Okuma süresi: 6 dk

New York Üniversitesi Gelişim Biyolojisi Bölümü’nde gerçekleştirilen çalışmada [1] evrimsel protein dizilimi (sekans) değişikliklerinin, Bicoid proteininin embriyo gelişimindeki fonksiyonlarına etkisini araştırdık. Transkripsiyon faktörü olarak görev yapan Bicoid (Bikoid olarak okunur, Bcd diye kısaltılır) proteini, Drosophila’nın (sirke sineği) embriyo gelişiminde yeri doldurulamaz bir rol oynar. Oluşturduğu baştan kuyruğa gradyan, yani baş kısımlarından kuyruğa  doğru gidildikçe azalan protein miktarı, değişik bölgelerde farklı doku ve organların oluşmasına önayak olur. Bu rolüyle, kafa ve gövde kısımlarının yapımında gerekli ve yeterlidir. Bu önemli rolünden ötürü üzerinde yoğun olarak çalışılmış olan Bcd, sınırlı sayıda sinek türünde bulunur (sirke sineği dışında kara sinek ve et sineğinde de bulunur). Bu kadar önemli bir rol oynamasına rağmen evrimsel olarak genç bir protein olan Bcd, yeni proteinlerin eski biyolojik sistemlere nasıl entegre olduklarını anlamak için de eşsiz bir örnektir.

Yıllar süren çalışmalar, Bcd’in bundan 150 milyon yıl önce meydana gelen evrimsel bir gen kopyalaması sonucunda ortaya çıktığını gösteriyor. Bu kopyalama sonucunda atasal gen, Zen ve Bcd olmak üzere iki ürün oluşturdu. Bu kopyalama/çoğalma olayından sonra, Zen, yumurtanın embriyo dışında kalan kısımlarında yine hayati bir rol oynamaya başlarken, Bcd, Drosophila ve benzeri sineklerde vücudun baş ve göğüs kısımlarının yapımını üstlendiği görevini almak üzere evrildi. Yaptığımız deneylerle bu iki kardeş protein arasındaki aktivite değişikliklerinin en önemlilerinin Bcd transkripsiyon faktörünün Homedomain (HD) denilen bölgesinde olduğu sonucuna vardık. Bu sebeple, iki kardeşin farklı rollerinin kaynağı olması açısından, evrimsel değişikliklerin neler olduğunu anlamak için HD bölgesine odaklandık [2]. 

HD, 60 amino asit (aa) uzunluğunda bir DNA bağlanma bölgesidir. Bu bölge hayvan, bitki ve bakteriler de dahil bir çok canlıda proteinlerin yapısında bulunan bir bölgedir. Daha önceki çalışmamızda, varolan homolog (farklı türlerde bulunan ama aynı ortak atadan evrildiği düşünülen benzer dizilimler) HD dizilimlerinden yola çıkarak nasıl atasal/antik dizilimlere ulaşabildiğimizi ayrıntılarıyla anlatmıştık [2]. Kısaca; bilinen ve sirke sineği ve diğer sinek ve böceklerde bulunan homolog Bcd ve Zen HD dizilimlerini bir araya getirdik. Bu proteinlerin hangi türlerde bulunduğunu ve bu türlerin de birbirlerinden evrimsel olarak ne kadar uzaklıkta olduğunu dikkate alarak yaptığımız matematiksel hesaplamalara mutasyon hızı tahminlerini de ekledik. Bu hesaplara Enbüyük Olabilirlik Kestirimini de (İngilizce: Maximum Likelihood Estimation, Kısaca: MLE, yapılan gözlemlerin kullanılan istatiksel model içinde en olası olduğu parametreleri seçen kestirim yöntemi) ekleyerek  Bcd ve Zen proteinlerinin 150 milyon yıl önce yaşadığını varsaydığımız en son ortak atasında bulunan HD’nin 60 aa’lik dizilimini önemli ölçüde tahmin ettik. Başlarken şu soruları sorduk: Zen ve Bcd’in son ortak atası Bcd gibi bir fonksiyona mı sahipti? Değilse hangi değişiklikler oldu ve bu değişiklikler proteinin embriyo gelişimindeki rolünü nasıl etkiledi?

Şekil 1: Tahmini evrimsel protein dizilimi (sekans) değişiklikleri ve bunların sirke sineği embriyo gelişimine etkileri. HD, 4 alt bolgeden oluşur. NT (Amino terminali), H1, H2 (Sarmal 1 ve 2) ve RH (tanıma sarmalı -DNA’ya direkt bağlanan alt bölge-). AncZB (nt-h1-h2-rh), Zen ve Bcd proteinlerinin son atasında bulunan HD embryo gelişiminde Bcd’in rolünü yerine getiremezken, değişik alt bölgelerde meydana gelen evrimsel değişiklikler (turuncu ve büyük harfle gösterilen değişiklikler) adım adım ve alternatif yollardan Bcd HD’nin ön kısımlarının yapımındaki rolüne evrimine sebep oldu (AncBcd (NT-H1-H2-RH)).

Bu soruları cevaplamak ve bu farazi atasal protein bölgesinin olası işlevini test etmek için, antik HD’yi Drosophila’da transgenik metotlar kullanarak sentezledik. Buna göre, Zen ve Bcd’in en son antik atasal HD’si vücudun ön kısımlarının yapılmasında etkinlik göstermezken, bu görev daha sonra bu atanın ürünlerinden biri olan Bcd proteininde meydana gelen değişiklikler sonunda kazanıldı [2]. Bu değişiklikler nelerdi ve embriyo gelişimini nasıl etkiledi? Bu soruyu cevaplamak için, yine transgenik metotlarla proteinin amino asit dizilimini farazi evrimsel değişikliklere göre bazen teker teker bazen de tüm bir alt bölgeyi kapsayacak şekilde değiştirdik (Şekil 1). Moleküler ve de fizyolojik gözlemlere göre bazı kritik ve az sayıda değişiklik bu fonksiyonel ve evrimsel değişikliğe öncülük ederken, fonksiyonun adaptasyonu ve optimizasyonunda çok sayıda amino asitin ufak ve sinerjistik etkilerde bulunduğu gözlendi. Ayrıca bir çok değişiklik az çalışır düzeyde HD fonksiyonu oluşmasını sağlarken bu farklı protein dizisi değişikliklerinin birleştirilmesi, fonksiyonun daha dayanıklı ve tekrarlanabilir olma şansını artırdı. Bu da Bcd HD’sinin evrim sürecinde az çalışır ara seviyelerden geçmiş olabileceği anlamına gelebilir (Şekil 1). Bu deneyler, protein yapısındaki evrimsel değişikliklerin proteinin embriyonik gelişimi üzerine etkisini ayrıntılı bir şekilde gösteren nadir çalışmalardan. Aynı zamanda fonksiyonel morfolojiye ulaşmada değişik yollar olduğunu göstermesi, bu yolların mekanizmalarının ve farklılıklarının incelenmesi ve sentetik yollar üretilmesine yol açması bakımından da önemli bir çalışma.

Yazar: Pınar Önal

Editörler: Bilge San, Güney Akbalık

Kaynaklar:

[1] P. Onal et al., Suboptimal Intermediates Underlie Evolution of the Bicoid Homeodomain, Mol. Biol. Evol., Feb. 2021, doi: 10.1093/molbev/msab051.

“P. Onal v.d., 2021. Standart altı ara fazlar Bicoid Homeodomain’inin evrimine giden yolu açtı. Mol. Biol. Evol., Feb. 2021, doi: 10.1093/molbev/msab051.”

[2] Q. Liu et al., Ancient mechanisms for the evolution of the bicoid homeodomain’s function in fly development, Elife, vol. 7, Oct. 2018, doi: 10.7554/eLife.34594.

“Q. Liu et v.d., 2018, Bicoid Homeodomain’inin sinek gelişimindeki rolünün evrimindeki antik mekanizmalar,  Elife, vol. 7, Oct. 2018, doi: 10.7554/eLife.34594.”