GÖ

RÜ

Ş

S

Resim: hometowncd / iStockphoto

Kalem ve kağıtla biyoinformatik: filogenetik ağaç oluşturma

Biyoinformatik genellikle güçlü bilgisayarlarla

yapılır. Ancak burada Cleopatra Kozlowski’nin

yardımıyla kalem ve kağıttan başka birşey

kullanmadan primat atalarımızı

inceleyebilirsiniz.

Çeviri

Yasemin Gökçek ve Hikmet Geçkil

İnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

on dönemlerde meydana gelen tekno-

lojik gelişmelerin bir sonucu olarak bir

DNA ya da protein dizisini belirlemek

oldukça kolay ve hızlı gerçekleşebilmek-

tedir. Elbette bu diziler kendi başlarına

bizlere çok az şey anlatır : örneğin

GAATCCA. Bu dizilerin ne anlama

geldiğini bilmemiz gerekir. Hangi

proteinler bu DNA dizisi ile kodlanmıştır?

veya aslında dizi bir proteini gerçekten

kodlamış mıdır? DNA dizisinde meydana

gelecek küçük bir değişikliğin kodlanmış

protein üzerinde nasıl bir etkisi olur? Bu

proteinin hücrede ne gibi bir işlevi vardır?

Ve elbette, DNA dizilerimiz bize

evrimleşme tarihimiz hakkında neler

anlatır? Bunlar ve diğer benzeri önemli

biyolojik sorulara biyoenformatik

aracılığıyla yanıtlar bulabiliriz:

28 Science in School Issue 17 : Winter 2010

Biyoinformatiği muhtemelen büyük bilgisayarlar ve sıralama

makinaları olarak hayal ederiz. Ancak bu yeni bilimin yöntemleri

Kleopatra Kozlowski’nin makalesinde olduğu gibi kağıt ve kalem ile

basit sınıf aktiviteleri ile sunulabilir.

Yazar kısa (sahte) DNA dizileri arasındaki genetik farklılıkların

temelinde insan ve diğer primatların aile ağacı binası ile bize meydan

okuyor. Önerilen aktivite gibi evrim çalışmada moleküler saatlerin

kullanımı gibi bazı zor biyoloji konuları ele için orta dereceli

okullarda istismar (ve keyifle) kârlı olabilir..

Bu makale fen bilgisi öğretmenlerini de hedefliyor, metnin sonunda

yararlı anlama egzersizleri bulacaksınız, öğrenciler de kendi

anlayışlarını derişlentimek için soruları kullanabilir. Belirtilen web

referanslarında daha fazla bilgi ve kaynak sağlanabilir.

Giulia Realdon, Italy

www.scienceinschool.org

Data

sou

rce:h

ttp:/

/ww

w.lin

gu

ati

cs.c

om

/in

doeu

ropean

_lan

gu

ages.

htm

Öğretim aktiviteleri

örneğin; dizisi ve işlevini iyi bildiğimiz

DNA ya da proteinleri, yeni keşfedilen

DNA ve protein dizileri ile

karşılaştırarak bunlar hakkında bilgi

sahibi olabiliriz.

Biyoinformatik normalde güçlü bir

bilgisayar yardımı ile yapılır. Ancak,

bu işin temelini anlamadan,

bilgisayarın bütün işleri yaptığını

düşünmek basit bir yaklaşım olur. Bu

nedenle, öğrencilerin biyoinformatik

analizlerin nasıl işlediğini anlamasını

sağlamak için bu etkinlikler kağıt

üzerine tasarlanarak yapılır.

Bu makale dört etkinlik grubundan

birini içerir. İki giriş etkinliği (“Gen

bulma” ve “Mutasyonlar”) ve sonuç

etkinliği (mobil DNA) Avrupa Yaşam

Bilimleri Öğrenme Laboratuvarının

(ELLS)w1

web sitesinden indirilebilir. Bu

etkinlikleri tamamlamak için kapsamlı

soruların cevapları ve süreçleri ve

öğrencilerin ihtiyaç duyduğu bütün

çizelgeler Science in School ‘un web

sayfasından indirilebilirw2

.

Bir filogenetik ağaç oluşturma Mutasyonların birikimi DNA dizilerinin

nesiller boyunca dğişmesine neden

olur. Aşağıda verilen etkinlik, bu

durumdan faydalanarak organizmalar

arasındaki evrimsel ilişkilerin nasıl

saptandığını açıklamaktadır. Bu

yalnızca 90 dakika alır ve bir kalemle

Science in School sitesinden

indirilebilecek tablolardan başka hiçbir

şey gerektirmezw2.

Giriş

Çeşitli hayvanları nasıl sınıflan-

dırdığınızı bir düşünün. Geleneksel

olarak organizmalar arasındaki fiziksel

farklar birbirlerinin arasındaki evrim

ilişkisini çözmlemek için kullanılırdı.

Örneğin; bir organizmanın kemiğinin

ya da kanadının olup olmaması gibi.

Ancak, bu sorunlara yol açabilir.

Örneğin; kuşlar, yarasalar ve böceklerin

kanatları vardır ama bu üçü bir

birleriyle yakından ilişkili midir?

Organizmaların ortak bir atadan ne

zaman ayrılıp değiştiklerini nasıl

ölçersiniz?

Hint-Avrupa

DNA dizisi çalışmalarından, DNA’daki

mutasyonların rastgele bir şekilde ve çok

yavaş bir oranda nesilden nesile geçerek

gerçekleştiğini biliyoruz. Bu demektir ki,

tüm organizmaların ortak bir atadan

geldiğini düşünecek olursanız, bu

organizmaların son şeklini aldığından beri

ne kadar bir zaman geçtiğini ölçebilmek

için homolog dizilerdeki farklılıkları

kullanabilirsiniz. Başka bir ifadeyle iki türün

ortak bir atadan oluştuğu zaman ne kadar

geçmişte kaldıysa, onların DNA dizileri o

kadar birbirinden farklı olur. Homologous

dizler, ortak bir kökene sahip olan iki

organizmadaki benzer diziler olarak

tanımlanır.

Aslında herhangi iki dizinin homolog

olduğuna ilişkin kanıtlarımız yoktur (DNA

değişim sürecini izlemek için biz orada

değildik!). Ama bu diziler yeterince benzer

iseler, çoğu kez onların “homolog”

olduğunu varsayarız. İki dizinin ne kadar

benzer olduğunu bilmek için, onları doğru

bir şekilde sıralama gereksinimi duyarsınız

(ama bu, bu etkinliğin kapsamı içinde

değildir).

c. 3500-3000 BC

Hint Ermeni Iran Alman Baltık-Slav

Arnavut Kelt Helen İtalyan c. 1000 BC

Sanskrit

Orta Hint

Eski Pers Zerdüşt

Pers

Baltık

Litnanyaca, Letonca

Eski Slavca İrlandaca

Rusça, Polonyaca, Macarca, Bulgarca,

Gallerce

İskoçca

Bretonca

Yunanca

Latin

c. 500 AD Sırpça-Hırvatça, vs.

Hindistani, Bengali Ve diğer modern Hint dilleri

K Germanik

D Germanik

Gothic

B Germanik Fransızca Provençal İtalyanca İspanyolca Portekizce Katalanca Romence

c. 800-1200 AD

D İskandinav

B İskandinav Üst Almanca Alt Almanca

İsveçce, Danimarkaca

Norveçce, Izlandaca, Faroece

Almanca Yediş c. 1300 AD

Eski Frizce Anglo-Sakson Eski Saksonyaca Alt frankoniyen (Eski İngilizce)

Frizce Orta İngilizce Orta Alt Almanca Orta Hollandaca

Modern İngilizce Alt Almanca Hollandaca, Flaman c.1700-1900 AD

Şekil 1: Hint-Avrupa dil ağacı. Hintçe, Germanik dillerc Romence ve diğer birçok Avrupa dilinin bu aileye ait olduğu görülse de, Fince, Estonya dili ve

Macarca bu aileye ait değildir: bu diller Ural dil grubuna bağlıdır.

www.scienceinschool.org

Science in School Issue 17 : Winter 2010

29

Pu

blicd

om

ain

image;im

ageso

urc

e:W

ikim

edia

Com

mon

s

DNA’nın farklı alanlarına dikkat

ediniz- kodlanan ve kodlanmayan

alanlar- farklı hızlarda geliştiriniz.

Genel olarak, kodlanan alanlar daha

yavaş bir şekilde gelişir, çünkü, bir

proteinde değişikliğe neden olan bir

mutasyon organizma için genellikle

daha değerlidir- bu organizmanın

hayatta kalması ve ürün vermesi

daha az olasıdır. Bu “Mobil DNA”

etkinliğinde tartışılmıştır.

“Homoloji” kavramını örneklerle açıklamak

için, filoloji (dillerin evrimleşmesinin

çalışılması) örneğini kullanabilirsiniz.

Aslında, dil ve organizmaların evrimini

araştırmak için kullanılan yöntemler

arasında pek çok benzerlik vardır.

DNA parçaları arasındaki dizi benzerliklerini

araştırmak, iki dilde aynı şeyin hangi

sözcüklerle anlatıldığını araştırmaya

benzer..

Table 1: Hint-Avrupa Dillerinde “kedi”sözcüğü

Ermenice gatz

Baskça katu

Hollandaca kat

İngilizce cat

Estonyaca kass

Fince kissa

İzlandaca kottur

İtalyanca gatto

Norveçce katt

Polonyaca kot

Portekizce gato

Rusça kot

İspanyolca gato

İsveçce katt

“Kedi” için İtalyanca, İspanyolca ve

Portekizce dilinde kelimelerin neredeyse

aynı olduğunu görebilirsiniz: gatto, gato

and gato. Hem İsveççede hem de

Norveççede, kelime “katt” tır, Fincede farklı

olduğunu görebilirsiniz: ‘kissa’. İsveç ve

Norveç gibi Finlandiya da bir İskandinav

ülkesi olmasına rağmen ‘kedi’ için Fince

kelime Estony dilindeki ‘kass’kelimesine

daha benzerdir. Aslında bu iki dil birbiri ile

daha yakından ilişkilidir. Bu yüzden

kelimelerin nasıl zamanla değiştiğini

araştırarak diller arasındaki ilişkiyi bir nebze

öğrenebilirsiniz.

Haeckel’in hayat ağacı (İnsanın Evrimi’nden, 1879)

30 Science in School Issue 17 : Winter 2010

www.scienceinschool.org

Öğretim aktiviteleri

Primatların filogenetik ağacının

oluşturulması

Bu etkinlikte, primatlardan beş

homolog DNA dizisi kullanarak

filogenetik ağaç oluşturacağız. Diziler

tamamen bizim tarafımızdan

uydurulduğundan, gerçek veriler için

daha uzun diziler gerektiren ve

genetik mesafenin hesaplanmasını

sağlayan filogenetik ağaç yaratamayız.

Ama yine de, primat ilişkilerini

mantıklı bir şekilde tam doğru olarak

anlamak için bu kurgusal diziler (Tablo

2) seçilmiştir.

Not: Bu etkinliği tamamlamak için

öğrencilerin gereksinim duyduğu

bütün çizelgeler Science in School’un

web sayfasından indirilebilirw2

.

1. İki dizi arasındaki farkları sayınız ve

Tablo 4’e kaydediniz. Her diziyi yan

yana kıyaslarsanız bunu yapmak daha

kolaydır. Örneğin, Neanderthaller ve

insanlar 3 nükleotid dizisinde farklılık

göstermektedir (Tablo 3a), oysa

şempanzeler ve goriller 11 noktada

farklılık göstermektedir (Tablo 3b).

Bütün canlı türleri için bu şekilde

karşılaştırma ve dizi farklılıklarını

(Tablo 4) Science in School’un web

sayfasından indirebilirsenizw2

. İki dizi arasındaki farklı nükleotidlerin

toplam sayısı ile her dizideki toplam

nükleotid sayısına bölümü (bu

durumda, 46) oransal uzaklığı verir.

2. Dizileri en çok benzerlik gösteren

iki tütü dikkate alınız: Neanderthal ve

insan. Tablo 5’te, nükleotid farklılık

sayısını (3) ve oransal farklılıkları

kaydediniz (3/46=0.065).

İki türün “ortak benzer disizi” onların

ortak ataları olduğu varsayılır. Bu

egzersizde, Neanderthaller ve insanlar

arasındaki ortalama diziyi doğrudan

hesaplamıyoruz, ancak Neanderthal/

insan atası ve gruptaki diğer primatlar

arasındaki evrim uzaklığını buluyoruz.

Tablo 2: Primatlardan 5 DNA dizisi

Primat Dizi

Neandertal (n) TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC

İnsan (h) TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC

Şempanze (c) TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC

Goril (g) TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC

Orangutan (o) ACAACCTGCACTCCTATTCTGCCGAGCCGGGCGCGTGGCAAAGTCC

Tablo 3a: Neandertal ve insan dizilerinin karşılaştırılması

Neandertal TGGTCCTGCAGTCCTCTCCTGGCGCCCCGGGCGCGAGCGGTTGTCC

İnsan TGGTCCTGCTGTCCTCTCCTGGCGCCCTGGGCGCGAGCGGATGTCC Tablo 3b: Şempanze ve goril dizilerinin karşılaştırılması

Şempanze TGATCCTGCAGTCCTCTTCTGGCGCCCTGGGCGCGTGCGGTTGTCC

Goril TGGACCTGCAGTCATCTTCTGCCCGCCCGAGCGCTTGCCGATGTCC

Tablo 4: Primatlar arasında dizi farkı

Neandertal İnsan Şempanze Goril Orangutan

Neandertal 0 3

İnsan 3 0 Şempanze 0 11 Goril 11 0 Orangutan 0 Tablo 5: Primat ataları ile primatlar arasında evrimsel uzaklık

Differences Proportional difference

Neandertal ve insan 3 3/46 = 0.065

Neandertal / insan ve şempanze

Neandertal / insan / şempanze ve goril

Neandertal / insan / şempanze / goril ve orangutan

Tablo 6a: Neandertal/insan atası ve diğer primatlar arasındaki dizi farkı

Neandertal Şempanze Goril Orangutan / insan

Neanderthal 0 (4+5)/2 = 4.5 (11+12)/2=11.5 / human

Chimpanzee (4+5)/2 = 4.5 0

Gorilla ( 11+12)/2=11.5 0

Orangutan 0

www.scienceinschool.org

Science in School Issue 17 : Winter 2010

31

Resi

m: Te

mpelm

eis

ter/

pix

elio.d

e

3. Neanderthallerin ve insanların ve

diğer primat türlerinin ortalama

dizilimi arasındaki uzaklığı hesapla-

yınız ve verileri Tablo 6a’ya giriniz.

Neanderthaller ile Şempanzeler

arasında dört fark; insan ve

şempanzeler arasında ise beş fark

vardır. Böylece Neanderthal/insan ve

şempanzeler arasında ortalama

uzaklık 4.5’tir.

Neanderthal ile goril arasında 11

farklılık ve insan ile goril arasında ise

12 farklılık vardır. Böylece

Neanderthal/insan ve şempanzeler

arasında ortalama uzaklık 11.5’tir.

4. Önceki gibi, bu farklılıklar her bir

dizideki nükleotidlerin sayısı ile

bölünerek oransal farklılıklara

Resim: Nicola Graf

0.065

0.098

12.5 10 7.5 5 2.5 0

Zaman (milyon yıl)

Şekil 2: Eksik filogenetik ağaç

İnsan

Neandertal

Şempanze

dönüştürülebilir (46). Neanderthaller/

insanlar ve diğer primat türlerinin

ortalama dizilimi arasındaki oransal

farklılıkları hesaplayınız. Hesaplama-

larınızı Tablo 5’te yerleştiriniz.

Şempazeler için, Neanderthal/insan

atadan orantılı mesafe 4.5/46=0.98.

Tablo 5’i kullanarak, evrim ağacını

oluşturmaya başlayabilirsiniz.

5. Neanderthaller ile insanları bir çizgi

ile birleştiriniz. Dal uzunluğu onların

ortak atalarından ne kadar zaman

önce ayrıldıklarını göstermektedir. Bu özel örneğimizde, DNA

dizisindeki bir nükleotidin farklı

olmasının 20 milyon yıl alacağını

varsayalım. Böylece DNA dizisinin

0.065’lik değişimi, 0.065x20

milyon=1.3 milyon yıl alacaktır. Dal,

bu nedenle zaman ölçeğinde 1.3

milyon yıl olarak ölçülmelidir (bkz.

Şekil 2).

6. Hesaplamalara devam ediniz. 3’ten

6’ya kadar olan basamakları

tekrarlayınız ve Neanderthal/insan/

şempanze atalarının ne kadar zaman

önce goril ve orangutandan ayrıldığını

hesaplayınız.

32 Science in School Issue 17 : Winter 2010

Daha sonra Neanderthal/insan

/şempanze/goril atasının orangutan-

dan ne kadar zaman önce ayrıldığını

hesaplayınız. Sonuçları Tablo 5’e giriniz.

Yardıma ihtiyaç duyarsanız, Science in

School ‘un web sayfasından prosedürü

aşama aşama indirebilrsiniz.

Filogenetik ağacı bitirmek için aşağıda

gösterildiği gibi tamamlanmış Tablo 5’i

kullanınız..

Sorular

Öğrencilerinizin etkinliği anlayıp

anlamadıklarını test etmek için

aşağıdaki soruları kullanabilirsiniz.

Cevaplar Science in School’un web

sitesinden indirilebilirw2

.

1. Filogenetik ağacınızda, goriller

ve insanlar kaç yıl önce ortak bir

atadan ayrılmıştır?

2. Ağacınızdaki bu ve diğer

tahminlerin doğru olup olmadığını

anlayabiliyor musunuz?

3. Niçin DNA’nın farklı alanlarını

kullanarak oluşturulan filogenetik

ağaçlar farklı görünebilir?

4. Birbiri ile yakından ilişkili olan organizmaları

kıyaslamak için DNA’nın hangi kısımlarını

kullanmalısınız?

5. Evrimsel olarak birbirinden uzak olan

organizmaları kıyaslamak için ne tür

genler kullanmalısınız?

6. İki diziyi kıyaslıyor ve birinde silinme

veya eklenme (delesyon veya insersiyon)

olduğunu görürseniz ne yaparsınız?

7. Çok farklı olan organizmaları bu basit

kıyaslama metodu ile kıyaslayabilir

miyiz? Tek bir nükleotid farkının ortya

çıkmasının 20 milyon yıl aldığını

varsaydığımızı düşünün.

8. Evrim uzaklığını hesaplayan bu

metodu kullanmanın çok iyi

olmamasının diğer nedenlerini

düşünebiliyor musunuz?

9. Daha uzak organizmalarla

çalışıyorsanız, DNA dizilimine göre

amino asit dizilimlerini kıyaslamanın

daha iyi olma nedenlerini düşünebiliyor

musunuz?

www.scienceinschool.org

Resi

m: Te

mpelm

eis

ter,Ste

ph

an

Fra

nzX

averD

ietl

,Ste

ph

an

Hah

nel/

pix

elio.d

e

Resi

m: Ste

ph

an

Fra

nzX

averD

ietl

/pix

elio.d

e

Öğretim aktiviteleri

Resim: Nicola Graf

0.098

0.065

İnsan

Neandertal

w2 – Bu aktivite için gerekli olan tüm

tabloları ve sorulara verilmiş olan

cevapları ve basamak-basmak

prosedürleri buradan indirebilirsiniz.

0.317

0.245 Şempanze

Goril

Kaynaklar

The website of the US National Center for Biotechnology Information (NCBI) websayfası filogenetiğe giriş ile

ilgili bilgiler sunmaktadır. Bkz::

12.5 10 7.5 5 2.5 0

Zaman (milyon yıl)

Şekil 3: Tam filogenetik ağaç

Orangutan www.ncbi.nlm.nih.gov/About/ primer/phylo.html

Protein dizilerini kullanarak filogenetik

ağaçları oluşturmayı öğrenmek için

bkz.: http://users.rcn.com/ jkimball.ma.ultranet/BiologyPages veya direk link: http://tinyurl.com/2wqp7nq

10. Bu alıştırmada birbirinden

ayrılarak başkalaşım geçiren 5 primat

türünü anlama üzerinde yoğunlaştık

(ağaç ölçeği). Çoğu kez, ayrılan

türlerde sırayı bile bilmiyoruz (ağaç

şekli). Örneğin, insanlar ile

şempanzelerin ilişkisinin goril ile

şempanzelerin arasında olan ilişkiden

daha yakın ilişkili olduğunu nasıl

bilebiliriz? Eğer ikinci bahsedilen

doğruysa, dizi farkı nasıl farklılık

gösterecektir? (Tablo 4).?

Teşekkür

Bu etkinlik, Avrupa Yaşam Bilimleri

Öğrenme Laboratuvar (ELLS)w1

ile

Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuarı

E-STAR Fellows arasında özel bir

işbirliği içinde geliştirilmiştir. Kleopatra

Kozlowski, Avrupa Komisyonunun

Erken Evre Araştırmacılar için olan 6.

Çerçeve Programı Marie Curie e-STAR

burs ile desteklenmiştir.

(MEST-CT-2004-504640).

Web referansları

w1 – Avrupa Yaşam Bilimleri

Öğğrenme Laboratuarı (ELLS) bir

eğitim tesis olup, ilköğretim ve lise

öğretmenlerine son teknolji moleküler

biyoloji metodlarını vermeyi

amaçlamaktadır. ELLS ayrıca

öğretmenlerin bilim adamları ile

çalışması için de fırsatlar sunmaktadır.

Burada verilmiş olan aktivite bu

bvağlamdadır. Daha çok bilgi için:

www.embl.org/ells

Evrimsel süreci izleyerek bir grup bilm

insanının yeni evrim ağacını nasıl

oluşturduklarını görmek için bkz.:

Hodge R (2006) A new tree of life.

Science in School 2: 17-19. www.scienceinschool.org/2006/ issue2/tree The Interactive Tree Of Life, filogenetik

ağaçların görüntülenmesi ve

manipülasyonu için kullanılan online bir

araçtır. Daha detaylı bilgi için bkz.;: http://itol.embl.de Science in School’da evrimle ilgili diğer

makaleler için, bkz:

www.scienceinschool.org/evolution

www.scienceinschool.org

Science in School Issue 17 : Winter 2010

33