Karanlık DNA: Doğanın Temelindeki Kayıp Madde

Bazı hayvanların genomunda saklı olan ve çok büyük oranda mutasyona uğramış DNA’larına rağmen gelişmeleri, bizi evrimin bazı temel prensiplerini yeniden düşünmeye zorlamakta.

Şişman kum sıçanı tuhaf bir yaratıktır. Oyuklarda yaşar, her gün vücut kütlesinin yaklaşık %80’ini tüketir ve su içmez. Ama bu kemirgen türü ile ilgili garip olan şey; DNA’sının bir kısmının kayıp gözükmesi…

Hiç şüphesiz, evrenin dörtte birinden fazlasının kara maddeden oluştuğunun düşünüldüğünü sizler de duymuşsunuzdur.

Kara maddenin varolduğunu bilmekle birlikte onu tespit edemiyoruz. İşte bunu benzer bir şey de genomlarımızda da mevcut. Meslektaşlarım ve ben, bu anlaşılması ve tespit edilmesi zor genetik maddeyi “Karanlık DNA” olarak adlandırdık ve kum sıçanı üzerinde yaptığımız çalışmalarla bu karanlık DNA’nın doğasını,yapısını ortaya çıkaramaya başladık.

Karanlık DNA’nın keşfi o kadar yeni ki, ne kadar yaygın olduğunu ve ona sahip olan türlerde yararları olup olmadığını halâ anlamaya çalışıyoruz. Bununla birlikte, onun varlığı, genetik ve evrim hakkında bazı temel soruları da beraberinde getirmekte.”Adaptasyon”un moleküler seviyede nasıl gerçekleştiğine yeniden bakmamız gerekebilir. Tartışmalı olarak, Karanlık DNA, evrimin itici gücü bile olabilir..

Kum sıçanı (Psammomys obesus), Kuzey Afrika ve Orta Doğu’ya özgü bir çöl fare türüdür ve onu bir laboratuvar ortamına koyduğunuzda, garip şeyler gerçekleşir. Kum sıçanları normal gıdalarla (laboratuvar farelerine verilen standart yiyecekler) beslendiğinde, obez ve tip 2 diyabet olma eğilimi gösterirler. Bu tespit 1960’larda gerçekleşen bir tespittir ve insanlardaki beslenme kaynaklı diyabetlerin anlaşılmasıyla ilgilenen biyologlar bu konuda kum sıçanlarının çok uygun olduğunu düşünerek, onlar üzerinde çalışmalar yapmışlardır. Ama yine de, tüm bu zaman zarfında, kum sıçanlarının hastalığa karşı neden bu kadar duyarlı olduğu çözülememiştir.

Benim asıl ilgilendiğim hayvan türü zehirli yılanlardır. Kuşkusuz, kum sıçanlarla olan bağlantıları zayıftır–en iyi ihtimalle, kemirgenler yılanlar için akşam yemeği olarak görülebilir—bu nedenle de bunlar benim için açıkça üzerinde çalışacağım bir tür değildi. Ama ben her zaman gizemlerden hoşlanmışımdır ve kum sıçanları hakkında bilgilendikçe, bu tür ilgimi daha çok çekmeye başladı… Açık delilin Pdx1 adlı bir gen olduğu gözükmekteydi ve kodladığı Pdx1 proteininin de pankreas gelişimi ve insülin geninin açılıp, kapanması dahil olmak üzere pek çok konuda rolü vardı. Normal fizyoloji için çok önemli olan bu gen, tüm omurgalılarda bulunmaktadır. Ancak şaşırtıcı şekilde bu gen, kum sıçanlarında bulunmamaktadır. Bu hiç de mantıklı gözükmüyordu. Peki, o zaman gerçekten de burada neler oluyordu?..

Ne şans ki, benim bu paradokstan etkilenmem, genetikte bir devrime yol açabilecek bir araştırmaya beni sevk etmişti. Pekin Genom Bilim Enstitüsü de dahil olmak üzere dünya üzerindeki 9 Enstitüden 17 araştırmacı ile bir ekip oluşturdum ve ekibimle kum sıçanının tüm genom dizilmini çıkardık. Keşfettiğimiz şey şaşırtıydı: Pdx1 tek kayıp, eksik gen değildi. Aslında, diğer hayvanlarda aynı kromozom üzerinde bulunan yaklaşık 90 genin dahil olduğu büyük bir DNA parçası, hiç bir yerde görülmemekteydi. Bu genlerin çoğu, tıpkı Pdx1 gibi, hayatta kalmak için gerekli genlerdi. Dahası, ilgili RNA transkriptlerini (hücrelerin proteinler yapmak için şablon olarak kullandıkları genetik kodların kopyalarını –bakınız diyagram) de bulmuştuk. Peki ama bu genler neredeydi?..

Büyük ipucu, RNA transkriplerini incelediğimizde ortaya çıktı.Genetik kod, A,T,G ve C 4 temel bazdan oluşmaktadır. Bu dizilimleri çok tuhaf yapan şey; dizilimdeki G ve C’nin seviyelerinin yüksek olmasıydı. Daha önce hiç birimiz böyle bir şey görmemiştik. Ancak, bunun, ilgili DNA’nın kayıp (standart dizilim teknolojisi, yüksek seviyelerde G ve C’li DNA seksiyonlarını algılamada iyi değildir) gözükmesini açıklayabileceğini fark ettik. Bu yüzden biz de kapalı, anlaşılması zor DNA’ları farklı bir şekilde, sezyum klorürü ultrasantrifüjü kullanarak, ortaya çıkarmaya çalıştık. Bu, çok yüksek derecede konsantre olmuş tuz çözeltisinde çok hızlı bir şekilde (en az 40.000 devir/dakika) üç gün boyunca kesilmiş DNA’yı döndürmeyi de içermekteydi. Böylece, GC bazları açısından zengin olan yoğun parçacıklar dibe çöktü. Bunu birbirinden ayırarak, onu tek tek dizmek istedik.

Bu işe yaramıştı. Bulduğumuz şey, bir mutasyon hotspot’uydu.(mutasyon açısından hareketli olan noktaydı) Bu bölge, olağanüstü bir şekilde muazzam sayıda mutasyona sahip bir DNA bölgesiydi.Bunlardan pek çoğu A veya T’den G veya C bazlarına dönüşüyordu. Örneğin; kum sıçanındaki Pdx1, hayvan krallığında bildiğimiz gen, diğer herhangi bir versiyonundan daha fazla mutasyon içermekte. (DNA’ya bağlanan sadece bir anahtar bölgede normal versiyondan farklı olarak en az 15 amino aside sahip olan bir Pdx1 proteini ile sonuçlanmakta)

Bu bölgede omugalıların herhangi bir mutasyona uğraması son derece nadir görülen bir durum. Mutasyonlar, genellikle bir genin işlevini sekteye uğratır ve tespit edilmesi zor olan “Karanlık DNA” parçasındaki genlerin, evrim boyunca çok az değişmiş olması hayatta kalmaları için oldukça önemlidir. Yine de bir şekilde kum faresinin Pdx1 geni, diğerleri ile birlikte, dramatik mutasyon seviyelerine rağmen işlev ortaya koymayı başarıyor.

Bu keşif, bizi, bir genin ne kadar dayanacağı ve daha ne kadar çalışabileceği, işe yarayabileceği hakkındaki düşüncelerimizi yeniden gözden geçirmeye zorladı.

Pdx1’in aşırı diverjansı (ayrışması, dağılması), diğer hayvanlarda o kadar etkili olmadığı ortaya çıkarsa, kum farelerinde neden diyabetin geliştiğini açıklamaya yardım edebilir. Ayrıca, bu, Pdx1’in başlangıçta neden görünmediğini de açıklamaktadır. Ancak, biz, kayıp DNA’nın gizemini çözerken ilginç bir olasılık da ortaya çıkardık. Standart genom diziliminin çok sayıda G ve C baz içeren DNA seksiyonlarını toplamada sorunlu olduğunu biliyoruz. Bu yüzden belki de de kum farelerinin bu tür mutasyon hotspotlarının  (mutasyon açısından canlı, hareketli olan bölgeleri) taşınmasında yalnız değillerdir. Karanlık DNA diğer genomlarda da gizleniyor olabilir.

Aslında, diğer 12 kemirgen türünde görünürde Pdx1’in olmaması, onların “Karanlık DNA”ya sahip olabileceklerini  düşündürmektedir. Şimdi bunu araştırıyoruz. Dahası, kuşlarda da kum faresinin hikayesine paralel çarpıcı bir durum da söz konusu. Çok fazla kuşun genom dizilimlerinde, diğer omurgalılarda olan 270’den fazla gen mevcut gözükmemektedir. Buna leptin hormonu (enerji dengesini, açlığı belirleyen hormon) da dahildir.

Ancak, Almanya, Münih’teki Kudwig-Maximillian Üniversitesi’nden Fidel Fidel Botero-Castro ve meslektaşlarının yaptığı yeni bir araştırmada, kuşlardaki bu eksik-kayıp genlerin, RNA transkriptleri yaptıklarını ortaya koyarlar. Dahası, G ve C bazlı dizilerin seviyesi çok yüksektir. Bu size tanıdık geldi mi? Aslında, araştırmacılar,daha önceki araştırmalarda tüm kuşlardaki genlerin yaklaşık %15’inin gözardı edildiğini tahmin etmekteler.

Bu da “karanlık DNA”nın oldukça yaygın olduğunun ipucunu bize vermekte. Eğer durum böyleyse, genomların nasıl geliştiğine dair bazı güncel fikirleri yeniden düşünmek zorunda kalabiliriz. Biyologlar, geçtiğimiz son 10 yılda, binlerce genom dizilimini karşılaştırarak, hangi soyların kaybolduğunu ve yeni hangi soyların ortaya çıktığını araştırmaya çalışmaktadırlar. Bu, onların, organizma gruplarını birbirinden farklı yapanın ne olduğunu ve moleküler düzeyde uyumun nasıl geliştiğini görmelerine yardımcı olmaktadır.

Eğer “ Karanlık DNA” yaygınsa, bu işi epey bozar. Çünkü, bu, kayıp olduğu düşündüğümüz genler aslında mevcut olabilir demektir.

Resmin bütününe sahip olup olmadığımızı öğrenmek için, bugüne kadar dizilmiş genomlara başka bir şekilde bakmanın zamanı gelmiş olabilir. En azından, yeni genomların dizilimini yaparken, “Karanlık DNA” olasılığına karşı dikkatli olmalıyız.

“Şişman Kum Faresi ya da Psammomys obesus olarak bilinen canlı”

 Bundan farklı olarak, bazıları da “Karanlık DNA” eğer yaygın halde olsaydı, bunu daha önce fark edilebileceklerini öne sürebilir. Belki de kemirgenler ve kuşlar, çok aşırı örneklerdir ve “Karanlık DNA” kısımları diğer organizmalarda çok daha az yaygındır.. Bu da ilginç olabilirdi. Çünkü, bu, kemirgenleri ve kuşları farklı kılan ne olduğu sorusunu gündeme getirir. Bu soruya verilecek cevap, “Karanlık DNA”nın nasıl oluştuğunu anlamanın anahtarı olabilir. Belki de, her iki hayvan grubunun, her bir türünün sahip olduğu kromozom sayısında olağandışı büyük bir varyasyon (örneğin; kemirgenlerde 22- 68 arasında değişebilir) göstermesi gerçeğinde bir ipucu mevcut olabilir.

Bu onların evrimi sırasında kromozomlarının kırılmaya eğilimli olduğunu göstermektedir. Kromozomlar, genelde cinsiyet hücrelerinin oluşumu sırasında yavrularda genetik çeşitliliği artırarak, kırılır ve yeniden birleşir.Bu olduğunda, “GC-bazlı gen konversiyonu-dönüşümü” olarak adlandırılan bir süreç meydana gelebilir ve bu, A ve T’den daha fazla G ve C mutasyonuna neden olur. Bu da DNA’nın belirli bölgelerinde G ve C bazlarının birikimine yol açabilir. Bu, kırılmaya eğilimli kromozom türlerinde “Karanlık DNA”nın sebebi olabilir mi? Bilmiyoruz, ama mümkün olabilir.

Hattâ daha da ilginç olan şey ise; “Karanlık DNA”nın evrimi nasıl etkileyebileceğidir. Çoğu kitaplar, evrimi iki aşamalı bir süreç olarak tanımlar. İlk olarak, rastgele genetik mutasyon düzenli bir küçük parçasının bir organizmanın DNA’sında varyasyon yaratır. Daha sonra, doğal seleksiyon, hangi mutasyonların geçtiğine karar vererek bir filtre gibi davranır. Bu, genellikle bir çeşit avantaj sağlayıp sağlamadığına bağlıdır, ancak evrim boyunca üretilen her şey bir adaptasyon-uyarlama değildir. Dolayısıyla,doğal seleksiyon, organizmaları geliştiği yöne iten itici güçtür. Ancak,  bu resme “Karanlık DNA”yı eklersek, durum bu şekilde gelişmeyebilir. Bu mutasyon noktalarında yer alan genler, başka yerlerden daha fazla mutasyona uğrama şansına sahipse, doğal seleksiyon harekete geçip, daha fazla çeşitlilik gösterecek ve böylece de sundukları özellikler daha hızlı evrimleşecektir. Bir başka deyişle, “Karanlık DNA” evrimin yönünü etkileyerek, mutasyonu çalıştırabilir. Aslında ben ve meslektaşlarım şunu da öne sürüyoruz: “Karanlık DNA”daki mutasyon oranları o kadar hızlı olabilir ki, doğal seleksiyon, zararlı varyantları-değişkenleri her zamanki gibi ortadan kaldırmada yeterince hızlı hareket edemeyebilir. Bu gibi genler, eğer türler yeni bir çevre sorunu ile karşı karşıya kaldıklarında, adaptasyonları daha sonraya kalabilir, geç bile olabilir.”

İkili Kontrol?

Mutasyon güdümlü-odaklı evrim fikri tartışmalıdır ancak emsalsiz de değildir. 1970’lerin ortalarından beri, saygın moleküler biyolog Masatoshi Nei, evrimin arkasındaki en önemli itici gücün, mutasyonla DNA içinde yaratılan varyasyondaki moleküler düzeyde meydana geldiğini ileri sürmüştür. Bu spontan, anlık varyasyon olmadan, doğal seleksiyon üzerinde çalışılacak bir şey kalmaz,ve ikincil bir öneme sahip olur. “Karanlık DNA”nın keşfi, bu düşünce şekline ağırlık verir. Tabii ki, bu, mutasyon ve doğal seçim arasındaki düzgün bir seçim değildir. Örneğin, kum sıçanında, birçok “Karanlık DNA” genlerindeki artmış muazzam mutasyon oranı, türlerin evrimsel gidişatı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Bununla birlikte, bazı seleksiyonlar bu genler üzerinde de hareket etmelidir, aksi takdirde mutasyon aşırı çalışacak, işlevsel genler içermeyen bölgeler oluşturacak ve türler hayatta kalamayacaktır.

Gerçekte, kum sıçanının mutasyon hotspotundan genel olarak fayda sağlayıp sağlamadığını belirlemek zordur. Aşırı mutasyonunun bir problem olmasını bekleyebilirsiniz, aksi halde Pdx1 gibi proteinler diğer tüm hayvanlarda neredeyse aynı şekilde neden olur ki? Fakat, kum sıçanının Karanlık DNA’sı, normal şartlarda ortaya çıkmayacak bazı adaptasyonlara uyarlamalara yol açabilir. Belki de bunlar, onların, suya çok az erişimli ve besleyici değeri çok az yiyeceklerle hayatta kalmalarına izin vermiştir ve bu yüzden de çok az rakiple birlikte sert bir çöl ortamında gelişmiş olabilirler. Öte yandan, eğer kum sıçanları besin değeri bakımından zengin gıdalar yerlerse, diyabet geliştirip, ölebiliyorlar. Bu, çöllerde yaşamak zorunda oldukları anlamına da gelebilir. Yani “Karanlık DNA” hem “kurtarıcı”, hem de “gardiyan” olabilir.

Genel olarak, Karanlık DNA’nın etkileri esrarengiz, enigmatik kalmaktadır. Yine de bir şey kesin; Karanlık DNA’nın, genomların moleküler düzeyde nasıl gelişmeye yol açtığına ve bu süreçlerin Dünya’daki hayranlık uyandıran yaşam çeşitliliğine neden olduğuna dair öğreneceğimiz halâ çok şey olduğunu göstermekte.

Yaşam Kodunu Deşifre Etme

İnsan genomunu dizilimi için on yıl, devasa bir konsorsiyum ve yaklaşık 2.7 milyar dolarlık bir tutar harcandı. Proje 2003 yılında tamamlandığı ve  teknolojide çok büyük ilerlemeler kaydedildiği için, dizilimlerin daha hızlı ve daha ucuz olması sağlandı. Bugüne kadar, yaklaşık 15.000 türün tam genomları deşifre edildi. Ve bu sadece bir başlangıç. (Tüm genom diziliminin ticarileştirmesindeki yarış o kadar yoğun ki, rahimdeki fetüsler de dahil olmak üzere, bireylerin tüm genetik şablonunu rutin şekilde çözmemiz çok uzun sürmeyebilir.)

Genetik dizilem, bir DNA iplikçiği boyunca eşleştirilmiş A, T, G ve C olarak bilinen dört nükleotidin veya bazın kesin sırasının çıkarılmasını içerir. 1970’lerde Frederick Sanger tarafından tasarlanan öncü teknolojiler, büyük ölçüde rehber olmuşlardır. Sanger sekanslama-dizileme, diziyi göstermede, özel işaretleyiciler kullanarak, bir test tüpünde bir defada bir tamamlayıcı iplikçiği “büyütmek” için şablon olarak tek bir DNA dizisini kullanmayı gerektirmektedir. Doğru ama son derece zaman alıcıdır; Kalifiye bir çalışan iyi bir gününde 10.000 baz çifti deşifre edebilir. İnsan genomu yaklaşık 3.2 milyar baz çiftinden oluşmaktadır.

Bu günlerde, artık sekanslama-dizileme büyük ölçüde otomatik hale geldiği için süreç çok daha hızlı. Bir DNA ipliğinin çoklu kopyaları ilk önce rastgele küçük parçalara ayrılır – genellikle 100 ile 150 baz arasında – daha sonra birbiriyle örtüşen bölümleri eşleştiren bilgisayar programları tarafından bir araya getirilmeden önce tek tek sıralanır. Ama bu konuda bir problem oluşmakta. Bu “yeni nesil” sekanslama, üst üste binen parçaları yeniden birleştirmeyi zorlaştırdığı için, G ve C gibi sadece iki bazın egemen olduğu DNA uzantılarının deşifre edilmesinde çok da iyi değil. Sonuç olarak da, bugüne kadar dizilen genomlarda önemli miktarda DNA parçasını gözden kaçırmış olabiliriz. Meslektaşlarım ve ben de buna “Karanlık DNA” adını verdik.

Daha yeni sekanslama yöntemleri daha doğru olacaktır. Bu yeni yöntemler, DNA bölümlerini birkaç bin baza kadar uzatarak, örtüşen alanların deşifre edilmesindeki problemi azaltabilirler. Teknolojinin hızla gelişmesiyle, Karanlık DNA ortaya çıkacaktır. Çözdüğümüzü düşündüğümüz genomlarda bile yeni sürprizlerle karşılaşabiliriz.

Bu yazı, “Karanlık DNA” başlığı altında basılmıştır.
Yazar:
Adam Hargreaves, Oxford Üniversitesi’nde biyolog.

Çeviren : AylinER
https://www.newscientist.com/article/mg23731680-200-dark-dna-the-missing-matter-at-the-heart-of-nature/

Check Also

Şifa – Joe Dispenza – Bölüm 3

 Bilinçsiz bir şekilde programlanıyoruz? Peki Nasıl? Bu konuda somut deneyler var mı? Bir olayı ...