9 Aralık 2015 Çarşamba

Silinme ve İkilenmeler Farklı Öyküler Anlatıyor

Ekim ayında yayımlanmış bir makaleden bahsedeceğim*. Makale, insan genomundaki kopya sayısı varyantlarının (copy-number variants) popülasyonlar arası dağılımına bakıyor. Sonuçlar birkaç açıdan özellikle ilginç. Yazarlar ilk olarak, kopya sayısı varyasyonuna sebep olan mutasyonların (silinme ve ikilenme) birbirinden farklı evrildiğini gösteriyorlar. Bununla bağlantılı olarak ikinci ilginç sonuç ise, bu iki tür mutasyonun fonksiyonel bölgelerde (genlerin olduğu bölgelerde) farklı sıklıklarda biriktiği ve bu durumun insan evrimi üzerinde önemli etkileri olabileceği.

Makalenin sonuçlarını tartışmaya başlamadan önce kopya sayısı mutasyonlarına dair ufak bir giriş yapmak istiyorum. Silinme ve ikilenme türü mutasyonlar (deletions and duplications), daha geniş bir kategori olan yapısal mutasyonların (structural variants) birer alt-kategorisi. Yapısal mutasyonlar, genom üzerindeki bazı bölgelerin, çoğunlukla genom kendini kopyalarken silinmesi, kopyalanması ya da genomun bir yerinden başka bir yerine taşınması sonucunda oluşuyor. Taşınan, silinen ya da kopyalanan bu bölgelerin büyüklüğü 1 kilobazla 3 megabaz arasında değişiyor (mikrosatelitler bunun bir istisnası). Bu duruma sebep olan birçok moleküler mekanizma var. Bu mekanizmalar arasında dengesiz rekombinasyon, kopya sayısı varyasyonlarına sebep olan temel mekanizma.

Rekombinasyon, eşey hücreleri bölünürken homolog kromozomların (yani biri anneden, diğeri ise babadan gelen iki benzer kromozomun) birbirleri arasında parça değiştirmeleri ile meydana geliyor. Dengesiz rekombinasyonda ise, kromozomlar üzerinde kendini tekrar eden parçalar normal rekombinasyonu bozuyor; homolog kromozomlar bu birbirine benzeyen parçalar yüzünden parçalarını eşitsiz paylaşıyorlar. Yani örneğin, hücre bölünmesinden önce homolog kromozomlardan her birinin üzerinde aynı genden ikişer kopya varken, dengesiz rekombinasyon sonucu kromozomlardan biri üzerinde bir gen kalırken diğer kromozom üzerinde üç gen kaldığını görüyoruz.

Rekombinasyon birbirleriyle beraber aktarılan genetik varyantlar arasındaki bağı kırıp bu varyantları dağıtarak hali hazırda genetik çeşitliliği artırıyor; dengesiz rekombinasyon ise bunu çok daha öte bir boyutta yapıyor.

Bu kısa girişten sonra makaleyi tartışmaya başlayabilirim.

Makalenin yazarları 125 farklı popülasyondan 236 bireyin genomları üzerinde toplam ~15.000 pozisyonda kopya sayısı varyantlarına bakıyorlar (şekil 1). Bu pozisyonların yarısında silinme türü mutasyonlar gözlemlenirken diğer yarısında ikilenme türü mutasyonlar gözlemleniyor. 



Şekil 1. Çalışmada genomları kullanılan bireylerin dahil oldukları popülasyonlar.

Araştırmacılar, bu iki tür mutasyondan silinme türü mutasyonların, ikilenme türü mutasyonlara oranla popülasyonlar arasında daha fazla ayrıştığını gözlemliyorlar. Örneğin şekil 2A ve B’de temel bileşenler analizi (PCA) sonuçları, silinme tipi mutasyonlar için farklı kıtalara ait popülasyonları bir yere kadar ayrıştırabilirken ikilenme türü mutasyonlar için bunu yapamıyor. Benzer sonuçlar, kıtalar-içi genetik varyasyona (heterozygosity) baktığımızda da karşımıza çıkıyor. Silinmeler, hem daha fazla kıtalar arası varyasyon, hem de Afrika’da genel olarak daha fazla çeşitlilik gösteriyorlar (şekil 2C). Halbuki ikilenmeler için popülasyonlar arasında anlamlı neredeyse hiçbir fark gözlemleyemiyoruz (şekil 2D). 

Şekil 2A'da silinme mutasyonları için gördüğümüz örüntü aynı zamanda nokta mutasyonlarda (single nucleotide variants, SNV) görünen popülasyon-dağılımı örüntüsüyle de genel olarak örtüşüyor. Bu durumu silinme ve ikilenmeler ile nokta mutasyonlar arasındaki korelasyon analizinde de görebiliyoruz: Silinmeler heterozigot durumda göründükleri lokusların oranı bakımından nokta mutasyonlarla yüksek korelasyon gösterirken ikilenmeler böyle bir korelasyon göstermiyor (şekil 2E ve şekil 2F).


Şekil 2. Silinme ve ikilenme varyantlarıyla yapılan çeşitli analizlerin sonuçları. A. ve B. Temel bileşenler analizinin (PCA) sonuçları. Popülasyonlar, silinme varyantları kullanıldığında kıtalara göre ayrışırken ikilenme varyantlarıyla çok daha iç içe gözüküyorlar. C. ve D. Silinme ve ikilenmelere bakarak kıtalar-içi heterozigot lokus sayısı dağılımı. Silinmelerde görünen kıtalar-arası farklılaşma ikilenmelerde görünmüyor. E. ve F. Nokta mutasyonlara kıyasla silinme ve ikilenme mutasyonlarının görüldüğü heterozigot lokus sayısı dağılımı. Silinmeler nokta mutasyonlarla benzer oranda heterozigot lokusda görünürken, ikilenmeler için böyle bir ilişki görünmüyor.

Araştırmacılar, bunlara ek olarak silinme türü mutasyonların gen bölgelerinde genomunun geri kalanına kıyasla daha seyrek bulunduğunu gözlemliyorlar (şekil 3). Halbuki, bu durum ikilenmeler için geçerli değil. Bu da negatif seçilimin silinmeler üzerinde daha etkili olduğunu gösteriyor.


Şekil 3. Alel Frekansı Tayfı (site frequency spectrum, SFS). Silinmeler için yüksek frekansta görünen aleller gen-taşımayan bölgelerde birikirken (ya da tersinden gen-bölgelerinde diğer bölgelere kıyasla daha sık olarak düşük frekanslı varyantlar görünürken) ikilenmeler için gen-taşıyan bölgelerle taşımayan bölgeler arasında bir fark görünmüyor. Bu sonuçlar, negatif seçilimin silinmeler üzerinde daha etkili olduğunu gösteriyor. 

Çalışmanın bir sonraki aşamasında başka bir yöntem kullanarak (Vst, Fst testinin bir türevi) popülasyonlar arası ayrışmaya bakan araştırmacılar, yukarıdaki sonuçlardan farklı başka bir sonuç gözlemliyorlar: Popülasyonları birbirlerinden önemli oranda ayıran varyantların, silinmelere kıyasla iki katı oranında ikilenme mutasyonlarından oluştuğunu gözlemliyorlar. Bunun sebebini, sınırlı sayıdaki bazı ikilenme varyantlarının popülasyonlar arasında çok daha dramatik şekilde ayrışmış olmasına yoruyor makalenin yazarları. Yukarıdaki temel birleşenler analizi sonuçları ve popülasyon-içi genetik çeşitlilik dağılımlarıyla birlikte değerlendirdiğimizde bu durum, bu iki tür mutasyonun maruz kaldıkları evrimsel mekanizmalar açısından temel bazı farklılıklara sahip olduklarını gösteriyor.  

Bu sonucu biraz açmayı deneyeceğim. Şöyle: Genel olarak ikilenme tipi mutasyonlar, popülasyonlar arasında çok farklılık göstermiyorlar. Bir popülasyonda görünen ikilenme mutasyonu, yüksek oranda başka bir popülasyonda daha görünüyor. Bu durum silinmeler için daha az geçerli: Silinmeler daha fazla popülasyonlara özgü dağılım gösteriyorlar. Bunun sebebi ise muhtemelen, düşük frekanslı silinme varyantlarının çoğunlukla popülasyonlara özgü olmaları. Yani, bu varyantlar yeni ortaya çıkmış ve bu sebeple sadece ortaya çıktıkları popülasyonlarda düşük frekansta görünüyorlar. Bu örüntüyü nokta mutasyonlar için de görüyoruz; ve bu durumu, negatif seçilim+nötral evrimle açıklayabiliyoruz. Bu ise şu demek oluyor: Bahsi geçen silinme varyantları yüksek frekanslarda çok sık görünmüyorlar; zira, ya henüz yüksek frekansa çıkmaları için yeterince zaman geçmemiş ya da bu süre içerisinde negatif seçilim frekanslarını baskılamış oluyor. Diğer taraftan, yüksek frekansta görünen silinmeler ise, büyük oranda atasal popülasyondan geliyorlar (yüksek frekansa çıkmaları için yeterince zaman geçmiş) ve muhtemelen fonksiyonel etkileri sınırlı oluyor (negatif seçilimin baskılayıcı etkisinden kaçabilmişler). 

İkilenme varyantları içinse bu durum biraz daha farklı. Bu varyantların yüksek frekanslara çıkmaları, iki sebep yüzünden daha kolay. Birincisi, bu mutasyonlar silinme mutasyonlarına kıyasıyla daha yüksek frekansla ortaya çıkıyorlar (zira dengesiz rekombinasyon daha sık olarak ikilenmeler meydana getiriyor ve her yeni ikilenme olayı dengesiz rekombinasyon olasılığını daha da artırıyor). İkinci sebep ise, bu mutasyonların  silinme mutasyonlarına kıyasıyla fonksiyonel olarak daha nötr olmaları. Yani, ikilenmesine yol açtıkları bölgenin, eğer bu bölge protein anlatan bir gense örneğin, fonksiyonunu çoğunlukla etkilemiyorlar (zira sadece onun bir kopyasını yapmış oluyorlar) ve negatif seçilime uğramadan mutasyon biriktirebiliyorlar. İkilenme mutasyonlarının daha yüksek frekanslarda gerçekleşmesinin bir diğer sonucu ise aynı mutasyonun iki farklı popülasyonda birden görünme olasılığının artması. Bu durum, hem temel bileşenler analizinde hem de popülasyon-içi genetik çeşitlilik dağılımlarında ikilenmeler için gördüğümüz popülasyonlar arası homojen dağılımı açıklamaya yardımcı olabilir. 

Diğer taraftan, Vst testinde gördüğümüz sonuçları yaratan sınırlı sayıdaki ikilenme varyantları için ise şunlar söylenebilir: Az önce bahsettiğim senaryoyu düşünüp ikilenen bölgenin bir gene tekabül ettiğini kabul edelim. Yeni ortaya çıkan kopya herhangi bir negatif fonksiyonel etki yaratmadan -nokta- mutasyon biriktirebilir demiştim. Benzer şekilde, bu nokta mutasyonlardan bazıları bu genin yeni bir fonksiyon kazanmasına da yol açabilir. Bu durumda, bu yeni kopyalanan genin pozitif seçilime uğrayarak frekansının yükselmesi ve popülasyonlar arasında ayrışmaya katkı sunması da mümkün hale gelir. Bu mekanizma doğada sık göründüğüne inanılan ve genom evrimini şekillendirdiği düşünülen bir fenomeni de açıklıyor: Yeni genler sıklıkla başka genlerin kopyalanması ile ortaya çıkıyor. Kopyalanan gen, eğer seçilime uğrayarak korunuyorsa, ya yeni bir fonksiyon kazandığı için korunuyor (neo-functionalization) ya da kopyalanan genin fonksiyonlarının bir kısmını üstlendiği için korunuyor (sub-functionalization). Makalenin yazarları da gördükleri örüntünün böyle bir sürece işaret ediyor olabileceğini söylüyorlar. Ve bu iddialarını destekleyecek şekilde, popülasyon ayrışmasına sebep olan ikilenme mutasyonlarının bir kısmının seçilime uğradığı düşünülen gen bölgelerine denk geldiğini gösteriyorlar. Bu genlerin arasında, hastalığa yatkınlık genleri gibi seçilime uğradığına inanılan var örneğin.

Bu sonuçlar akla yatkın görünse de burada biraz durmakta da fayda var bence. Ortaya çok güzel bir resim çıkmış; ama aslında araştırmacılar spesifik sayı vermiyorlar. Yani popülasyonlar arasında ayrışan ikilenme mutasyonlarından ne kadarının bu tür genlere (yakın zamanda seçilime uğradığı düşünülen genlere) tekabül ettiğini söylemiyorlar. Bu tür genlerin sayısının rastgele bir denemede karşılaşacaklarımızdan daha fazla ya da daha az olduğunu bilmiyoruz yani. 

Biraz abartıyor olsalar da makalenin bulguları bir hayli ilginç, başta da söylediğim gibi.