Upload
duongdang
View
224
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
GÖ
RÜ
Ş
S
Resim: hometowncd / iStockphoto
Kalem ve kağıtla biyoinformatik: filogenetik ağaç oluşturma
Biyoinformatik genellikle güçlü bilgisayarlarla
yapılır. Ancak burada Cleopatra Kozlowski’nin
yardımıyla kalem ve kağıttan başka birşey
kullanmadan primat atalarımızı
inceleyebilirsiniz.
Çeviri
Yasemin Gökçek ve Hikmet Geçkil
İnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
on dönemlerde meydana gelen tekno-
lojik gelişmelerin bir sonucu olarak bir
DNA ya da protein dizisini belirlemek
oldukça kolay ve hızlı gerçekleşebilmek-
tedir. Elbette bu diziler kendi başlarına
bizlere çok az şey anlatır : örneğin
GAATCCA. Bu dizilerin ne anlama
geldiğini bilmemiz gerekir. Hangi
proteinler bu DNA dizisi ile kodlanmıştır?
veya aslında dizi bir proteini gerçekten
kodlamış mıdır? DNA dizisinde meydana
gelecek küçük bir değişikliğin kodlanmış
protein üzerinde nasıl bir etkisi olur? Bu
proteinin hücrede ne gibi bir işlevi vardır?
Ve elbette, DNA dizilerimiz bize
evrimleşme tarihimiz hakkında neler
anlatır? Bunlar ve diğer benzeri önemli
biyolojik sorulara biyoenformatik
aracılığıyla yanıtlar bulabiliriz:
28 Science in School Issue 17 : Winter 2010
Biyoinformatiği muhtemelen büyük bilgisayarlar ve sıralama
makinaları olarak hayal ederiz. Ancak bu yeni bilimin yöntemleri
Kleopatra Kozlowski’nin makalesinde olduğu gibi kağıt ve kalem ile
basit sınıf aktiviteleri ile sunulabilir.
Yazar kısa (sahte) DNA dizileri arasındaki genetik farklılıkların
temelinde insan ve diğer primatların aile ağacı binası ile bize meydan
okuyor. Önerilen aktivite gibi evrim çalışmada moleküler saatlerin
kullanımı gibi bazı zor biyoloji konuları ele için orta dereceli
okullarda istismar (ve keyifle) kârlı olabilir..
Bu makale fen bilgisi öğretmenlerini de hedefliyor, metnin sonunda
yararlı anlama egzersizleri bulacaksınız, öğrenciler de kendi
anlayışlarını derişlentimek için soruları kullanabilir. Belirtilen web
referanslarında daha fazla bilgi ve kaynak sağlanabilir.
Giulia Realdon, Italy
www.scienceinschool.org
Data
sou
rce:h
ttp:/
/ww
w.lin
gu
ati
cs.c
om
/in
doeu
ropean
_lan
gu
ages.
htm
Öğretim aktiviteleri
örneğin; dizisi ve işlevini iyi bildiğimiz
DNA ya da proteinleri, yeni keşfedilen
DNA ve protein dizileri ile
karşılaştırarak bunlar hakkında bilgi
sahibi olabiliriz.
Biyoinformatik normalde güçlü bir
bilgisayar yardımı ile yapılır. Ancak,
bu işin temelini anlamadan,
bilgisayarın bütün işleri yaptığını
düşünmek basit bir yaklaşım olur. Bu
nedenle, öğrencilerin biyoinformatik
analizlerin nasıl işlediğini anlamasını
sağlamak için bu etkinlikler kağıt
üzerine tasarlanarak yapılır.
Bu makale dört etkinlik grubundan
birini içerir. İki giriş etkinliği (“Gen
bulma” ve “Mutasyonlar”) ve sonuç
etkinliği (mobil DNA) Avrupa Yaşam
Bilimleri Öğrenme Laboratuvarının
(ELLS)w1
web sitesinden indirilebilir. Bu
etkinlikleri tamamlamak için kapsamlı
soruların cevapları ve süreçleri ve
öğrencilerin ihtiyaç duyduğu bütün
çizelgeler Science in School ‘un web
sayfasından indirilebilirw2
.
Bir filogenetik ağaç oluşturma Mutasyonların birikimi DNA dizilerinin
nesiller boyunca dğişmesine neden
olur. Aşağıda verilen etkinlik, bu
durumdan faydalanarak organizmalar
arasındaki evrimsel ilişkilerin nasıl
saptandığını açıklamaktadır. Bu
yalnızca 90 dakika alır ve bir kalemle
Science in School sitesinden
indirilebilecek tablolardan başka hiçbir
şey gerektirmezw2.
Giriş
Çeşitli hayvanları nasıl sınıflan-
dırdığınızı bir düşünün. Geleneksel
olarak organizmalar arasındaki fiziksel
farklar birbirlerinin arasındaki evrim
ilişkisini çözmlemek için kullanılırdı.
Örneğin; bir organizmanın kemiğinin
ya da kanadının olup olmaması gibi.
Ancak, bu sorunlara yol açabilir.
Örneğin; kuşlar, yarasalar ve böceklerin
kanatları vardır ama bu üçü bir
birleriyle yakından ilişkili midir?
Organizmaların ortak bir atadan ne
zaman ayrılıp değiştiklerini nasıl
ölçersiniz?
Hint-Avrupa
DNA dizisi çalışmalarından, DNA’daki
mutasyonların rastgele bir şekilde ve çok
yavaş bir oranda nesilden nesile geçerek
gerçekleştiğini biliyoruz. Bu demektir ki,
tüm organizmaların ortak bir atadan
geldiğini düşünecek olursanız, bu
organizmaların son şeklini aldığından beri
ne kadar bir zaman geçtiğini ölçebilmek
için homolog dizilerdeki farklılıkları
kullanabilirsiniz. Başka bir ifadeyle iki türün
ortak bir atadan oluştuğu zaman ne kadar
geçmişte kaldıysa, onların DNA dizileri o
kadar birbirinden farklı olur. Homologous
dizler, ortak bir kökene sahip olan iki
organizmadaki benzer diziler olarak
tanımlanır.
Aslında herhangi iki dizinin homolog
olduğuna ilişkin kanıtlarımız yoktur (DNA
değişim sürecini izlemek için biz orada
değildik!). Ama bu diziler yeterince benzer
iseler, çoğu kez onların “homolog”
olduğunu varsayarız. İki dizinin ne kadar
benzer olduğunu bilmek için, onları doğru
bir şekilde sıralama gereksinimi duyarsınız
(ama bu, bu etkinliğin kapsamı içinde
değildir).
c. 3500-3000 BC
Hint Ermeni Iran Alman Baltık-Slav
Arnavut Kelt Helen İtalyan c. 1000 BC
Sanskrit
Orta Hint
Eski Pers Zerdüşt
Pers
Baltık
Litnanyaca, Letonca
Eski Slavca İrlandaca
Rusça, Polonyaca, Macarca, Bulgarca,
Gallerce
İskoçca
Bretonca
Yunanca
Latin
c. 500 AD Sırpça-Hırvatça, vs.
Hindistani, Bengali Ve diğer modern Hint dilleri
K Germanik
D Germanik
Gothic
B Germanik Fransızca Provençal İtalyanca İspanyolca Portekizce Katalanca Romence
c. 800-1200 AD
D İskandinav
B İskandinav Üst Almanca Alt Almanca
İsveçce, Danimarkaca
Norveçce, Izlandaca, Faroece
Almanca Yediş c. 1300 AD
Eski Frizce Anglo-Sakson Eski Saksonyaca Alt frankoniyen (Eski İngilizce)
Frizce Orta İngilizce Orta Alt Almanca Orta Hollandaca
Modern İngilizce Alt Almanca Hollandaca, Flaman c.1700-1900 AD
Şekil 1: Hint-Avrupa dil ağacı. Hintçe, Germanik dillerc Romence ve diğer birçok Avrupa dilinin bu aileye ait olduğu görülse de, Fince, Estonya dili ve
Macarca bu aileye ait değildir: bu diller Ural dil grubuna bağlıdır.
www.scienceinschool.org
Science in School Issue 17 : Winter 2010
29
Pu
blicd
om
ain
image;im
ageso
urc
e:W
ikim
edia
Com
mon
s
DNA’nın farklı alanlarına dikkat
ediniz- kodlanan ve kodlanmayan
alanlar- farklı hızlarda geliştiriniz.
Genel olarak, kodlanan alanlar daha
yavaş bir şekilde gelişir, çünkü, bir
proteinde değişikliğe neden olan bir
mutasyon organizma için genellikle
daha değerlidir- bu organizmanın
hayatta kalması ve ürün vermesi
daha az olasıdır. Bu “Mobil DNA”
etkinliğinde tartışılmıştır.
“Homoloji” kavramını örneklerle açıklamak
için, filoloji (dillerin evrimleşmesinin
çalışılması) örneğini kullanabilirsiniz.
Aslında, dil ve organizmaların evrimini
araştırmak için kullanılan yöntemler
arasında pek çok benzerlik vardır.
DNA parçaları arasındaki dizi benzerliklerini
araştırmak, iki dilde aynı şeyin hangi
sözcüklerle anlatıldığını araştırmaya
benzer..
Table 1: Hint-Avrupa Dillerinde “kedi”sözcüğü
Ermenice gatz
Baskça katu
Hollandaca kat
İngilizce cat
Estonyaca kass
Fince kissa
İzlandaca kottur
İtalyanca gatto
Norveçce katt
Polonyaca kot
Portekizce gato
Rusça kot
İspanyolca gato
İsveçce katt
“Kedi” için İtalyanca, İspanyolca ve
Portekizce dilinde kelimelerin neredeyse
aynı olduğunu görebilirsiniz: gatto, gato
and gato. Hem İsveççede hem de
Norveççede, kelime “katt” tır, Fincede farklı
olduğunu görebilirsiniz: ‘kissa’. İsveç ve
Norveç gibi Finlandiya da bir İskandinav
ülkesi olmasına rağmen ‘kedi’ için Fince
kelime Estony dilindeki ‘kass’kelimesine
daha benzerdir. Aslında bu iki dil birbiri ile
daha yakından ilişkilidir. Bu yüzden
kelimelerin nasıl zamanla değiştiğini
araştırarak diller arasındaki ilişkiyi bir nebze
öğrenebilirsiniz.
Haeckel’in hayat ağacı (İnsanın Evrimi’nden, 1879)
30 Science in School Issue 17 : Winter 2010
www.scienceinschool.org
Öğretim aktiviteleri
Primatların filogenetik ağacının
oluşturulması
Bu etkinlikte, primatlardan beş
homolog DNA dizisi kullanarak
filogenetik ağaç oluşturacağız. Diziler
tamamen bizim tarafımızdan
uydurulduğundan, gerçek veriler için
daha uzun diziler gerektiren ve
genetik mesafenin hesaplanmasını
sağlayan filogenetik ağaç yaratamayız.
Ama yine de, primat ilişkilerini
mantıklı bir şekilde tam doğru olarak
anlamak için bu kurgusal diziler (Tablo
2) seçilmiştir.
Not: Bu etkinliği tamamlamak için
öğrencilerin gereksinim duyduğu
bütün çizelgeler Science in School’un
web sayfasından indirilebilirw2
.
1. İki dizi arasındaki farkları sayınız ve
Tablo 4’e kaydediniz. Her diziyi yan
yana kıyaslarsanız bunu yapmak daha
kolaydır. Örneğin, Neanderthaller ve
insanlar 3 nükleotid dizisinde farklılık
göstermektedir (Tablo 3a), oysa
şempanzeler ve goriller 11 noktada
farklılık göstermektedir (Tablo 3b).
Bütün canlı türleri için bu şekilde
karşılaştırma ve dizi farklılıklarını
(Tablo 4) Science in School’un web
sayfasından indirebilirsenizw2
. İki dizi arasındaki farklı nükleotidlerin
toplam sayısı ile her dizideki toplam
nükleotid sayısına bölümü (bu
durumda, 46) oransal uzaklığı verir.
2. Dizileri en çok benzerlik gösteren
iki tütü dikkate alınız: Neanderthal ve
insan. Tablo 5’te, nükleotid farklılık
sayısını (3) ve oransal farklılıkları
kaydediniz (3/46=0.065).
İki türün “ortak benzer disizi” onların
ortak ataları olduğu varsayılır. Bu
egzersizde, Neanderthaller ve insanlar
arasındaki ortalama diziyi doğrudan
hesaplamıyoruz, ancak Neanderthal/
insan atası ve gruptaki diğer primatlar
arasındaki evrim uzaklığını buluyoruz.
Tablo 2: Primatlardan 5 DNA dizisi
Primat Dizi
Neandertal (n) TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
İnsan (h) TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC
Şempanze (c) TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
Goril (g) TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
Orangutan (o) ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC
Tablo 3a: Neandertal ve insan dizilerinin karşılaştırılması
Neandertal TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC
İnsan TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC Tablo 3b: Şempanze ve goril dizilerinin karşılaştırılması
Şempanze TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC
Goril TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC
Tablo 4: Primatlar arasında dizi farkı
Neandertal İnsan Şempanze Goril Orangutan
Neandertal 0 3
İnsan 3 0 Şempanze 0 11 Goril 11 0 Orangutan 0 Tablo 5: Primat ataları ile primatlar arasında evrimsel uzaklık
Differences Proportional difference
Neandertal ve insan 3 3/46 = 0.065
Neandertal / insan ve şempanze
Neandertal / insan / şempanze ve goril
Neandertal / insan / şempanze / goril ve orangutan
Tablo 6a: Neandertal/insan atası ve diğer primatlar arasındaki dizi farkı
Neandertal Şempanze Goril Orangutan / insan
Neanderthal 0 (4+5)/2 = 4.5 (11+12)/2=11.5 / human
Chimpanzee (4+5)/2 = 4.5 0
Gorilla ( 11+12)/2=11.5 0
Orangutan 0
www.scienceinschool.org
Science in School Issue 17 : Winter 2010
31
Resi
m: Te
mpelm
eis
ter/
pix
elio.d
e
3. Neanderthallerin ve insanların ve
diğer primat türlerinin ortalama
dizilimi arasındaki uzaklığı hesapla-
yınız ve verileri Tablo 6a’ya giriniz.
Neanderthaller ile Şempanzeler
arasında dört fark; insan ve
şempanzeler arasında ise beş fark
vardır. Böylece Neanderthal/insan ve
şempanzeler arasında ortalama
uzaklık 4.5’tir.
Neanderthal ile goril arasında 11
farklılık ve insan ile goril arasında ise
12 farklılık vardır. Böylece
Neanderthal/insan ve şempanzeler
arasında ortalama uzaklık 11.5’tir.
4. Önceki gibi, bu farklılıklar her bir
dizideki nükleotidlerin sayısı ile
bölünerek oransal farklılıklara
Resim: Nicola Graf
0.065
0.098
12.5 10 7.5 5 2.5 0
Zaman (milyon yıl)
Şekil 2: Eksik filogenetik ağaç
İnsan
Neandertal
Şempanze
dönüştürülebilir (46). Neanderthaller/
insanlar ve diğer primat türlerinin
ortalama dizilimi arasındaki oransal
farklılıkları hesaplayınız. Hesaplama-
larınızı Tablo 5’te yerleştiriniz.
Şempazeler için, Neanderthal/insan
atadan orantılı mesafe 4.5/46=0.98.
Tablo 5’i kullanarak, evrim ağacını
oluşturmaya başlayabilirsiniz.
5. Neanderthaller ile insanları bir çizgi
ile birleştiriniz. Dal uzunluğu onların
ortak atalarından ne kadar zaman
önce ayrıldıklarını göstermektedir. Bu özel örneğimizde, DNA
dizisindeki bir nükleotidin farklı
olmasının 20 milyon yıl alacağını
varsayalım. Böylece DNA dizisinin
0.065’lik değişimi, 0.065x20
milyon=1.3 milyon yıl alacaktır. Dal,
bu nedenle zaman ölçeğinde 1.3
milyon yıl olarak ölçülmelidir (bkz.
Şekil 2).
6. Hesaplamalara devam ediniz. 3’ten
6’ya kadar olan basamakları
tekrarlayınız ve Neanderthal/insan/
şempanze atalarının ne kadar zaman
önce goril ve orangutandan ayrıldığını
hesaplayınız.
32 Science in School Issue 17 : Winter 2010
Daha sonra Neanderthal/insan
/şempanze/goril atasının orangutan-
dan ne kadar zaman önce ayrıldığını
hesaplayınız. Sonuçları Tablo 5’e giriniz.
Yardıma ihtiyaç duyarsanız, Science in
School ‘un web sayfasından prosedürü
aşama aşama indirebilrsiniz.
Filogenetik ağacı bitirmek için aşağıda
gösterildiği gibi tamamlanmış Tablo 5’i
kullanınız..
Sorular
Öğrencilerinizin etkinliği anlayıp
anlamadıklarını test etmek için
aşağıdaki soruları kullanabilirsiniz.
Cevaplar Science in School’un web
sitesinden indirilebilirw2
.
1. Filogenetik ağacınızda, goriller
ve insanlar kaç yıl önce ortak bir
atadan ayrılmıştır?
2. Ağacınızdaki bu ve diğer
tahminlerin doğru olup olmadığını
anlayabiliyor musunuz?
3. Niçin DNA’nın farklı alanlarını
kullanarak oluşturulan filogenetik
ağaçlar farklı görünebilir?
4. Birbiri ile yakından ilişkili olan organizmaları
kıyaslamak için DNA’nın hangi kısımlarını
kullanmalısınız?
5. Evrimsel olarak birbirinden uzak olan
organizmaları kıyaslamak için ne tür
genler kullanmalısınız?
6. İki diziyi kıyaslıyor ve birinde silinme
veya eklenme (delesyon veya insersiyon)
olduğunu görürseniz ne yaparsınız?
7. Çok farklı olan organizmaları bu basit
kıyaslama metodu ile kıyaslayabilir
miyiz? Tek bir nükleotid farkının ortya
çıkmasının 20 milyon yıl aldığını
varsaydığımızı düşünün.
8. Evrim uzaklığını hesaplayan bu
metodu kullanmanın çok iyi
olmamasının diğer nedenlerini
düşünebiliyor musunuz?
9. Daha uzak organizmalarla
çalışıyorsanız, DNA dizilimine göre
amino asit dizilimlerini kıyaslamanın
daha iyi olma nedenlerini düşünebiliyor
musunuz?
www.scienceinschool.org
Resi
m: Te
mpelm
eis
ter,Ste
ph
an
Fra
nzX
averD
ietl
,Ste
ph
an
Hah
nel/
pix
elio.d
e
Resi
m: Ste
ph
an
Fra
nzX
averD
ietl
/pix
elio.d
e
Öğretim aktiviteleri
Resim: Nicola Graf
0.098
0.065
İnsan
Neandertal
w2 – Bu aktivite için gerekli olan tüm
tabloları ve sorulara verilmiş olan
cevapları ve basamak-basmak
prosedürleri buradan indirebilirsiniz.
0.317
0.245 Şempanze
Goril
Kaynaklar
The website of the US National Center for Biotechnology Information (NCBI) websayfası filogenetiğe giriş ile
ilgili bilgiler sunmaktadır. Bkz::
12.5 10 7.5 5 2.5 0
Zaman (milyon yıl)
Şekil 3: Tam filogenetik ağaç
Orangutan www.ncbi.nlm.nih.gov/About/ primer/phylo.html
Protein dizilerini kullanarak filogenetik
ağaçları oluşturmayı öğrenmek için
bkz.: http://users.rcn.com/ jkimball.ma.ultranet/BiologyPages veya direk link: http://tinyurl.com/2wqp7nq
10. Bu alıştırmada birbirinden
ayrılarak başkalaşım geçiren 5 primat
türünü anlama üzerinde yoğunlaştık
(ağaç ölçeği). Çoğu kez, ayrılan
türlerde sırayı bile bilmiyoruz (ağaç
şekli). Örneğin, insanlar ile
şempanzelerin ilişkisinin goril ile
şempanzelerin arasında olan ilişkiden
daha yakın ilişkili olduğunu nasıl
bilebiliriz? Eğer ikinci bahsedilen
doğruysa, dizi farkı nasıl farklılık
gösterecektir? (Tablo 4).?
Teşekkür
Bu etkinlik, Avrupa Yaşam Bilimleri
Öğrenme Laboratuvar (ELLS)w1
ile
Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuarı
E-STAR Fellows arasında özel bir
işbirliği içinde geliştirilmiştir. Kleopatra
Kozlowski, Avrupa Komisyonunun
Erken Evre Araştırmacılar için olan 6.
Çerçeve Programı Marie Curie e-STAR
burs ile desteklenmiştir.
(MEST-CT-2004-504640).
Web referansları
w1 – Avrupa Yaşam Bilimleri
Öğğrenme Laboratuarı (ELLS) bir
eğitim tesis olup, ilköğretim ve lise
öğretmenlerine son teknolji moleküler
biyoloji metodlarını vermeyi
amaçlamaktadır. ELLS ayrıca
öğretmenlerin bilim adamları ile
çalışması için de fırsatlar sunmaktadır.
Burada verilmiş olan aktivite bu
bvağlamdadır. Daha çok bilgi için:
www.embl.org/ells
Evrimsel süreci izleyerek bir grup bilm
insanının yeni evrim ağacını nasıl
oluşturduklarını görmek için bkz.:
Hodge R (2006) A new tree of life.
Science in School 2: 17-19. www.scienceinschool.org/2006/ issue2/tree The Interactive Tree Of Life, filogenetik
ağaçların görüntülenmesi ve
manipülasyonu için kullanılan online bir
araçtır. Daha detaylı bilgi için bkz.;: http://itol.embl.de Science in School’da evrimle ilgili diğer
makaleler için, bkz:
www.scienceinschool.org/evolution
www.scienceinschool.org
Science in School Issue 17 : Winter 2010
33