEYENLERİ ÇALIŞMAK İÇİN MÜKEMMEL BİR KATALOG

DNA dizi analizleri, bu 3 adet genden başka, 22 adet daha bencil genin referans organizmada bulunduğunu gosteriyor. Bu veriler bencil genlerin evrimsel dinamiklerini ve genomun savunma mekanizmalarını çalışmak için çok önemli bir katalog oluşturuyor.

25 adet örneği keşfedilen bu "katil" bencil-genler, daha önce meyve sineği, fare, bitki, ve mantarlarda birkaç örneği bilinen ‘bencil genler’in çok daha yaygın olabileceği mesajını veriyor. Belki insan toplulukları arasında Mendel Genetiği’nin ilk ilkesini atlatan mekanizmalara evrilmiş ve keşfedilmeyi bekleyen bencil genler vardır.

[1] Evrimi anlatırken kullanılan, ‘bir genin kendi kopya-sayısını artıracak mekanizmaya evrilmesi’ benzeri, sanki genler bir motivasyonla hareket eden bağımsız birimlermiş gibi anlaşılabilecek (antropomorfik) anlatım yöntemi, evrimsel biyolojide daha uzun anlatımlardan kaçınmak için yapılan bir tercih. Elbette mutasyon, kalıtım, ve alternatif alellerin içine düştükleri doğaya uyarlanım başarısına dayanan evrimsel degişim, bilinçten yoksun ve bilince gereksinmeden işleyen bir sürecin ürünü. Bu mekanizmaların her seferinde tek tek bahsedildiği fakat daha tutarlı olan anlatım biçimi kısa anlatım kaygısıyla tercih edilmedi.

[2] Burada yapılan ‘bencil gen’ tanımı, Richard Dawkins’in ‘Bencil Gen’ (The Selfish Gene) isimli kitabında tasvirlediği ve canlılığın bilinen tüm genleri için kullandığı “bencil gen” tanımı ile karıştırılmamalı.

[3] Seçilim biriminin değişimini başka örnekler üzerinden düşünmek mümkün: örneğin insanda kanser oluşumu. Vücudun bir bölgesinde bir hücre sahip olduğu mutasyonlar ile kontrolsüz olarak bölünmeye başlayabilir. Kanser hücresinin ortaya çıktığı dokunun hücre populasyonuna bakıldığında, kanser hücresinin soyundan gelen hücrelerin topluluk içinde sıklığı, sağlıklı hücrelere göre çok daha hızlı artacaktır. Yani, hücreler-arası (alt) seçilim düzleminde kanser hücresinin soyu evrimsel olarak başarılı görülebilir. Fakat bireyler-arası (üst) seçilim düzleminde bakıldığında, eğer kanser üreme dönemi öncesi/sırasında ortaya çıkarsa, içinde bulunduğu bedenin evrimsel başarısını düşürebilir. Sonuç olarak, kısa erimde, alt-düzlemde (genler-arası, bireyin hücreleri-arası) seçilim ile yukarı-düzlemde (bireyler-arası vb.) seçilim farklı yönler izleyebilir.

İlgili makaleler:

Hu vd. A large gene family in fission yeast encodes spore killers that subvert Mendel’s law. eLife 2017

Nuckolls VD. wtf genes are prolific dual poison- antidote meiotic drivers. eLife 2017