Mitokondriyal DNA (mtDNA) Nedir? Nasıl Kullanılır?

Mitokondriyal DNA (kısaca mtDNA), hücrelerimizin çekirdeği haricinde, mitokondri denen ve enerji üretimi için büyük moleküllerin oksijen ile yakılarak küçük moleküllere dönüştüğü organelde bulunan bağımsız DNA parçasına verilen isimdir. Kısacası ana genetik materyalimiz olan çekirdek DNA’sından bağımsız; ancak canlı genomu dahilinde sayılan bir DNA’dır. Çekirdekteki DNA iki taraftan da bilgi taşıdığı için, bazı kritik bilgiler muğlaklaşabilmekte, bu nedenle de analizi güçleştirebilmektedir. mtDNA‘yı özel kılan önemli bir unsur, neredeyse her zaman sadece dişiler tarafından, yani annenin soy hattından erkek ve dişi yavrulara aktarılmasıdır. Bu sayede, bu DNA içerisindeki genetik kodun evrimi takip edilerek, soy hatlarının dişi tarafı milyonlarca yıl geriye kadar götürülebilir. Böylece evrime dair çok önemli bilgiler alabilmekteyiz.

Ancak babalarımızı da yabana atmamak lazım: Babalar da, sadece erkek çocuklara da olsa, hiçbir annenin veremeyeceği Y kromozomunu vermektedirler. Tabii mitokondri, hem dişilerde hem erkeklerde bulunması ve buna rağmen neredeyse her zaman sadece annelerden gelmesi bakımından önem arz etmektedir. Mitokondriyal DNA (mtDNA) çalışmaları sayesinde modern popülasyonların yaşamış son ortak dişi atasını (“mitokondriyal Havva”yı), Y Kromozomu çalışmaları sayesinde modern popülasyonların yaşamış son ortak erkek atasını (“Y Adem’i”) bulmak mümkündür.

Ayrıca bu araştırmalar sayesinde popülasyonların evrimsel tarihlerinde en son ne zaman darboğaz etkisinden (popülasyonun aşırı küçüldüğü, zorlu dönemler) geçtiklerini, bu darboğazlardan kurtulduktan sonra nasıl toparlanıp yeniden yayıldıklarını araştırabiliriz. Belki bireysel olarak sizin için daha önemlisi, mtDNA üzerindeki bazı mutasyonların, çekirdek DNA’sına bakarak anlayamayacağımız hastalıkların teşhisinde görev alabiliyor olmasıdır. Sonuçta genetik bir malzemeden söz ediyoruz. Aslında mtDNA, çekirdek DNA’sına göre çok ama çok küçüktür: çekirdeğinizdeki genetik materyal yaklaşık 3.3 milyar baz çiftine sahiptir. mtDNA ise sadece 16.569 baz çiftine… Çekirdek DNA’nızda 20.000 civarında gen kodlanır (tüm genomun sadece %1-2’si genler olsa da…). mtDNA’da ise sadece 37 gen vardır, bunların 13 tanesi protein, 22 tanesi tRNA, 2 tanesi de rRNA üretimini kontrol eder. Çekirdek DNA’sının %1-2’lik gen barındırma durumuna nazaran, mtDNA’nızın %93’ü gen kodlamaktadır. Bugüne kadar nörolojik, gastrointestinal (sindirim kanalı), kardiyak (kalp), solunumsal, endokrinal (hormonal), oftalmolojik (görsel), hemotolojik (kan) 30’un üzerinde hastalık mtDNA ile ilişkilendirilmiştir. Bu nedenle önemlidir.

mtDNA; POLG ve POLG2 isimli genlerin kodladığı DNA polimeraz gama kompleksinin varlığıyla çoğalır. Bu bölünme, çoğu zaman çekirdekteki DNA’dan bağımsızdır; ancak kimi durumda (hücre bölünmesi gibi) mtDNA’nın bölünmesi durdurulabilir veya gerektiği zamanlarda başlatılabilir. mtDNA’nın kökenleri, Endosimbiyotik Kuram ile açıklanmaktadır. Yani ökaryotik (zarlı organellere sahip) canlılar, prokaryotik (zarlı organellere sahip olmayan) canlıların, başka prokaryotik canlıları endositoz ile içlerine almaları ancak sindirememeleri sonucu ve bazı diğer etmenler dahilinde simbiyotik yaşama geçmeleri sonucunda evrimleşmiştir. Mitokondri ve kloroplastların eskiden prokaryotik hücreler oldukları düşünülmektedir. Bu kuram, pek çok bulgu ile desteklenmektedir ve günümüzde en çok kabul edilen kuramlardan biridir. Şu an konumuz bu olmadığı için fazla ayrıntıya girmiyorum; ancak bir bilgi olarak, mtDNA’nın da tıpkı günümüzdeki modern prokaryotlar gibi halka şeklinde olduğunu bilmekte fayda vardır (ökaryotların çekirdeğinde bulunan çift sarmal DNA’dan farklıdırlar). Kısacası evet, mitokondri dediğimiz organel bir prokaryotun, diğeri ile simbiyotik ilişkisinin bir ürünüdür.

mtDNA Nasıl Kullanılır?

Her mitokondri’de 2 ila 10 arası mtDNA kopyası bulunur. Günümüz canlılarında, proteinlerin çok büyük bir kısmı çekirdekteki DNA tarafından kodlanır; ancak bulgular, bu kodların bir kısmının eskiden mtDNA’da bulunduğunu göstermektedir. Daha sonraki zamanlarda, transpozonal sıçrama denen bir olay sonucu mtDNA’daki bilgiler nükleer (çekirdektei) DNA’ya taşınmıştır.

Anneden Aktarım

Çok hücrelilerin çoğunda mtDNA yalnızca anneden gelmektedir. Bunun çok basit birkaç sebebi vardır: Spermde 100-1000 arası mtDNA bulunurken, yumurtada 100.000 ila 1.000.000 arası mtDNA bulunur. Ayrıca döllenme sırasında meydana gelen biyokimyasal tepkimeler, sperm mtDNA’sının çok büyük bir kısmının yumurtaya geçmesine engel olur. Ayrıca yumurta döllendikten sonra sperm ve mtDNA yumurta tarafından “yabancı madde” olarak algılanarak yok edilir. Zaten spermdeki mtDNA’nın çoğu, mitokondrilerin yoğunlukla bulunduğu kuyruk kısmındadır ve kuyruk çoğu zaman döllenme sırasında, mtDNA’larla birlikte, kaybedilir. Bu sebeple yavruya geçen mtDNA’nın kaynağı, annedir (istisnasından yazı sonunda bahsedeceğiz).

Evrimi Takip Etmek…

Bu durum, mtDNA’nın izleri takip edilerek bir canlının anne tarafının tamamının haritalanabilmesini sağlamaktadır. Aynı olgu, sadece erkekten alınabilen Y-kromozomu ile de yapılabilir; bu durumda da erkek tarafı belirlenir. Bu işlem, temel olarak mtDNA üzerinde bulunan HVR1 ve HVR2 genleri (toplamda 440 baz bulunur) ve bunlarının değişiminin takibiyle yapılır. Bu şekilde yapılan analizler sonucu, açık bir şekilde, günümüzdeki bütün köpeklerin atasının vahşi kurtlar olduğu ispatlanmıştır.

Mitokondriyal Havva (“Mitochondrial Eve”) denen olgu da, mtDNA’nın takibinin insanlara uyarlanmış versiyonudur. İnsandaki mtDNA geriye doğru takip edilerek, insanların atası aranmıştır. Bulgular açıkça göstermektedir ki, ortada birden bire meydana gelen bir erkek ve kadın yerine, sürekli olarak geriye giden ve gittikçe günümüz maymunlarının da atalarıyla yakınlaşan bir atadan evrimleşmişizdir. Yani bundan birkaç bin önceki nesil (her 100 yılda 2-3 nesil olduğunu unutmayınız) kesinlikle bir insan değildir. mtDNA, evrimin var olduğunun ve sürdüğünün çok açık bir ispatıdır.

mtDNA Hızlı Evrimleşir!

mtDNA’daki bilgiler sadece değişmekle kalmaz, çok hızlı değişir. Çünkü mtDNA’nın mutasyon hızı gerçekten çok yüksektir. Bunun sebebi de ökaryotik canlıların çekirdeğinde bulunan çift sarmal DNA’ya göre çok daha az korunması ve kontrol mekanizmalarının prokaryotlardaki gibi daha az gelişmiş olmasıdır. Bu da filogenetik araştırmaların kolaylaşmasını sağlar çünkü mtDNA’da meydana gelen mutasyonlar ve bireyler ve türler arasındaki farklılıkların takibi kolaylaşır. Farklı canlıların mtDNA’sı kıyaslanır ve buna göre Evrim Ağacı çıkarılır.

İstisna: Babalar da mtDNA Aktarabilir!

Küçük bir not olarak bildirmekte fayda vardır ki, nadiren mtDNA’nın erkek tarafından aktarıldığı da gözlenmiştir. Örneğin birkaç bal arısı türünde, meyve sineklerinde bu durum gözlenmiştir. Hatta insanda bile bu geçiş yakın geçmişte tespit edilmiştir.