Ökaryotik hücrenin evriminde sıçrayan genler ve 'çöp'! DNA etkisi

Transpozonlar ya da gezici genetik elemanlar ya da diğer bir deyişle sıçrayan genler, mayadan insana ökaryot (çekirdeği bir zarla kaplı) organizmaların DNA’larında yer alan hareketli DNA parçacıklarıdır. Bunlar DNA üzerinde yer değiştirerek, çeşitli genetik değişimlere ve genlerin ifade seviyelerinin  değişimine yol açabilirler. DNA’mızın yarısından fazlası artık suskunlaşmış transpozonların kalıntıları ile doludur. Hareketli DNA parçalarını tanımlayan ve onlarla ilintili olan protein isimleri de hareketle ilgili. Bu alanda çalışan araştırmacılar,  çeşitli transpozonlara ve onlarla etkileşimde olan çeşitli proteinlere arganaut, idefix, flamenco, gipsy gibi isimler vermişler.  Antik Yunan’da Arganotlar, Truva Savaşı öncesinde yaşamış, Altın Postu bulmak üzere Colchis’e giden Jason’a bu yolculuğunda eşlik eden kahramanlardır. Yaklaşık 50 kişiden oluşan bu grup Argos gemisi ile seyahat etmektedir1. Idefix ise Asterix çizgi romanında Obelix’e (Türkçeye Oburiks olarak çevrilmiş) seyahatlerinde eşlik eden köpektir.  Flamaenco (Flamenko) dendiğinde  gözümüzün önüne hareketli bir dans gelir hemen. Gipsy (Çingene) ise kökeni Kuzey Hindistan’dan gelen, göçebe bir halk.

Retrotranspozonlar da bu hareketli DNA’lardandır.  Canlıların evriminde büyük rol oynadıkları düşünülmektedir. Peki bu hareketli DNA parçaları gerçekten de yaşamın daha ileri formlarının oluşmasında itici güç olabilir mi? PNAS dergisinde  geçtiğimiz hafta  Lee ve arkadaşları tarafından yayınlanan araştırma işte bu sorunun cevabını aramakta2,3. Bilindiği gibi bakterilerde, yani prokaryotlarda retrotranspozonlar bulunmuyor. Araştırmacılar, prokaryotlardan ökaryotlara geçişte, retrotranspozonların nasıl bir işlev üstlendiğini ortaya çıkardılar. Bakteri hücresine bir retrotranpozon aktararak sonucun ne olduğunu araştırdılar. İlk deneylerde, sonuçlar ölümcül idi. Bakteriye aktarılan retrotransposon bakterinin ölümüne neden oldu.  Çünkü bu DNA parçacıkları kendilerini bakteri DNA’sında bakterinin yaşamını sürdürmesini sağlayan gen bölgelerine eklemlediler ve bu süreç bakteriyel genlerin bozularak gen ürünü olan proteinleri üretememesine ve sonuçta ölümlerine neden oldu. Retrotranspozonlar DNA’nın bir bölgesini kesip yerleşip kendi kopyalarını çıkartmaktadır. Bakteri hücresinde yaşamını sürdürebilmek için kesilen bölgeyi tamir eden bir mekanizma bulunmaktadır. Bakteri hücresi belli durumlarda tamir enzimleri kullanarak retrotranspozonun girdiği bu bölgeyi keserek retrotranspozondan kurtulabilir. Ökaryotlarda ise bu tür bir tamir mekanizmasına ek olarak kısaca NHEJ (Non homologous end- joining, Homolog olmayan uç birleşimi) adı verilen bir mekanizma daha bulunmaktadır. Bu mekanizma hasar görmüş DNA’nın tamirine yardım eder. Araştırmacılar bu mekanizmayı bakteriye aktardıklarında sonucun yine bakteri açısından ölümcül olduğunu gördüler. Araştırmacılar bakterinin bu ek mekanizmayı kullanarak retrotranspozonların verdikleri hasarı tamir edeceklerini düşünmüşlerdi. İlk başta bir hata yaptıklarını düşündüler. Ancak daha sonra retrotranspozonların aslında evrimde çok daha önemli bir rolleri olabileceğini farkettiler. Ökaryotların genomunda, pek çok retrotranspozonun yanı sıra görevini bugün tam olarak bilmediğimiz, geçmişten bugüne geleneksel olarak “çöp” DNA diye tanımlanan DNA bölgeleri bulunmaktadır. On yıllar önce işlevini bilmediğimiz ve önemsiz olarak görüldüğü için “çöp” diye tanımlanan bu DNA bölgelerinin önemli işlevleri bugün tek tek ortaya çıkarılmakta aslında. Retrotranspozonlar aslında benim “çöp” tanımını kullanmaktan  imtina ettiğim bu DNA bölgelerini  çok farklı şekillerde birleştirerek genetik çeşitliliği arttırabilmektedir. Ne kadar böyle bölge varsa bir organizmada, retrotranspozonların buradaki DNA’yı karıştırarak, yeni çeşitlilik elde etme olasığı o kadar yükselmektedir. Bakteriler açısından böyle bir durum söz konusu değildir çünkü onların genomunda böylesi bölgeler yoktur. Oysa ki ökaryotlarda bu DNA bölgelerinin varlığı ve retrotranspozonlar yardımı ile karışımı, genomu daha da karmaşıklaştırmakta, yeni mutasyon kombinasyonlarına olanak tanımaktadır. Yine spliceosome adı verilen yapılar ökaryot hücrelerinin genomlarında “çöp” DNA’yı ayrıştıran (intron adı verilen gen arası bölgeleri) ve geni düzenleyen yapılardır. Bu yapıların bir bölümü bakterilerde yer alan grup 2 intron bölgelerini andırmaktadır.  Grup 2 intron bölgeleri bakterinin ilkel retrotranspozonları olarak tanımlanabilir aslında. Araştırmacılar bu çalışmalarında, ökaryotlarda bulunan intron bölgelerinin ve spliceosome yapılarının  bakterilerden geldiğini ve “çöp”(!) DNA bölgelerinin yarattığı olası karmaşıklıkla birlikte ökaryotik hücrenin evriminde rol oynamış olabileceğini düşünmekte.

Çalışma, grup 2 intronların bir şekilde ökaryot hücresinin atalarını işgal ettiğini  ve NHEJ mekanizması ile birlikteki etkileşimlerinin  spliceosome yapılarının oluşumu için bir seçilim baskısı oluşturduğunu öne sürmektedir. Spliceosome oluşu ile de daha karmaşık gen kontrol ve daha çeşitli protein üretimi süreçleri ortaya çıkmıştır. Çünkü spliceosome yapılarının yürüttüğü alternatif kesilim mekanizmaları ile bir genden çok farklı özelliklere sahip birden fazla protein elde edilebilmektedir.

1 https://www.britannica.com/topic/Argonaut-Greek-mythology

2 Gloria Lee, Nicholas A. Sherer, Neil H. Kim, Ema Rajic, Davneet Kaur, Niko Urriola, K. Michael Martini, Chi Xue, Nigel Goldenfeld, Thomas E. Kuhlman. Testing the retroelement invasion hypothesis for the emergence of the ancestral eukaryotic cell. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201807709 DOI: 10.1073/pnas.1807709115

3 Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign. “Jumping genes shed light on how advanced life may have emerged.” ScienceDaily. ScienceDaily, 19 November 2018. .