11 Şubat 2018 Pazar

Melez Populasyonlar Uzerinde Isleyen Negatif Secilimin Kokenine Dair

2010 yilinda ilk Neandertal genomu dizilendi. Bu calisma sayesinde, insanlarla Neandertallerin onbinlerce yil once karistiklarini biliyoruz. Bu calisma sadece insanlarla Neandertallerin karistiklarini soylemekle kalmadi, baska turler arasindaki karisma senaryolarini test edebilmemizi saglayan metodlari da -birkac baska calismayla beraber- bize kazandirdi. Birazdan bahsedecegim calisma ise, karisma sonrasinda melez populasyonlara neler olabilicegini daha iyi anlamamizi sagliyor. Bu populasyonlar uzerinde etkili olan secilim mekanizmalarini ve secilimin potansiyel sonuclarini anlayabilmemiz icin hem kavramsal bir cerceve sunuyor hem de bu kavramsal cercevenin icinde uretilen sorulari test edebilecegimiz pratik bir yol oneriyor.

Bahsedecegim calisma birkac ay once Biorxiv dergisinde pre-print olarak, yani henuz hakem degerlendirmesinden gecmeden basildi. Fakan ben hakem degerlendirmesinin calismanin genel sonuclarini degistirecegini sanmiyorum. Dolayisiyla anlatiyorum.

Calisma, kilickuyruk baliklarinda (swordtail fish) melezlesmenin sonuclarini arastiriyor. Iki farkli kilickuyruk turunun melezlesmesiyle olusan uc farkli melez populasyonundan, toplam 690 ornekle calisiyor arastirmacilar. Melez populasyonlarin yakin bir gecmiste olustugu (100 nesilden az bir zaman once) tahmin ediliyor. Sekil 1'de hem atasal turlarin hem de melez populasyonlarin cografi dagilimlarini gorebilirsiniz.

Arastirmacilar oncelikle atasal turlerden aktarilan DNA'nin melez genomlardaki dagilimina bakiyorlar ve iki tur DNA'nin melez genomlarda esit oranlarda bulunmadiklarini goruyorlar: Melez populasyonlarinin ikisinde, atasal tur Xiphophorus birchmanni'den aktarilan genetik materyal genomun %70-80'ini olustururken diger atasal turden, yani Xiphophorus malinche'den aktarilan genetik materyal genomun ancak %20-30'unu olusturuyor. Diger melez populasyonu icinse tam tersi oranlar gecerli. Yani bu melez populasyonu icin Xiphophorus malinche'den aktarilan genetik katki genomun %70-80'ini olustururken, Xiphophorus birchmanni'den aktarilan katki genomun %20-30'unu olusturuyor (sekil 1)



Sekil 1. Calismada kullanilan populasyonlarin cografi konumlari ve melez genomlarda gorunen, X. malinche'den aktarilan atasal genetik katkinin oranlari. 

Arastirmacilar daha sonra melez genomlarin %20-30'unu olusturan ve daha az katki yapan atadan gectigi tespit edilen bolgelere odaklaniyorlar. Bu tur DNA'nin, yani azinlik atadan aktarilan DNA'nin (minor parent ancestry),  rekombinasyon* hizinin yuksek oldugu bolgelerde toplandigini goruyorlar (sekil 2). Bu ise bize birkac sey soyluyor. Ornegin azinlik atadan aktarilan DNA'nin kucuk parcalar halinde melez genomlarda kaldigini soyluyor. Zira rekombinasyon hizinin yuksek oldugu bolgelerde nesilden nesile birlikte aktarilan DNA hizla kuculuyor. Yani azinlik atadan aktarilan DNA dizileri arasinda nesilden nesile gecerken birlikte aktarilma oranlari gorece dusuk. Bu ise bize dolayli olarak sunu soyluyor: Azinlik atadan gecen genetik materyal yer yer zararli mutasyonlar iceriyordu ve zararli olmayan mutasyonlar ancak zararli olanlardan ayrildiklari ve tek baslarina aktarildiklari oranda, kucuk parcalar halinde melez genomlarda kalmayi basarabildiler. Cunku genomun rekombinasyon hizi dusuk bolgelerinde kalan buyuk parcalar, zararli mutasyonlar uzerinde isleyen negatif secilim yuzunden zamanla populasyondan silindiler. Peki azinlik atalardan melez genomlara zararli mutasyonlarin gecmesine ne sebep oluyor? Calismanin diger sonuclarini aciklamadan once bir parantez acip buna sebep olan mekanizmalara deginmek istiyorum.

Sekil 2. Azinlik atadan aktarilan DNA, rekombinasyon hizinin yuksek oldugu bolgelerde toplanma egilimi gosteriyor. 


Bu mekanizmalardan bir tanesi Dobzhanski-Muller uyumsuzlugu (Dobzhanski-Muller incompatibilities). Bu mekanizmayi varsayan hipoteze gore, uzun sure birbirlerinden ayri yasayan, dolayisiyla farkli evrimsel yollar izleyen iki tur, tekrar biraraya gelip melezlestiklerinde saglikli nesiller uretemezler. Bunun sebeplerinden bir tanesi, iki turun birbirinden farklilasan ciftlesme stratejileri gelistirmesi olabilir. Ornegin, iki yakin akraba kus turunun, ayni cografi bolgelerde ureseler bile birbirlerinden birazcik farkli ötüyor olmalari, o iki turun bireylerinin ciftlesmesini engelleyebilir. Bunu gosteren calismalar var.

Iki turun melezlerinin basarisiz olmasina sebep olan ikinci bir mekanizma (daha dogrusu mekanizmalar butunu) ise, bu turlerin ciftlesseler bile saglikli nesiller uretememelerine sebep oluyor. Dobzhanski-Muller uyumsuzlugu ise butun bu mekanizmalarin sonucunda melezlerin basarisiz olmasi durumuna verilen ad. Yani ornegin, yeni neslin hayatta kalamamasina ya da kisir olmasina neden olan butun biyolojik mekanizmalar bu baslik altinda toplanabilir (bunun bir ornegi esekle atin melezi katirin kisir olmasi). Tabii Dobzhanski-Muller uyumusuzluguna sebep olan butun mekanizmalarin saglam bir genetik temeli oldugunu varsayiyoruz. Aksi takdirde bu tur ozellikler nesillerden nesillere aktarilamayacak (ya da kusurlu aktarilacak) ve boylece iki tur bagimsiz varliklarini koruyamayacaklardi.

Tersinden bakip Dobzhanski-Muller uyumsuzluguna genetik bir tanim getirmek istersek, sekil 3'teki modeli kullanabiliriz.

Sekil 3. En solda iki turun ortak atasi olan turun genomunun bir modelini goruyoruz (ancestral genotype). Bu turun genomu uzerinde iki farkli bolgeye bakiyoruz. Bu bolgeler icin ortak ata 'AABB' genotipini gosteriyor. Daha sonra bu ortak atanin iki ayri ture ayrildigini goruyoruz, seklin ortasinda yukarida ve asagida olmak uzere. Iki yavru turun her birinde fakat genomun farkli bolgelerinde birer mutasyon ortaya cikiyor: Bu mutasyonlar yukaridaki tur icin 'A'yi 'a' yapiyor, asagidaki tur icinse 'B'yi 'b' yapiyor ve bu mutasyonlar zamanla o turler icin sabitleniyor. Dikkat ederseniz henuz hic 'a' ve 'b' alelleri ayni genomda bulunmadi. Bu ise iki tur tekrar karsilasip uremeye calistiklarinda gerceklesiyor ve bu iki alel ayni genomda bulusuyor. Fakat bu aleller birbiriyle uyumsuz biyolojik ozellikler anlatiyorlar, dolayisiyla melezlerin basarisiz olmasina sebep oluyorlar. Kaynak: https://www.nature.com/scitable/content/dobzhansky-muller-model-of-hybrid-incompatibility-7883.

Bu ise bize sunu soyluyor: bizim ornegimizde, uc melez genomda diger atasal populasyonlardan aktarilan genetik materyalle uyumsuzluga sebep olabilecek genler muhtemelen genomun sadece belli bolgelerinde ve her atasal genom icin de muhtemelen ayni bolgelerde bulunuyor (zira ayni iki atasal tur bu melezlerin olusumuna katiliyor). Bu ise, Dobzhanski Muller uyumsuzlugunun yol actigi negatif secilimin, her uc melez genom uzerinde, tamamen cakismasalar bile, benzer bolgelerde yogunlasmasi gerektigini soyluyor.

Melez genomlarda gorunen, farkli atalardan aktarilan DNA'nin akibetini aciklamaya calisan ikinci bir hipotez ise, genetik birikme (genetik load) hipotezi. Bu hipotez, iki atasal genom arasinda yukarida anlatilan boyutlarda uyumsuzluk varsaymiyor. Fakat etkin populasyon buyukluklerinin (effective population size) oranina bagli olarak atasal populasyonlardan birinin (gorece kucuk olaninin) digerine kiyasla (buyuk olana kiyasla) daha cok zararli mutasyon biriktirdigini varsayiyor. Kucuk populasyonlarda zararli mutasyonlari eleyecek secilim etkili olamiyor. Bunun nedeni ise nesilden nesile gecerken olusan rastgele genetik suruklenmenin kucuk populasyonlarda daha kuvvetli olmasi ve secilimin gucunu azaltmasi. Bu sebepten etkin populasyon buyuklugu kucuk olan atasal populasyon, diger atasal populasyona gore daha cok zararli mutasyon tasiyor. Bu mutasyonlar ancak daha buyuk etkin populasyona sahip olan melez populasyona aktarildiklarinda secilerek populasyondan eleniyorlar.   

Azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde zararli mutasyonlarin birikebilecegini soyleyen ucuncu bir hipotez ise, iki atasal turun farkli ekolojik kosullar altinda evrimlestigini ve dolayisiyla farkli ekolojik kosullara uyum sagladiklarini varsayiyor. Boyle bir durumda melez populasyonun icinde yasadigi ekolojik kosullar, hangi atasal populasyondan aktarilan DNA'nin uzerinde nasil bir secilimin etkili olacagini belirliyor. Ayrica gene negatif secilimin genomun melez populasyonun hayatta kalma sansini dusuren bolgelerine yonelecegini ve bu bolgelerin melez populasyondan melez populasyona degisiklik gosterecegini tahmin edebiliriz. Zira burada calisilan her bir melez populasyonu hem icinde yasadigi ekolojik sartlar bakimindan hem de tasidiklari atasal genetik materyal acisindan degisiklik gosteriyor. Bu durumda melez populasyonla benzer ekolojik kosullarda yasayan atasal populasyondan aktarilan genetik materyalin potansiyel olarak daha az zararli mutasyon tasimasini, diger atadan aktarilan DNA'nin ise daha cok zararli mutasyon tasimasini ve zamanla genomdan elenmesini bekleriz.

Simdi parantazi kapatip calismanin buldugu ilk sonuca donmek istiyorum. Azinlik atadan aktarilan DNA'nin genom uzerinde rekombinasyon hizinin yuksek oldugu bolgelerde yogunlastigini gozlemlememistik; ve bunu azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde ilkin zararli mutasyonlar oldugu ve ancak boyle zararli mutasyonlar tasimayan ufak parcalarin genom uzerinde kalabildigi seklinde aciklamistik. Yukarda bahsettigimiz uc hipotez de boyle bir duruma uyuyor ya da boyle bir sonucu tahmin edebiliyor. Diger bir degisle her bir hipotez, azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde daha fazla zararli mutasyon gorunebilecegini ve bu mutasyonlarin zamanla secilerek elenecegini soyluyor. Dolayisiyla calismanin ilk sonucu bu hipotezler arasinda bir ayrim yapmiyor.
   
Azinlik atadan aktarilan DNA'nin genomun hangi bolgelerinde toplandigina tekrar bakan arastirmacilar, ilginc bir sekilde, uc melez populasyonu icin de bu tur DNA'nin genomun benzer bolgelerinde toplandigini gozlemliyorlar (sekil 3). Yani azinlik atadan aktarilan DNA hem parcali hem de genomun belli bolgelerine kumelenmis ve bu durum uc melez genom icin de boyle. Bu onemli bir sonuc, cunku uc hipotez arasinda ayrim yapmamizi sagliyor. Ekolojik secilim hipotezi farkli atasal DNA oranlarina sahip melez genomlarda azinlik atadan aktarilan DNA'nin genomun farkli bolgelerinden silinmelerini ve farkli bolgelerinde korunmalarini varsayiyor. Dolayisiyla bu son sonucla uyumlu degil. Fakat Dobzhanski-Muller uyumsuzlugu ve genetik birikme hipotezleri arasinda hala bir ayrim yapamiyoruz. Iki hipotez de bu sonucu tahmin ediyor.

Sekil 3. Azinlik atadan aktarilan DNA'nin genom uzerindeki yeri ve miktari, uc melez populasyonu karsilastirildiginda korelasyon gosteriyor.

Bu iki hipotez arasinda ayrim yapabilmek icin arastirmacilar atasal turlerlerin etkin populasyon buyuklugunu hesapliyorlar. Genetik birikme hipotezi etkin populasyon buyuklugu kucuk olan atasal turden aktarilan DNA'nin, daha guclu negatif secilime ugrayacagini soyluyordu. Arastirmacilar, X. malinche'nin etkin populasyon buyuklugunun X. birchmanni'ye kiyasla dort kat dusuk oldugunu tespit ediyorlar. Ayrica, X. malinche genomunda proteinlerin yapisini degistiren, dolayisiyla muhtemelen zararli olan daha fazla mutasyon buluyorlar (derived, nonsynonymous substitutions). Bu sonuc ca X. malinche'nin daha kucuk etkin populasyon buyuklugune sahip oldugunu gosteriyor. Hal boyleyken, melez populasyonlardan birinde, X. birchmanni'nin azinlik ata oldugu melez populasyonunda, genetik secilimin azinlik atadan gecen DNA'yi korumasi beklenir. Halbuki rekombinasyon hiziyla azinlik atadan aktarilan DNA arasindaki dogrusal oranti, bu beklentiye ters dusuyor. Yani bu melez populasyonu icin azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde, genetik birikme hipotezine gore, negatif secilim olmamali. Yani, rekombinasyon hiziyla azinlik atadan aktarilan DNA miktari arasinda pozitif iliski gormeyi beklemiyoruz. Halbuki, Dobzhanski-Muller uyumsuzlugunu temel alan hipotez, uc melez tur icin de azinlik atadan aktarilan DNA'nin daha fazla negatif secilime ugrayacagini soyluyor (bu atanin etkin populasyon buyuklugunden bagimsiz olarak). Dolayisiyla yazarlara gore Dobzhanski-Muller uyumsuzlugu, kilickuyruk baligi melez populasyonlarinda azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde isleyen secilimin arkasindaki temel sebep.

Hikayenin biraz daha devami var. Yazarlar insan-Neandertal karismasi senaryosu icin de bu calismada gelistirdikleri kavramsal cerceveyi kullaniyorlar ve uc hipotezi test etmeye calisiyorlar. Calismanin o kisminin sonuclarini simdilik atliyorum, belki daha sonra bahsedebilirim.

Bu calisma bize hem melez populasyonlar uzerinde isleyen olasi evrimsel mekanizmalar hakkinda kavramsal bir cerceve sunuyor hem de bu makenizmalarindan hangisinin daha etkili oldugunu test etmemizi saglayan pratik bir yontem oneriyor. Ozetle soylersek bu yontem, melez genomlarda azinlik atadan aktarilan genetik materyalle rekombinasyon hizi arasindaki iliskiye bakmak.

Bitirmeden calismanin benim gozume carpan bir iki ufak (ya da potansiyel olarak daha buyuk) sorununa deginmek istiyorum. Bunlardan ilki su: Bir genomda iki farkli atadan aktarilan DNA bolgelerini bulmak icin kullanilan yontemler genom uzerindeki rekombinasyon hizindan etkileniyorlar. Rekombinasyonun daha hizli oldugu bolgelerde bu tur yontemler daha iyi calisiyor. Zira bu yontemler rekombinasyonu modellemeye calisiyorlar ve genom uzerinde rekombinasyon hizinin yuksek oldugu bolgeler, modelleme icin daha cok bilgi sagliyor. Bu durumda modelin tahminleri de daha guvenilir oluyor. Yani arastirmacilarin kullandiklari yontem rekombinasyonla azinlik atadan aktarilan DNA miktari arasinda bulduklari pozitif iliskiye katki yapmis olabilir. Yani gordukleri kendi yarattiklari bir etki olabilir. Kismi de olsa calismanin boyle bir teknik sorun icerdigini dusunuyorum. Fakat makalenin yazarlarina bakarak soyleyebilirim ki sonuclar tamamen teknik sorunlardan kaynakli olsaydi, bu yazarlar boylesi bir makale yazmazlardi. Yani yazarlarin sorunun bilincinde oldugunu ve bu sorunu belli oranda kontrol edebildiklerini dusunuyorum.

Calismayla ilgili bir diger sorunlu nokta ise, rekombinasyon hizinin yer yer negatif secilimin gucu yerine kullaniliyor olmasi. Arastirmacilar azinlik atadan aktarilan DNA uzerinde isleyen secilimi ve bu secilimin arkasindaki sebepleri anlamaya calisiyorlar. Fakat negatif secilimin etkisini genom uzerinde dogrudan tespit etmektense rekombinasyon hizini secilimin gucu yerine kullaniyorlar. (Negatif secilimin etkisini genom uzerinde dogrudan tespit etmek muhtemelen cok kolay bir sey degil; gerci insan genomu icin boyle bir degisken var [B-statistic], ama diger turlerde boyle bir degisken hesaplanmamis olabilir). Ornegin negatif secilimin etkisini dogradan gosteren bir degisken olsa, genetik birikme hipotezini test ederken etkin populasyon buyuklugune gore azinlik atadan aktarilan DNA miktariyla rekombinasyon hizi arasindaki iliskiye bakmak yerine dogrudan negatif secilimin gucuyle arasindaki iliskiye bakilabilirdi. Boylece sonuclar daha guvenilir olurdu.

Yazinin sonunu biraz uzattim, ama bunlar da bu calismaya dair alinacak notlara dahil bence.

Ozgur               



*Rekombinasyon