Genomda daha önce karşılaşılmamış bir etkileşim, milyarlarca yıl önce gelişmiş yaşamın ortaya çıkmasında itici güçlerden biri oldu.
Bu keşif, genom içinde kendilerini kopyalayan ve yapıştıran DNA dizileri olan ve hızla çoğalan “zıplayan genler” olarak bilinen retrotranspozonların aktivasyonu ile başladı. İnsan genomunun neredeyse yarısı retrotranspozonlardan oluşuyor ancak bakterilerde bu genlerden neredeyse hiç yok.
Swanlund Illinois Üniversitesi Fizik Bölümü profesörü Nigel Goldenfeld ve Genomik Biyoloji Enstitüsü’nden Carl R. Woese , şimdi Kaliforniya Üniversitesi, Riverside’da bulunan Illinois’de eski fizik profesörü olan Thomas Kuhlman bunun nedenini merak etti.
Kuhlman: “Denemek istediğimiz gerçekten basit bir şeydi ki sadece genomumdan bir tane (retrotransposon) almak ve ne olacağını görmek için bakteriye sokmaktı.” dedi. “Bunun gerçekten çok ilginç olduğu ortaya çıktı.”
Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı’nda yayımlanan sonuçları, yaşamın milyarlarca yıl önce nasıl ortaya çıkmış olabileceğinin tarihine daha fazla derinlik katıyor ve aynı zamanda diğer gezegenlerde yaşamın olasılığını ve doğasını belirlemeye yardımcı olabilir.
Yaşamı açıklama yolunda, araştırmacılar ilk ölümle karşılaştı ; bakteriyel ölüm. Retrotranspozonları bakteriye soktuklarında, sonuç ölümcül idi.
Kuhlman: “Onlar etrafta zıplarken ve kendi kopyalarını oluştururken, bakterilerin hayatta kalmak için ihtiyaç duydukları genlere atlıyorlar.Bu, bakteriler için inanılmaz derecede ölümcül.”
Retrotranspozonlar kendilerini genom içinde kopyaladıklarında, ilk önce DNA’da bir yer bulur ve onu açarlar. Hayatta kalmak için, organizma bu kesimi onarmalı. E. coli gibi bazı bakterilerin, bu onarımı gerçekleştirmelerinin sadece bir yolu vardır, bu da genellikle yeni retrotranspozonun çıkarılmasıyla sonuçlanır. Ancak ileri organizmaların (ökaryotlar), DNA’larındaki kesintileri onarmak için başka bir yol sağlayan, benzer olmayan bir son birleştirme veya NHEJ adı verilen ek bir “hile” vardır.
Goldenfeld ve Kuhlman bakterilere NHEJ yapma kabiliyetleri verdikten sonra ne olacağını görmeye karar verdiler ve DNA’larının zararlarını tolere etmelerine yardımcı olacağını düşünüyorlardı. Ama bu, sadece retrotranspozonları çarpımda daha iyi hale getirdi ve eskisinden daha da fazla hasara neden oldu.
Kuhlman: “Bu işlem,sadece her şeyi tamamen öldürdü.” dedi. “O zaman, yanlış bir şey yaptığımı düşündüm.”
NHEJ ve retrotranspozonlar arasındaki etkileşimin, daha önce düşünülenden daha önemli olabileceğini fark ettiler.
Ökaryotlar, tipik olarak, iyi anlaşılmış bir işleve sahip olmayan bir çok “çöp” DNA’sının yanı sıra, genomlarında birçok retrotranspozona sahiptir. NHEJ, retrotranspozonların genom içerisinde ne kadar hızla çoğaldığını kontrol etmeye çalıştığı için, NHEJ ve retrotranspozonlar arasında sürekli bir etkileşim olmalıdır. Bu organizmaya genomları üzerinde daha fazla güç verir ve “çöp” DNA’nın varlığı önemlidir.
Kuhlman: “DNA’nızda daha fazla çöp oldukça, bu parçaları alıp bunları farklı şekillerde bir araya getirebilirsiniz.”
Bu koşullar – “çöp” DNA’nın birikmesi, retrotranspozonların varlığı ve bunların NHEJ ile etkileşimleri – genomu daha karmaşık hale getirir. Bu, insanlar gibi gelişmiş organizmaları, bakteriler gibi daha basit olanlardan ayırabilen bir özelliktir.
İleri seviyedeki organizmalar genomlarını, “çöp” DNA’yı sıralayan ve genleri normale döndüren moleküler bir makine olan spliceosome’larını kullanarak yönetebilirler.
Spliceosome’un bazı kısımları, bakterinin retrotranspozonların ilkel versiyonu olan grup II intronlarına benzer. Intronlar ökaryotlarda da bulunur ve spliceosome ile birlikte evrimsel olarak grup II intronlardan türetilmiştir. Goldenfeld, bunun evrimsel bir sorun teşkil ettiğini söyledi.
Goldenfeld :“İlk olarak ne oldu, spliceosome mı grup II intronları mı? Açıkça grup II intronlar. ”dedi. “Öyleyse şu soruyu sorabilirsiniz: Ökaryotik hücrede spliceosome’ları çoğaltmak için bu grup II intronları başlangıçta ilk olarak neredeydi? ”
Bu çalışma, ökaryotlarda spliceosome ve retrotranspozonlardaki intronların ataları olan grup II intronlarının, bir şekilde erken ökaryotik hücreleri istila ettiğini düşündürmektedir. Daha sonra, NHEJ ile olan etkileşimleri, milyarlarca yıl önce yaşamın ileri yaşama dönüşmesine yardımcı olan spliceosome’un ortaya çıkmasını sağlayan bir “seçim baskısı” yarattı.
Spliceosome, ökaryotların DNA’larıyla daha fazlasını yapmasını sağlayarak hayatın ilerlemesine yardımcı oldu. Örneğin; insanlar, C.elegans (iplik kurdu) ile aynı sayıda gene sahip olsalar da insanlar bu genlerle daha fazlasını yapabilirler.
Goldenfeld: “Bu çok basit solucan ve insanlar arasında çok fazla fark yoktur; bu durum açık olarak çılgınca.” dedi. “Neler oluyor, insanların bu genleri alabiliyor olmaları ve onları, C. elegans’ın yaptığıdan çok daha karmaşık işlevler yapmak için birçok kombinasyonda karıştırıp eşleştirebilmeleri.”
NHEJ ve retrotranspozonlar spliceosome’un yaratılmasına yardımcı oldular; Bu çalışma, genetik materyal içeren DNA molekülleri- daha gelişmiş kromozom yapımında da yardımcı olabileceğini düşündürmektedir. NHEJ ve retrotranspozonlar arasındaki etkileşimler, ilerlemiş yaşamın bir başka göstergesi olan (genellikle bakterilerin sahip olduğu) dairesel kromozomlardan (daha gelişmiş organizmalara sahip olan) lineer olanlara geçişte yardımcı olabilir.
Goldenfeld, bu araştırmadan önce birçok araştırmacının retrotranspozonların rolünü incelediğini, ancak NHEJ’in öneminin tam olarak bilinmediğini söyledi. Bu araştırma, milyarlarca yıl önce, ökaryotların bugün bildiğimiz ileri organizmalara dönüştüğünü kanıtlıyor.
Goldenfeld: “Bu kesinlikle devam eden tek şey değildi.” dedi. “Ama olmasaydı, karmaşık hayatın nasıl olabileceğini görmek zordu.”
Bu çalışma, Genfeld’in yönettiği bir NASA Astrobiyoloji Enstitüsü olan Evrensel Biyoloji Enstitüsü’nün yanıtlamaya çalıştığı daha büyük sorulara katkıda bulunuyor: Yaşamın ilerlemesi için ne olması gerektiği gibi sorular?
Bu soruyu daha ayrıntılı olarak yanıtlamak, bilim insanlarının diğer gezegenlerde yaşam olasılığını belirlemesine yardımcı olabilir.
“Başka gezegenlerde hayat varsa, muhtemelen mikrobiyal olması beklenirdi. Bu giderek karmaşık hayata geçirebilir miydi?. “Bu, kaçınılmaz olarak ileri yaşam sürecek olmanız değildir çünkü olması gereken bir sürü şey var.”
Bu çalışmanın fizik perspektifi bu teorik soruların nicelleştirilmesine yardımcı olmaktadır. Bu ölçüm, bir laboratuvarda ölçüm yapmaktan ve bu ölçümleri, bu çalışmada yapıldığı gibi, evrim modellerini yapmak için kullanmaktan kaynaklanmaktadır.
Bunu yaparken, bir laboratuardaki temel ölçümler geçmiş için bir zaman makinesi haline gelir.
Goldenfeld: “Laboratuvar evrimi yapıyoruz.” dedi. “Milyarlarca yıl önce gerçekleşmiş olan evrimsel süreçlere bakıyoruz.”
Kaynak: https://www.bizsiziz.com/jumping-genes-shed-light-on-how-advanced-life-may-have-emerged/
http://www.pnas.org/content/early/2018/11/14/1807709115
Çeviri: Figen Berber