Evrimsel süreçler genomu nasıl etkiler? Popülasyon genomiği alanı, evrim ve genomla ilgili çıkarım yapmak için genomun popülasyon içi ve popülasyonlar arası yapısını inceler.
Genomik Bölgeler Arasındaki Popülasyon Iraksamasında Çeşitlilik
Popülasyonların birbirinden bağımsız olarak evrimleşmesi genetik ıraksamaya neden olur. Genomun çeşitli bölgelerinin birbirlerinden oldukça farklı düzeylerde genetik ıraksama göstermesi beklenir (Nosil ve ark. tarafından incelenmiştir, 2009). Bazı bölgelerde popülasyonlar arasında neredeyse hiç farklılaşma görülmezken, bazı bölgelerde genetik ıraksama son derece belirgindir (Şekil 1). Genomun bölgeleri boyunca gözlemlenen bu popülasyonlar arası ıraksama çeşitliliğine heterojen genomik ıraksama denir (Nosil ve ark. 2009). Popülasyonların farklılaşması ve tür oluşumu sırasında genomik ıraksamanın son derece heterojen olması beklenir, çünkü bu sırada bazı bölgelerde ıraksak doğal seçilim ile bağlantılı genetik farklılıklar birikirken, diğer bölgelerde gen akışının homojenize edici etkileri ve genetik sürüklenme tarafından rastgele farklılıkların ortaya çıkarılması için yeterli zaman olmaması ıraksamanın önüne geçer. Ekolojik sebeplerden veya genetik çatışmadan kaynaklanan seçilim, genetik sürüklenmenin stokastik etkileri, farklılık gösteren mutasyon sıklıkları, seçilim altındaki özelliklerin genetik temeli ve kromozomlardaki genler arasındaki genetik bağlantı dahil birçok unsur, heterojen genomik ıraksamaya katkıda bulunur. Popülasyonlardaki genomik farklılaşma şekilleri, bu çeşitli tarihi evrimsel ve genetik süreçler sonucunda oluşur ve birleşir. Böylece, biyologlara evrimsel ıraksamayı şekillendiren kuvvetleri yeniden oluşturma imkanı sunar.
Şekil 1: Sürekli FST değerlerinin dağılımına işlenmiş üç temsili lokus
(A) Seçilen veya seçilenlerle güçlü bağlantıları olan lokuslar, özellikle yüksek FST’ye sahip oldukları için olası olmayan, istatistiki uçdeğerler olarak tanımlanıyorlar. (B) Seçilen lokuslara zayıf bağlantıları olan lokuslar biraz yüksek FST değerlerine sahip ama uçdeğer lokus olmaya yetecek kadar değil. (C) Bağımsız nötr lokusların FST’si düşük.
2010 Nature Education- Egan ve ark. (2008)’dan alınmış ve uyarlanmış, Wiley-Blackwell’in izniyle yeniden basılmıştır. Tüm hakları saklıdır.
Bu yazıda, ıraksak doğal seçilimin popülasyon farklılaşmasına olan katkılarına odaklanacağız. Böyle ıraksak bir seçilim, seçilime uğrayan lokuslar ve bunlara fiziksel olarak bağlı olan lokuslar için popülasyonlar arası alel frekanslarını birbirinden ayıracak ve bu da seçilimden etkilenen bölgelerde kuvvetli farklılaşmaya sebep olacaktır. Genomun kalanı fazla değişmese bile bu durum ortaya çıkabilir. Dolayısıyla, ıraksak seçilime uğrayan ve bunlara fiziksel olarak sıkıca bağlı olan lokuslar, zayıf bir şekilde bağlı olan ve bağlı olmayan nötr bölgelere göre daha çok farklılık göstermelidir. Eğer sadece tek bir lokus alt kümesi ıraksak seçilime uğruyorsa, seçilen lokusların genomun kalanına göre istisnai olduğu ve genetik ıraksaması nötr beklentinin üstünde olan uçdeğer lokuslar oldukları söylenebilir (Şekil 2).
Şekil 2: Bir çift Neochlamisus bebbianae yaprak böceği popülasyonunun heterojen genomik ıraksaması
Simülasyonlar, popülasyon çiftinde genetik sürüklenme sebebiyle oluşan nötr ıraksamadan beklenen üst seviye genetik ıraksamayı belirliyor ve bu nötrlük eşiğini aşan lokuslar, (sürekli çizgi , bu durumda %95’lik dağılım dilimi) muhtemelen ıraksak seçilim sonucu evrimleşmiş uçdeğer lokuslar olarak tanımlanıyorlar.
2010 Nature Education- Egan ve ark. (2008)’dan alınmış ve uyarlanmış, Wiley-Blackwell’in izniyle yeniden basılmıştır. Tüm hakları saklıdır.
Popülasyon genomiği alanı, genellikle genom taraması yaparak popülasyonlar arasındaki genetik ıraksamayı, genom boyunca çok sayıda lokus üzerinde inceler. Genetik ıraksama derecesi genelde FST gibi sabitleşme indisleriyle ölçülür ve büyük indis değerleri popülasyonlar arasındaki farklılaşma seviyesinin yüksek olduğunu gösterir.
Popülasyon Genomiğinin Kısa bir Tarihi
Popülasyon genomik analizleri, birden fazla popülasyondan, çok lokuslu veri setleri alınmasını gerektirir ve genetik bölgeler arasında popülasyon ıraksaması şekillerini karşılaştırarak nötr olmayan veya uçdeğer lokusları belirler. Bu yaklaşım ilk olarak Lewontin & Krakauer (1973) tarafından öne sürülmüştür ve günümüzde bu orijinal metodun çok sayıda varyasyonu bulunmaktadır (Beaumont 2005, Foll & Gaggiotti 2008, Gompert ve ark. [inceleme]). Bu metodlardan, özellikle model olmayan organizmalar için belki de en sık kullanılanı, Beaumont & Nichols (1996) tarafından geliştirilen FST uçdeğer analizidir. Bu test, her bir lokus için FST’yi, o FST’nin nötr modele göre beklenen sıfır dağılımıyla karşılaştırır. Bu yaklaşımda, popülasyonlar arasında çok yüksek seviyelerde farklılık gösteren lokuslar (yüksek FST) pozitif ya da ıraksak seçilim için aday kabul edilirken, alışılmadık düzeyde düşük FST’si olanlar dengeleyici seçilime aday olarak görülür. Öte yandan, birçok FST uçdeğer analizi, varsayılan demografik tarihinden uzaklaşıldığı için taraflı olabilir (Excoffier ve ark. 2009). Popülasyonların genetik farklılaşması için bir sıfır dağılımı oluşturmakta kullanılabilecek başka bir yöntem ise her bir lokusun FST’lerinin temelde yatan, nötr ıraksama gösteren bir genomu karakterize eden ortak bir dağılımdan alınan örnekleri temsil ettiğini ve doğrudan çok lokuslu veriye bakılarak tahmin edilebileceğini varsaymaktır (Foll & Gaggiotti 2008; Şekil 3). Bu alternatif yaklaşım farklı demografik tarihlere daha dayanıklıdır. Bilgisayar temelli metodlar ve sonraki nesil sekansı dahil moleküler biyolojideki son gelişmeler, genomik ıraksama şekillerinin önceden ulaşılamayan ölçeklerde araştırılmasını mümkün kılıyor. Şimdi, üç popülasyon genomiği analizi üzerine yapılan vaka çalışmasını biraz daha detaylı açıklayacağız.
Şekil 3: Popülasyonların farklılaşmasının istatistiği, her bir lokusun farklılaşmasının yorumlanabilmesi için olasılıksal bir çerçeve sunan Bayes metoduyla tahmini olarak hesaplanabilir.
Kuzey Amerika’daki Lycaeides kelebeği popülasyonları arasındaki farklılaşma tahminen hesaplanmış (Gompert ve ark. 2010) ve ΦST’nin genom seviyesinde tahminiyle (a) ve standart sapmasıyla (b) özetlenmiştir. Bu analiz, genom boyunca görülen, bir kısmı muhtemelen ıraksak doğal seçilim tarafından şekillendirilmiş olan yüksek varyasyonu resimlemektedir.
2010 Nature Education. Tüm hakları saklıdır.
Vaka Çalışmaları
İnsanların Son Zamanlarda Yaşadığı Hızlı Evrimsel Adaptasyonun Popülasyon Genomiğine Dayalı Kanıtı
İnsanlar yeni coğrafi bölgelere yayıldıkça ve alışılmadık ortamlara yerleştikçe, atalarımız ıraksak popülasyonların genomlarına kaydedilmiş olan birçok doğal seçilim şekline maruz kaldı. Örneğin; insanlar alçak bölgelerden ayrılıp Orta Asya’nın platoları ve Güney Amerika’nın And Dağları dahil dünyanın en yüksek bazı plato ve sıradağlarına yerleşti. Bu popülasyonlara ait bireyler, alçak bölgelerde yaşayanlar için zorlayıcı olan düşük oksijen seviyelerine sahip yüksek rakımlarda (3250-4500 m) yaşayabilmelerine olanak tanıyan kalıtsal özelliklere sahip. İlginç bir şekilde, Tibet Platosu’nda yaşayan insanlar And Dağları’nda yaşayanlardan farklı birkaç fizyolojik özelliğe sahip. Bu durum, birbirinden bağımsız evrimsel yolların yüksek rakımlara karşı farklı adaptasyonlara yol açtığını gösteriyor. Yapılan üç çalışma, diğer insan popülasyonlarına nazaran Tibetlileri etkileyen, muhtemelen ıraksak doğal seçilimin hedeflediği popülasyonlar arası sıradışı alel frekansı kaymalarına uğramış genleri tespit etmek için genom taramalarını kullanmıştır (Storz 2010’da incelenmiştir). Tibetlilere ait birçok gen, pozitif seçilim geçmişiyle ilişkili olarak tanımlanmıştır. EPAS1 geni, her çalışmada en sıra dışı genlerden biri olarak değerlendirilmiş ve hemoglobin konsantrasyonunda adaptasyon amaçlı olduğu düşünülen varyasyon ile ilişkisi olduğu gösterilmiştir.
İnsan popülasyonları arasında görülen ikinci bir adaptif ıraksama örneği ise, yetişkinlerde laktaz üretiminin devam etmesiyle ilgilidir. Bağırsaklardaki laktaz üretimi süt şekeri olan laktozun sindirimini sağlar. Laktaz üretimi; Kuzey ve Batı Avrupa kökenli insanlarla dünyanın çeşitli yerlerindeki göçebe popülasyonlarda sık görülür. Laktaz üretiminin yetişkinlikte devam etmesine Güney Avrupa ve Orta Doğu’da çok daha az rastlanır ve bu duruma Asya ile Afrika’daki göçebe olmayan popülasyonlarda nadir olarak rastlanır. Genetik çalışmalar, yetişkinlerde laktaz üretiminin devam etmesini, bu özelliğin yüksek frekansta görüldüğü farklı popülasyonlarda farklı genlerle ilişkilendirmiştir. Bu, özelliğin birden fazla yerde birbirinden bağımsız olarak ortaya çıktığını göstermektedir (Tishkoff ve ark. 2007). Dikkat çekici bir şekilde, temelde yatan genlerin her birinin etrafındaki genomik çeşitlilik, türetilmiş adaptif alellerin frekansını son birkaç bin yıldır artıran güçlü doğal seçilimle tutarlılık göstermektedir (Tishkoff ve ark. 2007).
Anofel Sivrisineklerinde Genomik Adacıklar
Evrimsel biyologlar, genomdaki ıraksama bölgelerini anlamalarına yardımcı olması için “genomik ıraksama adaları” kavramını geliştirmiştir (Turner ve ark. 2005, Şekil 4). Genomik bir ada, genom üzerinde tek bir nükleotid kadar küçük ya da bütün bir kromozom kadar büyük olabilecek, nötr koşullar altında görülmesi beklenene göre çok daha fazla farklılaşma gösteren ve böylece genellikle etrafındaki diğer genom bölgelerinden daha ıraksak olan, herhangi bir gen bölgesidir. Bu benzetme, bir kromozom üzerinde gözlemlenen genomik farklılaşmayla, okyanusal adaların topografisi ve onların bağlı olduğu bitişik deniz tabanı arasında bir paralellik çizmektedir. Bu benzetmede deniz seviyesi, gözlemlenen farklılaşmanın sadece nötr evrimin olduğu durumda öngörülen miktarın önemli derecede üzerine çıktığı eşik değerini temsil etmektedir. Bu yüzden bir ada, hem direkt seçilen hem de seçilene sıkıca bağlı olan, potansiyel olarak nötr lokuslardan oluşmaktadır.
Şekil 4: Başlangıç aşamasında olan Anopheles gambiae türü üzerinde genomik ıraksama adalarının deneysel bir örneği
Aşağıdaki iki grafik, kromozom iki üzerindeki farklılaşma şemasını gösteriyor (Turner ve ark. 2005). Gri alanlar; kayan pencere analizlerinde yüksek derecede farklılaşmış olarak tanımlandı ve farklılaşma, bu bölgelerdeki lokuslar (kırmızı daireler) dizilenerek doğrulandı. Sol kolda, sentromerin yakınında, beklenenin çok üstünde farklılaşmış büyük bir ada kendini belli ediyor. Sol kolda küçük bir ada da belirgin olarak görülmekte. Üstteki grafik, küçük adadaki belirtilen tüm genlerin dizisinin bir kısmının çıkarıldığı, daha sonra yapılan bir çalışmayı gösteriyor (Turner & Hahn 2007).
2010 Nature Education Orijinal araştırmadan uyarlanmış ve Public Library of Science ve Society of Molecular Biology and Evolution’ın izniyle yeniden basılmıştır. Tüm hakları saklıdır.
Şekil 4, Anopheles gambiae sivrisineklerinin farklı çeşitleri üzerine yapılan popülasyon genomiği çalışmalarından elde edilen deneysel, genomik ada örneklerini göstermektedir. Bu böcekler sıtma vektörleridir ve Turner ve ark. (2005) farklı sivrisinek çeşitlerinin genomları boyunca ıraksamayı araştırmıştır. Çeşitler arasında sadece birkaç tane farklılaşmış bölge, yani izole genomik ada buldular. Ardından yapılan bir çalışmada Turner ve Hahn (2007), adalardan birinde belirlenen tüm genlerin dizisinin bir kısmını çıkardılar. Beklendiği gibi, “ada” içinde dizi farkı tavan yaptı ama ince ölçekli verilerin adanın daha detaylı karakterizasyonunu mümkün kılmasıyla, örnek olarak, maksimum farklılığın görüldüğü noktadan uzaklaştıkça farklılaşmanın hızla azaldığını görüldü.
Popülasyon Genomiğinin Diğer Uygulamaları
Popülasyon genomiği, farklılaşmanın belirlenmesi için yapılan genom taramalarına ek olarak, birçok farklı popülasyon genomik varyasyon analizi içermektedir. Bunlara çeşitli organizmalarda fenotip varyasyonunu, örneğin; vücut boyutu, gaga uzunluğu, tüy rengi, çiftleşme davranışı, genetik varyasyona daha doğrudan bağlayan veya genetik olarak haritalayan araştırmalar da dahildir. Benzer şekilde, araştırmacılar seçilime uğramış olması muhtemel genomik bölgeleri saptamak için doğal seçilimin diğer izlerini, örneğin, genişletilmiş haplotip blokları kullanmaktadır. Artık teknoloji, genomik veri elde etme hızını aşırı derecede artırdığı için gittikçe genişleyen bir çerçevede, biyolojik sorular için çok küçük genomik çeşitlilik parçalarına odaklanılmaktansa, bu sorulara genom ölçeğinde cevap aranabilmektedir.
Uyarılar
Farklılaşma için yapılan genomik taramalar, ıraksak seçilimin en çok farklılaştığı bölgelere bakarak tespit yaptığı için seçilimin genom üzerinde ne kadar yaygın olduğunu hafife almaya mahkumdur. Diğer bir deyişle; genom taramaları, ıraksak seçilimin zayıf olduğu bölgeleri belirlemekte sık sık başarısız olacaktır. Yakın zamanda Rhagoletis sineklerinin iki konukçu şekli arasındaki ıraksak seçilim üzerine yapılan bir analiz, bu duruma örnek teşkil ediyor (Michel ve ark. 2010). Bu çalışma, standart uçdeğer analizlerinin sadece birkaç olağanüstü düzeyde farklılaşmış genomik bölgede delil saptayabildiğini gösterdi. Buna karşılık, sineklerin genomunun direkt olarak ıraksak seçilime maruz bırakıldığı bir deney ise, seçilimin genomun çoğunu etkilediğini ama bu etkinin genellikle çok az olduğunu göz önüne serdi.
Seçilim sıklığının azımsanma sebeplerinden biri de; çoğu analitik yöntemin, çoklu lokuslarda alel frekans spektrumunda olan küçük değişimleri kapsayan hassas hareketleri saptama olasılığının düşük olması ve bu yöntemlerin adaptasyonun genetik mimarisine dayalı olması olabilir.
Sonuç ve Gelecekteki Yönelimler
Popülasyon genomiği, genomları etkileyen evrimsel süreçlerin nasıl işlediğinin anlaşılabilmesi yolunda çok şey vadediyor. Yine de, her derde deva bir ilaç değil ve analizlerin artan bir dikkatle yapılması gerekiyor. Örneğin, sonraki nesil dizileme teknolojilerinin stokastik doğası, bireyler ve genetik bölgeler arasında dengesiz bir kapsama alanı oluşturuyor, böylece birçok birey ve lokus için verilerin gözden kaçmasına sebep oluyor. Bu da bireylerin genotipinde geleneksel Sanger dizilemesine göre daha büyük belirsizliğe sebep oluyor. Bu belirsizliğe uygun olarak modelleme yapmak ve onu hesaba katmak önemli ve tercihen, çok miktarda dizi verisinin elden çıkarılmasından daha iyi (Gompert ve ark. 2010). Moleküler ve işlemsel biyolojideki yeni ilerlemeler ve işlem gücünün kendisinin artırılması, popülasyon genomiği için daha güçlü ve isabetli uygulamaların önünü açacaktır.
Kaynak: Bu yazı Nature adresinden birebir çevrilmiştir.