İkiz genler ve evrim

İkiz genlerin oluşumu ve ikinci kopyanın değişerek yeni genlerin ve yeni işlevlerin ortaya çıkışı olayı hiç kuşkusuz moleküler evrimin en önemli mekanizmalarından biridir. Peki ikiz genler nasıl oluşur? Bu genler nasıl değişerek yeni işlevler kazanır ve bu olay moleküler evrimi nasıl açıklar? Bu olay en basit haliyle şöyle tanımlanabilir. Herhangibir geni içeren bir DNA bölgesinin ekstra bir kopyasının oluşumu ile ikiz genler oluşur. Bu olay homolog rekombinasyondaki (yani DNA’nın belli bölgeleri arasında parça değişimi sırasında) bir hata sonucu, bir retrotranspozisyon olayı sonucu (yani retrotranspozon adı verilen hareketli DNA parçalarının -ki bunlar DNA içinde hareket edebilir- kendinin kopyasını çıkararak yer değiştirmesi ile) ya da bir kromozomun tamamının ekstra bir kopyasının oluşumu ile. Bu oldukça sık karşılaşılan bir olaydır.
Örneğin Down Sendromu, Trisomy 21 olarak da bilinir ve üreme hücrelerinin hücre bölünmesi sırasında 21. kromozomun ekstra bir kopyasının oluşması ile ortaya çıkar. İkiz genlerin oluşumu bütün genomda, bütün organizmalarda görülen evrensel bir olaydır. Geçtiğimiz yüzyılda ikiz genlerin oluşumu olayı ile yeni işlevlerin evriminin ortaya çıkış mekanizmalarını açıklayan birçok teori ortaya atıldı. Organizmaların gen dizilerinin çözülmesi olayı hızlandıkça ve teknolojisi geliştikçe bu tür olayları incelemek ve bu teorileri test etmek de kolaylaştı. Bundan yaklaşık seksen yıl önce ünlü bilim insanı J.B.S Haldane, ikiz genlerin oluşumunun evrimde önemli bir rol oynayabileceğini öne sürmüştü. Bu hipotez, DNA’nın yapısının çözülmesinden yaklaşık otuz yıl önce ortaya atılmıştır. Haldane’in öngörüsü 1970’lerde Susuma Ohno’nun “İkiz Genlerin Oluşumu Yoluyla Evrim”(Evolution by Gene duplication) isimli kitabı ile daha da derinleştirilmiştir. Ohno’ya göre hücre bölünmesi esnasındaki anlık bir durum ile zaten hücrede varolan bir genin bir kopyası daha oluşur ve bu fazla kopyanın mutasyona uğraması ve yeni işlevler kazanması önünde engeller bulunmamaktadır. Yeni işlevlerin bu şekilde ortaya çıkışı ile yeni genler oluşmaktadır. Ohno’nun görüşünü, 1990’ların sonunda Michael Lynch’in modeli takip eder. Lynch’e göre ikiz genlerin üç farklı sonu olabilir. Bunlardan biri her iki kopyanın da işlevini kaybetmesi, diğeri kopyaların yeni işlevler kazanması, sonuncusu ise iki kopyanın da asıl genin işini aralarında bölüşerek varolması.
Science dergisinin 19 Ekim tarihli sayısında ABD’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden John Roth ve İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nden Dan Andersson ve arkadaşları bu teorileri geliştirip tamamlayan yeni bir model öne sürdüler. Onlara göre varolan modeller ikiz genler yoluyla evrim olayını tamamen açıklamada yetersiz kalmaktadır. Aslında sorun şudur: İkinci gen kopyasını ortaya çıkması ile yeni mutasyonların oluşarak ikinci kopyanın yeni işlevler kazanması arasındaki uzun sürede nasıl olur da ikinci kopya doğal seçilimin baskısı ile ortadan yokolmaz? Varolan modeller bu soruyu açıklayamamaktadır. Roth ve Andersson bunun için 2007 yılında yeni bir model oluşturdular ve Science dergisindeki makaleleri ile bu modelin geçerliliğini kanıtladılar.ü
Onların modeline göre ikiz genlerin oluşumu için en olası aday gen, kendi gen ürünü olan proteinin asıl işlevinin yanında başka bir yan işlev de gören bir gendir. Ortam koşulları değiştiğinde, yeni koşullarda bu yan işlev organizmanın yaşamını sürdürmesi için gerekli bir görevi yerine getiriyorsa, bu ikiz genlerin ortadan yokolmaması için avantajdır. Hatta o proteine çok ihtiyaç duyuluyorsa genin ikiden çok kopyası da oluşabilir. Bu kopyalardan birinde oluşacak bir mutasyon bu yan işlevin daha verimli bir şekilde yerine getirilmesine sebep olursa ikiz genlerin yok olmaması garantidir. Diğer fazla kopyalar ihtiyaç duyulmadığı için zamanla ortadan kalkacaktır. Roth ve Andersson’un ekibi, modellerini Salmonella isimli bir bakteride denediler. Öncelikle bu bakterinin TrpF isimli enzimini kodlayan gen işlevsizleştirildi. Bu enzim triptofan aminoasidinin sentezi için gerekli bir enzimdir. Salmonella mutantları tarandı ve bu genin işlevsizleştirilmesine rağmen yine de çok az triptofan sentezi yapabilen bir mutant Salmonella sonraki deneyler için seçildi. Yapılan deneyler bu mutantın Histidin aminoasidinin yapımından sorumlu proteini kodlayan HisA geninin aynı zamanda triptofan da yapabildiğini ortaya çıkardı. Ekip, Salmonella’nın triptofan üretiminden sorumlu genini işlevsizleştirip, organizmaya bu iki fonksiyona sahip HisA genini yerleştirdi ve Salmonella’yı bir yıl boyunca, 3 bin nesil triptofan içermeyen besiyeri üzerinde büyüterek inceledi. Bakterilerin başlangıçta yavaş büyürken 3000 nesil sonunda daha hızlı büyüdüklerini gösterdi. Bu nesillerin gen analizleri yapıldı.
Bu süreçte başlangıçta tek kopya olan gen ve dolayısıyla onun ürünü protein az miktarlarda triptofan üretiyordu ve bakteri daha yavaş büyüyordu. Daha sonra ise genin çoklu kopyaları ortaya çıktı ve bu kopyalardan birinde oluşan bir mutasyon modeldeki gibi triptofan yapımının verimini arttırdı. Bu kopya ile orijinal kopya varolamaya devam ederken diğer çoklu kopyalar zamanla ortadan kalktı. Triptofan yapımı son nesillere doğru fazlalaştığı için bakterilerin büyüme hızı da artmış oldu. Burada doğal seçilim baskısı olarak triptofansız besiyeri kullanılmıştır. Gördüğünüz gibi evrim karşıtlarının tüm söylemlerinin aksine moleküler evrimin mekanizmaları gün geçtikçe ortaya çıkarılıyor ve bir bir açıklanıyor. Başka söze gerek yok...