Memelilerin parmakları, karşı koyduğumuz başparmaklarımızdan yarasa kanatlarını destekleyen ince uzuvlara, atların toynaklarını oluşturan sağlam kemiklere kadar inanılmaz bir kullanım çeşitliliği için evrimleşmiştir. Ancak parmakların ilk nasıl ortaya çıktığı tam olarak anlaşılamamıştı. Omurgalıların evrimleştiği balıkların belirgin parmak eşdeğerleri bulunmaz; çoğu balık türü sadece yüzgeçlerini destekleyen çok sayıda ışına sahiptir.
Bu belirsizliğe rağmen, hem parmak oluşumu hem de balık yüzgeçlerindeki ışınların gelişimi için gerekli görünen bazı genler tespit edilmişti. Bu durum, ikisi arasında paralellikler olduğunu düşündürüyordu. Ancak yeni bir çalışma, bu paralelliklerin aslında bir tesadüf olduğunu ve parmakların, balıkların tüm atıklarını dışarı atan tek bir organ olan kloakın oluşumunu kontrol eden tamamen farklı bir genetik ağı yeniden kullanarak ortaya çıktığını öne sürüyor.
Hox Genleri ve Parmaklar
Uzuv gelişiminin ana düzenleyicilerinden biri, DNA'ya bağlanarak yakındaki genlerin aktivitesini düzenleyen homeobox proteinleri adı verilen bir gen grubudur. Hayvanlarda, bu homeobox veya hox genlerinin çoğu kümeler halinde bulunur. Memelilerde, her biri yaklaşık 10 bireysel homeobox proteini kodlayan dört hox gen kümesi bulunur. Bu kümeler, hox genlerinin nerede aktif olduğunu organize etmeye yardımcı olur; kümenin bir ucundaki genler embriyonun ön kısmında, diğer uçtakiler ise kuyruk kısmında aktiftir.
Uzuv gelişiminde de benzer bir durum söz konusudur. Kümenin bir ucundaki genler, omuz kemiklerine yakın kemiklerin oluşumu sırasında aktifken, diğer genler uzuvların ucuna daha yakın kısımlar oluşurken aktif hale gelir. Sonuç olarak, parmakların belirlenmesi için kümenin en uçundaki hox genlerinin gerekliliği ortaya çıkar. Farelerde, Hoxa13 ve Hoxd13 genlerinin yokluğu, parmak oluşumunun tamamen başarısız olmasına neden olur.
Balıklarda da aynı durumun geçerli olduğuna dair bazı göstergeler vardı. Eşdeğer hox genlerinin yokluğunun, yüzgeçlerin uçlarındaki ışınların oluşumunu da engellediği görülmüştü. Bu, parmakların, yüzgeçleri üretmek için zaten var olan bir genetik sistemin geliştirilmesiyle oluştuğunu düşündürüyordu.
Ancak, ABD-Fransız ortak bir ekip, uzuvlardaki bir grup hox geninin düzenlenmesini incelemeye başladığında, işler biraz daha karmaşıklaştı. Hox gen kümeleri, küme içindeki genlerin aktivitesini ayarlamaya yardımcı olan iki düzenleyici DNA parçasına sahiptir: biri genlerin yukarısında, diğeri aşağısında. (Moleküler biyologlar için bu, gen kümesinin 5' ve 3' taraflarıdır.) Ve omurgalılarda, kümelerden birinin anahtar düzenleyici DNA'sının yukarısında olduğunu biliyoruz, çünkü bu bölgenin silinmesi, kümedeki tüm genleri, parmakların oluştuğu uzuv bölgesinde etkisiz hale getirmişti.
Aynı Yer, Farklı Nedenler
Bu nedenle, yeni çalışmanın arkasındaki araştırma ekibi, CRISPR gen düzenleme aracını kullanarak bir balıkta (zebrafish) eşdeğer bölgeyi sildi. Ve farelerdeki hox gen aktivitesini ortadan kaldıran aynı bölgenin silinmesi, çok az bir etki yarattı. Hox gen aktivitesi hafifçe azaldı, ancak bu genler hala parmakları yapmak için doğru zamanda, doğru yerde aktifti. Yani, aktivite aynı görünse de, aktivitenin nedenleri balıklarda ve farelerde farklı görünüyor. Bu da, parmaklardaki hox aktivitesinin atadan kalma bir durum olmadığı anlamına geliyor; bunun yerine, ışın yüzgeçli balıklar ve omurgalı soylarında ayrı ayrı evrimleşmiş gibi görünüyor.
Bunun üzerine araştırmacılar basit bir soru sordular: Eğer sildikleri düzenleyici DNA bu genleri uzuvda aktive etmiyorsa, nerede gerekliydi? Araştırmacılar, bu hox genlerinin silme işlemi olan ve olmayan balıklarda nerede aktif olduğunu incelediler. Bir bölgede önemli olduğunu buldular: gelişmekte olan kloak. Balıklarda kloak, hem idrar hem de dışkı atılımı ile üreme için tek bir açıklıktır. Yani, temelde bizim arka bölgelerimizin balıklardaki eşdeğeridir.
Ekip, kloaktan sorumlu DNA'yı belirledi ve farelerde, ayrıca gar gibi omurgalılara daha yakın balıklarda da eşdeğer bölgeler olduğunu gösterdi. Ayrıca, parmaklarda ifade edilen bazı hox genlerinin silinmesinin, bu bölgelerin vücuttan çıktığı alanlara yakın hem sindirim hem de idrar-genital sistemlerinde ciddi kusurlara neden olduğunu gösterdiler. Bu, bu bölgenin gelişimindeki bir rol için hox genlerinin, omurgalıların balıklardan ayrılmasından önce var olan atadan kalma bir durum olduğunu gösteriyor.
Aynı zamanda, sonuçlar, bu gen aktivitesini uzuvlarda üreten genetik sistemin atadan kalma bir durum olmadığını öne sürüyor. Bu da, parmaklardaki aktivasyonun, kloakal genetik programı benimseyip gelişmekte olan uzuva dağıtılmasının bir ürünü olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, siz parmaklara sahipsiniz çünkü sizin arka bölgenizi oluşturan genetiğin bir kısmı, gereken yerdeki doğru genleri aktive etmek için kullanılmış.
Bununla ilgili garip olan şey, yüzgeç ışınlarının oluşumu sırasında tam olarak aynı genleri kabaca aynı yerde aktive eden tamamen farklı bir genetik programın olmasıdır. Bunun zebrafish ve omurgalıların ortak atalarında da bulunmuş olabileceği, ancak bugün gördüğümüz parmakları üretecek kadar güçlü veya tutarlı olmadığı, bu yüzden de bugün gördüğümüz sisteme kademeli bir geçiş olduğu mümkündür. Lungfish veya coelacanth'larda gen düzenlemesi yapmaya pek başlayamayacağımız için, bu konuya net bir resim elde etmek zor olabilir.
Her durumda, bu çalışma, bilim tarafından benimsenen Occam'ın usturası versiyonunun önemli bir uyarı ile geldiğini harika bir şekilde gösteriyor: Veriye uyan en basit açıklama muhtemelen doğrudur. Bir süre için en basit açıklama, tek bir genetik sistemin hem yüzgeç ışınlarını hem de parmakları ürettiği gibi görünüyordu. Ancak, daha fazla veriyle, bu artık o kadar da mantıklı görünmüyor ve muhtemelen daha karmaşık bir açıklamaya geri dönmek zorunda kalabiliriz.
