EVRİM Aslı Sade Memişoğlu kisi.deu.edu.tr/asli.memisoglu
İÇERİK BÖLÜM I: GİRİŞ evrimin gerçek dünyanın problemleriyle ilişkisi Evrim gerçeği Doğal seçilimin gözlenebilirliği Evrim ağacı oluşturmak BÖLÜM II: Evrimsel değişimin mekanizmaları Mutasyon, seçilim, göç (gen akışı), genetik sürüklenme Popülasyon genetiği BÖLÜM III: Adaptasyon Eşeysel seçilim, akraba seçilimi, moleküler evrim BÖLÜM IV: Yaşamın tarihi
Evrimsel Düşünce İçin Bir Örnek - HIV
1.1 HIV/AIDS Salgınının Geçmişi
AIDS, türümüzün yaşadığı en yıkıcı salgındır
HIV Gerçekleri 2017 - tüm dünyada 36.9 milyon [31.1 milyon 43.9 milyon] insan HIV ile yaşamakta. 21.7 milyon [19.1 milyon 22.6 milyon] insan antiretrovirüs tedavisi görmekte. 2017 de 1.8 milyon [1.4 milyon 2.4 milyon] insan ilk defa HIV ile enfekte oldu. 2017 de 940 000 insan AIDS-ile ilişkili hastalıklardan öldü. Salgının başlangıcından itibaren toplam 77.3 milyon insan HIV e yakalandı. Salgının başlangıcından itibaren 35.4 milyon insan AIDS-ile ilişkili hastalıklardan öldü. 7
HIV Gerçekleri iyi haberler 1996 daki yükselişinden sonra yeni HIV enfeksiyonları %47 azaldı. 1996 da 3.4 milyon yeni enfeksiyon varken, 2017 de 1.8 milyon yeni enfeksiyon görüldü. 2010 dan bu yana yetişkinlerde yeni HIV enfeksiyonu görülme sıklığı %16 azaldı. 2010 dan bu yana çocuklarda yeni HIV enfeksiyonu görülme sıklığı %35 azaldı.
1990-2015 AIDS sebepli ölüm, yeni HIV enfeksiyonu, HIV ile yaşayan insanlar Yeni HIV enfeksiyonları Soldaki y-ekseni HIV ile yaşayan insan sayısı Sağdaki y-ekseni AIDS le ilişkili ölümler Soldaki y-ekseni
Sahra altı Afrika 2011 2016
HIV salgını: HIV, 1980 ve 1990 larda başlayan birbiriyle ilişkili fakat iki ayrı salgın ile yayılmıştır 1. Sahra altı Afrika ile güney ve güneydoğu Asya da heteroseksüel erkek ve kadınlar arasında 2. ABD ve Avrupa da homoseksüel erkekler ve damar yolu ile uyuşturucu kullanıcıları arasında. Az gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde hastalığın yayılım hızı daha yüksektir
Sorular: Gelecek vadeden azidotimidin (AZT) gibi AIDS ilaçları neden uzun vadede etkisiz olmuştur? HIV insanları neden öldürür? Neden bazı insanlar HIV enfeksiyonuna karşı dirençlidir veya enfekte olsalar da hastalık geliştirmezler? HIV nereden gelmiştir? Bunlar evrim biyolojisiyle alakalı görünmeyebilir fakat evrim iki noktanın anlaşılmasına adanmış bir bilimdir: 1. Değişen çevre koşullarında popülasyonlar nasıl değişir? 2. Yeni türler nasıl ortaya çıkar?
1.1.1 HIV nedir? Ters transkriptaz İntegraz Proteaz HIV virüsü RNA genomu (2 kopya) Gp120 (yüzey proteini) Gp41 (gp120 için tutunma proteini) Zorunlu hücre içi paraziti Bağışıklık sisteminin makrofaj ve T hücrelerini enfekte eder Çoğalmak için bu hücrelerin enzimlerini ve enrjisini kullanır ve konak hücre süreç sonunda ölür
HIV in yaşam döngüsü Ters transkriptaz İntegraz Proteaz RNA genomu (2 kopya) Gp120 (yüzey proteini) Gp41 (gp 120 için tutunma proteini) HIV hücre dışı formu= virion HIV in gp120 proteini konak hücrenin CD4 ve onun yardımcı reseptörüne bağlanır CD4 Koreseptör HIV in RNA genomu, ters transkriptaz, integraz ve proteazı konak hücreye girer Ters transkriptaz HIV in RNA şablonundan HIV DNA sı sentezler Konak DNA İntegraz HIV DNA sını konak genomu içine yerleştirir. HIV mrna sı konak RNA polimerazı tarafından HIV DNA sı kullanılarak sentezlenir Konak çekirdeği Konak hücrenin ribozomları HIV mrna sından HIV ön proteinlerini sentezler. Proteaz bunları keserek olgun virüs proteinlerini oluşturur Yeni viriüsler konak hücrenin içinde oluşur Makrofaj veya T hücresi (konak hücre) Yeni virüsler konak hücre zarından dışarı çıkar
https://www.hiv.uw.edu/go/antiretroviral-therapy/general-information/core-concept/all YAŞAM DÖNGÜSÜ HIV konak hücrenin kendi enzim mekanizmasını kullanır. RNA polimeraz, ribozomlar, trna lar Bu sebeple viral hastalıkların tedavisi çok güçtür. Virüsün yaşam döngüsünü bozacak herhangi bir ilaç, hücrenin de yaşamını engeller ve yan etkileri fazla olur!!!
CD4 T-hücresi sayısı (hücre/mm3 kan) 1.1.2 HIV nasıl AIDS e yol açar? Evre Akut Kronik Viral yük 1 ml plazmadaki HIV RNA kopyası) Haftalar HIV, makrofaj ve yardımcı T hücrelerini enfekte eder (CD4 + hücreleri). Bu hücreler öldüğünde bağışıklık sistemi çöker. Kişi bakteri ve mantar enfeksiyonlarına kolaylıkla yakalanır. AIDS denilen evre kişinin farklı enfeksiyonlara yakalanmasıdır Yıllar Enfeksiyondan itibaren geçen zaman Ölüm genellikle 2 yıl içinde gerçekleşir
1.2 AZT neden kısa vadede çalıştı fakat uzun vadede başarısız oldu?
AZT ters transkriptazı durdurur AZT yapısı timidine çok benzer. AZT deki timidinde, normalindeki hidroksil grubu (-OH) yerine azid grubu (-N 3 ) bulunur. Ters transkriptaz yeni sentezlediği zincire daha fazla nükleotit ekleyemez. https://www.youtube.com/ watch?v=1so7d5twhse
Hata oranı: Her 5000-7000 nükleotidde 1 yanlış baz yerleştirir İnsan hücresi nükleotitleri HIV ters transkriptazı
AZT nin etkinliği Bazı yan etkilere rağmen ilk denemelerde AZT işe yaradı. Ters transkriptaz insanlarda bulunur mu? Ne işe yarar? Neden yan etki? Birkaç yıl kullanımdan sonra hastalar tedaviye cevap vermemeye başladı ve CD4 hücre sayıları tekrar düştü. Neden? ters transkriptaz mutasyon geçirip artık AZT den etkilenmeyebilir mi?
AZT ye duyarlı ve dirençli ters transkriptazlar arasındaki fark Duyarlı Dirençli Ters transkriptaz Ters transkriptaz
Hipotezi test etmek için bir deney tasarlayalım HIV in nükleotit dizilerini değiştirmek için mutasyona yol açan bir kimyasal veya radyasyon kullanalım. Sonra bu HIV suşlarını (tiplerini) AZT varlığında büyütelim. AZT timidin ve normal timidini ayırabilen tipleri daha fazla üreyecek AZT varlığında çoğalamayan tiplerin sayıları azalacaktır Ters transkriptaz bunu bilerek yapmıyor. Meydana gelen mutasyon AZT nin bu enzim tarafından kullanılmasını engelliyor. Yani AZT ile enzimin yapısı artık uyuşmuyor.
Dirençli hastalardan edinilen gerçek sonuçlar Tedavi boyunca aynı hastadan örnek alındı ve ters transkriptaz gen dizilemesi yapıldı. Dirençli örneklerde gen dizisinde daha önce olmayan değişiklikler meydana geldiği görüldü. Mutasyonlar ters transkriptazın aktif bölgesindeki amino asitlerin değişmesine sebep olmuştu Farklı hastalarda çoğunlukla hep aynı amino asitin değiştiği görüldü!!!
Direnç HIV Popülasyonları Evrimleşir İki hastada HIV direncinin zaman içinde takibi 1. hasta 2. hasta Aylar Aylar AZT konsantrasyonu Brendan Larder
Ters transkriptazda mutasyonlar nasıl meydana gelir? Ters transkriptazın RNA dan DNA sentezlerken hata payı vardır. Bu hatalar diğer genlerle birlikte ters transkriptaz geninde de değişime yol açar.
HIV popülasyonları nasıl evrimleşir? 1. Ters transkriptazın DNA sentezlerken yaptığı hatalar kendi gen dizisinde mutasyonlar oluşturur. Bazı mutasyonlar AZT direnci sağlar. 1. Bir insan içinde enfeksiyon boyunca binlerce virüs nesli oluşur. 2. Bu da yüzlerce farklı ters transkriptaz üretimi demektir 3. Bunlardan bir veya birkaçı AZT yi artık timidin olarak kullanamayabilir ve AZT ye direnç kazanmış olur. 2. AZT varlığında dirençli mutant suşlar diğerlerine göre daha iyi ürer. 3. Bu mutasyona sahip olan virüsler genlerini bir sonraki nesile aktarır. Diğerleri üreyemez.
AZT ye duyarlı virüs AZT ye kısmen dirençli virüs AZT ye yüksek dirençli virüs zaman Ters transkriptaz hataları değişken bir popülasyon oluşturur. Bazı tipler AZT direncinde fark gösterir. Direnç sonraki nesillere aktarılır AZT tedavisi süresince çoğu virüs çoğalamaz Sağ kalan tipler AZT varlığında çoğalabilenlerdir
İŞTE BU DOĞAL SEÇİLİM YOLU İLE EVRİMDİR!!! Bu sürecin bilinçli olmadığı, tamamen tesadüfi olduğu her zaman akılda tutulmalıdır. AZT tedavisi gören her hastada aynı tip mutasyonlar görülmüştür. Bu mutasyonlara sahip virüs tipleri, AZT ortamında üreyebildiği ve diğerleri üreyemediği için sayıları giderek artmıştır = DOĞAL SEÇİLİM
Direncin nasıl evrimleştiğini anlamak daha iyi tedaviler geliştirilmesine yardım eder Her ilaç için birkaç mutasyon virüsü dirençli hale getirebilir. Eğer bir yerine birkaç ilaç bir arada kullanılırsa virüsün direnç kazanması için daha fazla mutasyon gerekir. Bu da virüsü yok etmek için zaman kazandırır. Bu çoklu ilaç tedavilerine Yüksek Aktiviteli Anti-Retroviral Tedavi (HAART) adı verilir. Günümüzde bu şekilde sürdürülmektedir
Kullanımda veya geliştirilmekte olan ilaçlar Ters transkriptaz inhibitörleri (engelleyici) AZT 3TC Proteaz inhibitörleri Indinavir Kaynaşma inhibitörleri Integraz inhibitörleri
Dirençli tipler AZT varlığında üremede en başarılı olanlar mutasyona uğramış yeni HIV tiplerdir. Peki bu dirençli tipler, AZT tedavisi kesildiğinde de aynı yüksek verimlilikte çoğalabilir mi? HAYIR. Tedavi durdurulduğunda virüs popülasyonundaki AZT-dirençli virüslerin oranı tedavi öncesindeki seviyelere düşmektedir.
Mutasyonlar ve çevre Mutasyonlar rastgele oluşur - fakat Hayatta kalan ve üreyebilen genetik değişime sahip tipi seçen ÇEVREdir. Yani, belirli bir çevresel koşulda hayatta kalma ve üremeyi sağlayan karakterler popülasyonda yayılır Ölüme sebep olan karakterler ise kaybolur. AZT varlığında doğal seçilim mutant virüsleri, AZT yokluğunda ise doğal seçilim mutant olmayan virüsleri destekledi
Doğal seçilim yoluyla evrim tek yönlü ve geri çevrilemez midir? HAYIR
1.3 HIV neden ölümcüldür?
Evrim biyologlarının öğrendiği ilk düşünme şekli ilgilenilen organizmanın yerine kendini koymaktır. HIV popülasyonunun konak içerisindeki ani evrimi, o kişinin bağışıklık sistemi çöküşünü hızlandırır. Bu aslında öngürülü bir süreç değildir çünkü konağın ölümü HIV popülasyonunun da ölümü demektir Virüsler hücre dışında yaşayamaz O zaman neden konağa daha az zarar vererek kendi çoğalma süresini uzatmıyor? Neden konağı hızlı bir şekilde öldürmek avantajlı?
Bağışıklık sisteminin tepkisi Bağışıklık sistemi antikorlar ve T-hücrelerini içeren bir tepki verir. Bunlar virüs üzerinde veya konak hücreler üzerinde bulunan moleküllere bağlanır. Antikorlar ve T-hücrelerinin belirli bir moleküle karşı aktifleşmesi 1 hafta gibi bir süre gerektirir. Bir HIV popülasyonu her gün 100 milyon yeni virüs oluşturabilir
Genetik değişim HIV in mutasyon kabiliyeti Araştırmacılar bir hastadan düzenli aralıklarla örnek alıp, virüslerin gp120 gen dizisini kontrol ettiler. İlk HIV popülasyonundan farklılıklar İlk 7 yıl: ilk tipe göre %8 genetik fark oluştu 8. yıldan sonra mutasyon hızı yavaşladı. Neden? Hastaya HIV bulaştığından beri geçen yıl
T hücre sayıları T-hücre sayısı Bağışıklık sistemi çöktüğü anda HIV tiplerinin farklılaşması duruyor. T hücre sayıları HIV in evrimleşmesine sebep olan seçici güç ortadan kalkmış oluyor. Hızlı çoğalabilen tipler buna devam ediyor. Yavaş çoğalanların oranı azalıyor. Hastaya HIV bulaştığından beri geçen yıl
Doğal seçilim yoluyla evrim geleceğe bakmaz. Bu, sadece otomatik olarak gerçekleşen doğal bir süreçtir. Sonuç olarak bir konaktaki HIV popülasyonu ortaya çıktığı andan itibaren evrimleşir.
Ölümcüllük ve bulaşma arasında bir ilişki HIV in konağı öldürmeyen nadir tipleri de vardır. Nef proteinini sentezleyemeyen tip. HIV in konağa girişine yardımcı protein. HIV-2 Viral yük daha düşüktür. Daha az zararlı tipler neden nadir görülür?
Ölümcüllük ve bulaşma arasında bir ilişki Evrimsel bakış açısı. Konağın yaşam süresinden sonra da var olabilmek için, başarılı bir virüs tipinin başka bir konağa geçiş yapması gerekir. Dolayısı ile virüslerin seçilime uğradığı iki aşama vardır: Bir konakta sağ kalabilme. Yeni konağa geçiş yapabilme. İkinci aşama birinciden daha önemlidir. Viral yük fazla = bulaşma fazla Viral yük aşırı olursa bulaşmadan önce konak ölür Az viral yük = bulaşma az = nadir görülür
1.4 Neden bazı insanlar HIV enfeksiyonuna karşı dirençlidir? HIV e tekrar tekrar maruz kalan bazı insanlarda enfeksiyon gelişmez? Bu bireylerin bazılarında CCR5 (T hücresi üzerindeki HIV in bağlandığı koreseptör) mutasyona uğramıştır ve HIV bağlanamaz. CCR5-D32
CCR5-D32 allel frekansı
1.5 HIV e karşı aşı üretilebilir mi? Bağışıklık sisteminin bir patojeni tanıması için T-hücrelerinin o patojene ait bir molekülü yabancı olarak algılaması gerkir: epitop Aşı: öldürülmüş veya tam olmayan virüslerden moleküller içerir Genelde HIV için gp120 proteini molekülleri kullanılır Bu moleküllerin virüsün içerdiği çeşitliliğin hepsini barındırması gerekir = HIV çeşitliliği çok fazla
Nükleotit dizileri kullanılarak filogenetik ağaçlar oluşturulabilir. Filogeni: popülasyonlar veya türler arasındaki tarihsel ilişki İki nükleik asit dizisinin birbirine benzerliği, dizinin alındığı organizmaların birbirine yakınlığını gösterir.
HIV kökeni İki ana HIV tipi: HIV-2 ve HIV-1, iki farklı kaynaktan gelmiştir. HIV-2 isli mangabey maymunundan, HIV-1 şempanzelerden gelmiştir.
Araştırmacılar HIV çeşitliliğini anlamak için filogenetik ağaçlar oluşturmuştur. HIV-1 in şempanzelerde görülen bir SIV (simian immunodeficiency virüs) türünden insanlara geçtiği ve evrimleşerek HIV-1 formunu aldığı görülmüştür. Bu geçiş tarih boyunca bir defadan fazla olmuş ve farklı HIV-1 çeşitleri oluşmasını sağlamıştır. Bu çeşitlilik ve HIV in hızlı evrimleşme kapasitesi aşı üretimini zorlaştırmaktadır.
ÖDEV 1990 ların başında araştırmacılar yeni enfekte olmuş fakat hiç AZT tedavisi almamış hastalarda AZT ye dirençli HIV tipleri buldular. Bu nasıl olabilir? Haftaya tartışılacak