Canlılardaki genetik ortaklığın mirası: Homeobox-Pitx1 | Bilim ve Gelecek
Ana sayfa 71. Sayı Canlılardaki genetik ortaklığın mirası: Homeobox-Pitx1
Canlılardaki genetik ortaklığın mirası: Homeobox-Pitx1
1970 ve 1980’lerde hayvanlarda homeobox genlerinin keşfi ve karakterizasyonu, modern Evrimsel Gelişim Biyolojisinin (EGB) doğuşuna işaret eder. Çok hızlı ilerleyen Biyoloji- Genetik biliminin birçok alanda olduğu gibi evrimsel anlamda da oldukça açıklayıcı, yeni bilgilere ulaşılmasını sağlamıştır.
Döllenme sonrası oluşan zigotun, kendisine özgü bir yapısı olan hayvana dönüşmesi olayı, Hox genleri adı verilen özel, düzenleyici genlerin gelişen embriyoda kontrollü olarak ifade edilmesine bağlıdır. Hox genleri, embriyonun bireye dönüşümüne kadar gelişmesini sağlayan en önemli gen ailesidir. Homeobox genleri ise vücudun embriyonel dönemde oluşmasında görev alan anlatım yapan gen ailesidir. Omurgalılarda özellikle Hox genleri ile beraber işlev görerek embriyonun gelişmesini sağlar.
Hayvanlardaki en önemli homeotik genler omurgasızlarda HOM lokusları ve omurgalılarda Hox lokusları denen genlerdir.
Ökaryotların hepsi, diğer genlerin ifade edilmesini düzenleyen genlere sahiptir. Fakat hayvanlar alemi dışındaki ökaryotlar arasında, homeotik genlerde homeobox bulunmaz; bu düzenleyici genler vücut formunun işlevinde görev yapar. Şimdiye kadar, yapısında hem homeobox içeren hem de homeotik işlev gören Hox genleri sadece hayvanlarda keşfedilmiştir. Ve en basit süngerlerden en karmaşık yapıya sahip böcekler ve omurgalılara kadar hayvanların hepsi, Hox genlerine sahiptir; bu genlerin içerdikleri homeobox DNA sekansları açıkça birbiriyle ilişkilidir.
Hox genlerinin hayvan farklılaşmasındaki rollerinin anlaşılması morfolojik evrime yeni bir bakış açısı getirmiştir. Bu da, morfolojik evrimin önemli nedenlerinden birinin, ortak genlerin anlatımının zamana ve yere göre değişmesi olduğu fikridir. Örneğin, dört üyelilerin (yani karasal omurgalılar olan amfibiler, sürüngenler, kuşlar ve memeliler), sucul omurgalılar olan balıklardan evrimleşmesini düşünün. Bu omurgalıların tarihinde büyük değişimlerden birisi, balıkların yüzgeçlerinden dört üyelilerin bacaklarının gelişmesidir. Balıkların yüzgeçlerinin aksine, dört üyeliler iskelet olarak destek sağlamak üzere üyelerin ucuna uzanan parmaklara (insanda el-ayak parmakları) sahiptir. Hox geninin ürünü, üye içerisinde, kemiklerin ne kadar dışarıya doğru büyüyeceği hakkında konumla ilgili bilgi sağlamaktadır. Akraba bir Hox geni, balık yüzgeci gelişim sırasında ifade edilir; fakat bu gen, yüzgeç tomurcuğunun ucundan geride yer alan daha küçük bir bölgede ifade edilir. Kendisinin ifade edilme bölgesini, tomurcuğun ucuna kadar genişleten bu Hox genindeki bir mutasyon, büyük bir olasılıkla iskelet elemanlarının uzamasının evrimine katkıda bulunarak, üyelerin karada yaşayan omurgalı hayvanları desteklemesini mümkün kılmıştır. Omurgasız hayvanlardan omurgalıların evrimleşmesi, makroevrimde bile çok büyük bir olaydır ve büyük bir olasılıkla Hox genlerindeki değişikliklerle bağlantılıdır.
Hox genleri temel hayvan şubelerinin hepsinde saptanmıştır ve önemli üç ortak özellikleri vardır.
1) Gen kompleksleri şeklinde organize olmuşlardır. Yani ilişkili genler kromozom üzerinde birbirlerine yakın olarak yerleşmişlerdir ve orijinal genlerin duplikasyonları ile oluştuklarına işaret eder. Çalışılan her şube ve sınıf, diğer gruplarla karşılaştırıldıklarında özgül bir gen duplikasyonu ya da gen kaybı göstermektedir.
2) Genlerin kromozom boyunca 3’ ve 5’ yönündeki sırası ile bu gen ürünlerinin embriyodaki anteriyör-posteriyör yerleşimi arasında bir bağlantı bulunmaktadır. Bu gen kompleksinin 3’ ucunda yer alan genler embriyonın baş bölgesinde ifade edilirken 5’ ucunda yer alan genler embriyonun posteriyörüne doğru ifade edilir. Bu fenomen zamansal ve uzaysal düzlemsellik (temporal and spatial colinearity) olarak adlandırılır ve sadece Hox ve Hom genlere özgü bir durumdur.
3) Bu kompleks içerisinde bulunan her bir lokus homebox adı verilen ve evrimsel süreçte hemen hemen hiç değişime uğramamış 180 baz çiftlik bir DNA dizisi içerir. Bu dizi, DNA’nın bağlanma şeklinin oluşmasına temel teşkil eden kodlamayı yapmaktadır. Homeboxların keşfi Hox ve Hom gen ürünlerinin DNA’ya bağlanan ve diğer genlerin transkiripsiyonunu kontrol eden düzenleyici proteinler olduğunu doğrulamaktadır.
Omurgalı hoxa genlerinin, tetrapod vücut uzantılarının evrimi sırasında ayrı işlev kazanması. Geçmiş zamanlarda, Hox genleri vücudun sadece anterior-posterior aksında anlatım gösterirdi. Eşlenmiş ön ve arka üyelerin evrimi sırasında yeni gen anlatımları ve büyük olasılıkla Hoxa9-13’a ait yeni artırıcılar kullanılarak gerçekleşmiştir. El ve ayakların(autopod) evrimi ise başka yeni Hoxa gen anlatım örüntülerini içerir. (True ve Caroll 2002’den)
Sudan karaya geçişin anahtarı: Pitx1
Homeobox gen ailesinin bir üyesi olan Pitx1, 3 tane anlatım bölgesi içeren 283 tane aminoasidlik protein şifreleyen bir gendir. Kodlanan bu protein diğer genlerin anlatımını düzenleyen transkripsiyon faktörüdür. Düzenleyici gen olma özelliğinin de bulunması bazı fonksiyonlar içinde geçerlidir. Örneğin: Timus ve bazı mekanoreseptörlerin oluşumu, hipofizin anterior lobu, çene oluşumu ve Arka üyelerin oluşumu için oldukça önemlidir. Bu bölgelerdeki aktivite, her bölgeye özgü düzenleyici bölgelerle kontrol edilir.
Pitx1 esansiyel bir gendir. Bütün omurgalılarda bulunur. Homozigot olduğunda şifreleme bölgelerindeki mutasyonlar öldürücüdür (farelerde gösterilmiştir). Ama şifrelenmeyen bölgelerdeki mutasyonlar önemsizdir.
Tüm omurgalılar birleşik kemikli basen kemerine sahiptir. Bu kemer balıkların yüzgeçlerini ve tetrapodların arka ayaklarını oluşturur. Bu yapıların düzgün gelişmesi için omurgalılar pitx1’e ihtiyaç duyar. Pitx1’in bilinen en önemli görevi arka-ön ekstremitelerini oluşturmasıdır.
Bazı yalan yanlış bilgiler içersinde Hox genlerinin evrime delil olmayacağını dile getiren ve sürekli yayın yapan kişilerin, bilimden ne kadar uzak oldukları açıktır.
Kambriyen dönemine ait (550 milyon yıl önce) yeni vücut yapılarının ortaya çıkmasın ardından 385-360 milyon yıl öncesinde balıkların yüzgeçten ayak geliştirerek karaya çıkmaları, 210-65 milyon yıl önce yaşayan dinozorların doğal hayata uyum sağlayarak yeryüzüne yayılmaları; kuş olmayan dinozorların yok oluşu ve bizim de içinde olduğumuz memelilerin ortaya çıkışı gibi, derin evrimsel tarihe dayanan soruların yanıtları artık yalnızca paleontologların bulduğu fosiller ile sınırlı değil. Bugün moleküler biyoloji ve genetiğin ışığında canlılığın geçmişine doğru yolculuk yaparak bilimsel verilere rahatlıkla ulaşabiliriz.
Evrimsel Biyoloji yeni yöntemler doğrultusunda hızla ilerlemekte, Biyoloji bilimine yön vermeye devam etmektedir.
1) G. B. Müller (2007), Evo-devo: extending the evolutionary synthesis, Nature Reviews Genetics 8: 943-949.
2) M. D. Shapiro et al (2004), Genetic and developmental basis of evolutionary pelvic reduction in threespine sticklebacks, Nature 428: 717-723.
3) M. Bilecenoğlu et al (2002), Checklist of the marine fishes of Turkey. Zootaxa 113.
4) Campbell – Reece, Genel Biyoloji, 417-18,634,643-44,479,480,671-672,1019.
Önceki makaleOsmanlı düzeni nasıl çürüdü?
Sonraki makaleCumhuriyet kadınları Anneannelerinden farklı oldular!