Antik proteinler ve sirke sineğinin uyumsal evrimi

Sirke sinekleri ya da bilimsel ismiyle Drosophila melanogaster, onlarca yıldır (yaklaşık bir yüzyıldır) biyoloji laboratuvarlarında model organizma olarak kullanılıyor. Özellikle gelişim biyolojisi ve genetik çalışmalarında sıklıkla kullanılan bir türdür.

Kozmopolitan bir tür olarak bilinen bu sineklere mutfağınızda, evinizde, restorantlarda rastlamanız olası. Zira yaklaşık 3 mm boyunda olan bu tür, çürümekte olan meyvelerin üzerinde birikmesi ile meşhurdur. Bilindiği gibi çürümekte olan meyvelerde fermantasyon sonucu etil alkol oluşur. Sirke sinekleri ortamdaki görece yüksel alkol oranına rağmen bu meyveleri kullanır. Drosophila melanogaster’e evrimsel olarak en yakın türlerden biri de Drosophila simulans adı verilen bir türdür. Bu iki tür de oldukça benzer özellikler gösterir. Ancak araştırmalar Drosophila melanogaster’in alkol toleransının Drosophila simulans’a göre daha yüksek olduğunu göstermektedir.(1)

 
Drosophila’nın her iki türü de alkol dehidrojenaz enzimini kodlayan alkol dehidrojenaz genine sahiptir. Drosophila’nın alkol toleransı için gerekli olan bu enzim, ortamdaki alkolün yıkılmasında görev alır. Bilim insanları bundan yaklaşık 20 yıl önce, Drosophila melanogaster’in Drosophila simulans’a nazaran etil alkolce zengin çürük meyvelerde daha iyi büyüyebilmesini, bugün de yaygın bir şekilde kabul gören, moleküler adaptasyon hipotezi ile açıkladılar. Bu hipoteze göre alkol dehidrojenaz proteinini kodlayan gende oluşan dizi değişiklikleri, Drosophila melanogaster’in evriminde bu enzimin katalitik aktivitesini, yani alkolü yıkıma uğratma hızını arttırmış ve enzimdeki iyileşme hem bu türün etil alkol toleransına, hem de bu türün etil alkolce zengin ekolojik nişine (yani çürüyen meyveye) uyumuna katkıda bulunmuştur. Chicago Üniversitesi’nden araştırmacılar 13 Ocak 2017 tarihinde Nature Ecology &Evolution dergisinde yayınlanan araştırmalarında,2,3 bu hipotezi daha önce kullanılmamış bir yöntem kullanarak test ettiler ve hipotezin geçerli olmadığını gösterdiler. Araştırmacılar, Drosophila türlerine ait alkol dehidrojenaz gen ve protein dizilerini işlemsel biyoloji ve istatistik yöntemleri kullanarak, Drosophila’nın atalarında bulunan, günümüzden 2 ila 4 milyon yıl önceki alkol dehidrojenaz proteinlerinin ve genlerinin dizisini belirlediler. Bu genlerin protein ürünlerini (antik alkol dehidrojenazı ve bugünkü formlarını) bakterilerde üreterek gen dizisindeki değişikliklerin alkol dehidrojenaz enziminin alkol yıkım hızını değiştirip değiştirmediğine baktılar. Sonuç koca bir hayırdı. Hem antik genin ürünü hem de bugünkü versiyonları alkol yıkımı bakımından benzer özellikler gösteriyordu. Araştırmacılar ikinci aşamada bu genleri sirke sineklerine aktardı ve bu gen ürünleri olan proteinlerin sirke sineğinde üretilmesini sağladı. Sirke sineğinin ürettiği antik alkol dehidrojenaz ve bugünkü versiyonları da karşılaştırıldığında alkol yıkım hızlarının yine aynı olduğu görüldü. Üçüncü ve son aşamada ise antik ve bugünkü alkol dehidrojenaz proteinlerini üreten sirke sineklerinin artan alkol derişimlerini tolere edip etmeyeceği test edildi. Cevap yine hayır oldu. Genetik olarak değiştirilmiş bu sineklerin antik geni taşıyanı da, genin bugünkü versiyonunu taşıyanı da ortamdaki alkol yüzdesi arttırıldığında büyüyemedi ve yaşamını sürdüremedi.

Araştırma, sirke sineğinin alkol toleransının moleküler mekanizmalarının alkol dehidrojenaz enziminin gen dizilerindeki değişikliklerden kaynaklanmadığını, başka moleküler mekanizmaların araştırılması gerektiğini ortaya koydu. Bu araştırma, birkaç on yıldır yaygın kabul gören bir hipotezi geçersiz kılmakla kalmadı, aynı zamanda uyumsal evrimle ilgili hipotezlerin test edilebileceği bir metodu da bilime kazandırdı. 

1: Laurie et al. Genetic basis of the difference in alcohol dehydrogenase expression between Drosophila?melanogaster and Drosophila?simulans. Proc. Natl Acad. Sci. USA 87, 9674-9678 (1990).
2: Siddiq et al. Experimental test and refutation of a classic case of molecular adaptation in Drosophila melanogaster. Nature Ecology & Evolution, 2017; 1: 0025 DOI: 10.1038/s41559-016-0025
3: University of Chicago Medical Center. "Scientists engineer animals with ancient genes to test causes of evolution." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 January 2017. <https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170113121139.htm>.