İntronların gen mimarisindeki yeri

Hayvanlar mantarlar ve bitkiler dahil birçok canlı soyunda genlerin bilgi içeren kısımları intron denilen, bilgi taşımayan bölgelerle ayrılmıştır. İntronlar önce RNA olarak yazılır, sonra kesilip atılır. Bu bölgelerin özgün işlevleri olup olmadığı, ya da evrimsel süreçlerin yan ürünü olarak mı evrildikleri uzun zamandır tartışma konusuydu. Yeni araştırmalar intronların bazı canlılarda beklenmedik işlevleri olabileceğini gösteriyor.
soL - Bilim ve Aydınlanma | Dr. U. Uzay Sezen
Cumartesi, 09 Mart 2019 08:20

1960’lı yıllarda kafaları karıştıran bir gözlem vardı. Radyoaktif olarak işaretlenen ulakRNA’ların (mRNA) bir bölümü üretilir üretilmez bozulmaya uğrayarak yok olmaktaydı. Gendeki hesap ulakRNA’yı tutmuyordu. 1977’de yayımlanan iki çalışma, insan adenovirusü kılıf proteini geninde bilgi içermeyen bölümler taşıdığını ortaya çıkardı. Kılıf proteini ulakRNA’larındaki bu bölümler önceki gözlemlerle uyumlu olarak üretilir üretilmez çabucak kaybolmaktaydı. Bir yıl sonra bu bölgelere intron adı verildi. İntronlar genin bilgi içeren ekzon bölgelerini tuhaf biçimde birbirinden ayırmaktaydı. Bugün hücreleri çekirdek, koful, kloroplast, mitokondri gibi zar kaplı bölmelerden oluşan bütün canlıların genlerinde  intron bölgelerinin yaygın olarak bulunduğunu biliyoruz.

Genlerin büyük çoğunluğunun bilgi içeren kısımları (1’den 5’e kadar sayılarla gösterilen renkli bölgeler) intronlarla ayrılmıştır. Gen anlatımının ilk aşaması olan ulakRNA yazılımıyla eş zamanlı olarak intronlar kesilip atılır. Bu sırada bilgi içeren bölgeler değişik biçimlerde sıralanarak bir genden birden çok protein üretimi olanaklılaşır. Bazı durumlarda, B ve C proteinlerinde olduğu gibi bilgi içeren kısımlar da atılabilir.

KESİNTİLİ GENLER

İntronlar genetik bilgi içermemelerine rağmen ulakRNA’nın bir parçası olarak üretilirler, fakat eş zamanlı bir süreçte kesilip atılırlar. Olgunlaşmış bir ulakRNA bazı ilginç durumlar dışında neredeyse hiçbir zaman intron taşımaz. İntron bölgelerinin uzunluğu ve sayısı arttıkça hücrenin bütçesini zorlayan bir çelişki doğar. Örneğin insan çizgili kas hücrelerindeki liflerin birbirine çapa atarcasına tutunmasını sağlayan distrofin proteinlerinin geni, 78 intron bölgesi taşır. Distrofin proteininin anlatımı için gereken ulakRNA’nın yazılımı 16 saati aşan bir sürede gerçekleşir. “Vücut geliştirme”nin zorluğunu bir de bu açıdan görmeli.

ERKEN/GEÇ İNTRONCULAR TARTIŞMASI

Evrimsel biyologlar sonunda kesilip atılan ve kaynak savurganlığı gibi görünen intronların canlı dünyada neden bu kadar yaygın olduğunu uzun süredir tartışıyorlar. Kimilerine göre bu yapılar canlılığın kökenindeki RNA dünyasından arta kalan bir miras. Kendilerine erken introncular adı yakıştırılan bilim insanlarının öne sürdükleri bir varsayıma göre, intronlar çok eskiden beri varlıklarını sürdürmekte fakat evrimsel süreç bu yapıları zamanla ayıklamakta. Buna tam karşıt olarak geç introncuların varsayımı, intronların göreceli yeni yapılar olduğunu ve giderek artarak genomlara yayılmakta olduğunu savunmakta. Her iki varsayımı da destekleyen örnekler bolca var. Tartışma bu nedenle bir sonuca ermiş değil.

İNTRONLAR EVRİMSEL AÇIDAN NASIL BİR SEÇİCİ YARAR SAĞLAR?

İntronların işlevleri üzerine pek çok varsayım öne sürüldü. İntronlar genlerin bilgi içeren bölgelerinin tıpkı tren vagonları gibi değişik biçimlerde sıralanmasını sağlayabilirler. Böylece ulakRNA dizilimlerini değiştirerek bir genden birden çok protein üretilebilmesini sağlayabilirler. Örneğin meyve sineği beynindeki sinir uçlarının yönelimini belirleyen DSCAM geni 38 bin değişik protein üretebiliyor. DSCAM proteini insanlarda da Down sendromu ile ilişkili. Bundan başka, intronlar DNA zinciri boyunca uzun aralıklı etkileşimleri sağlayarak genlerin etkinliğini düzenleyen bölgeleri birbirine yakınlaştıran köprüler gibi davranıyor olabilir. Benzer biçimde “gen ilmeklemesi” (İng. gene looping) oluşturarak genin başını ve sonunu birbirine yakınlaştırıyor da olabilirler. Gen ilmeği aracılığıyla ulakRNA yazılımı için gerekli 12 ana birimden oluşan RNA polimeraz enzimi bütünlüğünü koruyarak dağılmadan genin başında çakı gibi hazır durumda yeniden yazılıma başlama komutunu bekleyebilir. İntron-yardımlı gen ilmeklemesi hücrede sürekli kullanılan proteinlerin anlatımı için gereken ulakRNA yazılımını kesintisizleştirmesiyle verimi artıran uyumsal bir yarar sağlıyor olabilir.

İNTRONLAR YENİ GENLERİN EVRİLMESİNE NEDEN OLABİLİRLER

1927’de Norveçli bilim insanlarının Antartika’ya düzenlediği bir araştırma gezisi sırasında keşfedilen buz balığı (Dissostichus mawsoni) olağanüstü düzeyde merak uyandırdı. Balığın tüm omurgalılarda ayrıcalıksız biçimde varolan hemoglobin proteinini üretmediği görüldü. Hayvanın kanı saydam bir sıvıdan oluşuyordu. Buz balıkları başka türlerin uyum sağlayamadığı çok soğuk denizlerde donmayı önleyici protein üreten bir genin (Anti-Freeze GlycoProtein - AFGP) evrimleşmesiyle oksijen bakımından zengin sularda solunum için hemoglobin üretimine gerek duymuyorlardı. Böylece Kambriyen Patlamasından bu yana 500 milyon yıldır seçilim baskısı altında tüm omurgalılarda olmazsa olmaz nitelikte korunan hemoglobin geninin ilk defa bu baskıdan kurtularak yok olabildiği gözlemlendi. Bununla birlikte evrimleşen AFGP geni ise yepyeni bir işlev ile doğa tarihi sahnesinde nefes kesici bir oyun sergilemekte. 1997'de güney kutbundaki buz balıklarına ek olarak Kuzey Buz Denizi’ndeki morina balığında da (Boreogadus saida) çok benzer bir yolla evrimleşmiş bir başka donmayı önleyici AFGP proteini geni keşfedilince "yakınsak evrim" konusunda bir heyecan rüzgarı esti. Yakınsak evrim doğanın sorunlarını akrabalık ilişkisi olmadan benzer biçimde çözen evrimleşmeye verilen addır. Kuş ve yarasa kanatları ya da soyu tükenmiş deniz sürüngenlerinin deniz memelileri ile çok benzer beden yapıları evrimleştirmeleri örnek verilebilir.

Buz (Dissostichus mawsoni) ve morina (Boreogadus saida) balıklarında tripsinojen geninden türeyerek donma derecesini düşürücü protein üreten AFGP geninin yakınsak evrimi. Birinci intron ikinci ekzon (i1/e2) bitişme bölgesinin buz balığında 41 kat, morina balığında 21 kat çoğalarak çerçeve kayması değişinimiyle ekzonlaşması. AFGP geninin ürettiği proteinin soğuk suya uyumlu bir başka tür olan kış dil balığında (Pseudopleuronectes americanus) belirlenmiş üç boyutlu yapısı (pdb:4ke2).

Her iki balık türündeki AFGP geni pankreasda etkin olan tripsinojen geninin çifterlenmesinin ardından eşinin yeni bir işlev kazanmasıyla ortaya çıkmış. İşlevin kazanılma biçiminin birbirinden bağımsız olarak benzer ama farklı süreçlerle gerçekleştiği anlaşıldı. Buz balığının AFGP geni tripsinojen geninin ilk intronunun ikinci ekzon ile bitiştiği sınır bölgesinin her iki yanındaki dizilerin 41 kat çoğalmasıyla evrilmiş. Benzer biçimde morina balığında da bu diziler 21 kat çoğalmış. Her iki tür ilk ve son ekzon dışındaki arada yer alan tüm DNA dizilerini yitirmiş. Böylece 6 ekzon 5 intron taşıyan tripsinojen geni iki ekzondan oluşan tek intronlu AFGP genlerine evrilmiş. Her iki türün genlerinin başlangıç ve sonlanma noktaları “çerçeve kayması” adı verilen değişinimlerle (mutasyonlar) yerleri tripsinojen genine göre değişmiş.

İNTRONLARIN OLASI İŞLEVLERİNE YENİ BİR BOYUT

Ocak 2019’da Nature dergisinde birlikte yayımlanan iki çalışma intronların olası işlevlerine yeni bir boyut kazandırdı. Fransız ve Amerikalı çalışma gruplarının birbirinden bağımsız olarak ekmek mayası üzerinde yürüttükleri deneylerde canlının genlerindeki toplam 285 intron bölgesinin hepsi teker teker düzenli olarak silindi. İntronsuzlaştırılan ekmek mayası üzerindeki gözlemler ilginç sonuçlara vardı. Koşulların “ekmek elden su gölden” olarak nitelendirilebileceği ortamlarda intronların yokluğu hiçbir etki yaratmıyordu. Fakat hücreler çoğaldıkça kalabalıklaşan ve besin kıtlığına doğru yönelen sıkıntılı ortamlarda intronsuz ekmek mayasının çekişmeci gücü belirgin biçimde düşüyordu. İntronların darlık zamanında hücrenin bütçesini kısıtlayıcı bir görevi olduğu açıktı. Araştırmacılar hayvan, mantar ve bitkilerde evrimsel olarak güçlü bir biçimde korunmuş olan adını İngilizce “rapamisinin hedefi” kelimelerinin baş harflerinden alan TOR genine odaklandılar. Rapamisin 1960’larda Büyük Okyanus’taki Paskalya Adası’ndan alınan toprak örneklerinde keşfedilen bir bakterinin ürettiği bir antibiyotik. Rapamisin organ nakli ameliyatları sonrasında bağışıklık düzeneğini bastırarak doku uyuşmazlığını azaltıcı etkisiyle tıpta yaygın biçimde kullanılıyor. Rapamisinin hedefledigi TOR proteininin besin düzeyine bağlı olarak hücrenin kaynak kullanımını dizginleyici, ayaklarını yorganlarına göre uzatmalarını sağlayan işlevi var. İntronların TOR ile nasıl etkileştiğini şu anda tam olarak bilmiyoruz ama gen anlatımının son aşaması olan proteinlerin üretildiği ribozomları işlevsel durumda tutan yapısal proteinlerin üretimini durdurduğu yönünde güçlü ipuçları var. Her koşulda kaynak savurganlığı gibi görünen bu yaygın yapıların işlevini anlamamız için ekmek mayası özelinde önemli bir adım atılmış durumda.

DEVASA İNTRONLAR VE 'GENOM ŞİŞMANLIĞI'

Bütün bu gelişmelerin üzerine gözler intronları evrimsel süreç içinde devasa boyutlara ulaşmış canlı gruplarına çevrildi. Kozalaklı ağaçları da içeren açık tohumlu bitkilerin genomları şapka çıkartılacak denli büyük ve genlerinin içerdikleri intronlar da o oranda uzun. O kadar uzun ki, diğer bitki grupları ile karşılaştırıldığında aradaki fark 100 m koşucusu ile maraton koşucusu kadar çarpıcı. Kuzey Amerika’nın batı kıyısı boyunca varlık gösteren şeker çamının (Pinus lambertiana) genom dizisi 2016’da yayımlandığında “genom şişmanlığı” deyimi gerçek karşılığını buldu. Şeker çamı genomu insan genomundan 10 kat daha büyük ve bugüne dek dizilendirme girişiminde bulunulan en devasa bitki genomu niteliğinde. Şeker çamı genom dizisi, evrimsel geçmişi 320 milyon yılı aşan açık tohumlu bitkilerin bu uzun süreç içinde transpozon adı verilen genom asalaklarının yoğun etkinliği altında kaldığını gösterdi. Transpozonlar intronları da içeren bölgelerde çoğalarak açık tohumlu bitki genomlarını aşırı derecede şişirmiş durumda. Örneğin şeker çamının ribozom üretiminde görev alan UTP11 geninin bilgi içeren bölümü tüm genin uzunluğunun binde birinden bile az. Neredeyse tüm gen devasa intronlardan oluşmakta. Acaba açık tohumlu ağaçların intronları da ekmek mayası örneğindeki gibi çetin koşullar altında hayatta kalma başarısını artıran bir işlev içeriyor mu? Gen anlatımı temelli araştırmalar bu meraklı konuya ışık tutabilir.

Dr. U. Uzay Sezen

Smithsonian Enstitüsü, Küresel Orman İzleme Projesi (ForestGEO) Araştırmacısı


[1] Scherrer K, Latham H, Darnell JE (1963) Demonstration of an unstable RNA and of a precursor to ribosomal RNA in HeLa cells. Proc Natl Acad Sci USA 49:240–248.

[2] Berget SM, Moore C, Sharp PA (1977) Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA. Proc Natl Acad Sci USA 74(8): 3171–3175.

[3] Why genes in pieces? Gilbert W. (1978) Nature: 271, 501.

[4] Chen L, DeVries AL, Cheng C-HC. Evolution of antifreeze glycoprotein gene from a trypsinogen gene in Antarctic notothenioid fish. Proc Natl Acad Sci USA. 1997;94:3811–3816.

[5] Chen L, DeVries AL, Cheng C-HC. Convergent evolution of antifreeze glycoproteins in Antarctic notothenioid fish and Arctic cod. Proc Natl Acad Sci USA. 1997;94:3817–3822.

[6] Jeffrey T. Morgan, Gerald R. Fink & David P. Bartel (2019) Excised linear introns regulate growth in yeast. Nature: 565, pages 606–611.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0828-1

[7] Julie Parenteau, Laurine Maignon, Mélodie Berthoumieux, Mathieu Catala, Vanessa Gagnon & Sherif Abou Elela (2019) Introns are mediators of cell response to starvation Nature: 565, pages 612–617.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0859-7

[8] Sequence of the Sugar Pine Megagenome (2016) Kristian A. Stevens, Jill L. Wegrzyn, Aleksey Zimin, Daniela Puiu, Marc Crepeau, Charis Cardeno, Robin Paul, Daniel Gonzalez-Ibeas, Maxim Koriabine, Ann E. Holtz-Morris, Pedro J. Martínez-García, Uzay U. Sezen, Guillaume Marçais, Kathy Jermstad, Patrick E. McGuire, Carol A. Loopstra, John M. Davis, Andrew Eckert, Pieter de Jong, James A. Yorke, Steven L. Salzberg, David B. Neale and Charles H. Langley GENETICS: 204, pages 1613-1626.