2022 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü  komite tarafından Svante Pääbo’ya

Soyu tükenmiş homininlerin genomları ve insan evrimi ile ilgili keşifleri için

verildi.

İnsanlık her zaman kökenleriyle ilgilendi. Biz nereden geliyoruz ve bizden öncekilerle nasıl bir ilişkimiz var? Bizi Homo sapiens'i diğer homininlerden farklı kılan nedir  ?

Öncü araştırması sayesinde Svante Pääbo, görünüşte imkansız görünen bir şeyi başardı: günümüz insanının soyu tükenmiş bir akrabası olan Neandertal'in genomunu sıralamak. Ayrıca daha önce bilinmeyen bir hominin olan Denisova'nın sansasyonel keşfini yaptı.  Daha da önemlisi, Pääbo , yaklaşık 70.000 yıl önce Afrika'dan göçün ardından, şimdi soyu tükenmiş bu homininlerden Homo sapiens'e gen aktarımının gerçekleştiğini de keşfetti  . Günümüz insanlarına giden bu eski gen akışı, örneğin bağışıklık sistemimizin enfeksiyonlara nasıl tepki verdiğini etkilemek gibi, günümüzde fizyolojik bir öneme sahiptir.

Pääbo'nun ufuk açıcı araştırması, tamamen yeni bir bilimsel disiplinin doğmasına yol açtı; paleogenomik . Keşifleri, tüm yaşayan insanları soyu tükenmiş homininlerden ayıran genetik farklılıkları ortaya çıkararak, bizi benzersiz bir şekilde insan yapan şeyin araştırılması için temel sağlar.

Nereden geliyoruz?

Kökenimiz ve bizi benzersiz kılan şey, eski zamanlardan beri insanlığı meşgul ediyor. Paleontoloji ve arkeoloji, insan evrimi çalışmaları için önemlidir. Araştırmalar, anatomik olarak modern insan  Homo sapiens'in  ilk olarak yaklaşık 300.000 yıl önce Afrika'da ortaya çıktığını, en yakın akrabalarımız olan Neandertallerin ise Afrika dışında geliştiğini ve yaklaşık 400.000 yıldan 30.000 yıl öncesine kadar Avrupa ve Batı Asya'ya yerleştiğine dair kanıt sağladı. nesli tükendi. Yaklaşık 70.000 yıl önce,  Homo sapiens  grupları Afrika'dan Orta Doğu'ya göç etti ve oradan dünyanın geri kalanına yayıldı. homo sapiens ve Neandertaller böylece on binlerce yıl boyunca Avrasya'nın büyük bir bölümünde bir arada yaşadılar. Ama soyu tükenmiş Neandertallerle olan ilişkimiz hakkında ne biliyoruz? İpuçları genomik bilgiden elde edilebilir. 1990'ların sonunda, neredeyse tüm insan genomu dizilendi. Bu, farklı insan popülasyonları arasındaki genetik ilişkinin daha sonraki çalışmalarına izin veren önemli bir başarıydı. Bununla birlikte, günümüz insanlarıyla soyu tükenmiş Neandertaller arasındaki ilişkinin araştırılması, arkaik örneklerden elde edilen genomik DNA'nın dizilenmesini gerektirecektir.

Görünüşte imkansız bir görev

Svante Pääbo, kariyerinin başlarında, Neandertallerin DNA'sını incelemek için modern genetik yöntemleri kullanma olasılığı karşısında büyülendi. Bununla birlikte, çok geçmeden aşırı teknik zorlukları fark etti, çünkü zamanla DNA kimyasal olarak değiştirilir ve kısa parçalara ayrışır. Binlerce yıl sonra geriye sadece eser miktarda DNA kalır ve geriye kalanlar, bakterilerden ve çağdaş insanlardan gelen DNA ile büyük ölçüde kirlenir (Şekil 1). Evrimsel biyoloji alanında öncü olan Allan Wilson ile doktora sonrası öğrencisi olan Pääbo, birkaç on yıl süren bir çaba olan Neandertallerden DNA'yı incelemek için yöntemler geliştirmeye başladı.

Şekil 1. DNA, hücrede iki farklı kompartmanda lokalizedir. Nükleer DNA, genetik bilginin çoğunu barındırırken, çok daha küçük mitokondriyal genom binlerce kopya halinde bulunur. Ölümden sonra, DNA zamanla bozulur ve sonuçta sadece küçük miktarlar kalır. Aynı zamanda, örneğin bakterilerden ve çağdaş insanlardan gelen DNA ile kontamine olur.

1990'da Pääbo, yeni atanan bir Profesör olarak arkaik DNA üzerindeki çalışmalarına devam ettiği Münih Üniversitesi'ne alındı. Kendi DNA'larını içeren hücrelerdeki organeller olan Neandertal mitokondrilerinden DNA'yı analiz etmeye karar verdi. Mitokondriyal genom küçüktür ve hücredeki genetik bilginin yalnızca bir kısmını içerir, ancak binlerce kopya halinde bulunur ve başarı şansını artırır. Pääbo, rafine yöntemleriyle 40.000 yıllık bir kemik parçasından mitokondriyal DNA bölgesini sıralamayı başardı. Böylece ilk kez soyu tükenmiş bir akrabadan bir diziye erişebildik. Çağdaş insanlarla ve şempanzelerle yapılan karşılaştırmalar, Neandertallerin genetik olarak farklı olduğunu gösterdi.

Neandertal genomunun dizilenmesi

Küçük mitokondriyal genomun analizleri yalnızca sınırlı bilgi verdiğinden, Pääbo şimdi Neandertal nükleer genomunu dizileme gibi muazzam bir zorluğu üstlendi. Bu sırada kendisine Almanya'nın Leipzig kentinde bir Max Planck Enstitüsü kurma şansı sunuldu. Yeni Enstitüde, Pääbo ve ekibi, arkaik kemik kalıntılarından DNA'yı izole etme ve analiz etme yöntemlerini sürekli olarak geliştirdi. Araştırma ekibi, DNA dizilişini oldukça verimli hale getiren yeni teknik gelişmelerden yararlandı. Pääbo ayrıca popülasyon genetiği ve gelişmiş dizi analizleri konusunda uzmanlığa sahip birkaç kritik işbirlikçiyle çalıştı. Onun çabaları başarılı oldu. Pääbo, görünüşte imkansız olanı başardı ve 2010'da ilk Neandertal genom dizisini yayınlayabildi. Karşılaştırmalı analizler, Neandertallerin en son ortak atasının ve Homo sapiens  yaklaşık 800 bin yıl önce yaşadı.

Şekil 2. A. Pääbo, soyu tükenmiş homininlerden alınan kemik örneklerinden DNA çıkardı. İlk olarak, Neandertallere adını veren Almanya'daki Neandertal'den bir kemik parçası elde etti. Daha sonra, Güney Sibirya'daki Denisova Mağarası'ndan, Denisovalılara adını veren siteden bir parmak kemiği kullandı. B. Homo sapiens ile soyu tükenmiş homininler arasındaki evrimi ve ilişkiyi gösteren filogenetik ağaç. Filogenetik ağaç aynı zamanda Pääbo tarafından keşfedilen gen akışlarını da gösterir.

Pääbo ve iş arkadaşları artık Neandertaller ile dünyanın farklı bölgelerinden günümüz insanları arasındaki ilişkiyi araştırabilirler. Karşılaştırmalı analizler, Neandertallerden elde edilen DNA dizilerinin, Afrika kökenli çağdaş insanlardan ziyade Avrupa veya Asya kökenli çağdaş insanlardan alınan dizilere daha fazla benzediğini gösterdi. Bu, Neandertallerin ve  Homo sapiens'in  bin yıllık bir arada yaşamaları sırasında iç içe geçtikleri anlamına gelir. Avrupa veya Asya kökenli modern insanlarda, genomun yaklaşık %1-4'ü Neandertallerden kaynaklanmaktadır (Şekil 2).

Sansasyonel bir keşif: Denisova

2008 yılında Sibirya'nın güneyindeki Denisova mağarasında 40.000 yıllık bir parmak kemiği parçası keşfedildi. Kemik, Pääbo'nun ekibinin sıraladığı, son derece iyi korunmuş DNA içeriyordu. Sonuçlar sansasyon yarattı: DNA dizisi, Neandertallerden ve günümüz insanından gelen bilinen tüm dizilerle karşılaştırıldığında benzersizdi. Pääbo, Denisova adı verilen daha önce bilinmeyen bir hominin keşfetmişti. Dünyanın farklı bölgelerindeki çağdaş insanlardan alınan dizilimlerle yapılan karşılaştırmalar, Denisova ve  Homo sapiens arasında da gen akışının meydana geldiğini gösterdi . Bu ilişki ilk olarak, bireylerin %6'ya kadar Denisova DNA'sı taşıdığı Melanezya ve Güney Doğu Asya'nın diğer bölgelerindeki popülasyonlarda görüldü.

Pääbo'nun keşifleri, evrimsel tarihimize dair yeni bir anlayış yarattı. Homo sapiens'in Afrika'dan göç ettiği   sırada, en az iki soyu tükenmiş hominin popülasyonu Avrasya'da yaşıyordu. Neandertaller batı Avrasya'da yaşarken, Denisovalılar kıtanın doğu kısımlarını doldurdu.  Homo sapiens'in Afrika dışına yayılması ve doğuya göçü sırasında,  sadece  Neandertallerle değil, Denisovalılarla da karşılaşıp iç içe geçtiler (Şekil 3).

Paleogenomik ve önemi

Svante Pääbo, çığır açan araştırmalarıyla tamamen yeni bir bilimsel disiplin olan  paleogenomik'i kurdu . İlk keşiflerin ardından, grubu soyu tükenmiş homininlerden birkaç ek genom dizisinin analizini tamamladı. Pääbo'nun keşifleri, insan evrimini ve göçü daha iyi anlamak için bilim topluluğu tarafından yaygın olarak kullanılan benzersiz bir kaynak oluşturmuştur. Dizi analizi için yeni güçlü yöntemler, arkaik homininlerin  Afrika'da Homo sapiens  ile karışmış olabileceğini gösteriyor. Bununla birlikte, tropikal iklimlerde arkaik DNA'nın hızlandırılmış bozunması nedeniyle Afrika'daki soyu tükenmiş homininlerden hiçbir genom dizilemedi.

Svante Pääbo'nun keşifleri sayesinde artık soyu tükenmiş akrabalarımızdan gelen arkaik gen dizilerinin günümüz insanının fizyolojisini etkilediğini anlıyoruz. Böyle bir örnek, yüksek irtifada hayatta kalma avantajı sağlayan ve günümüz Tibetliler arasında yaygın olan EPAS1 geninin Denisova versiyonudur. Diğer örnekler, farklı enfeksiyon türlerine karşı bağışıklık tepkimizi etkileyen Neandertal genleridir.

Şekil 3. Pääbo'nun keşifleri, Homo sapiens'in Afrika'dan göç edip dünyanın geri kalanına yayıldığı sırada dünyanın nasıl nüfuslu olduğu hakkında önemli bilgiler sağlamıştır. Avrasya kıtasında batıda Neandertaller, doğuda Denisovanlar yaşıyordu. Homo sapiens, DNA'mızda kalan izler bırakarak kıtaya yayıldığında melezleşme meydana geldi.

Bizi benzersiz bir şekilde insan yapan nedir?

Homo sapiens, karmaşık kültürler, gelişmiş yenilikler ve figüratif sanat yaratma konusundaki benzersiz kapasitesinin yanı sıra açık suları geçme ve gezegenimizin her yerine yayılma yeteneği ile karakterize edilir (Şekil 4). Neandertaller de gruplar halinde yaşadılar ve büyük beyinleri vardı (Şekil 4). Aletleri de kullandılar, ancak bunlar yüz binlerce yıl boyunca çok az gelişti. Homo sapiens ile soyu tükenmiş en yakın akrabalarımız arasındaki genetik farklılıklar, Pääbo'nun ufuk açıcı çalışmasıyla tanımlanıncaya kadar bilinmiyordu. Devam eden yoğun araştırmalar, bizi benzersiz kılan şeyin ne olduğunu açıklamaya yönelik nihai hedefle bu farklılıkların işlevsel çıkarımlarını analiz etmeye odaklanır.

Şekil 4. Pääbo'nun ufuk açıcı çalışması, bizi benzersiz şekilde insan yapan şeyin ne olduğunu açıklamak için bir temel sağlar.

Svante Pääbo , 1955 yılında Stockholm- İsveç'te doğdu. Doktora tezini 1986'da Uppsala Üniversitesi'nde savundu ve İsviçre Zürih Üniversitesi'nde ve daha sonra Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley, ABD'de doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı. 1990'da Almanya'nın Münih Üniversitesi'nde Profesör oldu. 1999'da Almanya'nın Leipzig kentinde Max Planck Evrimsel Antropoloji Enstitüsü'nü kurdu ve halen faaldir. Ayrıca Japonya'daki Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nde yardımcı doçent olarak görev yapmaktadır.

Çizimler: © Nobel Fizyoloji veya Tıp Komitesi. İllüstratör: Mattias Karlén

Kaynak

1. MLA style: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. Nobel Prize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Tue. 4 Oct 2022.

2. Illustrations: © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén