BİLİM FELSEFE DİN Rotating Header Image

Evo-Devo “Hox Genleri”

Gelişim sırasında gen anlatımı morfolojiyi şekillendirir.

Jartiyer yılanı döletleri bacak geliştirmezler. Yılan gelişimi sırasında gen anlatımı tetrapod bacak oluşumunu engelleyerek, döletin hemen bütün omurlarını, kaburga taşıyacak biçime dönüştürür. (Fotoğraf, Anne C. Burke izniyle)

EVRİM VE GELİŞME

Çok hücreli canlılarda gördüğümüz büyük morfolojik karmaşık ve farklılık, doğal seçilimle ortaya çıkan gelişim aşamaları sonucudur.

Peki ama bu gelişim aşamaları nasıl evrimleşti?

Hayvanlardaki doğrudan gelişim bu soruyla ilgili önemli konuları tanımlamaktadır. Doğrudan gelişim, embriyolar larval dönemlerden (dolaylı gelişim) geçmeden doğrudan erişkin formlara eriştiklerinde olur. Gelişim evrimindeki bu çarpıcı farklılık pek çok hayvan soy hatlarında (denizkestaneleri,ascidianlar, kurbağalar ve semendeler) birbirinden bağımsız olarak evrimleşti. Gelişim sırasındaki genetik mekanizmalar ve yaşam öyküsünde bu kadar kökten ve bazen hızlı değişikliklere yol açan evrimsel güçler, biyologları son yüzyıldır büyülemekte. Dölet oluşumu (Embriyogenez) ve larval morfogenezin karşılaştırılması, özellikle deniz omurgasızlarında, hem klasik gelişim biyolojisi hem de modern evrimsel gelişim biyolojisinde belli başlı konulardır.

Hox Genleri ve Modern EGB’nin Doğuşu

Geoffray Saint-Hilarie (1772-1844), Karl Ernst von Baer (1792-1876) zamanındaki biyologlar ve Darwin, türler arasındaki benzerlik ve farklılık örneklerinden etkilenmişlerdi. Ancak çok yakın zamana kadar, evrimsel biyoloji ve gelişim biyolojisi alanları birbirinden bağımsız olarak farklı yollarda, farklı araştırma konularında ve yöntemlerinde ilerlediler (Gould 1977; Depew ve Weber 1944; Wilkins 2002). Buna rağmen son 30 yılda, morfogenezin genetik mekanizmaları hakkında filizlenen bilgiler ve bu verilere ulaşmak için geliştirilen genetik teknikler, pek çok evrim araştırmalarıyla birleşerek, EGB olarak bilinen disipliner arası alanı ortaya koydu.

1970 ve 80’lerde hayvanlarda homebox genlerinin keşfi ve karakterizasyonu, modern Evrimsel Gelişim Biyolojisinin (EGB) doğuşuna işaret eder (Wilkins 2002). Hox genleri, homeobox genleri arasında iyi bilinen seçilim genlerindendir. Hox genleri, tüm metazoonlardaki anterior-posterior vücut eksenindeki parçaların kimliğini kontrol eder.

Hox gen mutasyonları genellikle bir tür bölütün diğerine dönüşümüyle sonuçlanır. Örneğin, Drosophila melanogaster’de Ultrabithorax (Ubx) geninde mutasyon, normal olarak halterleri (dört kanatlı sineklerdeki arka kanadın Drosophila homologu) barından üçüncü toraks bölütünü (T3) kanatların olduğu ikinci bölüte (T2) dönüşmüştür. Diğer bir Hox geni Antennapedia’da olan mutasyon, Antp proteinin yanlış anlatımına yola açarak normalde oluşması gereken antenin yerine bacak oluşumuna yol açar. Normalde Antp sadece ikinci toraks bölütünde (T2) anlatım gösterir ve T2’ye has bacak gibi vücut özelliklerinin gelişimini kontrol eder.

Drosophila’da Hox genleri iki gen kompleksli (kümesi) şeklinde kromozom 3 üzerinde bulunurlar. Bunlar Antennapedia ve bithorax gen komplekslerdir. Bithorax gen kompleksindeki öncü genetik çalışmalar E.B.Lewis tarafından, 1940’larda ve 1970’lerde ve Antennapedia kompleksi içinde 1970’lerde ve 1980’lerde Thomas Kaufman vd. tarafından yapılmıştı. Bu araştırmacılar, söz konusu iki kompleksteki genlerin sırasının, anterior-posterior bölütlerin kimliğini kontrol ettiklerini göstermiştir. Ayrıca bu araştırmacılar, sekiz Drosophila Hox geninin aynı gen ailesine ait olduklarını ve ürettikleri proteinlerde DNA’ya bağlanabilen benzer bir amino asit dizisi (protein düzeyinde homeodomain, DNA düzeyinde homeobox bulunduğunu keşfettiler. Bu buluş, 1960’larda Lewis’in ortaya attığı Hox genlerinin diğer genlerin yazılımını kontrol ettiği fikrini destekledi. Diğer araştırmacılar, diğer bütün hayvan filumlarında da Hox genleri olduğunu bulduklarında, oldukça şaşırmışlardı. Bu genlerin Drosophila’daki genlerle aynı şekilde sıralanmış ve  yönlenmişlerdi (çoğu hayvanda bu genlerin tek bir kompleks oluşturması dışında). Memelilerde değişik genomik bölgelerde dört tane Hox gen kompleksi (Hoxa,Hoxb,Hoxc,Hoxd), 13 farklı Hox geni vardır (Drosophila’da sadece 8 tane vardır). Ancak, her kompleks içinde 13  genin hepsi yoktur.

Hox proteinleri ya da mRNA’ları boyandığında anterior-posterior gen anlatımının mutant fenotiple ilintili olduğunu göstermiştir. Örneğin, Ubx, T3 bölütünde anlatım gösterir. Ubx’in bu bölgedeki anlatımının normal bölüt oluşumunda gerekli olduğu çok uzun zamandır biliniyordu.

Drosophila'da Gen Anlatımı

Ortada, Antennapedia ve bithorax gen komplekslerindeki genlerin haritası. Işlevsel domenler renkli olarak gösterilmektedir. Drosophila döleti blastoderminde hox geni anlatımını gösteren bölgeler (aşağıda) ve bu bölgelerden oluşan erişkin sinekteki bölütler ( yukarıda ). Koyu gölgeli bölgeler gen anlatımının en çok olduğu bölgeleri göstermektedir (yani en çok proteini üreten bölgelerdir) (Dessain vd. 1992 ve Kaufman vd. 1990).

Omurgalı Hox genlerin anlatım örüntüsü daha karmaşık olmasına rağmen, genellikle yine özel anterior-posterior örüntü biçiminde anlatım gösterir.

Metazoan filogenetik ağaçta, Hox genlerinin varlığının ve yokluğunun haritalanması evrimsel geçmişlerini gösterir.  İki Hox geni radial simetrik Cnidaryalarda (denizanaları, mercanlar) (Bilateria’nın kardeş grubu) bulunmuştur. Birkaç yeni Hox geni bütün Bilateria’yı oluşturacak soylarda ortaya çıktı. Bu yeni Hox sınıfları (homeodomain dizileri kanıttır) artan derecede anterior-posterior eksen kimliğini tanımlayabilir.

Metazoan Hox Genlerinin olası evrimi

Metazoan Hox Genlerinin olası evrimi.

Hox genlerinin keşfinin, hayvan çeşitliliğinin evrimini anlatmamızdaki önemini ne kadar vurgulasak azdır. Bu sayede ilk kez ortak bir gelişim genetik çerçevesinde bütün metazoan ontogenisi (bireyoluş) birleşti. Bundan önce, sadece birkaç biyolog omurgalılarla omurgasızlar arasında ortak bir gelişim altyapısı olabileceğini  hayal edebilirdi. Bu buluşlar, hayvanlar arasında, gelişimin diğer yönleriyle (örneğin, dorsal-ventral yapılar ve uzuv gelişimi) ilgili potansiyel benzerlikler konusunda yeni araştırmaların önünü açmış oldu ki bulunan benzerlikler oldukça fazlaydı (Carroll vd. 2001, Wilkins 2002). İronik olarak, morfolojik evrime olan bu ilgi, evrimleşmiş yerine korunmuş olan özelliklerin keşfi ile hızlanmıştır. Doğal olarak hemen yeni sorular ortaya çıktı : Hayvan taksonları arasında vücut yapı farklılıklarının temeli nedir ? Korunmuş oldukları görünen genetik etmenlerin, bu farklılıklarda ne rolleri olabilir?

Bu sorular günümüz EGB’de en çok araştırılan konulardır. Örneğin, Ubx geni, erken bir hipotezi (Dipteran sinekleri ve kelebeklerdeki arka kanat farklılıkları gibi önemli yapısal farklılıklar, sadece belli bir Hox geninin yazılımının açılması ya da kapatılması ile ortaya çıkıyor olabilir) kanıtlamak için test edilmişti. Sean Carroll vd. , ufak Drosophila halter ve kelebek arka kanatlarındaki farklılıklarının Hox gen anlatımı nedeniyle olmadığını, ikisinde de Ubx’in anlatım gösterdiğini saptadılar(Warren vd. 1994). Yani, taksonlar arasındaki arka kanat morfolojisindeki farklılıkları, başka gen anlatımları yüzünden olmalıydı. Hox genleri, DNA kontrol bölgelerine (promoter, arttırıcı ya da cis-düzenleyici elamanlar) bağlanan ve arkalarındaki hedef genlerin yazılımı düzenleyen proteinleri (yazılım etmeni) üretirler. Bu nedenle, morfoloji değişikler, Hox genlerinin düzenledikleri genlerdeki değişikliklere bağlanabilir. Aslında, Drosophila ve kelebek arka kanatlarındaki farklılık, birkaç Ubx geninin anlatımından doğar (Carroll vd. 1995; Weatherbee vd. 1998).

“En etkileyici mutasyonlar arasında gelişimsel yolaklardaki diğer genlerin anlatımını düzenleyen “ana kontrol genleri” (master control genes) vardır. Örneğin HOMEOTİK SEÇİCİ GENLER (homeotic selector genler) her bir bölümün özelliğini belirleyen vde diğer genleri kontrol eden DNA-bağlayıcı  proteinler üreterek gelişmekte olan vücudun her bir bölümüne ayrı bir kimlik yükleyerek bir canlının temel vücut planını belirlerler. Bu genler adlarını Drosophila’daki homeotik mutasyonlardan alırlar, bunlar bir vücut bölümünün (segment) başka birine gelişmesini yönlendirirler. Antennapedia gen grubundaki mutasyonlar örneğin, duyargaların bacakların gelişmesine neden olurlar. Bir diğer ana kontrol geni, Pax6, memeliler, böcekler ve diğer birçok hayvanda göz gelişimi için gerekli 2500 diğer geni açarak çalışmasını sağlar (Gehring ve Ikeo 1999). Bu gendeki mutasyonlar gözlerin kaybına ya da şekil bozukluklarına neden olur.

Gelişmeyi bir rotadan diğerine değiştiren homeotik mutasyonların şiddetli fenotipik etkisi.

Gelişmeyi bir rotadan diğerine değiştiren homeotik mutasyonların şiddetli fenotipik etkisi. (Soldaki) Normal duyarda ve ağız parçalarını gösteren, yabanı-tip Drosophila melanogaster kafasının önden görünüşü. (Sağdaki) Duyargaları bacaklara dönüştüren, Antennapedia mutasyonu taşıyan bir sineğin kafası. Antennapedia geni vücudun bölümlerine kimlik veren Hox genlerinin bir kısmıdır. (Fotoğraf , F.R. Turner)

İkinci bir tip araştırmaya göre ise bölgesel  Hox anlatım yapıları, hayvanların vücut planlarının evrimiyle çarpıcı şekilde ilintilidir. Örneğin, bazal branchipodlar dışındaki bütün krustaselerde (sadece bir tip toraks üyesi vardır), Ubx ve AbdA anlatımının ön sınırı maxilliped (küçük beslenme amaçlı bacak benzeri uzantılar) bölümleri ile toraksa üyeleri arasına denk gelir.   Bu gözlem, Hox genlerinin anlatım bölgelerinin değişmesi sonucu bu bölgelere ait uzantıların farklılaşmasını (bireyselleşmiş) sağlamış olabileceğini göstermektedir. Bu tür bağıntılar tüm Bilateriada (Caroll vd. 2001) görülmüştür. Bu da, filumlar içinde ve arasındaki vücut plan uyarlanmasının altında, Hox genlerinin anlatım farklılıklarının evrimine işaret etmektedir.

Hox genlerinin hayvan farklılaşmasındaki rollerinin anlaşılması morfolojik evrime yeni bir bakış açısı getirmiştir. Bu da, morfolojik evrimin önemli nedenlerinden birinin, ortak genlerin (bazen “alet çantası” denir,Caroll vd. 2001) anlatımının zamana ve yere göre değişmesi olduğu fikridir.¹

Derin genetik homoloji olgusu meraktan öte birşeydir. Eğer tüm hayvanlar gözlerin, kalbin, sinir şeritlerinin ve segmentlenmenin oluşumunda görev alan lokusları ortak olarak paylaşıyorsa, bu durum hayvanların ortak atasında da bu genlerin bulunduğuna işaret eder. Bu yolla, derin homolojinin anlaşılması ortak atanın nasıl bir şey olduğunu ve belki de nasıl yaşamış olduğunu (fosil kayıtları bulunmasa da) canlandırmamıza yardımcı olabilir.

Bilateral simetrili hayvanlarda olduğu gibi, derin homolojiler ortak atanıın şu özelliklere sahip olduğunu göstermektedir (Arthur vd. 1999; ve Knoll ve Carroll 1999) :

  • Kompleks segment farklılaşması olmaksızın, bazı vücut bölümlerinin seri halinde tekrarlanması,
  • Kompleks üye değil, basit tipte bir üye,
  • Hassas görüntü oluşturan bir göz değil, basit fotoreseptör kümeleri,
  • Bir kalp yerine kasılabilen bir kan damarı ve
  • Sinir şeridi içerisinde sinir hücresi gövdeleri yoğunlaşması, fakat bir beyin değil.

Kısacası, gelişimin evrimsel yönü ile ilgili araştırmalar, paleontologlar için sınanacak güçlü tahminler üretmektedir. Laboratuvar çalışmalarından elde edinilen sonuçlar, kayaların içerisinde neyi aramamız gerektiğini gösterir. Bilateral simetrili hayvanlar yönüyle, atanın Kambriyen döneminin ilk kımından önce yaşamış olması gerektiğini biliyoruz. Atanın türevleri olan hayvanların organ sisemlerinin temelindeki derin homoloji, atanın morfolojik özellikleri hakkında kabul edilebilir bir taslak sağlar. Atanın ne zaman yaşadığı ve nasıl birşey olduu hakkında yapılan tahminler sayesinde, paleontologlar derin homoloji hipotezinin doğruluğunu test edebilirler. Eğer bu durum doğru ise, bilateral hayvanların atalarına benzeyen fosillerii yakında ortaya çıkartılması gerekir.2

Kaynakça :

1.Douglas, Futuyma J. “Evrim” Palme Yayıncılık, Çev. Aykut Kence, A.Nihat Bozcuk, 2008 , s. 474-489

2.Freeman, Scott – Herron, Jon C. “Evrimsel Analiz” Palme Yayıncılık, Çev. Battal Çıplak, Hasan H. Başıbüyük, Süphan Karaytuğ, İslam Gündüz, s. 606

Konunun Özeti

Hayvan ve bitki formlarının çeşitliliği, büyük ölçüde embriyoda düzeni kontrol eden az sayıdaki genlerin birbiriyle etkileşimi ve sayısındaki evrimsel çeşitliliğe bağlanabilir. Bu kontrol, homeotik gen komplekslerindeki lokuslarca kodlanan transkripsiyon faktörünlerinin aktivitesiyle yönetilmektedir. Hayvanların vücut planlarının çeşitliliği ve segmentlenmesinin evrimi homeotik gen komplekslerindeki genlerin sayısında meydana gelen değişimler ile bağlantılı olabilir. Hox kompleksi lokusları ve diğer genlerin ifadelerindeki uzaysal ve zamansasl değişiklikler, segmentli vücut planlarının çeşitliliği ve incelikli yapı kazanmış dörtüyeli ve eklembacaklı üyelerinin evriminde önemli olmuştur. Karşılaştırmalı kanıtlar kapalı tohumların çeşitlenmesinin de homeotik lokuslarla bağlantılı olabileceğini göstermektedir. Bitkilerde çiçek gelişimini belirleyen ve seri olarak tekrarlanan çiçek kısımlarının kimliğini kontrol eden birçok homeotik gen tanımlanmıştır. Null mutantları ve lokusların etkileşimleri hayvanlardaki Hox genlerininki ile analogdurlar. Genetik temel benzerliği dışında birbirine benzemediği düşünülen yapılar (eklembacaklı ve dörtüyeli üyeleri gibi) arasında derin bir homolojinin varlığını gösterir ve bu genetik bir kontrol mekanizma ağının kalıtıldığı ortak atada bulunan yapıların çeşitliliği hakkında tahminler yapmaya yol açar.¹

Özet KAYNAKÇASI :

1. Freeman, Scott – Herron, Jon C. “Evrimsel Analiz” Palme Yayıncılık, Çev. Battal Çıplak, Hasan H. Başıbüyük, Süphan Karaytuğ, İslam Gündüz, s. 607

ÖNEMLİ NOT: [Metin belirtilen kaynaklardan alınmıştır. Özgün makale değildir. Konu hakkında, ilgimize, biyolojik bilimler eksenli akademik kaynaklar tabanlı tarafımdan bilgi sunma isteği üzerine vs.  eklenmiştir.]

Bu yazı (17.05.2009 tarihinden itibaren) toplamda 15566, bugün ise 0 kez görüntülenmiştir.

2 Comments

  1. […] “Hox Genleri – Evrim ve Gelişme”  – BilimFelsefeDin.com […]

  2. Apoptoz Is diyor ki:

    […] daha önce şurada… Evo – Devo ”hox genleri” […]