Deniz yıldızlarının (Patiria miniata) olağandışı beş eksenli simetrisi, hayvanların evrimi konusundaki anlayışımızı uzun süredir şaşırtıyor. C: Chan Zuckerberg Biohub

Bir solucana ya da balığa bakıldığında hangisinin baş, hangisinin kuyruk olduğu kolaylıkla anlaşılabiliyor. Ancak beş özdeş koluyla (bunlardan herhangi biri denizyıldızlarını deniz yatağı boyunca ilerletmede öncü olabiliyor), organizmanın ön ucunun nasıl belirleneceği herkes için merak konusuydu.

Bu olağandışı vücut planı, pek çok kişinin denizyıldızlarının belki de bir kafasının olmadığı sonucuna varmasına neden oldu.

Ancak şimdi, her biri Chan Zuckerberg Biohub San Francisco Araştırmacıları tarafından yönetilen Stanford Üniversitesi ve UC Berkeley’deki laboratuvarlar, gerçeğin tam tersine daha yakın olduğunu ortaya koyan bir çalışma yayımladı.

Kısacası ekip, genç denizyıldızlarının hemen hemen her yerinde kafa gelişimiyle ilişkili gen imzaları tespit ederken, bir hayvanın gövde ve kuyruk bölümlerini kodlayan genlerin ifadesi büyük ölçüde eksikti.

Araştırmacılar, denizyıldızlarının gelişimi ve büyümesi sırasında farklı genlerin nerede ifade edildiğini anlamak için çeşitli yüksek teknolojili moleküler ve genomik teknikler kullandılar. Bir ekip, hayvanın şeklini ve yapısını benzeri görülmemiş ayrıntılarla anlamak için mikro Bilgisayarlı Tomografi taramasını kullandı.

Bir başka şaşırtıcı bulguda, tipik olarak başın en ön kısmıyla ilişkilendirilen moleküler imzalar, denizyıldızının her bir kolunun ortasında lokalizeydi ve bu imzalar, kolların kenarlarına doğru ilerledikçe giderek daha “arka” hale geliyor.

Nature dergisinde yayımlanan araştırma, denizyıldızlarının başsız olmak şöyle dursun, evrimsel süreç içerisinde vücutlarını kaybedip yalnızca baş haline geldiklerini öne sürüyor.

Doktora sonrası araştırmacı ve yeni çalışmanın baş yazarı Laurent Formery, “Sanki denizyıldızının gövdesi tamamen yokmuş gibi ve en iyi şekilde deniz tabanı boyunca sürünen bir kafa olarak tanımlanıyor. Bilim insanlarının bu hayvanlar hakkında varsaydığı şey kesinlikle bu değildi.” diyor.

Araştırmanın üç ortak yazarından ikisi, deniz ve gelişim biyoloğu Christopher Lowe ve hayvan türlerinin moleküler evrimi konusunda uzman olan Daniel Rokhsar, on yıldır işbirliği yapıyor.

 

Deniz yıldızının iskeletini (gri), sindirim sistemini (sarı), sinir sistemini (mavi), kaslarını (kırmızı) ve su damar sistemini (mor) gösteren mikro-BT taraması. C: Southampton Üniversitesi

Yıldız şeklinde bir bulmaca

İnsanlar da dahil olmak üzere hemen hemen tüm hayvanlar iki taraflı simetriktir, yani başından kuyruğuna kadar uzanan tek bir eksen boyunca aynalı iki yarıya bölünebilirler.

1995 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü, Çoğu hayvanda görülen iki taraflı, baştan kuyruğa vücut planının, tanımlanmış baş ve gövde bölgelerinde ifade edilen, genler tarafından kodlanan bir dizi moleküler anahtarın eyleminden kaynaklandığını göstermek için meyve sineklerini kullanan üç bilim insanına verildi.

Araştırmacılar o zamandan bu yana aynı genetik programlamanın, insanlar ve balıklar gibi omurgalılar ile böcekler ve solucanlar gibi pek çok omurgasız hayvan da dahil olmak üzere hayvan türlerinin büyük çoğunluğu tarafından paylaşıldığını doğruladılar.

Ancak denizyıldızlarının vücut planı, bilim insanlarının hayvanların evrimi konusundaki anlayışlarını uzun süredir şaşırtıyor. Yetişkin denizyıldızları ve deniz kestaneleri ve deniz hıyarları gibi derisi dikenli canlılar, iki taraflı simetri sergilemek yerine, net bir baş veya kuyruk olmaksızın beş katlı bir simetri eksenine sahip. Ve hiç kimse genetik programlamanın bu olağandışı beş katlı simetriyi nasıl yönlendirdiğini belirleyemedi.

Bazı bilim insanları, denizyıldızlarında baştan kuyruğa eksenin, hayvanın zırhlı sırtından tüp ayaklar olarak adlandırılan ayaklarla kaplı karnının altına kadar uzanabileceğini öne sürdü. Diğerleri denizyıldızının beş kolunun her birinin geleneksel baştan kuyruğa eksenin bir kopyasına karşılık geldiğini öne sürdü.

Bununla birlikte, bu tür hipotezleri kesin olarak doğrulama çabaları zorluklarla karşı karşıya kaldı; bunun nedeni büyük ölçüde, öncelikle fareler ve sinekler gibi az sayıda model organizmada geliştirilen gen ifadesini tespit etme yöntemlerinin genç denizyıldızlarının dokusunda iyi çalışmamasıydı.

Yıllardır Lowe ve meslektaşları, gelişmekte olan denizyıldızlarındaki genetik aktiviteyi haritalandırarak bu soruna yanıt verecek genetik bilgiyi getirmek için çabalamışlardı. Ancak tipik model organizmalar için onlarca yıl süren araştırmalar sonucunda geliştirilen karmaşık genetik araç kitleri olmadan, bu kadar kapsamlı bir analiz göz korkutucuydu.

 

Araştırmacılar, genetik materyali floresan etiketlerle boyayarak, anahtar genlerin deniz yıldızı gövdesinde nasıl davrandığını inceleyebilirler. C: Laurent Formery

Oyunun kurallarını değiştiren teknoloji

Lowe, Biohub Araştırmacıları’nın düzenli San Francisco toplantılarından birinde bu soruna bir çözüm buldu; burada başka bir araştırmacı, genom dizileme cihazları üreten Silikon Vadisi merkezli bir şirket olan PacBio ile iletişime geçmesini önerdi.

Geçtiğimiz beş yıl boyunca PacBio, her biri aynı anda yakalanan DNA’nın uzun bölümlerini okumak üzere hazırlanmış, milyonlarca ayrı kimyasal reaktörle dolu posta pulu boyutunda çipler kullanarak çok büyük miktardaki genetik materyali dizilemek için bir tekniği mükemmelleştiriyordu.

Doğruluğu sağlamak için genetik materyalin küçük parçalara bölünmesini gerektiren geleneksel dizilemenin aksine, PacBio’nun HiFi dizileme adı verilen yaklaşımı, sağlam, gen boyutundaki DNA dizilerinden son derece doğru verileri çekerek süreci çok daha hızlı ve daha ucuz hale getirebiliyor. Lowe ve ekibinin denizyıldızı genetiğini sıfırdan incelemek için bir süreç oluşturmak için ihtiyaç duyduğu şey tam olarak buydu.

Yeni çalışmanın kıdemli yazarlarından biri ve eski bir PacBio Bilim Üyesi olan David Rank, “Aylar sürecek bir dizileme işlemi artık birkaç saat içinde yapılabiliyor ve bu, beş yıl öncesine göre yüzlerce kat daha ucuz. Bu ilerlemeler, laboratuvarda genellikle incelenmeyen bir organizmada esas olarak sıfırdan başlayabileceğimiz ve 10 yıl önce imkansız olabilecek türden ayrıntılı bir çalışmayı bir araya getirebileceğimiz anlamına geliyordu.” diyor.

Bu teknoloji, araştırmacıların denizyıldızlarının genomlarını sıralamasına ve uzaysal transkriptomik adı verilen bir yaklaşımı kullanmasına olanak tanıdı; bu sayede organizmadaki kesin konumlarda hangi denizyıldızı genlerinin aktif olduğunu belirleyebildiler. Baştan kuyruğa ekseni gösterecek kalıpları araştırmak için araştırmacılar, vücutta üç farklı yöndeki gen ekspresyonu farklılıklarını incelediler: denizyıldızının merkezinden kol uçlarına, üst kısmından karnının altına ve kollarının bir yan kenarından diğer kenarına kadar.

Daha sonra, belirli anahtar genlerin nasıl davrandığına daha yakından bakmak için onları tek tek floresan boyalarla etiketleyerek denizyıldızı gövdesindeki dağılımlarının ayrıntılı bir haritasını oluşturdular.

Araştırmacılar, denizyıldızının vücut planı yapısıyla ilgili öne çıkan hipotezlerin hiçbirinin doğru olmadığını buldu. Bunun yerine, insanlarda ve diğer iki taraflı simetrik hayvanlarda ön beyine karşılık gelen gen ifadesinin, denizyıldızlarının kollarının orta çizgisi boyunca yer aldığını, genetik ifadenin ise kolların dış kenarlarına doğru insan orta beynininkine karşılık geldiğini gördüler.

İnsanlarda ve diğer çift taraflı canlılarda kafanın farklı alt bölgelerini işaretleyen genler denizyıldızında ifade edilirken, hayvanlarda tipik olarak gövdeyle ilişkili genlerden yalnızca biri, denizyıldızlarının kollarının en uçlarında ifade edildi.

Formery, “Bu sonuçlar, derisi dikenlilerin ve özellikle denizyıldızlarının, bugün bildiğimiz baş ve gövde bölgeleri arasındaki ayrışmanın en dramatik örneğine sahip olduğunu gösteriyor.” diyor. “Fosil kayıtlarında korunan bazı tuhaf görünümlü denizyıldızı atalarının bir hortumu varmış gibi görünüyor. Bu, artık keşfetmeye başlayabileceğimiz tonlarca yeni soruyu ortaya çıkarıyor.”

Yeni keşiflere açılan kapı

Ekibin bundan sonra ele almayı umduğu sorular arasında denizyıldızlarında görülen genetik desenlerin deniz kestaneleri ve deniz hıyarlarında da ortaya çıkıp çıkmadığı yer alıyor. Formery ayrıca denizyıldızının, derisi dikenlilerde kimsenin tam olarak anlayamadığı sinir sisteminin evrimi hakkında bize neler öğretebileceğini araştırmak istiyor.

Araştırmacılar, denizyıldızı ve akrabaları hakkında daha fazla bilgi edinmenin yalnızca hayvan evriminin temel gizemlerini çözmeye yardımcı olmakla kalmayıp aynı zamanda tıptaki yeniliklere de ilham verebileceğini söylüyor.

Denizyıldızları, binlerce tüp ayağıyla birlikte suyu hareket ettirerek yürürler ve midelerini vücutlarının dışına çıkararak avlarını sindirirler. Bu olağandışı yaratıkların aynı zamanda sağlıklı kalmak için tamamen beklenmedik stratejiler geliştirmiş olmaları mantıklı. Eğer onları anlamaya zaman ayırırsak, insan hastalıklarıyla mücadele yaklaşımlarımızı genişletebiliriz.

Rokhsar, “Daha az incelenen organizmalar üzerinde çalışmak kesinlikle daha zor. Ancak alışılmadık şekillerde yaşayan alışılmadık hayvanları keşfetme fırsatını yakalarsak, bu, biyolojiye bakış açımızı genişlettiğimiz anlamına gelir ve bu, sonunda hem ekolojik hem de biyomedikal sorunları çözmemize yardımcı olur.” diyor.

Chan Zuckerberg Biohub. 1 Kasım 2023.

Makale: Formery, L., Peluso, P., Kohnle, I. et al. (2023). 

 

Bu yazı hakkında yorum bulunamamıştır. İlk yorumu siz ekleyebilirsiniz >