İki araştırma grubu Caenorhabditis elegans'ta bazı davranışsal özelliklerin gelecek nesillere kalıtımsal olarak aktarılabileceğini gösterdiler.

[BAA /Biyolojik Hareket ve Evrim - Özge Şahin]

Bir nematod (yuvarlak solucan) olan C. elegans, çürümüş meyvelerin içinde yaşar ve burada bazı zararlı bakterilerle karşılaşabilir. Böyle bakteriler sindirildiğinde öldürücü olabilir ve ne yazık ki solucanların da bu bakterileri besinlerinden ayırt etmesi güçtür.

Yakın zamanda Princeton Üniversitesi’nden araştırmacılar, laboratuvar ortamında nematodları izlerken yavrularının aynı hatayı yapmaması için bu davranışsal özelliği ebeveynlerin onlara öğrettiklerini gördüler. Hayvanlar, patojen sebebiyle ölmeden önce yumurta bıraktılar. Bu döllerin ise belirli bakteri türlerinden sürekli olarak kaçındığı görüldü. Bu durum açıkça patojenlerden kaçınma özelliğinin hayatta kalmaya yardımcı olacak şekilde yeni nesillere aktarılabildiğini gösterdi. Ancak bu kalıtımdan küçük RNA’ların da görev aldığı epigenetik bir mekanizma sorumlu gibi görünüyor.

Çalışmanın sonuçları, Cell Dergisi’nde yayımlandı. Yine aynı dergide, Tel Aviv Üniversitesi’nden bir başka araştırmacı grubu ise C. elegans’ta nesiller arasındaki davranış özelliklerinin kalıtımına dair bir çalışma yayımladı. Bu ekip, küçük bir RNA tabanlı mekanizmanın sinir sistemindeki bilginin üreme hücrelerine ve gelecek nesillere aktarılmasını nasıl sağladığını gösteren farklı bir yaklaşım izledi.

C. elegans’ta bağışıklık ve stres ile ilgili özelliklerin nesiller arasında kalıtıldığı bilinirken, bu iki makale daha karmaşık davranış özelliklerinin de benzer bir yolu izleyerek kalıtılabileceğini gösteren ilk çalışmalar olduğu için önemli.

İlginç bir kalıtım modeli

Önceki araştırmalar, solucanların Pseudomonas aeruginosa'nın patojenik bir alt türünden kaçınmayı öğrendiklerini göstermiştir. Daha en başta solucan yavrularının patojenden kaçındığını gözlemlemek Princeton'daki Coleen Murphy’nin grubunu şaşırttı. Dolayısıyla o ve ekibi bu davranışı çalışmaya karar verdiler.

Solucanların dört nesil boyunca bu alışkanlıklarını döllerine aktardıklarını sonrasında ise davranışların kaybolduğunu buldular. Bu durum yavrulara hayatta kalma konusunda bir avantaj sağlıyordu. Daha önceden ebeveyni bakteri ile karşılaşmış olan solucanlar, patojenlerin yer aldığı plaklara yerleştirildiğinde diğer solucanlara göre %77 daha yüksek hayatta kalma oranına sahip olduğunu gördüler.

Bu durumun altında yatan mekanizmaları daha iyi anlamak için patojene maruz kalan solucanların gen ifadelerinin profillerini sadece E. coli'nin zararsız bir alt türüne maruz kalanlarla karşılaştırdılar. Patojene maruz kalan ebeveynlerde ve bunların yavrularında, patojenlerden kaçınma davranışıyla bağlantılı olan daf-7 geni de dâhil olmak üzere birçok sinir sistemiyle ilgili genin ifadesinin artarak düzenlendiğini buldular. Solucanları patojene maruz bıraktıktan sonra, belirli bir sinir hücresi alt grubunda daf-7 geninin ifadesinin arttığını ve dört nesil boyunca yüksek seviyelerde kaldığını gözlemlediler.

İlginç bir şekilde, RNA aracılı bir sistem yoluyla ebeveyn solucanlarında daf-7 geninin ifadesinin devre dışı bırakılmasının patojenden kaçınma yetenekleri üzerinde hiçbir etkisi yoktu, ancak yavrularında devre dışı bırakılması bu davranışı kaybetmelerine neden oluyordu. Murphy için bu durum, genin patojenden kaçınma davranışını sürdürmek için gerekli olduğunu gösteriyordu.

Murphy ve grubu daf-7'nin nasıl düzenlendiğini araştırdı. İlk önce memeliler de dâhil olmak üzere birçok organizmadaki genleri yöneten ve C. elegans'ta çeşitli özelliklerin, epigenetik kalıtımında rol oynadığı düşünülen bir grup, kısa ve protein olarak bir ürüne çevrilmeyen genetik dizilerden oluşan küçük RNA düzenleyicileri aradılar. Araştırma sonucunda, Piwi isimli bir proteinle etkileşen RNA’lar (piRNA'lar) olarak bilinen ve patojene maruz kaldığında sayıları önemli ölçüde değişen belirli bir küçük RNA sınıfı buldular. Diğer deneyler, yavruda daf-7 ifadesini ve patojenden kaçınmak için piRNA ile ilişkili belirli bir proteinin de gerekli olduğunu gösterdi. Ancak mekanizma ile ilgili bazı ayrıntılar hâlâ belirsizliğini koruyor.

Patojenlere verilen yanıtın sinir sisteminde başlayıp başlamadığını veya patojene maruz kalmanın doğrudan üreme hücresinin küçük RNA havuzunu değiştirip değiştirmediğini bilmek oldukça önemli.

Beyinden üreme hücrelerini oluşturan organlara ve oradan da gelecek nesillere

Araştırmacı Oded Rechavi tam olarak bu soruna odaklandı. Bir hayvanın yaşamı boyunca çevresel faktörlere verdiği beyin yanıtları üreme hücresine iletilebilir mi, iletilebilirse bu da gelecek nesillere aktarılabilir mi?

Laboratuvarının önceki çalışmaları, gen ifadesinin susturulmasının kontrol edilebileceği küçük RNA’lara (siRNA) odaklandı. Bunlar genoma ek olarak üreme hücreleriyle kalıtılabilir ve kuşaklar boyunca gen ifadesini değiştirebilir. Yani genetik bilgiyi kalıcı olarak değiştirmeden genlerin etkinliğini değiştirerek bunu gerçekleştirebilir. Rechavi ve meslektaşları, açlık gibi farklı stres koşullarının belirli siRNA'ların sonraki nesillere aktarılmasına neden olduğunu ve burada beslenme ile ilgili genlerle birlikte diğerlerinin ifadesinin de etkilediğini gösterdiler.

Rechavi ve meslektaşları, solucanların yaşamları boyunca öğrendikleri sinirsel, davranışsal tepkiler için de aynı durum olup olmadığını merak ettiler. C. elegans sinir sisteminde var olduğu bilinen siRNA'ların üreme hücresi içindeki gen ifadesini etkileyip etkilemediğini test ettiler.

Bu fikri test etmek için, sadece hayvanların sinir sistemlerinde bazı siRNA'ların sentezinde gerekli bir protein olan RDE-4’ü üretmek için solucanlar tasarladılar. Şaşırtıcı bir şekilde, araştırmacılar solucanların üreme hücresi meydana getiren organlarına baktıklarında, RDE-4'ten tamamen yoksun olan kontrol gruplarına kıyasla 1000'den fazla siRNA'nın bol miktarda değiştiğini buldular. Diğer deneyler, bu siRNA'ların yaklaşık 200'ünün aslında üçüncü nesil kuşaklara aktarıldığını gösterdi. RDE-4, bu solucanlardaki üreme hücresi üreten organlarda ifade edilmediğinden, sinir dokularındaki RDE-4 üretimi ve siRNA üretiminin büyük olasılıkla üreme hücresi ile iletişim kurduğu ileri sürüldü.

Rechavi’nin ekibi ayrıca, solucanların RDE-4'ün tamamen eksik olması durumunda, yüksek sıcaklıklarda bazı kusurlar sergilediğini; normal solucanlara kıyasla kimyasal bir uyarana karşı yönelim ya da geri çekilme hareketini göstererek yiyecek bulmada iyi olmadıklarını gösterdi. Bununla birlikte başka bir çalışma, RDE-4 eksik solucan alt türlerinin, ataları sinir hücrelerinde RDE-4 olanlarla çiftleştirildiğinde, yavrularının normal kimyasal uyarana karşı belirli bir davranışına sahip olacağını ortaya koydu.

Diğer deneyler, solucanlardaki yiyecek arama davranışına bağlı bir genin de siRNA'lar tarafından düzenlenediğini tanımladılar. Bu genin ifadesinin baskılanması, stres altındaki normal kimyasala yönelim/kaçış için gereklidir. Rechavi, belirli çevresel koşulların sinir dokularındaki davranışı yöneten belirli genlerin ifadesini tetiklediğini ve hayvanların bunu sinirsel dokularda siRNA'ları üreten proteinin seviyesini artırarak bir sonraki kuşağa aktarılabileceğini düşünüyor. Bu durum, bir şekilde üreme hücresi içinde siRNA'ların üretiminin artmasıyla sonuçlanır, siRNA’lar burdan gelecek kuşaklara giderler ve uygun kimyasala yönelim/kaçış davranışını sağlamak için başka bir proteinin bir sonraki nesilde ifadesini azaltıcı yönde düzenler.

Bu siRNA üretimi, bir şekilde üreme hücresine aktarılıyor, ancak nasıl gerçekleştiği henüz çok açık değil.

Rechavi, nöronlardaki küçük RNA'ların fiziksel olarak dokudan üreme hücrelerine geçebileceğini düşünüyor.
Weismann bariyerine karşı

Rechavi’ye göre çalışma sonuçları, 19. yüzyılda August Weismann tarafından ileri sürülen sinirsel yanıtların oluşması gibi vücut hücrelerindeki değişikliklerin kalıtılamayacağı “Weismann” teorisine karşı kanıt sunuyor. Rechavi, sinir sistemi yanıtlarının nesiller boyunca aktarılabileceğini belirtiyor.

Eric Miska, bulguların yaklaşık on yıl önce yayımlanan bir araştırmaya güven verdiğini söyledi. Bu çalışmada koku alma işaretleri ile ilgili davranışsal özelliklerin C. elegans'ta nesiller boyunca aktarılabileceği öne sürüldü. Miska, bu bulgunun başlangıçta bilim topluluğu arasında şüpheyle karşılandığını ifade ediyor. Solucanlardaki nesiller arası kalıtımın küçük RNA yolaklarına aracılık edebileceği uzun süredir bilinmekteydi, ancak çok az çalışma mekanizmayı davranışsal bir özelliğe bağlamıştı.

Miska, hâlâ mekanizmalar hakkında daha fazla araştırma görmek gerektiğini vurguluyor. Örneğin, Rechavi’nin makalesine atıfta bulunsa da sinir sistemindeki küçük RNA'ların üreme hücreleriyle kalıtılabileceği bilinmesine rağmen daha sonra vücut dokularındaki gen ifadesini nasıl etkileyebilecekleri açık değil diye ekliyor.

Murphy’nin çalışmasına gelince ise piRNA yolağının sürece dâhil olmasının şaşırtıcı olduğunu belirtiyor.

Tüm bunlarla birlikte, genel olarak en şaşırtıcı şey ise yararlı bir davranışı, genetik bilgi olarak kalıcı bir şekilde aktarmak yerine birkaç nesil boyunca geçici olarak ifade edilmesi. Bu durumun neden çok mantıklı olduğu ancak diğer bazı çalışmalara bakıldığında anlaşılabiliniyor. Solucanlar, yüksek oranda patojenik Pseudomonas alt türünden kaçınmayı öğrendiğinde, aynı bakteri türlerinin daha az patojenik alt türünden de kaçınma eğilimindeydiler. Ancak bütün Pseudomonas'lardan kaçınmanın kötü bir seçim olduğu, çünkü solucanlar için çok faydalı olan birçok Pseudomonas türü olduğu ve bunların da iyi bir besin kaynağı olabileceği belirtiliyor.

Rechavi, buna bir başka neden olarak ise C. elegans’ın kısa yaşam döngüsünü gösteriyor, çünkü yeni bir nesil için sadece üç gün yeterli. Dolayısıyla ebeveyn ve yavrunun çevresel ortamının birbirine benzer yapıda olduğunu ifade ediyor.

Kaynaklar

https://www.the-scientist.com/news-opinion/worm-parents-pass-on-behavio…

Posner, R. vd. (2019). Neuronal small RNAs control behavior transgenerationally. Cell, 177(7), 1814-1826.

Piwi/PRG-1 argonaute and TGF-β mediate transgenerational learned pathogenic avoidance. Cell, 177(7), 1827-1841.