270 milyon yıl önce karışan kromozomlar ahtapot beynini açıklıyor mu

Rogers, Viyana Üniversitesi Sinirbilim ve Gelişim Biyolojisi Bölümü'nde çalışıyor. Yazarlar arasında Woods Hole'daki Deniz Biyolojisi Laboratuvarı'ndan Caroline B. Albertin, Chicago Üniversitesi'nden Clifton W. Ragsdale ve çalışmanın kıdemli yazarı Oleg Simakov da var. Rogers'ın Viyana Üniversitesi duyurusunda söylediği cümle işin özeti sayılabilir: "Genom yalnızca bir gen dizisi değil. Karmaşık, üç boyutlu bir yapı hâlinde katlanmış durumda."

Ahtapotun beyni gövdesine dağılmış durumda

Sorunun neden bu kadar ilgi çektiğini anlamak için ahtapotun sinir sistemine bakmak gerekiyor. Washington Üniversitesi'nin derlediği karşılaştırmalı sinir sistemi tablosunun dayandığı kaynak — Binyamin Hochner ve arkadaşlarının 2006'da Biological Bulletin'de yayımladığı çalışma — bir ahtapotta yaklaşık 500 milyon sinir hücresi bulunduğunu, bunların üçte ikisinin kafada değil kollarda olduğunu veriyor. Her kol, yaklaşık 40 milyon hücreden oluşan kendi sinir ağını taşıyor.

Yani ahtapot, omurgalılardaki gibi her şeyi tek merkezden yöneten bir beyinle çalışmıyor. Merkezî bir beyni var, ama kolları büyük ölçüde kendi başlarına tat alıyor, dokunuyor ve tepki veriyor. Üstelik bu mimari omurgalılardan tamamen bağımsız olarak, ortak bir atadan miras alınmadan evrimleşti. Karmaşık sinir sisteminin yeryüzünde en az iki kez, birbirinden habersiz biçimde ortaya çıkmış olması, "büyük beyin nasıl yapılır" sorusunun tek bir cevabı olmadığı anlamına geliyor. Kafadanbacaklılar o yüzden kıyas noktası.

"Kromozom yeniden düzenlenmesi" tam olarak ne demek

Kromozom, DNA'nın hücre içinde paketlendiği uzun iplik. Yeniden düzenlenme ise bu ipliklerin kırılıp başka ipliklerin parçalarıyla kaynaması, yani kartların yeniden karılması. Genlerin kendisi silinmez; yerleri değişir. Komşuluklar değişince bir genin hangi denetim anahtarının etkisi altına girdiği de değişir.

Çalışmanın zaman çizgisi şöyle: yumuşak gövdeli kafadanbacaklılar (Coleoidea — ahtapot, kalamar, mürekkep balığı) kabuklu nautilus soyundan yaklaşık 450 milyon yıl önce ayrılmış. Kalamar ve mürekkep balığı kolu (Decapodiformes) ile ahtapot kolu (Octopodiformes) ise yaklaşık 270 milyon yıl önce birbirinden kopmuş. Buradaki önemli ayrıntı şu: "270 milyon yıl" bu iki kolun ayrılma tarihi; makale büyük karışmayı bu ayrılmanın öncesine, kafadanbacaklı evriminin erken dönemine yerleştiriyor. Yani tek bir günde olup bitmiş tek bir olay değil, tarihi kabaca bu aralığa düşen bir dönem söz konusu.

Karışmanın bugünkü izi karşılaştırmayla görülüyor. Araştırmacılar Kaliforniya iki benekli ahtapotunun (Octopus bimaculoides) genomunu Hawaii cüce kalamarının (Euprymna scolopes) genomuyla eşleştirdiğinde, ahtapotta 10 milyon baz çiftlik hemen her bölgenin kalamarda iki ayrı bölgeye karşılık geldiğini buldu. Parçalar aynı kromozomun içinde bile yerlerini değiştirmiş.

Buna bir de genom şişmesi eklenmiş. Makaleye göre ahtapotlarda genom yaklaşık 2,7 milyar baz çifti; kalamar ve mürekkep balığında 5 milyarın üzerine çıkıyor. Şişmeyi yapan tekrar dizileri her soyda farklı: Sepia ve Euprymna'da LINE adı verilen uzun tekrar aileleri, Octopus bimaculoides'te ise kısa tekrarlar (SINE) baskın. Aynı sonuca farklı malzemeyle varılmış.

Sağlam zemin, kaygan ilmekler

Ekip genomun üç boyutlu yapısını Micro-C denen bir yöntemle haritaladı. Yöntem, hücre içinde fiziksel olarak temas eden DNA bölgelerini yakalayıp sayıyor; sonuçta "hangi nokta hangi noktaya değiyor" haritası çıkıyor. Harita iki ölçekte okunuyor: büyük yapı birimleri (kromatin alanları) ve bunların içindeki ince temaslar (kromatin ilmekleri).

Çıkan tablo ikili: büyük alanlar türler arasında şaşırtıcı biçimde kararlı kalmış, ince ilmekler ise türden türe, dokudan dokuya, gelişim evresinden evreye değişiyor. Ve bu değişken ilmekler sıklıkla sinir sistemi gelişimini yöneten genlerin yakınında duruyor.

Aşağıdaki sayılar çalışmanın embriyo örneklerinden, Nature Communications'taki makalede verildiği gibi:

Üç türde yalnız üç ortak ilmek bulunması, bu yapıların evrimsel olarak ne kadar oynak olduğunu gösteriyor. Rogers ve arkadaşları bu birikimli, iç içe geçmiş temas ağına "düzenleyici dolanma" (regulatory entanglement) adını veriyor. Mantık şu: uzaktaki iki bölge bir kez fiziksel olarak yan yana gelirse birbirinin etkinliğine karışmaya başlar; zamanla bu karışma kalıcılaşır ve giderek daha karmaşık bir denetim ağı oluşur. Araştırmacılara göre bu, genomun temel işlerini bozmadan yeni gen etkinlik örüntüleri üretmesinin bir yolu olabilir.

Tek bir anahtarı kesme denemesi

Haritalar ilgi çekici, ama tek başına bir temasın gerçekten iş yaptığını kanıtlamıyor. Ekip bunun için laboratuvarda gen düzenlemesine elverişli bir akraba türe, Euprymna berryi kalamarına geçti. Hedef, Quaking B adlı genin içindeki bir intron bölgesiydi — intron, bir genin proteine çevrilmeyen ara parçası; proteini kodlamaz ama sıklıkla denetim anahtarı barındırır. Üç kılavuz RNA kullanılarak yaklaşık bin baz çiftlik bölge çıkarıldı, kesimler PCR ile doğrulandı.

Yazının başındaki sonuç buradan geliyor: dizisi okunan 25 embriyonun üçte biri ile üçte ikisi arasında beyne özgü biçim bozuklukları, özellikle küçük kalmış görme lobları ve eksik ya da kısa kollar görüldü. Gen etkinliği ölçümleri ise uzaktan etki işaretleri verdi: kesim noktasının 2,9-4,1 milyon baz aşağısındaki ve 14,5 milyon baz yukarısındaki genlerde etkinlik düşüşü saptandı. Yani silinen parçanın etkisi bitişiğindeki genle sınırlı kalmıyor.

Neyin kanıtlanmadığı

Makalenin kendi yazarları birkaç sınır çiziyor ve bunlar yazıdan çıkarılmamalı.

• Kesimin hedef aldığı ilmek içindeki genlerin ifadesi değişken çıktı, ama çoklu karşılaştırma düzeltmesinden sonra istatistiksel olarak anlamlı bir fark kalmadı. Gözle görülen beyin kusuru ile ölçülen gen etkinliği arasındaki bağ henüz tam kapanmış değil.
• Kafadanbacaklı genomları aşırı tekrar dizisi içeriyor; bu, CRISPR hedeflemesini zorlaştırıyor ve deneyin ölçeğini sınırlıyor. 25 embriyo küçük bir sayı.
• Üç türde yalnız üç ortak ilmek bulunması, ilmeklerin işlevini tür karşılaştırmasıyla tahmin etmeyi güçleştiriyor.
• Ahtapot kolundan örneklenen tür sayısı az; yazarlar bunun korunmuş kodlamayan bölgelere dair yorumu etkileyebileceğini belirtiyor.
• İlmek sayısının genom büyüklüğüyle birlikte artması yönündeki ilişkinin anlamlılık değeri P = 0,051 — yani eşiğin tam kıyısında.

Kısaca çalışma, üç boyutlu yapının evrimle birlikte değiştiğini ve en az bir noktada gelişim için gerekli olduğunu gösteriyor. "Ahtapotun zekâsını genom katlanışı yaptı" demek için yeterli değil.

Rakip açıklama: mikroRNA patlaması

Aynı bulmacanın bir başka cevabı 2022'de ortaya atılmıştı. Grygoriy Zolotarov'un ilk yazarı olduğu, Berlin'deki Max Delbrück Merkezi'nden Nikolaus Rajewsky ile Dartmouth College'dan Kevin J. Peterson'ın kıdemli yazar olduğu Science Advances çalışması, ahtapotlarda mikroRNA dağarcığının patlama yaptığını bildirdi. MikroRNA, protein kodlamayan kısa bir RNA parçası; başka genlerin mesajlarına bağlanıp onları kısmaya yarıyor, yani bir tür ses ayarı düğmesi.

Sayılar şöyleydi: 43 mikroRNA ailesi yumuşak gövdeli kafadanbacaklı soyunda ortaya çıkmış, 35 aile ise yalnız ahtapotlara özgü. Octopus vulgaris'te toplam 138 aile sayıldı — tavukta 107, kurbağada 106, zebra balığında 100. Yeni aileler ağırlıklı olarak sinir dokusunda, diğer dokulara kıyasla yaklaşık 13 kat yüksek düzeyde çalışıyordu. Yazarlar verilerinin eksik olduğunu, gerçek sayının bundan yüksek olabileceğini de yazdı.

İki açıklama birbirini dışlamıyor. Mikro ölçekte yeni düzenleyici moleküller, makro ölçekte yeniden karılmış ve katlanmış bir genom — ikisi de "denetim katmanı kalınlaştı" diyor, farklı yerden bakarak. Kromozom karışması konusunun ilgi görmesi de yeni değil: The Scientist'in aktardığına göre 2022'de Nature Communications'ta yayımlanan iki çalışma kafadanbacaklılardaki büyük kromozom yeniden yapılanmasını ortaya koyduğunda, çalışmalarda yer almayan Johns Hopkins Üniversitesi sinirbilimcisi Gül Dölen bunu "beyin evrimini anlamakla ilgilenen bir sinirbilimci olarak bence bu büyük bir ileri adım" diye değerlendirmişti.

Açık kalan soru

Elimizde şimdi üç tür için temas haritaları, bir tane de işleyen anahtar var. Eksik olan ortadaki halka: hangi ilmek hangi sinir hücresi tipini doğuruyor, hangi düzenleyici temas ahtapotun kolundaki o 40 milyon hücreyi inşa ediyor? Bunun için daha fazla tür, daha fazla doku ve tekrar dizileriyle dolu bu genomlarda daha hassas kesim yapabilen araçlar gerekiyor.

Rogers'ın çerçevesi aslında ahtapotun ötesine geçiyor: "Bu yapının nasıl evrimleştiğini anlamak, biyolojik karmaşıklığın yeni biçimlerinin nasıl doğduğunu anlamak için giderek daha önemli hâle geliyor." Eğer genomun katlanma biçimi gerçekten evrimin etken bir parçasıysa — yalnızca sonucu değilse — aynı soru omurgalı beyni için de yeniden sorulacak.

Fotoğraf: Kate Hildenbrand, CC BY 4.0, Wikimedia Commons