Evrime Moleküler Bakış: Proteinlerin Söyledikleri

İlkel atmosferden esinlenerek yaratılmiş bir görsel. Hem aktif atmosfer hareketleri, hem de diğer dış etmenler çorbada hayat için gerekli enerjiyi sağlıyordu. Kaynak: archaeologynewsnetwork.blogspot.com

Bütün canlılar, tek hücrelisinden çok hücrelisine, oldukça karmaşık canlılardır. İlk canlının nasıl ortaya çıktığı; bu canlıdan şimdiki ve geçmişteki türlerin nasıl meydana geldiği, canlılar arasındaki farklılıkların hangi temeller üzerine yükseldiği gibi sorular, çok uzun yıllardır tartışılan önemli sorulardır. Bilim dünyası olarak, bilgimizin ve anlayışımızın geniş ve yeterli olduğu pek çok konuya tatmin edici cevaplar verebiliyoruz; bunu günümüzde durmaksızın çalışan binlerce bilim insanının her yıl yapıtğı çalışmalar, aldıkları patentler ve yayınladıkları makaleler sayesinde görebiliyoruz. Öte yandan, bilgimizin sınırlı olduğu durumlar da var; bunlardan bir tanesi olan ilk canlının nasıl ortaya çıktığı sorusu ve bu oluşumun fiziksel prensipleri, hala aydınlatılmayı bekleyen sorulardan bir tanesi. İlk canlı “bir şekilde” ortaya çıktıktan sonra, bu canlının zaman içerisindeki değişimini evrim teorisi ele alır. Her ne kadar gündelik hayatta sürekli tartışılan bir konu olsa da, bilim dünyasında evrimin varlığı artık tartışma noktasının çok ötesinde. Elbette, bu evrim sürecinin nasıl işlediği, hangi prensipler üzerinden yürüdüğü, Darwin görüşünün yeterliliği gibi sorular tartışılıyor; ancak artık canlıların daha ilkel canlılardan köklenerek ve zaman içerisinde değişerek ortaya çıktıkları su götürmez bir gerçek. Pek çok örnek ile bu değişim anlatılabilir; Kuzey Amerika’daki serçelerin bölgelere göre renk ve kütlelerindeki değişimler; Galapagos Adaları’nda Darwin’in gözlemlediği farklı gaga yapılarına sahip ispinozlar; ve gene Amerika kıtasında bulunan farklı renklere sahip fare yılanları “büyük boyutlu” evrime örnekler [1-4]. Öte yandan, bütün bu başkalaşımların altında yatan genetik değişimler ve bu değişimlerin sonuçlarının ilk olarak gözlendiği proteinler, evrime “moleküler” açıdan da yaklaşmamıza yardım ediyor.

İnsülin almaç proteinin üç boyutlu yapısı, proteinlerin ne kadar karmaşık ama aynı zamanda düzenli yapılar olduğuna iyi bir örnektir. Kaynak: http://www.rcsb.org

Proteinler, bütün canlılarda (ve eğer canlıdan saymazsanız, virüslerde) bulunan, yirmi tane farklı amino asidin canlıdaki genetik bilgiye göre uçuca eklenmesi ve sonrasında da canlı ortamında belli bir üç boyutlu yapıya katlanması ile oluşan büyük moleküllerdir. Prensip olarak sonsuz çeşitlilikte protein üretilebilir; bu özellikleri canlılarda görülen binlerce farklı işlev ve yapıyı açıklamakta rahatlıkla kullanılabilir. Dahası, proteinlerin amino asit dizilimi doğrudan genler tarafından kontrol edildiği için, çalışmakta olan bir gende meydana gelen değişiklikler, bu genin üretiminden sorumlu olduğu proteinlerin de hem dizilimlerinde, hem de üç boyutlu yapılarında kendini gösterir. Bu özellikleri sayesinde, proteinler bizim için genetik değişimleri de ölçme ve inceleme açısından oldukça önemli bir noktadadır.

Proteinlerin canlı içerisindeki üretimini kısaca özetleyelim. Her canlıda DNA (deoksiribonükleik asit) içerisinde bulunan genetik bilgi, mRNA’lar aracılığıyla (ribonükleik asit; daha özelde messenger/mesajcı ribonükleik asit) canlıdaki protein üretiminden sorumlu olan yapılara taşınır. Buralarda ise tRNA (taşıyıcı RNA) yardımı ile mRNA’lar üzerindeki bilgi okunarak protein üretimi gerçekleşir. Hem bu uçuca ekleme süresinde, hem de daha sonrasında proteinler zincir hallerinden üç boyutlu özelleşmiş yapılarına katlanırlar; bu katlanma hem amino asit dizilimi, hem de hücre içerisindeki fiziksel ve kimyasal koşulların etkisindedir. Üretilen ve doğru şekilde katlanan proteinler ise, artık canlı içerisindeki işlevlerini yerine getirmeye hazırdır. Proteinlerin katlanması üzerine benimve Murat Çetinkaya‘nın yazılarına göz gezdirebilirsiniz.

Canlı içerisindeki proteinler pek çok farklı görevde bulunurlar; kasların hareketini sağlayan aktin ve miyozin isimli proteinler, bizim gibi çok hücreli canlıların yer değiştirmesini sağlar. Gözde bulunan rodopsin ve fotopsin gibi proteinler, ışığın algılanmasına neden olur ve görme kabiliyetimizin ilk basamağını oluşturur. Tripsin ve pepsin gibi proteinler, canlıdaki pek çok kimyasal tepkimeyi hızlandıran enzimlere birer örnektir.

Hem genetik bilginin birer dışavurumu, hem de canlılardaki işlevselliğin öncüleri olarak, proteinler oldukça temel ve özel bir noktada bulunmaktadır. Doğru amino asit dizilimine sahip olmayan bir protein, canlı içerisinde işlev göstermesini sağlayan üç boyutlu yapısına katlanamaz ve ya katlansa bile, herhangi bir işlev gösteremez. Vücut sıcaklığındaki ufak değişimler, bu kırılgan üç boyutlu yapıları etkileyebilir ve her ne kadar doğru dizilime sahip olsa da, protein daha farklı bir yapıya katlanabilir veya tamemen eriyebilir. Her iki durumda da, vücutta beklenmedik tepkiler oluşacaktır. Bizler ise, proteinlerin amino asit dizilimlerini inceleyip sınıflandırarak hem canlıların genetik bilgisine dair fikir yürütebiliyoruz, hem de birbirine benzer ama farklı türlerin proteinlerini karşılaştırarak ne gibi değişimlerin canlılarda farklılıklara yol açtığını anlayabiliyoruz. Dahası, soyu tükenmiş canlıların proteinlerini tekrardan üretebiliyor ve milyonlarca yıl önce gerçekleşen hangi değişimlerin günümüzde türler arasındaki farklılıkları ortaya çıkardığını kavrayabiliyoruz. Glükokortikoid alıcı proteinler ve bunların evrimi üzerine yapılan son çalışmalar, proteinlerin evrim konusunda bize anlatabileceklerine uygun bir örnek oluşturuyor.

Glükokortikoid alıcı proteinler (GR), canlılarda bulunan ve kortizol ve aldosteron gibi steroid hormonlarının bağlandığı almaçlardır. Bu hormonların bağlanmasının ardından, belirli genlerin çalışmasını sağlayarak canlının gelişimini, metabolizmasını ve bağışıklık tepkisini düzenler. Benzer şekilde, mineralokortikoid alıcılar (MR) ise, alodosteronun bağlanması sonrasında vücut içerisindeki iyon dengesi ile bağırsak ve böbrek hareketlerini düzenler. Her iki alıcı protein grubunun da evrimsel geçmişi, yaklaşık 450 milyon yıl öncesinde varolan kortikoid alıcılara (CR) kadar takip edilebilmiştir. CR’ye sahip olan canlılarda meydana gelen gen çoğalması ile öncelikle iki tane CR geni ortaya çıkmış, daha sonrasında da her bir kopya giderek farklılaşarak GR ve MR alıcılarına dönüşmüştür. MR proteinleri CR ile işlev açısından büyük benzerlik gösterirken, GR proteinleri sadece kortizole bağlanacak şekilde evrimleşmiştir. Hem günümüzdeki türlerden, hem de fosillerden alınan örnekler sayesinde, 450 milyon yıl önceki atasal CR proteini ve onun üretiminden sorumlu olan genin dizilimi, %95 gibi bir doğruluk payı* ile tespit edilebilmiştir [5].

Atasal CR proteini, MR ve GR’nin sahip olduğu hormon bağlama özelliklerini taşır. İnsandaki GR kortizole bağlanırken, aldosteron ve diğer hormonlara karşı tamamen tepkisizdir. Tam tersi şekilde, köpekbalıklarında bulunan GR ise kortizole karşı tepkisizdir; kortizolün stres yönetimindeki rolü de göz önüne alındığında, köpekbalıklarının oldukça stressiz canlılar olduğunu söyleyebiliriz. Diğer yandan, atasal CR proteini, hem aldosteron, hem kortizol, hem de diğer hormonlara karşı oldukça heveslidir. Kısacası, atasal proteinimiz günümüzde iki farklı canlı grubunda görülen bağlanma özelliklerinin tamamını içerecek şekilde çalışırken, ondan türeyen canlılarda iki farklı alıcı ve haliyle de iki farklı hormon bağlama özelliği gelişmiştir.

• 

  Atasal CR proteininin üç boyutlu yapısı. http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=2q3y adresinden daha detaylı ve üç boyutlu interaktif görüntülemeye ulaşabilirsiniz. Aynı sitede 3RY9 ve 3GN8 kelimeleri ile sırasıyla GR1 ve GR2 proteinlerine ulaşabilirsiniz.
  MR ve GR proteinlerini içeren yüzlerce canlının arasında yolumuzu bulmamız çok zor. Bu yüzden, atasal CR’ye, ve ondan hemen sonra gelen ilk GR proteinlerine odaklanalım. Atasal CR proteini, ilk ortaya çıkan alıcı protein. Kortisol, aldosteron ve diğer steroid hormonların bağlanma konusundaki aynı derecede hevesli olan bu protein, yaklaşık 30 milyon yıllık bir süreç sonrasında, köpekbalıklarında görülen GR proteinlerinin atasına 25 amino asitte değişime uğrayarak evriliyor. Köpekbalıklarının atası olan protein (GR1), gene aldosteron, kortisol ve diğer hormonlara bağlanıyor, ancak bu bağlanma isteği atası olan CR’ye göre daha zayıf. 20 milyon yıl kadar sonra ise, insanlarda ve balıklarda bulunan GR proteini, köpekbalıklarındaki atasal proteinden 36 amino asitlik bir değişime uğrayarak evriliyor ve artık sadece kortizole bağlanan bir alıcı haline geliyor (GR2). Bu üç proteinin ortak noktası ise, evrimsel açıdan birbirlerin bağlı olmaları [6].

Bu üç protein arasındaki işlev farkını nasıl anlayabiliriz? İlk başta, herbirinin üç boyutlu yapılarını karşılaştırmak iyi bir fikir gibi duruyor. İşlevleri farklıysa, yapıları da büyük ihtimalle farklıdır ve yapıdaki bu değişim, işlevdeki farklılığı açıklayabilir. Ancak hayır; her üç proteinin de yapısı birbirine çok benziyor. Bu benzerlik o kadar yüksek ki, üç yapı arasındaki fark, yaklaşık iki bin atom içermelerine rağmen birkaç hidrojen atomunun boyutunu geçmiyor; iki insan boyu arasındaki farkın birkaç milimetre olması gibi [7,8]. O halde, yapısal farklar işlev farkını açıklayamıyor.

Başka hangi farklılıklara odaklanabiliriz? Atasal CR ile köpekbalıkları arasında 25 amino asitlik fark olduğunu biliyoruz. Aynı şekilde, insanlar da köpekbalıklarından 36 amino asit ile ayrılıyor. O halde, işlev farkı bu amino asit dizilimindeki farklılıklardan ortaya çıkmalı. Bu önermeyi test etmenin de en iyi yolu, 25 ve 36 amino asit değişimi deneysel olarak teker teker gerçekleştirmek ve hangi noktada iki proteinin işlevinin aynı olduğunu bulmak. Köpekbalıkları ile insanlar arasındaki 36 amino asit değişimi tek tek gerçekleştirildiği zaman, sadece 2 tane değişimin kortizole bağlanma isteğini arttırdığını, bunların yanında da 3 tane değişimin aldosteron ve diğer hormonlara karşı olan ilgiyi çok büyük ölçüde düşürdüğünü gözlemliyoruz. Toplamda 5 eden değişimlere de proteini daha kararlı olmasını sağlayan 2 tane daha değişim eklersek, köpekbalıklarının atası olan proteinden insanlar ve balıklarda olan GR proteinin işlevini elde etmiş oluyoruz. Aynı şekilde, tam tersi yol izleyip insanlardaki atasal proteinden bu beş amino asidi değiştirerek köpekbalıklarındaki işlevi yakalama çabamız ise sonuçsuz kalıyor. Oldukça ilginç, çünkü köpekbalıklarından beş adımda geldiğimiz yolu geriye takip edemiyoruz. Aynı yolu geri takip etmek için, beş tane daha değişim gerçekleştirmemiz lazım. Yani, beş adımda köpekbalığından insana gelebiliyoruz, ama geri dönmemiz on adım sürüyor. Bu ilginçliğin sebebi ise, gerçekleşen beş değişimin, proteini dengesiz ve kararsız bir hale getirmesi; ekstradan gelen beş değişim olmazsa, proteinimiz hiçbir şekilde üç boyutlu haline geri dönemiyor.

Atasal CR proteinlerinde gördüklerimiz, gerçekten çok önemli; aralarında 20 milyon yıl olan iki proteinden bir tanesini sadece beş değişim ile, ki toplam amino asit sayısına baktığınızda bu yaklaşık %4’lük bir değişimdir, işlev olarak tamamen farklı bir proteine dönüşebiliyor. Toplamda on değişim, yani %8’lik bir fark, iki proteinin işlevi arasında dağlar kadar fark olmasına yol açıyor ve proteinin bütün hareketini (dinamiğini) değiştiriyor. Bütün bunlar ise bize işlev değişimi için çok genetik olarak büyük değişiklikler gerekmediğini, doğru yerde gerçekleşecek ufak değişikliklerin işlev olarak büyük farklar yaratabileceğini, öte yandan rastgele gerçekleşecek değişimlerin de canlı için ölümcül olacağını gösteriyor. Özetle, proteinlerde işlev farkına yol açan değişimler arasında bir tür iletişimden söz etme şansımız var.

Atasal CR, Atasal GR1 ve GR2 proteinleri ile, günümüzde farelerde bulunan GR proteinlerinin amino asit dizilimleri. Çok büyük ölçüde benzerliği görebilirsiniz. * ile işaretli amino asitler, aldosteron ve kortizole doğrudan bağlanan amino asitleri gösteriyor. Kaynak: Supporting Online Material for Crystal Structure of an Ancient Protein: Evolution by Conformational Epistasis Eric A. Ortlund, Jamie T. Bridgham, Matthew R. Redinbo, Joseph W. Thornton

Şimdiye kadar anlattıklarımı umarım takip edebilmişsinizdir. Buradan sonra çok kısaca işlev farklılığına yol açan değişimlerin olasılığına girmek istiyorum. Eğer on değişimin her biri birbirinden bağımsız olarak gerçekleşmiş olsa, ve her değişim için sadece bir tane doğru yer ve doğru amino asit olduğunu varsaysak, elimizde, 250 amino asitlik bir protein için (250 x 20 )10, yani yaklaşık 1030 tane farklı olasılık var demektir. Bırakın 20 milyon yıllık bir süreci, 400 milyon yıllık bir süreçte bütün bu olasılıkların taranması ve doğru olanın bulunması, her yıl yeni bir çocuk dünyaya getiren insan (eğer her çocuk tam olarak istediğimiz on tane değişimin ile doğarsa) için en azından 1023 kişilik bir nüfusa karşılık gelir. Şimdiki dünya nüfusunun 109 seviyesinde olması 1023 kişinin ne kadar fazla olduğunu gösterebilir. Böyle bir durumda, elbette farklı ve açıklanamayan güçlerin devreye girdiğini ve mucizevi bir şekilde tam da işe yarayan değişim kümesinin gerçekleştiğini düşünmek, hiç de mantıktan uzak bir yaklaşım değildir. Lakin, biraz önce yaptığım hesapta varsaydığım nokta, her bir değişimin birbirinden bağımsız olarak gerçekleştiğiydi. Yani, A amino asidindeki değişimin B’dekinden haberi yoksa, benim yaptığım hesap doğru sonuçları veriyor. Ancak, doğada gözlemlediğimiz şey, bu değişimler arasında bir iletişim olduğu, bu yüzden A değişiminin B değişimi ile ilişkili olduğu. Bu iletişimin şiddeti, 10^30 ile ifade edilen olası değişim kümesini, çok çok daha az bir seviyeye indirgiyor. Öyle ki, bazı amino asitlerin diğerlerine göre daha rahat değişim geçirebildiğini de göz önüne alırsak, 400 milyon yıl süren doğa deneyi sonucunda farklı işleve sahip iki protein ailesinin türemesi, etkileyici fakat şaşırtıcı olmaktan çıkıyor.

Bu yazıda bahsettiğim evrimsel süreç, sadece insan ve köpekbalıklarındaki GR proteinlerine özgü değil. Hücre zarında bulunan ve opsin adı verilen alıcı proteinler ve yeşil ışık yayan proteinlerin geçmişi de, bu yazıda bahsettiğim GR proteinlerinin geçmişi ile büyük benzerlik gösteriyor. Özetle, proteinlerin yapısı ve işlevi üzerine yoğunlaştıkça, doğada süregelen evrim sürecine dair çok çarpıcı ve aydınlatıcı örnekler bulmamız, hiç de zor değil.

Notlar:

* Amino asıt dizilimi bilinmeyen bir proteinin dizilimini bulmak oldukça karışık ve zor bir iş. Öncelikle, günümüzde varlığını sürdüren veya yakın zamanlarda soyu tükenmiş, evrimsel açıdan benzer olan canlılarda, aynı işlevleri yapan proteinlerin dizilimleri toplanıyor, ardından da bu süreç tarihsel ve evrimsel olarak olabildiğince geriye dönük yapılıyor. Bu sayede, GR proteinleri için yaklaşık 300 farklı canlıdan toplanan dizilimler karşılaştırılıyor. Bazı amino asitlerin yeri net bir şekilde ortaya çıkarken, bazılarınınki ise tartışmaya açık kalıyor. Bayes istatistiği denilen ve eldeki bilgiye bağlı olarak rastgele değişkenler üzerinden olasılık hesabı yapmanıza izin veren teori ile (bu bir nevi koşullu olasılık hesabı) belli olaslıklarla amino asitlerin hem cinsi hem de yeri tahmin ediliyor, teknik ismi ile “sonsal olasılık” (İng. Posterior probability) değerleri ile birlikte sunuluyor. GR proteinleri için hesaplanan ortalama sonsal olasılık %93.4-%95.2 arasında değişiyor. Kısacası, %95 gibi bir doğruluk payı ile GR proteinlerinin 450 milyon yıl önceki dizilimlerini tahmin edebiliyoruz.

Kaynakça:

1-http://examples.yourdictionary.com/examples-of-evolution.html

2-http://listverse.com/2011/11/19/8-examples-of-evolution-in-action/

3-http://www.wired.com/2008/12/evolutionexampl/

4-http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_examples_of_convergent_evolution

5-Thornton, Joseph W., Eleanor Need, and David Crews. “Resurrecting the ancestral steroid receptor: ancient origin of estrogen signaling.” Science301.5640 (2003): 1714-1717.

6-Bridgham, Jamie T., Sean M. Carroll, and Joseph W. Thornton. “Evolution of hormone-receptor complexity by molecular exploitation.” Science 312.5770 (2006): 97-101.

7-Glembo, Tyler J., et al. “Collective dynamics differentiates functional divergence in protein evolution.”PLoS computational biology 8.3 (2012): e1002428.

8-Ortlund, Eric A., et al. “Crystal structure of an ancient protein: evolution by conformational epistasis.”Science 317.5844 (2007): 1544-1548.

ALINTIDIR : http://www.acikbilim.com/2015/02/dosyalar/evrime-molekuler-bakis-proteinlerin-soyledikleri.html