Bir Nil timsahı, su yüzeyinin altında pusuya yatmanın ödülü olan impala’yı yutar. Husker liderliğindeki bir ekip, eski timsah atalarının hemoglobinini dirilterek, diğer omurgalıların, timsahların saatlerce havasız kalmasına izin veren uyarlamaları neden geliştiremediğini açıklamaya yardımcı oldu. Kredi: Cell Press / Current Biology / Shutterstock / Scott Schrage, University of Nebraska–Lincoln
Antik proteinler üzerinde yapılan deneyler, mutasyonların daha önce inanıldığından daha fazla sayıda ve nüanslı olduğunu ortaya koyuyor.
Bu, saatte 50’den fazla mil hızla zıplayabilir, tek bir sıçrayışta 30 küsur fit sıçrayabilir. Ancak bu platin madalyalı atletizm, 100 derecelik sıcakta bir içki içmek için hareketsiz kalan ürkek impala için ölüm kalım kaynağı olan Sahra altı bir nehir kıyısında yol kenarına düşüyor.
Son bir saattir, bir Nil timsahı sessizce çamurlu nehirde pusuya yatmış. Zirve avcısı saldırdığında, güçlü çeneleri, 5.000 librelik bir kuvvetle, şüphelenmeyen bir impalanın arka kısmına kenetlenir. Ancak gerçek silah, timsah avını boğulmak için derin sulara sürüklediği için suyun kendisidir.
Timsahın tuzağının başarısı, kan dolaşımından geçen nanoskopik dalış tanklarında – hemoglobinlerde – yatmaktadır. , oksijeni akciğerlerden dokulara yavaş ama sabit bir hızda boşaltarak saatlerce havasız kalmasına izin verir. Bu özelleşmiş hemoglobinin aşırı verimliliği, bazı biyologların, tüm dünyadaki tüm çeneli omurgalılar arasında nefesten en iyi şekilde yararlanmak için neden böylesine optimal bir çözüm bulan tek grubun timsahlar olduğunu merak etmelerine yol açtı.
{ 8}Nebraska-Lincoln Üniversitesi’nden Jay Storz ve meslektaşları, tüm timsahların ve kuşların 240 milyon yıllık atası olan bir arkozorun hemoglobinini istatistiksel olarak yeniden yapılandırarak ve deneysel olarak dirilterek, bunun nedenine ilişkin yeni içgörüler topladılar. Daha önceki araştırmalarda öne sürüldüğü gibi, yalnızca birkaç anahtar mutasyon gerektirmekten ziyade, timsah hemoglobinin benzersiz özellikleri, kırmızı kan hücrelerinin karmaşık bileşenlerini dolduran birbirine bağlı 21 mutasyondan kaynaklanıyordu.
Bu karmaşıklık ve birden fazla zincirleme etki Araştırmacılar, herhangi bir mutasyonun hemoglobinde meydana getirebileceği etkilerin, evrimsel bir yolu o kadar labirente benzetmiş olabileceğini ve doğanın on milyonlarca yıldan fazla bir süre sonra bile bu yolun izini sürmeyi başaramadığını söyledi.
“Madem bu kadar kolay bir numaraydı Çalışmanın kıdemli yazarlarından ve Nebraska’da biyoloji bilimleri profesörü Willa Cather olan Storz, “Yapması o kadar kolay olsaydı, sadece birkaç değişiklik yaparak herkes yapardı” dedi.
Tüm hemoglobin bağlanır. kan dolaşımında yüzmeden ve sonunda bu oksijeni ona bağlı olan dokulara salmadan önce akciğerlerdeki oksijenle. Çoğu omurgalıda, hemoglobinin oksijeni yakalama ve tutma eğilimi, büyük ölçüde, kendilerini hemoglobine bağlayarak onu değerli yükünü salması için ikna edebilen organik fosfatlar olarak bilinen moleküller tarafından belirlenir.
Fakat timsahlarda — timsahlar , timsahlar ve akrabaları – organik fosfatların rolünü, karbondioksitin parçalanmasından üretilen bir molekül olan bikarbonat aldı. Çalışkan dokular çok miktarda karbondioksit ürettikleri için, dolaylı olarak çok miktarda bikarbonat da üretirler, bu da hemoglobinin oksijene en çok ihtiyaç duyan dokulara dağıtımını teşvik eder.
“Süper verimli bir sistem, Storz, timsahların gemideki oksijen depolarını verimli bir şekilde kullanmalarına olanak tanıyan bir tür yavaş salınım mekanizması, dedi. “Su altında bu kadar uzun süre kalabilmelerinin bir nedeni de bu.”
Storz’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacılar olarak, Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore ve Naim Bautista, timsah hemoglobinin işleyişini çözmeye çoktan yardım etmişti. . Storz’un ekibi, Danimarka, Kanada, ABD ve Japonya’dan meslektaşlarının yanı sıra, oksijen taşıma mucizesinin nasıl ortaya çıktığına ilişkin çok disiplinli bir çalışma başlatmaya karar verdi.
Evrimini anlamak için önceki çabalar, bilinen mutasyonları dahil etmeyi içeriyordu. insan hemoglobini içine ve genellikle yetersiz olan herhangi bir işlevsel değişiklik arıyor. Kendi laboratuvarından elde edilen son bulgular, Storz’u yaklaşımın kusurlu olduğuna ikna etmişti. Ne de olsa insan hemoglobini ile günümüz timsahlarının evrimleştiği eski sürüngen yaratıklarınki arasında pek çok fark vardı.
“Önemli olan, mutasyonların içinde bulundukları genetik arka plan üzerindeki etkilerini anlamaktır. Bu, çağdaş türlerin proteinleri arasında yatay karşılaştırmalar yapmak yerine, atasal ve soyundan gelen proteinler arasında dikey karşılaştırmalar yapmak anlamına gelir” dedi.Ekip, dirilen hemoglobinlerin üçünü de laboratuvarda adım adım test ettikten sonra, yalnızca doğrudan timsah atasına ait hemoglobinde fosfat bağı olmadığını ve bikarbonat duyarlılığıyla övündüğünü doğruladı.
Arkozor ve timsahın hemoglobin taslaklarını karşılaştırarak atalar ayrıca amino asitlerdeki – esasen hemoglobin iskeletinin eklemlerindeki – önemli olduğu kanıtlanmış olabilecek değişikliklerin belirlenmesine yardımcı oldu. Bu mutasyonları test etmek için Storz ve meslektaşları, atalara ait arkozor hemoglobinine belirli timsahlara özgü mutasyonlar eklemeye başladılar. Ekip, arkozor hemoglobininin günümüz timsahınınkine daha çok benzemesine neden olan mutasyonları belirleyerek, bu benzersiz, timsaha özgü özelliklerden sorumlu olan değişiklikleri bir araya getirdi.
Geleneksel inanışın aksine, Storz ve meslektaşları hemoglobinin bikarbonat ve fosfatlara tepkisindeki gelişen değişikliklerin, farklı mutasyon dizileri tarafından yönlendirildiğini, böylece bir mekanizmanın kazancının diğerinin kaybına bağlı olmadığını keşfetti. Karşılaştırmaları ayrıca, birkaç mutasyonun fosfat bağlama bölgelerini çıkarmak için yeterli olmasına rağmen, fosfat duyarlılığını hep birlikte ortadan kaldırmak için birden fazla mutasyona ihtiyaç olduğunu ortaya çıkardı. Hemen hemen aynı şekilde, iki mutasyonun doğrudan bikarbonat duyarlılığının ortaya çıkmasına neden olduğu görüldü – ancak yalnızca hemoglobinin uzak bölgelerinde gözden kaçırması kolay diğer mutasyonlarla birleştiğinde veya bunlardan önce geldiğinde.
Storz, bulgular, mutasyonların bir kombinasyonunun, bireysel etkilerinin toplamını aşan işlevsel değişiklikler sağlayabileceği gerçeğini dile getiriyor. Kendi başına işlevsel bir etki yaratmayan bir mutasyon, çeşitli şekillerde, açık ve doğrudan sonuçları olan diğer mutasyonlara yol açabilir. Aynı şekilde, daha sonraki mutasyonların, uygun aşamayı belirleyen öncüller zaten yerinde olmadan çok az etki edebileceğini söyledi. Ve tüm bu faktörler, içinde ortaya çıktıkları ortam tarafından güçlendirilebilir veya engellenebilir.
“Bu karmaşık etkileşimlere sahip olduğunuzda, bu, belirli evrimsel çözümlere yalnızca belirli atalardan kalma başlangıç noktalarından erişilebileceğini gösteriyor,” dedi Storz. . “Atasal arkozor hemoglobini ile, günümüz timsahlarının hemoglobinlerinde gördüğümüz benzersiz özellikleri geliştirmeyi mümkün kılan genetik bir geçmişe sahipsiniz. Buna karşın, başlangıç noktası olarak memelilerin atalarından yola çıkarak, aynı özelliği evrimleştirmenin bir yolu olabilir, ancak bunun tamamen farklı bir moleküler mekanizma aracılığıyla olması gerekir çünkü siz tamamen farklı bir moleküler mekanizma içinde çalışıyorsunuz. yapısal bağlam.”
Storz, çalışmanın aynı zamanda timsahın performansını taklit edebilen ve performansına yaklaşabilen bir insan hemoglobini tasarlamanın zorluğunu açıklamaya da yardımcı olduğunu söylüyor.
“Yapabiliriz. ‘Tamam, esasen bu beş mutasyondan kaynaklanıyor’ deyin. Eğer insan hemoglobinini alırsak ve sadece bu mutasyonları uygularsak, tam olarak aynı özelliklere sahip bir taneye sahip oluruz ve biz de su altında iki saat kalabiliriz” dedi Storz. “Görünüşe göre durum böyle değil.
“Hayat ağacında buradan çıkamayan pek çok sorun var.”
Referans: “Evrim ve “crocodilian hemoglobin’in yeni bir allosterik özelliğinin moleküler temeli”, yazan Chandrasekhar Natarajan, Anthony V. Signore, Naim M. Bautista, Federico G. Hoffmann, Jeremy R.H. Tame, Angela Fago ve Jay F. Storz, 21 Aralık 2022, Current Biology.{ 3} DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.049
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edilmiştir.
.