Biyolojik veri tabanlarını kullanarak evrimi ve biyokimyayı öğretmek Teach article

Author(s): Germán Tenorio
Translator(s): Tuğçe Kaymaz, Hikmet Geçkil

Çevrimiçi araçlar protein dizilerini karşılaştırmak ve farkı organizmaların nasıl evrimleştiğini anlamak için kullanılabilir.

Crystal structure of
Cytochrome c.
Image courtesy of Klaus
Hoffmeier/ Wikimedia
commons

Bilim adamları geçmişte evrimsel analizleri fenotipler olarak bilinen fosil kayıtlarda bulunan türlerin fiziksel karakterlerini karşılaştırarak uyguladılar.

Moleküler saat düşüncesi iki türün ortak bir atadan ıraksandığı zaman ne kadar uzunsa onların DNA ya da protein dizilerinin o kadar farklı olacağı gözleminden doğmuştur (kritiği için, bakınız Bromham & Penny, 2003).

Diğer bir deyişle ortak bir ataya sahip olan iki organizmanın homolog gen ya da protein dizilerini karşılaştırarak organizmaların zaman biribirinden farklılaşıp ayrıldığını ölçebilirsiniz. Bir filogenetik ağaçta bu gösterilebilir.

İki genin nasıl benzer olduğunu sorgulamak için onların dizilerine sahip olman ve onları doğru şekilde hizalaman gerekir (Koslowski, 2006). Bu dizileri elde etmek gerçekten zordu, fakat artık değil.

Öğrencileriniz muhtemelen her şeyin internette olduğunu söylemişlerdir ve bu kez onlar haklı. İnternette gerçek araştırma verilerini bulunduran ücretsiz olarak ulaşılabilen çeşitli biyolojik veritabanları vardır fakat bu etkinlik için özellikle iki kaynak kullanacağız.

Bethesda, MD, ABD Ulusal Bitoteknoloji Bilgi Merkezi(NCBI)^w1 biyomedikal ve genetik bilgiye erişimi sağlarken, Hinxton, Birleşik Krallık’taki Avrupa Biyoenformatik Enstitüsü (EBI)^w2 yaşam bilimi deneylerinden uygun verileri sağlar ve hesaplamalıl biyolojideki temel araştırmayı uygular. NCBI veritabanı zaten dizilenmiş olan gen ya da proteini dizisiyle birlikte sağlar ve siz daha sonra EBI’den dizileri hizalamak ve onları analiz etmek için araçları kullanabilirsiniz.

Etkinlik

Farklı organizmalar arasındaki ilişkileri araştırırken kullanacağınız gen ya da proteini dikkatlice seçmek önemlidir. Hemoglobin ya da sitokrom cproteinleri gibi iyi bilinen kullanılabilir birkaç homolog gen vardır ve bu etkinlikte biz ikincisini yani sitokrom c’yi kullanacağız. Sitokrom c mitokondrilerde elektron taşıma zincirinin merkezi parçası olan demir içeren küçük bir proteindir. Tüm aerobik organizmalar sitokrom c’yi ilk kullanan ortak bir atadan evrimleşmiştir bu yüzden bu protein bizim amacımız için iyi bir seçimdir^w3.

Bu etkinlik üç farklı kısımda uygulanır:

farklı organizmalardaki sitokrom c’nin amino asit dizisini bulma,
onları hizalama ve
filogenetik ağaç oluşturma.

Son olarak evrimsel ilişkilerin araştırılmasına gösteren bazı sorular mevcuttur.

Protein dizilerini bulma

NCBI web sayfasına^w1 gidin.
Sayfanın üstündeki arama kısmında açılan menüde protein’i seçin
Türün adını yazın, örneğin Homo sapiens ve sitokrom c.
Arama butonunu tıklayın.
Yeni bir sayfa senin arama sonuçlarını listeleyecektir. Onların çoğu farklı kaynaklardan aynı dizidir fakat diğerleri farklı tür ya da proteine ait kısmi diziler olabilir. İlgili proteini dikkatlice seçin ve “FASTA” etiketinin altındaki bağlantının üzerini tıklayın.
Yüklenen yeni sayfadan amino asitleri gösteren büyük harfler dizisini kopyalayın. Harfleri, Word dosyasına yapıştırın, diziyi geldiği organizmanın adıyla birlikte etiketlemeyi unutmayın.
Bu durum, öğrencilerinizle neyi araştırmak istediğinize bağlı olarak arzu ettiğiniz kadar çok organizma için de geçerlidir. İnsanların nasıl evrimleştiğini görmek için farklı primatları ya da yaşamın genelde nasıl evrimleştiğini görmek için beş geleneksel alemden organzimaları dahil edebilirsiniz. Bu etkinlikte 3 hayvan, 2 bitki, 2 alg, bir fungus (mantar) ve bir protozoa kullanılacaktır.

Dizileri hizalama

Avrupa Biyoenformatik Enstitüsü (EBI) websitesine^w2 gidin ve “Services”ın üzerini tıklayın. Ardından “proteins”leri seçin.
Clustal Omega’nın üzerini tıklayın. Word dosyanızdan yazıyı kopyalayın ve “STEP 1” olarak işaretli kutuya yapıştırın.
STEP 2’de hizalama çıktısı için her dizinin uzunluğunu gösterecek olan ‘Clustal w/ numbers’ gibi bir format seçin. Son olarak STEP 3’ü tamamlamak için “Submit”in üzerini tıklayın.
Çoklu diziler için hizalanmalar yeni bir pencerede gözükecektir. Yapabileceğin ilk şey renkleri göstermek için tıklamaktır. Bu seçenek her amino asit için aynı rengi verecektir bu yüzden onları belirlemek daha kolaydır.
Hizalamayı analiz etmek için takip eden sembolleri aklınızda tutun: bir yıldız (*) o konumda dizilerin özdeş olduğu anlamına gelmektedir; iki nokta üst üste (:) korunan bölgeleri gösterir (aynı renk grubu); ve nokta (.) yarı-korunumlu bölge anlamına gelir (benzer şekiller). Renkler amino asitleri özelliklerine göre gruplandırır. Kırmızılar küçük, hidrofobik, aromatik; maviler asidik; magentalar (mora çalanlar) bazik; yeşiller hidroksil, amin, amid, bazik ve griler geri kalanıdır.
Eğer “Result Summary” seçeneğini tıklarsanız hizalamadan sonra farklı organizmalar arasındaki korunan özdeşlik yüzdesini görebilirsiniz. Bu matriste sitokrom c protein dizisi için iki organizmanın benzerlik yüzdesini öğrenebilirsiniz. Ayrıca bilgisayarınızda Java™ varsa çoklu dizi hizalamasını yazımlama, görüntüleme ve analiz için ücretsiz Jalview programını kullanabilirsiniz. Jalview ile sitokrom c’nin konsensus (korunmuş yani ortak) dizilerini ve farklı amino asitlerin korunma düzeyini görebileceksiniz.

Clustal Omega yazılımı bizim amacımızdan daha ileri matematiksel bilgi gerektiren farklı seçeneklere sahiptir. Clustal Omega’nın kullanımı hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, bakınız makale Sievers vd. (2011) tarafından.

Filogenetik ağaç Oluşturma

Clustal Omega’nın sonuçları içinde en altta “Phylogenetic tree”’nin üzerini tıklayın (Java™’nın bilgisayarınıza yüklenmiş olması gerekir).
Filogenetik bir ağaç ya da kladogram ağacını elde edebilirsiniz. Bir kladogramda, ağaç dallarının uzunlukları isteğe bağlı olmasına karşın, filogenetik ağaçta dalların uzunlukları proteinin zamanla ne kadar evrimleştiğini gösterir.

Daha fazla tartışma için

Homolog moleküller ıraksak evrimin bir örneğidir. Sitokrom c’yi kullanarak ıraksak evrimi nasıl açıklayabilirsiniz?
Hizalamalar, nükleotid (genler) ya da amino asit (protein) dizileri kullanılarak oluşturulabilir. Evrimsel ilişkileri araştırmak için DNA yerine niçin protein kullanmanın daha yararlı olduğunu düşünüyorsunuz?
Filogenetik ağaçlarda, ‘clade’ ortak bir ataya sahip olan tüm organizmalar tarafından oluşur. Klodogramınızdan bir örnek veriniz.
Sitokrom c’nin filogenetik analizlerine göre türleşme olayında en yakın zamanda hangi organizmalar muzdarip olmuştur? Türleşme olaylarının toplam sayısı nedir?
Niçin bazı amino asitler mutasyon sonucu değişirken diğerlerinin değişmediğini düşünüyorsunuz? Korunan amino asitlerin, onların kodonlarının hiç mutasyon geçirmediklerinden dolayı mı değişmediklerini düşünüyorsunuz?
Hizalamalarınızdaki korunan bu amino asitlerin birkaçını gösterin. İnternet üzerinde onların fonksiyonunu araştırın.

Terimler sözlüğü

Kladogram: İsteğe göre uzunlukları olan, türler arasındaki evrimsel ilişkiyi gösteren dallanmış bir diyagram.

Konsensus dizisi: Bilinen, bir seri dizi korunmuş dizi veya bir dizi hizalamasında her pozisyonda bulunan en sık amino asitlerin hesaplanan sırası.

Korunan amino asit: Çok sayıda organizmada bir polipeptitteki benzer amino asitler dizisi.

FASTA: Tek harfli kodlar kullanarak nükleotit ya da peptit dizilerinin metine dayalı temsil formatı. FASTA formatındaki bir dizi; dizi verileri satırları tarafından takip edilen tek satırla başlar. Tanım satırı dizi verilerinden büyüktür (>) sembolüyle ayrılır.

Homolog protein: Bazı organizmalar tarafından paylaşılan bu proteinler ortak bir atadan türemiştir.

Filogenetik ağaç: Dal uzunluklarının iki protein ya da gen arasındaki farkı belirttiği, türler arasındaki evrimsel ilişkiyi gösteren dallanmış bir diyagramdır.

Türleşme olayı: Atasal bir türün yeni türlere dönüştüğü an.

Teşekkürler

Yazar makalenin İngilizce dilbilgisini gözden geçirmeye yardımcı olduğu için meslektaşı María Isern’a teşekkür etmek istemektedir.

References

Bromhan L. Penny D. (2003) The modern molecular clock. Nature Reviews Genetics 5: 216-224
Kozlowski C. (2010) Bioinformatics with pen and paper: building a phylogenetic tree. Science in School 17: 28-33.
Sievers F. et al. (2011) Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal Omega. Molecular Systems Biology 7: 539

Web References

w1 – The US National Center for Biotechnology Information provides access to biomedical and genomic information.
w2 – The European Bioinformatics Institute provides freely available data from life science experiments, performs basic research in computational biology and offers an extensive user training programme, supporting researchers in academia and industry.
w3 – John Kimball has written an online biology textbook called ‘Taxonomy: Classifying Life’ that includes a chapter on ‘Phylogenetic trees’.

Resources

Kaliforniya Patoloji Müzesi Üniversitesi’nin “Evrimi Anlama” websitesi filogenetik ağaçların inşaa edilip okunması hakkında çok iyi bilgi vermektedir.
Sitokrom c’nin filogenetik ağaçlardaki kullanımı hakkında daha fazla bilgi için.
Avrupa’daki Protein Data Bank websitesi Avrupa Biyoenformatik Enstitüsüne aittir ve sitokrom c’nin 3D yapısını araştırmak ve görüntülemek için kullanılabilir.
Tree of Life websitesi senin etkileşimli olarak keşif yapmana ve Bay David Attenborough tarafından BBC’de yayınlanan Yaşam Ağacı televizyon dizisini izlemene imkan verir.

Author(s)

Germán Tenorio bitki ve moleküler biyoloji alanında doktora yaptı ve son on yıldır lise biyoloji öğretmeni olarak çalışmaktadır. O Colegio de San Francisco de Paula, Seville, İspanya’da Uluslararası Bakalorya Diploma programı Koordinatörü olmasının yanı sıra Bilim Başkanıdır.

Review

Biyoloji öğretmenleri bu makaleyi evrim biyolojisi, bilim tarihi, biyokimya ve genetik konularını birleştirmek için kullanabilirler. Bu makalenin büyük bir kısmını oluşturmak için öğrencilerin DNA’nın ve protein biyokimyasının temellerini anlaması önemlidir.

Bu makalede tanımlanan etkinlik öğrencileri bilimsel veritabanlarını kullanarak, gerçek araştırmalarda anatomi çalışmalarını motive etmelerinde önemlidir. Öğrencilerin filogenetik ve kladogram ağaçları arasındaki farkları anlamaları için sitokrom c ya da DNA gibi protein dizilerini karşılaştırarak laboratuvar dersinde küçük gruplarda çalışmaya yönlendirilebilirler. Biyoinformatik, ortaokulda farklı düzeylerde ‘içerik ve dille bütünleştirilmiş öğrenme’ gerçekleştirmek için çok yararlıdır (disiplinlerarası bir projede İngilizce, tarih ve fizik öğretmenleri gibi). Böyle farklı konuları birleştiren bu makale, böyle bir çalışmanın süreci ve kısıtlamaları hakkında da tartışmalar açabilir.

Biyolojik veri tabanlarını kullanarak evrimi ve biyokimyayı öğretmek Teach article