Şempanzede susturulan beyin geni: kadim bir virüs izi insanla şempanzeyi nasıl ayırdı

Bulgunun önemi şu çelişkiden geliyor: insan beyni, en yakın yaşayan akrabamız şempanzeninkinin kabaca üç katı büyüklükte, oysa iki tür protein kodlayan dizilerinin yüzde 96'sından fazlasını paylaşıyor. Makalenin girişinde vurgulandığı gibi, bu kadar benzer genlerle bu kadar farklı beyinler, farkın önemli bir kısmının genlerin kendisinde değil, onları açıp kapatan bölgelerde ve genomun protein kodlamayan kısmında aranması gerektiğini düşündürüyor. Yeni çalışma, bu bölgelere dışarıdan yerleşen bir virüsün iki türün beyin gelişimini nasıl ayırmış olabileceğine dair deneyle desteklenmiş somut bir örnek sunuyor.

Genomdaki virüs fosilleri

Retrovirüsler, kendi genetik bilgilerini konak hücrenin DNA'sına yazarak çoğalan virüslerdir; HIV de bu ailedendir. Böyle bir virüs bazen yumurta ya da sperm üreten hücrelere bulaşır. O zaman virüsün kopyası bir enfeksiyon olmaktan çıkar, kalıtsal bir diziye dönüşür ve kuşaktan kuşağa aktarılır. Biyologlar bunlara endojen retrovirüs (ERV) diyor. Makaleye göre insan ve şempanze genomunun en az yüzde 8'i bu tür virüs kalıntılarından oluşuyor. Türler arasındaki ERV farkları, yazarların deyişiyle, geçmişteki retrovirüs salgınlarının genomda bıraktığı bir fosil kaydı.

PTERV1 (Pan troglodytes endojen retrovirüsü 1) bu fosillerin en genç ve en kalabalık ailelerinden biri. Makalede aktarılan önceki çalışmalara göre izleri şempanzede, bonoboda ve gorilde var, insanda yok. Şempanze ile goril arasında ortak yalnızca tek bir kopya bulunması, virüsün bu soylarda birbirinden bağımsız çoğaldığını düşündürüyor. İlk bulaşmaların Afrika büyük maymunlarının atalarında, yaklaşık 5-7 milyon yıl önce gerçekleştiği tahmin ediliyor.

İnsan bu virüsten nasıl kurtuldu?

Kesin cevap yok. Yazarlar iki olasılık sayıyor: ya insan ve şempanze ataları o dönemde aynı ortamda yaşamıyordu, ya da insan atasının üreme hücreleri bu enfeksiyona dirençliydi. İkinci olasılığı destekleyen bir ipucu var. Her primat türü, virüslere karşı TRIM5α adlı bir savunma proteininin kendine özgü bir sürümünü taşıyor ve önceki bir çalışma, bu proteinin insan sürümünün PTERV1'in insan hücrelerine bulaşmasını engellediğini göstermiş.

Yazarlar, salgının şempanze atalarının nüfusunu da daraltmış olabileceğini öne sürüyor. Bugün benzer bir süreç koalalarda izlenebiliyor: KoRV-A adlı retrovirüs hem bireyden bireye yayılıyor hem de üreme hücrelerine yerleşerek kalıtsal genoma katılıyor. Makaleye göre bu durum koala nüfusunda hastalık yükünü, özellikle kanser sıklığını artırmış.

Kapta yan yana büyüyen iki tür

İnsan ve şempanzenin erken beyin gelişimini karşılaştırmanın önündeki en büyük engel, şempanzenin gelişimin ilk evrelerine ait dokusuna ulaşılamaması. Ekip bunun yerine kök hücrelerden organoid büyüttü. Organoid, laboratuvar kabında kendiliğinden örgütlenen bir sinir hücresi kümesi; gerçek bir beyin değil ama gelişimin ilk aşamalarını kısmen taklit ediyor. Araştırmacılar, her iki türden ikişer bireyin hücrelerinden neredeyse aynı koşullarda organoid elde edebilmek için ayrı bir protokol geliştirdi.

On beşinci günde iki türün organoidleri boyut, biçim ve hücre bileşimi bakımından birbirine çok benziyordu; hücrelerin çoğu sinir öncül hücresi ya da yeni doğmuş nörondu. Ekip ardından uzun parçaları tek seferde okuyabilen Oxford Nanopore dizileme yöntemiyle DNA üzerindeki metil işaretlerini taradı. Metilasyon, DNA'ya eklenen küçük kimyasal etiketlerdir; bir bölgede yoğunlaştığında orayı "kapalı" hale getirir. Sonuç netti: PTERV1 kopyalarının neredeyse hepsi tamamen metillenmişti. Hücre, virüs artıklarını bu yolla susturuyordu.

Susturma komşu gene sızınca

Sorun, bu kapatmanın yalnızca virüs dizisiyle sınırlı kalmayabilmesi. Kapalı bölge, tek bir odanın ışığını söndürmek yerine koridora da taşan bir karanlık gibi çevresini etkileyebiliyor. Araştırmacılar, PTERV1 kopyalarının denk geldiği ve iki türde de bulunan 46 geni inceledi; bunlardan 11'inin iki türün organoidlerinde belirgin biçimde farklı çalıştığını buldu. En büyük fark LINC00662'deydi: insan organoidlerinde yüksek düzeyde okunan bu gen, şempanze organoidlerinde tamamen sessizdi.

LINC00662 bir protein tarifi taşımıyor; "uzun kodlamayan RNA" denen moleküllerden birini üretiyor. Şempanzede bu genin ilk intronuna, yani gen okunduktan sonra kesilip atılan ara bölgesine, 6.915 harflik bir PTERV1 kopyası yerleşmiş. İki türün bu bölgesi karşılaştırıldığında başka önemli bir fark çıkmadı. Şempanzede virüs kopyası yoğun biçimde metillenmişti ve metilasyon yanındaki bölgelere de yayılmıştı; insanda ise aynı bölge neredeyse hiç metil işareti taşımıyordu. Yazarlar, virüsün getirdiği bu kapalı bölgenin genin başlangıç noktasını da etkisiz bıraktığını düşünüyor.

Ekip, sonucun yalnızca kendi kullandığı iki şempanzeye özgü olmadığını da denetledi: sekiz farklı şempanze bireyinden elde edilmiş ayrı bir kök hücre veri setinde de gen sessizdi. Kamuya açık başka veriler, genin bonobo ve rhesus makakı hücre modellerinde de yüksek düzeyde okunmadığını gösterdi.

Yerleşmenin yaşı

Bu kopya şempanze ve bonobo genomunda var, insan ve orangutan genomunda yok. Demek ki virüs, insan ile şempanze soyunun ayrılması ile şempanze ile bonobonun ayrılması arasındaki dönemde, yaklaşık 1,5 ile 5 milyon yıl önce yerleşmiş. Bir başka ipucu kopyanın iki ucundaki tekrar dizilerinden geliyor. Bu uçlar virüs yerleştiği anda birebir aynıdır; aradaki fark zamanla biriken mutasyonları gösterir. LINC00662'deki kopyada bu fark yalnızca yüzde 1,2, yani yerleşme evrimsel ölçekte genç. Kopya artık çoğalamıyor: içindeki virüs genleri, okuma çerçevesini kaydıran hatalar ve erken durdurma sinyalleriyle bozulmuş.

Tablodaki veriler Gerdes ve arkadaşlarının makalesinden derlendi.

Virüsü kesip çıkarınca gen geri geldi

İlişkinin tesadüf olmadığını göstermek için ekip CRISPR-Cas9 gen düzenleme aracını kullandı ve şempanze kök hücrelerinden yaklaşık 7 bin harflik virüs kopyasını kesip çıkardı. Kopya gidince LINC00662 şempanze hücrelerinde okunmaya başladı. Sessizliğin doğrudan virüs artığından kaynaklandığına dair çalışmadaki en güçlü kanıt bu deney.

Gen insanda ne işe yarıyor?

İnsan beyninin farklı gelişim evrelerine ait kamuya açık veriler, LINC00662'nin döllenmeden sonraki 10-12. haftalarda en yüksek düzeye çıktığını, yetişkinlikte ise giderek azaldığını gösterdi. Ürettiği RNA hücre çekirdeğinde değil, çekirdeğin dışındaki sitoplazmada duruyor. Araştırmacılar bu RNA'ya bağlanan proteinleri ayıkladığında, hücre iskeletinin parçası olan ve sinir uzantılarının büyümesinde rol oynadığı bilinen proteinler öne çıktı.

Asıl deney, geni insan organoidlerinde kapatmaktı. DNA'yı kesmeden bir geni susturan CRISPRi yöntemiyle LINC00662 neredeyse tamamen kapatıldı. Organoidler normal büyüdü ve 15. günde kontrol grubundan farksızdı. Ama 30. günde, yeni nöronların ilk uzantılarını oluşturduğu ara katmanda, bu yapıları işaretleyen TUJ1 boyası belirgin biçimde zayıftı. Hücre tiplerinin oranı ise değişmedi. Yani gen, bir hücrenin nörona dönüşüp dönüşmeyeceğini değil, olgunlaşan nöronun uzantılarını ne kadar iyi büyüttüğünü etkiliyor gibi görünüyor.

Yaklaşık 120 bin hücre çekirdeğinin tek tek incelendiği analizde, şaşırtıcı biçimde, gen kapatılan organoidlerde akson ve dendrit oluşumuyla ilgili genlerin daha çok çalıştığı görüldü. Ekip bunu, aksayan uzantı büyümesine karşı hücrenin bir telafi çabası olarak yorumluyor; ama mekanizmayı tam olarak anlamadıklarını da açıkça yazıyor.

Çalışmanın dışından bakanlar

Çalışmada yer almayan Boston College biyoloğu Welkin Johnson, The Transmitter'a verdiği demeçte "İnsanlar ve şempanzelerle ilgili, bu kadar ikna edici başka bir örnek bildiğimden emin değilim" dedi. Yine çalışmanın dışında olan Utah Üniversitesi nörobiyoloğu Jason Shepherd ise aynı yayına, bu bulguda dışarıdan gelen çevresel etkenlerin sonunda canlıların evrimini etkileyebildiğinin görüldüğünü söyledi.

Sınırlar

• Organoidler gerçek beyin değil; yalnızca gelişimin ilk haftalarını kısmen taklit ediyor. Deneyler 15 ve 30 günlük organoidlerle yapıldı, sonraki evrelerde ne olduğu bilinmiyor. Yazarlar da insana özgü bir kodlamayan RNA'nın rolünü kapta büyütülen modellerle tam olarak tanımlamanın zor olduğunu kabul ediyor.
• Metilasyonun virüs kopyasından genin başlangıç bölgesine tam olarak nasıl taşındığı henüz çözülmüş değil. PTERV1'i tanıyıp susturan özgül protein de bulunamadı.
• Makale, bu tek genin insan beyninin büyüklüğünü ya da bilişsel yeteneklerini açıkladığını öne sürmüyor. Gösterdiği şey, iki türün beyin gelişimini ayıran farklardan birinin bir virüs kalıntısıyla nasıl ortaya çıkmış olabileceği.

Geriye kalan 157 kopya

Yazarlar PTERV1'in etkisinin LINC00662 ile sınırlı olmayabileceğini vurguluyor. Organoidlerde farklı çalışan genler arasında, sinir hücreleri arasındaki sinyal iletiminde görev alan bir GABA reseptörü alt birimini kodlayan GABRB1 gibi protein kodlayan genler de var. Şempanze genomundaki diğer kopyaların her biri, çevresinde benzer küçük kapalı bölgeler oluşturuyor olabilir.

Bir soru da açık kalıyor. Genin makak hücre modellerinde de yüksek düzeyde okunmaması, bu virüs kopyasının hiç bulunmadığı akraba türlerde de genin başka nedenlerle sessiz olabileceğini akla getiriyor. Bu durumda insandaki yüksek etkinliğin hikâyesi, şempanzedeki susturmayla birlikte insan soyunda sonradan ortaya çıkmış bir değişikliği de içeriyor olabilir. Ekibin bundan sonraki adımları, PTERV1'in diğer kopyalarının hangi genlere dokunduğunu ve bu virüs mirasının beyin gelişiminin sonraki evrelerinde ne yaptığını ortaya koyacak.

Fotoğraf: Hans Hillewaert, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons