Mutasyon (Değişinim)

Evrimsel tarihin en önemli basamaklarından çok hücreli yaşamın evrimine doğru atılan ilk adımın, sadece tek bir gen üzerinde meydana gelen basit bir nokta mutasyon ile tetiklenebildiği gösterildi. 2012 yılında yayınlanmış çok hücreli yaşamın evrimine dair bir araştırmada, tek hücreli mayalardan, çok hücreli ilkel (‘kar-tanesi’ adı verilen) yapıların evriminin, uygun koşullarda, sadece 60 gün içinde gerçekleşebildiği gösterilmişti. Çalışmayı gerçekleştiren ekip, 2015 Ocak ayında bir devam çalışması yayınladılar. Yeni makalede, laboratuvarda evrimleşmiş kar tanesi hücre kümelerinde anne yavru hücrelerin birbirlerine tutunmalarına fırsat veren mutasyonlardan en temel olanını tanımlıyorlar.
Laboratuvarda evrimleşen çok hücreli yapılarda, hücre kümelenmesinin, anne yavru hücrenin bölünme sonrası tek hücreli atalardan farklı olarak ayrılmaması sonucu oluştuğu gözlenmişti.
Yeni çalışmada araştırmacılar, atasal tek hücreleri ve evrimin ilk 7 gününde seçilmiş basit çok hücreli kümeleri karşılaştırdılar. Bunu yapabilmek için, deney sırasında her gün oluşan hücrelerin bir kısmını “canlandırılabilir fosil kaydı” şeklinde 80 santigrat derecelik dondurucularda saklamışlardı. Evrimin iki farklı aşamasını temsil eden, 0 günlük tek hücreli ve 7 günlük basit çok hücreli kümeler arasında, hangi genlerin ifadesinin değiştiğine baktılar.
Genler DNA üzerinde başlama ve sonlama harfleri ile belirlenmiş harf (nükleotid) dizileridir. Bu harf dizileri, işlevsel (örneğin anne yavru hücre ayrımında görevli) birimler olan proteinlere sentezlenirken, öncelikle ara molekül olan, mRNA (mesajcı RNA) molekülüne sentezlenmekteler. İlgili mRNA molekülünün sentezlenmesine ‘gen ifadesi’ adı veriliyor. mRNA molekülleri miktarındaki artış veya azalışlar dolaylı olarak protein molekülleri miktarında artış veya azalışlara karşılık gelmekte. Bir protein miktarının azalması ise, bu çalışmada önerildiği gibi, ilgili işlevin (anne yavru hücre ayrılması) gerçekleşmemesine sebep olabiliyor.

Makalede, gen ifadesi oranları evrimsel zaman içinde en fazla azalan 10 genden 7’sinin, hücrelerin yüzeyine yerleşen ve anne yavru hücre ayrılmasında görevli proteinleri sentezleyen genler oldukları gösteriliyor. Bu 7 gen, tek hücreli atalarda önemli seviyelerde ifade edilmekteler. Gen ifadesi sonucu sentezlenen proteinler, anne yavru hücre dış yüzeylerinin birbirlerinden fiziksel olarak ayrılmasını sağlıyorlar. Evrimin sadece 7’nci gününde seçilmiş basit çok hücreli kümelerde ise, bu 7 gen, atasal hücrelerdeki örnekleriyle karşılaştırıldıklarında, 3 ile 16 kat arasında, daha az ifade edilmekteler. Bunun sonucunda da 7 gün seçilmiş hücre kümelerinde anne yavru hücre ayrımı gerçekleşmeyip, çok hücreli kümelenmeler evrimleşmeye başlıyor.
Araştırmacılar, 7 genin ifade seviyelerini düzenleyen ACE2 isimli ortak bir gen olduğu fark ediyorlar. ACE2 isimli genin DNA dizisi incelendiğinde, farklı deney tüplerinde bağımsız olarak evrimleşen kar tanesi yapılarından yarısında, ilgili genin mutasyona uğramış olduğu gösteriliyor. Bu mutasyonlar sonucunda, ilgili ACE2 geninin kodladığı Ace2 proteininin yapısı değişmekte. Yapısı değişen mutant Ace2 proteini, ifadelerini kontrol ettiği hedef genleri eskisi gibi aktive edemiyor. Bu genlerden, anne yavru ayrımında iş gören 7 adet hedef proteinin miktarları da dolaylı olarak büyük oranda düşüyor.

• Sol üst karede ACE2 geninin işlevsel oldugu (mutasyona uğramamış) atasal tek hücreler görünmekte.
• Sağ üst karede ise, solundaki tek hucreli atadan, ilgili gen mutasyona uğratıldığında (silindiğinde), 'kar tanesi' yapıları benzeri biçimde, hücrelerin basitçe birbirlerine tutunduğu gözlenmekte.
• Alt sol karede ise, 7 gün seçilim sonunda evrimleşmeye başlayan basit çok hücreli 'kar tanesi' görülmekte bu hücrelerde ACE2 geni nokta mutasyonu (DNA yeni nesile aktarım için kopyalanırken gerçekleşen hata sonucu, DNA'yı oluşturan harflerden (A, T, G, C) birinin yerine bir diğer harfin yerleştirilmesi) içeriyor.
• Sağ alt kısımda ise, 7 gün sonunda evrimleşmiş soldaki yapılardan, ACE2 geni işlevli (mutasyona uğramamış) bir kopya ile değiştirildiğinde, evrimleşmiş kümeler, atasal tekhücreli yapılar gibi (tekhücreli bireyler olarak) davranmaya başlıyor.

Çalışmada bu bulgu deneysel olarak doğrudan da kanıtlanıyor. Bunun için araştırmacılar, tek hücreli atalarda ACE2 genini genetik yöntemlerle tamemen sildiler. Bu tekhücreli yapıların, deneyde evrimleşen basit çok hücreli kümelenmelerde olduğu gibi birbirlerine tutunduklarını, yani “çok hücrelileştikleri” görüldü (Şekil 1, üst panel, sol ve sağ kareler).

Ekip, bununla da yetinmeyip, 7 günlük seçilim sonucu evrimleşen basit çok hücreli kümelerde mutasyona uğramış işlevsiz ACE2 genini, bu sefer, mutasyona uğramamış (işlev gören) atasal ACE2 gen kopyası ile değiştiren araştırmacılar, bu sefer de evrimleşmiş çok hücreli kümelerin, tek hücreli atalar gibi davrandıklarını gösteriyorlar (Şekil 1, alt sol ve sağ kareler).

Elbette ilgili araştırma için yayınlanan son çalışma bu olmayacak. Araştırmacılar genetik değişimleri sınırlı bir düzlemde, sadece 7 günlük evrim sonucu oluşan kar tanesi hücre kümelerinde, ve anne yavru hücre ayrılmaması bağlamında incelemekteler. Çok hücreli yaşamın evriminde iş bölümünün evriminin çok daha önemli bir adım olduğu daha önce tartışılmıştı. Araştırmacılar da, 60 gün ve devam eden 227 gün evrim sonucunda seçilen çok hücreli kümelerde, iş bölümüne örnek olabilecek özellikler gözlemişlerdi. Şimdi sırada, iş bölümünün evrimine örnek olarak sundukları gözlemlerini, genetik ve moleküler çalışmalarla incelemeye devam etmek var. Ayrıca, çalışmayı yürüten araştırmacı Will Ratcliff’in, ilgili kar tanesi yapılarının laboratuvar seçilimini devam ettirdiğini, ve çok hücreliliğin hangi çevresel şartlarda, tek hücreli yapılara göre avantajlı olduğunu incelediğini tahmin edebiliriz. Aynı zamanda evrimsel seçilim deneylerini laboratuvarında devam ettirirdiğini kabul edersek, ileride iş bölümünün evrimi ile ilgili karşımıza daha da ilginç sonuçlarla çıkacağını düşünmek, yine heyecan verici olacaktır. Özet olarak araştırma, çok hücreli kümelerin evriminde sadece tek bir gen üzerinde meydana gelen tek bir harf değişimi ile, çok önemli bu evrimsel “sıçramanın” ilk adımının, tahminlerden daha basit bir genetik değişim ile atılabileceğini önermekte. Araştırmacılar makalelerinde, evrimsel tarihin başlıca değişimlerinden olan çok hücreliliğe geçiş gibi “makro” düzeyde değişimlerin, uygun çevresel koşullarda, “mikro” değişimler ile tetiklenebileceğini tartışmaktalar. Bu da makro ve mikro evrim ayrımlarının, bu gibi örneklerin de gösterdiği gibi, çapraşık olabileceğini önermekte.