Mukus yapan proteinler, memelilerde en az 15 bağımsız durumda, muhtemelen mevcut proteinleri mukus üreticilerine dahil ederek evrimleşmiş.
Bir köpeğin yapışkan tükürüğünden bir sümüklüböceğin kaygan sıvısına kadar, mukus hayvanlar aleminin hemen hemen her yerinde. Buffalo Üniversitesi’nden Ömer Gökcümen, “Neredeyse her hayvanda, hatta mayalarda ve bakterilerde bile mukus var.” diyor. “Yaşam için gerekli bir madde türü.”
Memeliler, yapışkanlık veren müsin adı verilen tuvalet fırçası şeklindeki proteinler aracılığıyla mukus üretirler. Çoğu hayvan, vücudun farklı bölgelerinde doğru kalınlık ve kayganlığı oluşturmak için sümüksü ürünleri bir araya getiren çok sayıda müsin içerir.
Sümüklüböceklerden ağzımızdaki tükürüklere kadar birçok kaygan vücut sıvısı mukus içerir. Peki bu biyoloji harikası nasıl evrimleşti?
Müsin adı verilen proteinler üzerinde yapılan yeni bir araştırmaya göre, memelilerde birçok kez ve genellikle şaşırtıcı bir şekilde evrimleşti. Bu moleküllerin çeşitli işlevleri var, ancak bir aile olarak, maddenin yapışkan kıvamına katkıda bulundukları mukus bileşenleri olarak bilinirler.
Bilim insanları, 49 memeli türündeki müsin genlerinin karşılaştırılması yoluyla, yeni müsinlerin, müsin olmayan bir proteini, müsine dönüştüren bir ekleme işlemi yoluyla evrimleştiği 15 örnek belirledi.
Bilim insanları, bu “müsinleşme” olaylarının her birinin, müsin olmayan bir proteinle başladığını öne sürüyorlar. Bir noktada evrim, bu müsin olmayan bazın üzerine yeni bir bölüm ekledi: şeker molekülleri ile süslenmiş amino asitler adı verilen kısa bir yapı taşları zincirinden oluşan bir bölüm. Zamanla, bu yeni bölüm kopyalandı ve proteini daha da uzatmak için birden fazla kopya eklendi ve onu bir müsin yaptı.
Buffalo Üniversitesi’nden çalışmanın kıdemli yazarları Ömer Gökcümen ve Stefan Ruhl ve araştırmanın ilk yazarı Petar Pajic, “‘Tekrarlar’ olarak adlandırılan ikiye katlanmış bölümler, bir müsin işlevinin anahtarı.” diyor.
Bu bölümleri kaplayan şekerler, bir şişe fırçasının kılları gibi dışarı doğru çıkıntı yapar ve müsinlere, bu proteinlerin yürüttüğü birçok önemli görev için hayati önem taşıyan sümüksü bir özellik verir.
Biyolojik bilimler doçenti olan Gökcümen, “Protein işlevinin, tekrarlanan diziler kazanan bir proteinden bu şekilde evrimleşebileceğinin daha önce bilindiğini sanmıyorum. Müsin olmayan bir protein, sadece tekrar kazanarak müsin olur. Bu, evrimin sümüksü hale getirmesinin önemli bir yolu. Bu evrimsel bir olay ve şimdi bunu tekrar tekrar belgeliyoruz.” diyor.
Oral biyoloji profesörü Stefan Ruhl, “Müsinlerde gördüğümüz tekrarlara, prolin, treonin ve serin amino asitlerinin yüksek içeriği nedeniyle ‘PTS tekrarları’ denir. Doku yüzeylerini yağlamaktan ve korumaktan gıdalarımızı yutabilmemiz için kayganlaştırmaya yardımcı olmaya kadar değişen önemli biyolojik işlevlerinde müsinlere yardımcı olurlar.” diyor.
“Faydalı mikroplar mukus kaplı yüzeylerde yaşamak için evrimleşmiştir, mukus aynı zamanda koruyucu bir bariyer görevi görebilir ve bizi istenmeyen patojenik davetsiz misafirlerden koruyarak hastalıklara karşı savunabilir.”
“Saflaştırılan ve biyokimyasal olarak karakterize edilen ilk müsinin tükürük bezinden geldiğini pek kimse bilmez. Laboratuvarım son 30 yıldır tükürükteki müsinleri inceliyor, çünkü dişleri çürümekten koruyorlar ve ağız boşluğundaki mikrobiyotayı dengelemeye yardımcı oluyorlar.”
‘Muhteşem bir yaşam özelliğinin’ ilgi çekici evrimi
Gokcumen, “Bence bu makale gerçekten ilginç. Şanslı olduğumuz zamanlardan biri. Tükürük üzerinde çalışıyorduk ve sonra ilginç ve havalı bir şey bulduk ve onu araştırmaya karar verdik.” diyor.
Ekip, tükürük üzerinde çalışırken, insanlarda MUC7 adı verilen küçük bir tükürük müsinin farelerde bulunmadığını fark etti. Ancak kemirgenler, MUC10 adı verilen benzer büyüklükte bir tükürük müsine sahipti. Bilim insanları şunu bilmek istediler: Bu iki protein evrimsel bir bakış açısıyla ilişkili miydi?
Cevap hayırdı. Ancak araştırmanın daha sonra ortaya çıkardığı şey bir sürprizdi. MUC10, MUC7 ile ilişkili görünmese de, PROL1 adı verilen insan gözyaşlarında bulunan bir protein, MUC10’un yapısının bir kısmını paylaşıyordu. PROL1, MUC10’a çok benziyordu, ancak MUC10’u müsin yapan şeker kaplı şişe fırçası tekrarlarından yoksundu.
Gokcumen, “Bir şekilde bu gözyaşı geninin başka bir amaca hizmet ettiğini düşünüyoruz. Müsin işlevini veren tekrarları kazanıyor ve şimdi fare ve sıçan tükürüğünde bolca ifade ediliyor.” diyor.
Bilim insanları, diğer müsinlerin de aynı şekilde oluşup oluşmadığını merak ettiler. Aynı fenomenin birden fazla örneğini araştırmaya ve keşfetmeye başladılar. Pek çok müsin, çeşitli memeli grupları arasında ortak bir ataya sahip olsa da, ekip, evrimin, PTS tekrarlarının eklenmesi yoluyla müsin olmayan proteinleri müsinlere dönüştürdüğü ortaya çıkan 15 örneği belgeledi.
Gökcümen, çalışmanın birkaç düzine memeli türünde genomun bir bölgesine odaklandığını belirterek, bunun oldukça muhafazakar bir bakış olduğunu söylüyor. Kaygan salgıları “inanılmaz bir yaşam özelliği” olarak adlandırıyor ve aynı evrimsel mekanizmanın sümüklü böceklerde, yılan balıklarında ve diğer yaratıklarda bazı müsinlerin oluşumuna neden olup olmadığını merak ediyor. Bir cevap bulmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç var.
Pajic, “Yeni gen fonksiyonlarının nasıl evrimleştiği bugün hala sorduğumuz bir soru. Böylece, bir gen içinde tekrarlanan diziler kazanmanın yeni bir işlev doğurduğu yeni bir mekanizmanın kanıtını sağlayarak bu söyleme ekliyoruz.” diyor.
“Bunun hem adaptif evrimi anlamada, hem de muhtemelen hastalığa neden olan bazı varyantları açıklamada daha geniş etkileri olabileceğini düşünüyorum. Bu müsinler, farklı türlerde farklı zamanlarda müsin olmayanlardan tekrar tekrar evrimleşmeye devam ederse, onu faydalı kılan bir tür adaptif baskı olduğunu gösterir. Ve sonra, yelpazenin diğer ucunda, belki bu mekanizma çok fazla veya yanlış dokuda ‘ raydan çıkarsa ‘, o zaman belki de bazı kanserler veya mukozal hastalıklar gibi hastalıklara yol açabilir.”
Müsinler üzerine yapılan çalışma, evrimsel biyologlar ve diş araştırmacıları arasındaki uzun süreli ortaklığın, insan sağlığı için de önemli olan genler ve proteinler hakkında nasıl yeni anlayışlar sağladığını gösteriyor.
Ruhl, “Ekibim onlarca yıldır müsinler üzerinde çalışıyor ve Dr. Gökcümen ile olan işbirliğim, onların evrimsel genetiğine dair tüm bu heyecan verici yeni anlayışları ortaya çıkararak bu araştırmayı yeni bir düzeye getirdi. Kariyerimin bu ileri aşamasında, bilimsel merak alevinin Petar Pajic gibi yeni nesil genç araştırmacılar tarafından sürdürüldüğünü görmek de son derece memnuniyet verici.” diyor.
University at Buffalo. 26 Ağustos 2022.
Makale: Petar Pajic et al. (2022). A mechanism of gene evolution generating mucin function. Science Advances.