2022 Nobel Fizyoloji/Tıp Ödülü | Mevlana Toplum ve Bilim Merkezi

İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, 2022 Nobel Fizyoloji/Tıp Ödülü

Svante Pääbo’ya

“Soyu tükenmiş homininlerin genomları ve insan evrimi”

hakkındaki keşiflerinden dolayı verildi.

Svante Pääbo

Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig, Germany, Okinawa Institute of Science and Technology, Okinawa, Japan

İnsanlık her zaman kökenlerini merak etti. Nereden geliyoruz ve bizden öncekilerle nasıl bir bağımız var? Biz Homo sapiens‘i diğer homininlerden farklı kılan nedir?

Öncü araştırması sayesinde Svante Pääbo, görünüşte imkânsız görünen bir şeyi başardı: günümüz insanının soyu tükenmiş bir akrabası olan Neandertalin genomunu sıraladı. Ayrıca daha önce bilinmeyen bir hominin olan Denisovanın sansasyonel keşfini yaptı. Daha da önemlisi, Pääbo, yaklaşık 70.000 yıl önce Afrika’dan göçe başlayan Homo sapiens’e, soyu tükenmiş olan bu homininlerden gen aktarımının gerçekleştiğini de keşfetti.

Günümüz insanlarına kadar ulaşan bu gen transferi fizyolojik bir öneme sahiptir, örneğin bağışıklık sistemimizin enfeksiyonlara nasıl tepki vereceğini etkiledi.

Pääbo’nun ufuk açıcı araştırması, yeni bir bilimsel disiplinin doğmasına yol açtı: paleogenomik. Keşifleri, günümüz insanlarını soyu tükenmiş homininlerden ayıran genetik farklılıkları ortaya çıkararak, bizi insan yapan şeyin araştırılması için bir temel sağladı.

Nereden geliyoruz?

Kökenimiz ve bizi ayıran özellikler nedir? sorusu, antik 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, neslinin tükendiği 30.000 yıl öncesine kadar Avrupa ve Batı Asya’ya yerleştiğini gösteren kanıtlar sağladı. Yaklaşık 70.000 yıl önce, Homo sapiens grupları Afrika’dan Ortadoğu’ya göç etti ve oradan dünyanın geri kalanına yayıldı. Böylece, Homo sapiens ve Neandertaller Avrasya’nın büyük bölümlerinde aynı anda var oldular ve on binlerce yıl boyunca bir arada yaşadılar. Peki soyu tükenmiş Neandertallerle olan ilişkimiz hakkında ne biliyoruz? İpuçları genomik bilgilerden elde edilebilir mi? 1990’ların sonunda, neredeyse tüm insan genomu dizisi ortaya çıkarıldı. Bu, farklı insan popülasyonları arasındaki genetik ilişkilerin çalışılmasına olanak sağlayan önemli bir başarıydı. Bununla birlikte, insanlar ile soyu tükenmiş Neandertaller arasındaki ilişkinin araştırılması için, Neandertal örneklerinden elde edilen genomik DNA’nın sekanslaması gerekti.

İmkânsız bir görev

Svante Pääbo, kariyerinin başlarında, Neandertallerin DNA’sını incelemek için modern genetik yöntemleri kullanıp kullanamayacağını merak etti. Çok geçmeden teknik zorlukları fark etti: zamanla DNA’nın kimyasal olarak değişmesi ve kısa parçalara ayrılması gibi. Binlerce yıl sonra geriye sadece eser miktarda DNA kalır ve geriye kalanlar, bakterilerden ve günümüz insanlarından gelen DNA ile büyük ölçüde kirlenir (Şekil 1). Evrimsel biyoloji alanında öncü olan Allan Wilson ile doktora sonrası öğrencisi olan Pääbo, on yıllarca süren bir çaba sonucunda, Neandertallerin DNA’sını incelemek için yöntemler geliştirmeye başladı.

Şekil 1. DNA, hücrede iki farklı bölümde lokalizedir. Çekirdek DNA’sı genetik bilginin çoğunu barındırırken, çok daha küçük mitokondriyal genom binlerce kopya halinde bulunur. Ölümden sonra, DNA zamanla bozulur ve geriye sadece küçük miktarlar kalır. Ayrıca örnekler, bakteri ve diğer insanların DNA’ları ile kontamine olur.

1990’da Pääbo, Münih Üniversitesi’nde yeni atanan bir profesör olarak arkaik DNA üzerindeki çalışmalarına devam etti. Neandertal mitokondrilerinin (kendi DNA’sını içeren hücre içi organel) DNA’sını 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 kullandığı rafine yöntemleriyle, 40.000 yıllık bir kemik parçasından mitokondriyal DNA’yı sekanslamayı (dizilemek) başardı. Böylece ilk kez soyu tükenmiş bir akrabadan DNA dizisi elde edebildik. Buna göre güncel insanlarla ve şempanzelerle yapılan karşılaştırmalar, Neandertallerin genetik olarak farklı olduğunu gösterdi.

Neandertal genomunun sekanslanması

Küçük mitokondriyal genomun analizleri yalnızca sınırlı bilgi verdiğinden, Pääbo, Neandertal çekirdek genomunu sekanslama gibi muazzam bir zorluğu üstlendi. Bu sırada kendisine Almanya’nın Leipzig kentinde Max Planck Enstitüsü kurması teklif edildi. Bu 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 araştırmacıyla da çalıştı. Çabaları sonuç verdi ve Pääbo, görünüşte imkânsız olanı başardı. 2010 yılında ilk Neandertal genom dizisini yayınladı. Karşılaştırmalı analizler, Neandertallerin ve Homo sapiens‘in en yakın ortak atasının yaklaşık 800.000 yıl önce yaşadığını gösterdi.

Şekil 2. A. Pääbo, soyu tükenmiş homininlerden alınan kemik örneklerinden DNA’yı çıkardı. İlk olarak, Neandertallere adını veren Almanya’daki lokaliteden bir kemik parçasına ulaştı. Daha sonra, Güney Sibirya’daki Denisova Mağarası’ndan 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 gösteriyor.

Pääbo ve iş arkadaşları, Neandertaller ile dünyanın farklı bölgelerinden günümüz insanları arasındaki ilişkiyi araştırmaya başladı. Karşılaştırmalı analizler, Neandertallerden alınan DNA dizilerinin, Afrika kökenli günümüz insanlarından ziyade Avrupa veya Asya kökenli günümüz insanlarından alınan dizilere daha fazla benzediğini gösterdi. Bu sonuç, Neandertallerin ve Homo sapiens‘in bir arada yaşadıkları binlerce yıllık bir sürede iç içe geçtikleri anlamına gelir. Avrupa veya Asya kökenli modern insanlarda, genomun yaklaşık %1 ile %4’ü Neandertallerden gelmektedir. (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 dizilediği , son derece iyi korunmuş DNA’yı 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 bölgelerinde yaşayan insanlardan alınan dizilerle yapılan karşılaştırmalar, Denisova ve Homo sapiens arasında da gen akışının meydana geldiğini gösterdi. Bu ilişki ilk olarak, %6’ya kadar Denisova DNA’sı taşıyan 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 esnada, günümüzde soyu tükenmiş olan en az iki hominin popülasyonu Avrasya’da bulunuyordu. Neandertaller Batı Avrasya’da yaşarken, Denisovalılar kıtanın doğu kısımlarında yaşıyordu. Homo sapiens, Afrika dışına yayılması ve doğuya göçü sırasında, sadece Neandertallerle değil, aynı zamanda Denisovalarla da karşılaşmış ve iç içe geçmişlerdi (Şekil 3).

Paleogenomik ve önemi

Svante Pääbo, çığır açan araştırmalarıyla tamamen yeni bir bilimsel disiplin olan Paleogenomik’i kurdu. İlk keşiflerin ardından, çalışma grubu soyu tükenmiş homininlerden birkaç ek genom dizisinin analizini daha tamamladı. Pääbo’nun keşifleri, insan evrimini ve göçünü daha iyi anlamak için bilim topluluğu tarafından yaygın olarak kullanılan benzersiz bir kaynak oluşturdu. Dizi analizi için kullanılan yeni yöntemler, arkaik homininlerin Afrika’da Homo sapiens ile karışmış olabileceğini gösteriyordu. Bununla birlikte, tropikal iklimlerde DNA’nın hızlı bir şekilde bozunması nedeniyle Afrika’daki soyu tükenmiş homininlerden hiçbir genom dizisi çıkartılamadı. Svante Pääbo’nun keşifleri sayesinde artık soyu tükenmiş akrabalarımızdan gelen arkaik gen dizilerinin günümüz insanının fizyolojisini etkilediğini anlıyoruz. Örnek olarak, yüksek irtifada hayatta kalma avantajı sağlayan ve günümüzde Tibetliler arasında yaygın olan EPAS1 geninin Denisova versiyonu olması gösterilebilir. Diğer örnekler, farklı enfeksiyon tiplerine karşı bağışıklık tepkimizi etkileyen Neandertal genleridir.

Şekil 3. Pääbo’nun keşifleri, Homo sapiens‘in Afrika’dan göç edip dünyanın geri kalanına yayıldığı sırada hominin popülasyonuna dair önemli bilgiler sağlamıştır. Avrasya kıtasında batıda Neandertaller, doğuda Denisovanlar yaşıyordu. Homo sapiens kıtaya yayılırken, DNA’mızda izler bırakan melezleşmeler 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). Büyük beyinlere sahip Neandertaller de gruplar halinde yaşadılar (Şekil 4), aletler de ürettiler 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 bir hedefle bu farklılıkların işlevsel yapılarını analiz etmeye odaklanıyor.

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

Svante Pääbo’nun akademik geçmişi

Svante Pääbo, 1955 yılında İsveç’in Stockholm kentinde 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 halen faal olan Max Planck Evrimsel Antropoloji Enstitüsü’nü kurdu. Ayrıca Japonya’daki Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde yardımcı profesör olarak görev yapmaktadır.

Önemli yayınları

Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H, Stoneking M, Pääbo S. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell. 1997:90:19-30.
Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, Marques- Bonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu- Petri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome. Science. 2010:328:710-722.
Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B, Shunkov MV, Derevianko AP, Pääbo S. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010:464:894-897.
Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PL, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu Q, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M, Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010:468:1053-1060.
Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu Q, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science. 2012:338:222-226.
Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PL, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature. 2014:505: 43-49.

Çeviren: Aytekin TAN, Paleontolog

Kaynak: https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/press-medicine2022.pdf