Can we predict evolution by “cis-regulatory hypothesis”

14Jun09

Is genetic evolution predictable? Evolutionary developmental biologists have argued that, at least for morphological traits, the answer is a resounding yes. Most mutations causing morphological variation are expected to reside in the cis-regulatory, rather than the coding, regions of developmental genes. This “cis-regulatory hypothesis” has recently come under attack. In this review, we first describe and critique the arguments that have been proposed in support of the cis-regulatory hypothesis. We then test the empirical support for the cis-regulatory hypothesis with a comprehensive survey of mutations responsible for phenotypic evolution in multicellular organisms. Cis-regulatory mutations currently represent approximately 22% of 331 identified genetic changes although the number of cis-regulatory changes published annually is rapidly increasing. Above the species level, cisregulatory mutations altering morphology are more common than coding changes. Also, above the species level cis-regulatory mutations predominate for genes not involved in terminal differentiation.

These patterns imply that the simple question “Do coding or cis-regulatory mutations cause more phenotypic evolution?” hides more interesting phenomena. Evolution in different kinds of populations and over different durations may result in selection of different kinds of mutations. Predicting the genetic basis of evolution requires a comprehensive synthesis of molecular developmental biology and population genetics.

Yazının devamı:

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Göğüs kanserinin teşhisinde yeni genler

14Jun09

BRCA1, BRCA2, DAP kinaz, MYH, BCSGs, BCW 2, Id-2 ve diğerleri. Göğüs kanserinin erken teşhisini hızlandıracak en son gen ve markırlar bu çalışmada özetlenmektedir.
Recent Pat DNA Gene Seq. 2009;3(2):139-47.

Göğüs tümörlerinde BRCA1 kopya sayısının ve gen anlatımının FISH tekniğiyle analizi.

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Douglas Futuyma İstanbul Üniversitesi’ndeydi

27May09

“Origin of Species”’in basımının 150. yılına itafen dünyanın her yerinde çeşitli toplantılar düzenleniyor. Saygın eğitim kurumlarında ders kitabı olarak okutulan “Evolutionary Biology”’nin yazarı Prof. Douglas Futuyma,  22 Mayıs Cuma günü İstanbul Üniversitesi Rektörlüğünde bir seminer verdi. 1859’dan günümüze evrimsel biyolojinin hangi disiplinlerle ve hangi bilim adamlarının büyük katkılarıyla günümüze kadar geldiğini, bugün hangi noktada olduğumuzu eşsiz bir yorumla anlattı. Bu kadar geniş bir konunun özeti 45 dakikaya bu kadar güzel toplanabilirdi. Futuyma,  1860’larda inşa edilmiş olan  muhteşem duvar işlemeleriyle bezeli rektörlük doktora salonu için “such a historical” yorumunu yaparak hayranlığını dile getirdi. Bizler de böyle bir ortamda böylesine önemli bir bilim adamını ağırlamaktan müthiş keyif duyduk. Prof. Futuyma 1963’te Cornell Üniversitesinden mezun olmuş ve Michigan’da doktorasını tamamlamış. Şu anda Amerikan Ulusal Bilimler Akadamesi’nin bir üyesi olan Futuyma  evrim konusunda dünyanın önde gelen otoritelerinden biri olarak kabul ediliyor. Sohbet sırasında bundan sonra yıl bitimine kadar 20’ye yakın merkezde daha seminer vereceğini, yüklü bir seyahat programı olduğunu belirtiyor.  Populasyon genetiği ve moleküler evrim derslerini alan lisans öğrencilerimin Futuyma’yı dinleme fırsatı bulmaları beni ayrıca çok sevindirdi.  

 23-24 Mayıs tarihlerinde Boğaziçi Üniversitesi’nde düzenlenen “Evrim Sempozyumu” son derece başarılı geçti. Bu türde toplantıları organize etmenin ne kadar zor olduğunu biliyoruz, emeği geçen herkese sonsuz  teşekkürler.

Filed under: Genotyping   |  1 Comment

“Genetik kod” dan yaşamın doğuşuna gidiş

19May09

“Genetik kod” bu gezegen üzerinde yaşayan bir “canlı” olarak bizim moleküler şifremiz. Genetik kodun anlaşılması için DNA dizilerine daha yakından bakmak gerekiyor, gerekecek. RNA üzerindeki üçlü baz dizileri ile canlıda bir fonksiyonla ilişkili proteinlerin yapıtaşları  (amino asit molekülleri) arasındaki  bağlantının çözülmesi  genetik kod kavramının doğuşuna yol açtı. Daha basit ifadeyle genetik kodu anlamlaştıran üç önemli molekül var; DNA, RNA ve protein. DNA üzerindeki bilgi RNA aracılığıyla proteine tercüme ediliyor. O zaman ilk molekül DNA olmalı diyebilirsiniz. Ancak, protein olmadan DNA’nın kendini kopyalaması olanaklı değil.  O yüzden genetik kodun nasıl oluştuğu son derece problemli bir alan.

Japon araştırıcı Kenji Ikehara bu alanda önemli çalışmaları olan bir kişi ve ortaya koyduğu  teori  “GADV-protein dünyası” adını taşıyor.  Ikehara, bu çalışmasında  evrimsel sürecin daha gerisinde olan mikrobiyal canlılardan –daha doğrusu- mikrop genlerinden yola çıkıyor. Öncelikle, bir geni tanımlamak için yapılabilecek ilk iş “Açık Okuma Çerçevesi” (Open Reading Frame) adı verilen dizilerin bulunması.  Bir ORF, başlangıç ve bitiş sinyalleri arasındaki kodonlar (1 aa kodlayan 3’lü diziler) zinciri olarak tanımlanabilir. Dolayısıyla, dizilenmiş bir genomda protein kodlayan genleri bulmanın en kolay yolu büyük ORF’ları belirlemek. Bu özellikle genleri çok az intron içeren bakteri genlerinde kolay yapılabilir.    Sonra bu ORF’ların kodon yapısı tek tek incelenir. Ikehara  yeni mikrobiyal genleri  duraksız çerçeveler (NSF: Non-Stop Frames) olarak tanımlıyor. Bunlar ayrıca guanin (G) ve sitozin (C) bazları açısından zengindir. Dolayısıyla bunlara “GC-NSF” diyor. Birde SNS tekrarlı diziler var (Burada S ; G yada C olabilir; N ise 4 bazdan biri olabilir). Bu durumda, SNS(n) ’ler,  GC-NSF lere benzer. Buradan Ikehara dünyada ilk yaşamış canlılarda genetik kodun GNC-SNS kombinasyonlarında olduğunu öne sürüyor. Neye dayanarak?

 

Mikrobiyal genlerdeki G-C içeriği %20-75 oranındadır, yani yüksektir. İlkel dünyadaki “ilksel” kod sadece belirli sayıda amino asiti (10 kadar) kodlayabiliyordu. GNC ilksel dizileri suda çözünebilir ilkel proteinleri kodlayabiliyor. Bu G-ile başlayan kodonlar  4 temel amino asiti şifreleyebilir. Bunlar  Glisin [G], Alanin [A], Aspartik asit [D] ve  Valin [V] dir. GNC-SNS tarafından üretilebilen bu 4 amino asit şu andaki proteinlere benzer olarak  ikincil ve tersiyer yapılar oluşturabiliyor.

 Burada amino asitleri şifreleyebilecek farklı DNA dizilerinin olasılıklarına bakmak yaralı olabilir. Örneğin, 100 amino asitlik bir proteini kodlayabilecek 10 ¹³⁰ farklı dizi olabilir. Ancak GADV  hipotezine göre, bu sayı 4¹⁰⁰=10⁶⁰ civarında. Çeşitlilik –dolayısıyla- çok daha küçük boyutta oluyor. Protein konformasyonu temel olarak sadece amino asit dizileriyle belirlendiğinden  tek-boyutlu bir genetik bilgiden bahsediyoruz. Yani bu amino asitler  birbirlerine rastgele bağlanarak dahi ilksel çorbadaki globüler proteinleri oluşturabilmişlerdir. Bu yüksek bir olasılıktır. G-C zengin bölgeler zamanla A-T mutasyon baskısıyla azalmıştır. Dolayısıyla, ilk proteinleri üreten atasal diziler G-C zengindi.   Bu fikri destekleyen kanıt P. aeruginosa bakterisinin giraz enzimini kodlayan GryA genlerindeki çalışmalardan gelmiştir. GyrA ve SpoT/RelA gibi suda-çözünür proteinler G-C zengin dizilerce kodlanmıştır ve bu genler zamanla G-C içeriği açısından fakirleşmişlerdir.

 

Ikehara’nın hipotezinde  çarpıcı olan iddia ise proteinlerin “kendini kopyalayabilmesi” ki buna –pseudo-replication adını veriyor-. Bu GADV-protein dünyası”nın ağırlıklı kabul gören  “RNA dünyası” hipotezinden  en önemli farkı. Buna göre hayatın başlangıcında proteinler bir genetik bilgiye ihtiyaç duymadan kendi kendini çoğaltabiliyordu. Bu bahsedilen  4 basit  amino asitin kombinasyonuyla mümkün olabilirdi. Daha sonra protein-RNA bağlantısı kuruldu ve genetik bilginin egemenliği  DNA’ya geçti.

Curr Med Chem. 2007;14(30):3221-31

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Ekzon karmalarının oluşumu ve oluşturulması: yeni genlerin evriminde ilginç tesadüfler

03May09

1978’de Walter Gilbert, bir genin RNA’ya çevrildikten sonra kırpılarak atılan (intron) ve alternatif olarak protein ürünü veren (ekzon) kısımlarını birbirinden ayırarak tanımlamıştır ( İntron: gen içi bölge/ intragenic regions); ekzon: ifade edilen bölge/ expressing regions).

Farklı genlerin farklı fonksiyonel altbirimlerini temsil eden ekzonlar biraraya gelerek yeni kombinasyonlar meydana getirebilmektedir. Bu  kimerik yapılara ilk örnek, düşük yoğunluktaki lipoprotein (LDL) reseptör genidir. Protein veritabanları incelendiğinde omurgalılarda, omurgasızlarda hatta bitkilerde bu mekanizmayla ortaya çıkmış  çeşitli genler olduğu belirlenmiştir.

Temel olarak ekzonların farklı genomik bölgelere girişi rekombinasyonla gerçekleşmektedir. Bu tipte bir rekombinasyonda birbiriyle çok az yada hiç benzerlik göstermeyen DNA dizileri arasında parça değişimi olmaktadır.

Ancak uzun zamandır ekzonların rekombinasyonla bir bölgeye nasıl girdikleri bilinmiyordu. Bu tip genomik hareketlerin temeli üzerinde çalışan bir grup ilginç bir sonuca ulaştı. Bu çalışma hamsterlerdeki alfa-kristalin geni üzerindeydi. Bilindiği gibi alfa-kristalin proteinleri göz lensinde bulunur ve ışığı kırarak görüş sağlar. Bu gen laboratuvar şartlarında farenin kas hücre hattına transfeksiyonla aktarıldı. Transfer olan genin ikilendiği (duplikasyonla kopya sayısını artırdığı) ve bir başka genin içine girdiği belirlendi. Araştırmacılar bu rekombinasyonun iki alfa-kristalin geninin farklı parçalarındaki CCCAT dizileri arasında olduğunu belirlediler. CCCAT dizisinde topoizomeraz I enzimi tarafından oluşturulan kırık, bir “hatalı” rekombinasyona yol açmıştı. İlk olarak bu saptama (yani CCCAT) dizilerinin rolü önemliydi.

Ancak, bu tür bir rekombinasyonun genel olarak düşük sıklıkta oluşabileceği gerçeği, bu mekanizmayı destekleyecek başka nedenleri araştırmaya yöneltti. Gerçekten de rekombinasyona yol açan bir diğer unsur daha vardı: LINE elementleri.

LINE-1 (L1) bir çeşit transpozabl elementdir (Long interspersed nucleotide elements) yani “hareketlidir”. L1 ters yazılarak (reverse transcription) memeli genomunda hareket edebilen bir retrotranspozondur. Dolayısıyla, L1’e bitişik olan genomik bölgeler onunla birlikte ters yazılarak yeni bölgelere giriş yapabilirler.

Teorik olarak, L1’in pozisyonuna göre tüm bir gen veya ekzon bu diziyle beraber taşınabilir ve yeni bir bölgedeki ekzon ile rekombinasyon geçirebilir. L1 elementleri genomda yaklaşık %15 oranında bulunmaktadır. Dolayısıyla bu yüksek oran ekzon birleşmeleri için önemli bir kaynak oluşturuyor olabilir. Ekzonların bu şekildeki genomik hareketleri yeni genlerin oluşumunda ne kadar etkilidir? Yanıt: Yüzlerce protein ailesinin bu yolla oluştuğuna dair tahminler var (!). Özellikle, intron pozisyonları değerlendirilerek, bunların gen içi bölgelerdeki “rastgele olmayan” dağılımları ekzon birleşmelerini tanımlada kolaylık sağlar.

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Bir deniz iguanasını gözlemlemek

11Mar09

Populasyon Latincede belli bir bölgede “yaşayanlar” anlamına gelen “populus” kelimesinden türemiştir. Bu kelime İngilizcede çoğul olarak insanlar anlamına gelen people kelimesinin de kökeni. Populasyonlar biyolojik olarak bir türün daha küçük sayıdaki bir topluluğudur. Bir populasyonu gözlemleyerek daha genel sonuçlar çıkarmak mümkün müdür? Evet biyoloji bu şekilde işlemektedir.

Genetik anlamda bir populasyonun incelenmesi çeşitliliğin temellerini, karakterlerin dölden döle geçişini ve populasyondaki rastgele evrimsel süreçleri anlamak için yapılan çalışmalardır. 18.yy’da Alfred Wallace ve Charles Darwin hayvan ve bitki populasyonlarını bilimsel anlamda gözlemleyerek evrime ilişkin ilk bilgilerin oluşmasına zemin hazırladılar. Charles Darwin, 1831’de HMS Beagle adlı araştırma gemisiyle İngiltere’den yola çıkarak 5 yıl süren gözlemler yaptı. Güney Amerika’nın Patagonya bölgesinde bir çok fosil inceledi; bu fosillerde günümüz hayvanlarına benzerlikler saptadı. Bu fosiller orada şimdi yaşayan hayvanların ataları olabilir miydi? Anatomik özellikler nesiller boyu geçiş yaparken, türler değişime uğradı mı? Bu gibi sorular Darwin’in kuramını büyük ölçüde etkiledi. Genel olarak biyolojinin sorduğu sorular ise oldukça fazlaydı. Milyonlarca yaşayan türden neden bazıları hala yaşamıyor? Neden çok sayıda benzer tür oluşuyor ve bunlar daha sonra ortadan kalkabiliyor? Biyolojinin canlılarla ilgili sorularına tutarlı yanıtlar verebilmek açıklama yapabilmek o kadar kolay değil. Kesin olan birşey varki o da canlılar için 2 şeyin önemli olduğu: “hayatta kalmak” ve “üremek”. Peki ya “uyum”, çevre şartlarına uyum sağlayamayan bir canlı “hayatta kalamıyor” ve dolayısıyla “üreyemiyor”. İşte bu uyum (adaptasyon) dediğimiz şey “sabit” değişmez bir süreç değil.. bu “değişen” bir süreç.

Darwin’in, Galapagos adalarındaki gözlemleri bu kavramları ortaya koymada önemli rol oynadı. Özellikle, deniz iguanalarında yaptığı gözlemler not defterine son derece ayrıntılı yazılmıştı. Galiba bazı kavramların gücü detaylardan geliyor, Darwin’in iguana gözlemleri öyle detaylı ki, hiç boşluk bırakmayacak şekilde bu hayvanları tanımladığını görüyoruz. Neler diyor? Bu hayvanları “yassılaşmış kuyruğu ve vücudunu bir yılan gibi kıvırarak mükemmel bir kolaylık ve çabuklukla yüzen kertenkele” olarak tanımlıyor. Tipik kara iguanasının yuvarlak kuyruğu ile deniz iguanasının düzleşmiş kuyruğu arasındaki farklılığa işaret ediyor. Deniz iguanasının ayaklarındaki parçalı perde ve güçlü pençeler deniz tabanı boyunca onu hareket ettiriyordu diyor. Denizde iguanaların korkutulamadığını keşfediyor. Su kıyısında onları takip ettiği zaman duruyorlar. Kuyruklarından yakalanması kolay, “ısırma gibi bir davranış göstermediler” diye yazıyor. Hayvan yiyecek aramasının dışında avcılardan korunmak için kayalara çıkıyordu, Darwin bunu köpekbalıklarından korunmak için yaptıklarını düşünüyordu. Sonradan karaya çıkmalarının asıl nedeninin vücut ısılarını muhafaza etmek olduğu ortaya çıkmıştır. Çünkü Galapagos civarındaki su deniz iguanaları için fazla soğuktur ve su sıcaklığına dayanabilmelerine rağmen güneş banyosuna ihtiyaç duyarlar. Bir iguana sıcak kayalara çıktığı zaman vücudunun yüzeyine yakın kan damarları genişler kanla sıcaklığı emer, kalp atışları hızlanır ve sıcaklığı vücudunun kalan kısmına dağılır. Okyanusa daldığında dolaşım sistemi soğuğa ayarlanır yüzey damarları büzülür, kalp atışları yavaşlar kanının çoğunu iç dokularında sıcak olarak muhafaza eder.
Burun deliklerinde fışkırttıkları sıvı yüksek seviyede konsantre olmuş tuz solusyonudur. Deniz iguanaları karadakilerden farklı olarak gözlerinin üzerinde ve başlarının içinde tuz salgılayan bezlere sahiptirler. Tuz solusyonu burun deliklerine damlar ve iguana nefes verirken bulut şeklinde dışarı çıkar. Bu özellik deniz iguanalarının deniz alglerini yediği zaman aldıkları aşırı tuzun atılmasını sağlar. Deniz iguanalarında tuz salgı bezleri, sıcaklık emme mekanizmaları ve vücut sıcaklığını koruyan davranışlar evrimsel adaptasyon’un örnekleriydi.

İşte böyle detaylı gözlemler yapılmaktaydı, resimler çizilmekte ve örnekler toplanmaktaydı. Bilimsel detaycılığın en önemli örneklerini veriyor bize Darwin.

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

PCR ile bakterileri daha da fazla teşhis edebilirmiyiz?

15Feb09

Mikroorganizmalar hayatımızda önemli bir yer tutuyor. Özellikle bakteri, mantar ve virüsler başlıca enfeksiyon etmenleri. Bakterilerin oluşturduğu hastalıkların özgül, güvenilir ve hızlı teşhis edilmeleri tedavi için önemli. Ancak, buradaki özgüllük çok kritik bir nokta: bir “patojeni” organizma üzerindeki diğer bakterilerden mutlak şekilde ayırabiliyormuyuz? Mikrobiyoloji laboratuvarlarında kullanılan tanı teknikleri yoğun çalışma gerektiren zaman alıcı yöntemlerdir. Örneğin yağ asidi analizlerinde öncelikle bakteri kültürünün saflaştırılması gerekir. En rutin uygulama seçici veya yarı-seçici besiyerlerinde bakterileri üretmekdir. Bu durumda birden fazla bakteri türünün üreme olasılığı vardır. Hızlı bir şekilde karışık bir bakteri populasyonundaki patojeni belirlemenin bir diğer yolu da immünolojik yöntemlerdir: aglütinasyon , enzime-bağlı immünosorbant belirlemesi (ELISA) yada immünofloresans (IF) gibi.
Tüm yoğun emek gerektiren çalışmaların yerini uzunca bir süredir PCR-a dayalı genotipik yöntemler almış durumda. Burada eski yöntemler terkedildi diyemeyiz, onlar da yine kullanılıyor fakat PCR tanıda son noktayı koyuyor. İÜ’deki laboratuvarımızda da karşılaştığımız bir durum önceden biyokimyasal olarak tanımlanmış izolatların nadir de olsa PCR negatif çıkabildikleri.
PCR’a dayalı teşhisin temeli doğrudan bakteri genomunun kullanılması. Böylece yöntem beslenme, ısı, kültür yaşı ve patojenin fizyolojik durumu gibi bir çok çevresel faktörden etkilenmiyor. Tür seviyesindeki teşhislerde Ribozomal DNA genlerinin (bakterilerde 16S rRNA) çoğaltımı yapılır. Diğer bir deyimle rRNA operonuna ilişkin bir seri PCR ve kesim çalışmaları bize elimizdeki izolatın tam olarak türünü verebilecek güçtedir. Son zamanlarda bakterilerde alttür ve patovar çeşitliliği de incelenebilmektedir. Bu konuda REP, ERIC, BOX dizilerini ve IS50 insersiyon elementlerini önerebilirim. Bunlar patovar içi çeşitliği görmemizi yada farklı ortamlardan gelen patovarları ayırmamızı sağlayabilir. Yakın bir gelecekte bakteri teşhisinde sadece genotipe dayalı yöntemlerin kullanacağını öngörebiliriz.

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Major changes in our DNA

27Jan09

Variability in the human genome has far exceeded expectations. In the course of the past three years, we have learned that much of our naturally occurring genetic variation consists of large-scale differences in genome structure, including copy-number variants (CNVs) and balanced rearrangements such as inversions. Recent studies have begun to reveal that structural variants are an important contributor to disease risk; however, structural variants as a class may not conform well to expectations of current methods for gene mapping. New approaches are needed to understand the contribution of structural variants to disease.

Yayın için tıklayın

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment

Nucleic Acids Research dergisinin Ocak sayısı- Evrim sempozyumu ve DNA-dışı çeşitlilik

10Jan09

Moleküler genetikçilerin vazgeçilmez kaynağı Nucleic Acids Research Ocak sayısı kapağına Darwin’i taşıdı. 2009 yılı Charles Darwin’in “Türlerin Kökeni” kitabını yayınlayışının 150. ve kendi doğumunun da (12 Şubat) 200. yıldönümü. Dergi, Beagle gemisiyle 5 yıl süren yolculuğunun sonucunda doğal seçilim yoluyla evrim teorisini ortaya koyan Darwin’in düşüncelerinin 2009 yılında modern biyolojinin temelini oluşturmasının yanısıra günümüz genomik çalışmalarının da itici gücü olduğunu belirtti.

Şimdi ülkemizde sadece Evrim’i anlamak ve öğrenmek değil, onun neden modern biyolojinin temeli olduğunu kavramak isteyenler için çok güzel bir fırsat var. 23-24 Mayıs 2009 tarihlerinde İstanbul’da Evrim Sempozyum’u düzenlenecek. Çok sayıda değerli konuşmacı her yönüyle evrim’i ve onun önemini anlatacak. 2009 Darwin Yılı ilan edildiği için dünyada bu konuda çok sayıda toplantı yapılması söz konusu. Bu etkinliği ajandamıza mutlaka not düşelim.
Modern evrim sentezinin (MS) merkezinde duran genetik çeşitlilik kavramı yeni açılımlara gebe. Çeşitliliğin oluşumunda mutasyon ve rekombinasyonun yanısıra epigenetik özelliklerin kalıtımı da gittikçe önem kazanmaya başladı. Epigenetiğin evrim üzerindeki etkisi üzerinde çalışmalar yapan Eva Jablonka yeni bulguları derlemiş ve yorumlamış.

Filed under: Genotyping   |  2 Comments

Obezite tedavisinde bir Türk araştırmacının başarısı

08Jan09

Dr. Umut Ozcan, Harvard Medical School’daki çalışmaları sonucu tip 2 diyabet gelişiminde rol oynayan endoplazmik retikulumdaki (artan) stresi bir ilaç grubu ile azaltmayı başardı. Bu ilaç grubunun etken maddeleri 4-Phenyl Butyrate (4-PBA) ve Tauroursodeoxycholic Acid (TUDCA). ABD’de obezite tedavisi için molekül arayan çok sayıda ilaç firması bulunuyor. Bu yeni çalışma halen çözümlenememiş olan bu hastalığın tedavisine yeni bir boyut kazandırabilir. İlgili yayın.

Filed under: Genotyping   |  Leave a Comment