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

• 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.

HIV Gerçekleri – iyi haberler ☺

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

20112016

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

HIV virüsüRNA genomu (2 kopya)

Gp120 (yüzey proteini)

Gp41 (gp120 için tutunma

proteini) İntegraz

Proteaz

• 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 döngüsüTers

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

HIV’in RNA genomu, ters

transkriptaz, integraz ve

proteazı konak hücreye girer

Ters transkriptaz HIV’in RNA

şablonundan HIV DNA’sı

sentezler

İntegraz HIV DNA’sını konak genomu

içine yerleştirir. HIV mRNA’sı konak

RNA polimerazı tarafından HIV DNA’sı

kullanılarak sentezlenir

Konak hücrenin ribozomları HIV

mRNA’sından HIV ön

proteinlerini sentezler. Proteaz

bunları keserek olgun virüs

proteinlerini oluşturur

Yeni viriüsler konak hücrenin

içinde oluşur

Yeni virüsler konak hücre

zarından dışarı çıkarMakrofaj veya T hücresi

(konak hücre)

Koreseptör

CD4

Konak DNA

Konak çekirdeği

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!!!

1.1.2 HIV nasıl AIDS’e yol açar?

• 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

• Ölüm genellikle 2 yıl içinde gerçekleşir

Haftalar Yıllar

Enfeksiyondan itibaren geçen zaman

CD

4 T

-hü

cre

si sa

yıs

ı

(hü

cre

/mm

3 k

an

)V

iral y

ük

1 m

l pla

zm

ad

aki H

IV R

NA

ko

pya

sı)

Akut KronikEvre

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 (-N3) bulunur.

• Ters transkriptaz yeni sentezlediği zincire daha fazla

nükleotit ekleyemez.

https://www.youtube.com/

watch?v=1so7D5twHSE

HIV ters transkriptazı

İnsan hücresi nükleotitleriHata oranı: Her 5000-7000 nükleotidde 1

yanlış baz yerleştirir

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

azalacaktırTers 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!!!

HIV Popülasyonları Evrimleşir

Brendan Larder

Direnç

Aylar Aylar

1. hasta 2. hasta

AZT konsantrasyonu

İki hastada HIV direncinin zaman içinde takibi

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

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

zaman

• 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

HIV’in mutasyon kabiliyeti

• Araştırmacılar bir hastadan düzenli aralıklarla örnek alıp, virüslerin gp120 gen dizisini kontrol ettiler.

• İlk 7 yıl: ilk tipe göre %8 genetik fark oluştu

• 8. yıldan sonra mutasyon hızı yavaşladı. Neden?

İlk HIV popülasyonundan farklılıklar

Ge

ne

tik d

eğiş

im

Hastaya HIV bulaştığından beri geçen yıl

T-hücre sayısı

• Bağışıklık sistemi çöktüğü anda HIV tiplerinin farklılaşması duruyor.

• HIV’in evrimleşmesine sebep olan seçici güç ortadan kalkmış oluyor.

• Hızlı çoğalabilen tipler buna devam ediyor. Yavaş çoğalanların oranı azalıyor.

T hücre sayıları

T h

ücre

sa

yıla

rıHastaya 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?

• 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

Ölümcüllük ve bulaşma arasında bir ilişki

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