İkiz Çalışmaları

İnsan davranışlarının genetik ve çevresel etkilerinin varlığının kabul edilmesinden sonra davranışsal genetik alanında sıklıkla tercih edilen yöntemlerden biri ikiz çalışmaları olmuştur. Bu çalışmalar, tek ve çift yumurta ikizlerinin davranışlarını anlamak ve bu davranışların oluşumunda özellikle monozigot da (MZ) denilen tek yumurta ikizlerinde genetik yapı birebir aynı iken bireylerin farklı davranışlar sergilemesi örnekleriyle genetik ve çevrenin etkileşimini ortaya koymak açısından önemli bir paya sahiptir.

İkiz çalışmaları ilgili fenotip özelliğinin spesifik olarak hangi gen tarafından etkilendiğini veya belli bir geni göstermez, genler tarafından açıklanan varyansın yüzdesel değerini verir. Çünkü ilgili fenotip için tek ve çift yumurta ikizlerinin benzer çevresel özelliklere sahip olduğunu varsayarsak kalıtsallık tek ve çift yumurta ikizlerinin arasındaki korelasyonun farkına bağlı olacaktır (Chew vd. 2011, 4). Bir başka ifadeyle ikiz çalışmaları ile aday genler çalışmaları arasındaki fark bu noktada yatmaktadır. Aday gen çalışmaları bir fenotipik özelliği açıklayan spesifik geni bulmaya yönelik iken ikiz çalışmaları tek yumurta ikizlerinin %100 aynı genotipe sahip olduklarını, çift yumurta ikizlerinin ise yaklaşık %50 benzer genetiğe sahip olduklarını temel alarak ve her ikisi için de benzer çevresel koşulları varsayarak ilgili fenotipik özelliğin genetik temelini açıklamaya çalışır.

Genetik etkiler ile ima edilen, genetik akrabalığın derecesi ile orantılı olarak birlikte değişimidir. Dolayısıyla genetik hipotezine göre tek yumurta ikizleri çift yumurta ikizlerinin iki katı kadar daha fazla benzerlik göstermektedir (Saudino, 2005, 215).

İkiz metodolojisi, bir özelliğin kalıtsallığını açıklamak için tek ve çift yumurta ikizleri arasındaki genetik ilişkideki farklılıklardan faydalanmaktadır (Cesarini vd. 2009b, 619). Bir özelliğin genotip ve çevre kombinasyonundan oluştuğu bildirilmektedir. Bu kombinasyonun hesaplanmasında ve ilgili diğer istatistik hesaplamaların yapılmasında en sık kullanılan metot yapısal eşitlik modeli ve yol analizidir. Basitçe ifade etmek gerekirse;

𝑃 = 𝑃ℎ𝑒𝑛𝑜𝑡𝑦𝑝𝑒 (𝐹𝑒𝑛𝑜𝑡𝑖𝑝) 𝐺 = 𝐺𝑒𝑛𝑜𝑡𝑦𝑝𝑒(𝐺𝑒𝑛𝑜𝑡𝑖𝑝) 𝐸 = 𝐸𝑛𝑣𝑖𝑟𝑜𝑛𝑚𝑒𝑛𝑡 (Ç𝑒𝑣𝑟𝑒) 𝑃 = 𝐺 + 𝐸

Aynı çevrede yetişen MZ ve DZ ikizlerin gözlenen değişkenlerinde farklılıklar çıkmasının sebepleri A (Additive Genetic Effects – Katkıl Sağlayan Genetik Etki), D (Dominance Genetic Effects - Baskın Genetik Etki), C (Common Environmental Effects - Paylaşılan Çevre) ve E (Nonshared Environmental Effects - Paylaşılmayan Çevre) ile açıklanabilmektedir. Bu ayrışma temelde üç nedenden kaynaklanmaktadır. İlk olarak gözlenen değişkenler arasındaki kovaryanslarda MZ ve DZ ikizleri arasındaki herhangi bir benzerlik paylaşılan çevreden (C) kaynaklanabilir. Çünkü benzer faktörler ikiz çiftin üyeleri arasındaki etkiyi eşitler. İkincisi, eğer gözlenen değişkenler arasındaki kovaryansı MZ’lerde DZ’lerden daha yüksekse, bu fark MZ ikizlerin %100 aynı genetik yapıya sahip olmalarından, buna karşın DZ’lerin ise yaklaşık %50 genetik benzerlik göstermesinden kaynaklanabilir. Üçüncü olarak ise her iki tip ikiz grubu arasında herhangi bir kovaryansın yoksunluğu paylaşılmayan çevreye (E) atfedilebilir. Buradaki paylaşılmayan çevre bireysel arkadaşlar, eşler, yükseköğrenim veya hayat koşulları şeklinde örneklenebilir ( Zyphur, 2009, 369).

Eğer fenotip üzerinde çevrenin etkisinin MZ ve DZ tip ikizlerde aynı olduğunu ve herhangi bir gen-çevre etkileşimi olmadığını varsayacak olursak, o halde bir fenotipteki değişimi katkı sağlayan veya toplamsal genetik etki (A-Additive Genetic Effects), paylaşılan çevre (C-Common Environmental Effects) ve paylaşılmayan çevre (E-Unshared Environmental Effects) ile açıklayabiliriz. Bu değişkenler kullanılarak oluşturulan ACE modeli bize doğrudan genetik ve çevresel etkileri gözlemlemek için izin vermez, ancak MZ ve DZ ikizler arasındaki korelasyonu gözlemleyerek bu etkileri tahmin etmek için izin verir (De Neve, 2013, 50).

ACE modeli, altında yatan varsayımlar güçlü olmasına rağmen çeşitli çalışmalarla onaylanmış sonuçlar üretir. Örneğin Bouchard vd. (1998) tarafından yapılan hem benzer çevrede hem de ayrı çevrelerde yetiştirilen MZ ve DZ ikizlerin katıldığı çalışmada her iki grubun kalıtsallık sonuçları benzer çıkmıştır. Daha yakın

bir tarihli Visscher vd. (2006) yapılan bir başka çalışmada ise araştırmacılar sadece DZ ikizlerle çalışmışlar ve bu verilerle kalıtsallık tahmininde bulunmuşlardır. Bu sonuçların birlikte yetiştirilen MZ ve DZ ikizlerin katıldığı çalışmalarda elde edilen sonuçlarla benzerlik gösterdiği görülmüştür (De Neve, 2013, 50).

Eğer bir özellik kalıtsal ise bu halde MZ ikizler arasındaki korelasyon DZ ikizler arasındaki korelasyondan daha yüksek olmalıdır. ACE modelinde ilk amaç korelasyonlar arasında bir fark olup olmadığının belirlenmesidir. Bu sayede söz konusu özelliğin altında genetik bir etkinin olup olmadığı teşhis edilebilecektir (Cesarini vd. 2009a, 815). Siemens tarafından 1924 yılında ortaya konan ve klasik ikiz çalışmalarında başvurulan temel formülasyon bu fikrin temel taşlarından biridir. MZ ve DZ ikizler arasındaki benzerliklerin sistematik analizi ve sonuçlarına ilişkin Siemens tarafından geliştirilen formülasyona göre herhangi bir hastalığın kalıtsallığı MZ ikizlerde, DZ ikizlerden daha fazladır ve uyum, kardeş olmayan kişilerde daha da azdır. Siemens, çalışmasında ikiz bireylerin cilt gram molekülleri ile çalışırken, genetik materyalin tamamını veya neredeyse tamamını paylaşan MZ ikizlerin gram molekül ölçümlerinde korelasyonu 0,4 olarak bulmuş, genetik olarak ortalama %50 benzer DZ ikizlerin korelasyonunu ise 0,2 olarak saptamıştır. Bu sonuçlar gram molekül sayımında varyasyonlarda genetik faktörlerin önemini ortaya koymuştur. Eğer MZ ikizler, DZ ikizlerden daha çok birbirine benzerse, o halde fenotipin kalıtsallığı MZ ve DZ çiftlerin korelasyonu arasındaki farkın iki katı olarak tahmin edilebilir. Örneğin Siemens’in elde ettiği sonuçları ele alırsak, MZ ve DZ korelasyonları sırasıyla 0,4 ve 0,2 olduğuna göre h2 _{(heritability - kalıtsallık) ℎ}2 ₌

2𝑥(𝑟𝑀𝑍− 𝑟𝐷𝑍) = 2𝑥(0,4 − 0,2) = 0,4 olarak bulunur. Bu formülasyondan yola

çıkarak paylaşılan çevreyi (shared environment) şöyle hesaplayabiliriz (Boomsma vd., 2002, 873):

MZ ikizler için; 𝑟𝑀𝑍− ℎ2

DZ ikizler için; 𝑟𝐷𝑍− ℎ2

Uzun zamandır, kalıtım derecesini tahmin etmeye çalışan araştırmalarda kullanılan diğer analiz yöntemleri ANOVA ve Yapısal Eşitlik Modeli gibi istatistiksel olarak nispeten daha anlamlı sonuçlar üretmeye çalışan yöntemlerdir.

ACE modeline ek olarak üç tür modelden bahsedilebilmektedir: AE modeli sadece kalıtsallık ve paylaşılan çevreyi açıklamaktadır. CE modeli sadece paylaşılan çevre ve paylaşılmayan çevreyi açıklamaktadır. E modeli ise sadece paylaşılmayan, özgün çevreyi açıklamaktadır (Cesarini vd. 2009a, 816-817). Ayrıca D (dominance genetic effects) modele dâhil edildiğinde aşağıdaki şemada açıklanan şekliyle kalıtsallık tahmininde bulunulabilir.

Şekil 10- Path Diyagramı İle Klasik İkiz Çalışması Modeli (Rijsdijk, 2002, 121)

Path diyagramı ile gösterilen şemada, A (Additive Genetic Effects), D (Dominance Genetic Effects), C (Common Environmental Effects), E (Unique- Nonshared Environmental Effects) ve a, d, c ve e ise path katsayılarını göstermektedir (Rijsdijk, 2002, 121).

Literatürde ACE, AE ve CE modelleri olarak adı geçen modellerin temelinde aynı varsayımlar yatmaktadır. Bunu Cesarini vd. (2009a) tarafından yapılan çalışma ile aşağıdaki şekilde örnekleyebiliriz.

İkiz çalışmalarında i ailesinin 𝑗 ∈ {1,2} ikiz bireyleri ile kullanılan temel formülasyon şudur:

𝑋_𝑖𝑗 = 𝐶_𝑖𝑗 + 𝐸_𝑖𝑗+ 𝐴_𝑖𝑗 + 𝐷_𝑖𝑗

X; Gözlenen fenotipik özelliği ifade eder.

C (Common Environmental Effects); ikizlerin her ikisi tarafından paylaşılan çevresel etkileri ifade eder.

E (Nonshared Environmental Effects); ikizlerin her ikisi tarafından paylaşılmayan bireysel çevreyi ifade eder.

A (Additive Genetic Effects); fenotipe katkı sağlayan toplamsal genetik etkileri ifade eder.

D (Dominance Genetic Effects); fenotipte baskın olan genetik etkileri ifade eder. Davranışsal genetik A ve D arasındaki ayrımdır. Bir etkileşim etkisi olarak düşünülebilir. Örneğin ebeveynlerden alınabilecek iki tip allel9 _{olduğunu varsayalım;}

𝛼₁ 𝑣𝑒 𝛼₂. Bu durumda çocuklarda çıkacak olası genetik yapı

(𝛼1, 𝛼1), (𝛼1, 𝛼2)𝑣𝑒 (𝛼2, 𝛼2) şeklinde olacaktır. Ayrıca (𝛼1, 𝛼2) genotipine sahip olma

etkisi, (𝛼₁, 𝛼₁) veya (𝛼2, 𝛼2) genotiplerine sahip olma etkisinin ortalamasına eşit

olacaktır.

Yukarıdaki açıklamalara istinaden MZ ikizleri için iki değişkenin birlikte değişim ölçüsü olarak tanımlanan kovaryans aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

𝑐𝑜𝑣𝑀𝑍 = 𝜎𝐴2+ 𝜎𝐷2+ 𝜎𝐶2 (1)

DZ ikizler arasındaki fenotipik kovaryansı ise şöyle formüle edilmiştir:

𝑐𝑜𝑣𝐷𝑍 = 𝜎𝐴2 2 + 𝜎𝐷2 4 + 𝜎𝐶 2 ₍₂₎

Bu durumda kalıtsallık ise şu şekilde hesaplanabilir (Zyphur vd. 2009, 370; Zyphur vd. 2013, 574):

ℎ2 ₌ 𝜎𝐴2+𝜎𝐷2

𝜎_𝐴2+𝜎_𝐷2+𝜎_𝐶2+𝜎_𝐸2 (3)

Modeldeki bu parametrelerin tek başına ikiz verileriyle tespit edilemeyeceğine dikkat edilmelidir; çünkü tahmin edilecek parametre sayısından daha az bir eşitliğe sahibiz. Bu belirsizlik ikiz çalışmalarında bir varsayım olarak karara bağlanmış ve tüm genetik etkilerin A olarak alınması, bir başka deyişle 𝜎_𝐷2_{=0 olduğu}

ortaya konmuştur (Cesarini, 2009a, 816-818).

Modelde D parametresini sıfır kabul eden ve MZ ikizlerin genetik olarak %100 benzerken DZ ikizlerin genetik olarak yaklaşık %50 benzer olduğunu kabul eden varsayımların dışında paylaşılmayan çevreyi hata ölçümü olarak kabul etmesi, bir başka deyişle E’nin etkileri için ikiz çiftin üyeleri arasında korelasyon olmadığı varsayımı ve toplam varyansın tüm bireylerde aynı olduğu varsayımları da modelin temel varsayımlarındadır (Wood ve Neale, 2010, 875). Bazı kaynaklar modelle ilgili bu varsayımların dışında gen-çevre korelasyonu ve etkileşiminin minimum düzeyde olduğu, popülasyondaki eşleştirmelerin rastgele olduğu, eşleştirmelerde bir kasıt bulunmadığı, çalışmaya katılan ikizlerin, popülasyonunun genelini iyi derecede temsil edebildiği gibi bazı varsayımlardan da söz etmektedir (Rijsdijk ve Sham, 2002, 121; Haworth vd. 2008, 2).

Peter Visscher tarafından 2006 yılında yapılan bir çalışma, bir fenotipik özellik için AE, CE ve ACE modellerinin temel formülasyonlarını şu şekilde gösterir (Lehtovirta, 2014, 68):

Korelasyon AE ACE ACE

𝑟𝑥(𝑀𝑍)= ℎ2 𝑐2 ℎ2+ 𝑐2 𝑟𝑥(𝐷𝑍)= ℎ2 2 𝑐2 _ℎ2 2 + 𝑐 2

Tablo 2- Visscher'in AE, CE ve ACE Model Formülasyonları (Lehtovirta, 2014, 68)

D’nin (Dominance Genetic Effects) ihmal edildiği ACE modelini De Neve (2013, 50) şöyle formüle eder;

Formüldeki μ, tüm gözlemler arasındaki fenotip ortalamasıdır. 𝐴_𝑖𝑗~𝑁(0, 𝜎_𝐴2_),

𝐶𝑗~𝑁(0, 𝜎𝐶2) ve 𝐸𝑖𝑗~𝑁(0, 𝜎𝐸2) şeklinde tanımlanmaktadır. 𝑦𝑖𝑗 ise i ailesinin 𝑗 ∈ {1,2}

ikiz bireylerinde gözlenen fenotipik özellik olarak karşımıza çıkmaktadır.

Bu modelin parametrelerinin tahmininde bir dizi yol vardır. Birçok çalışma normal dağılım ve iki değişkenli fenotip varsayımı altında maksimum olabilirliği kullanarak standart modelleri uygulamaktadırlar. Türetilen bu formül kullanılarak ve mevcut varsayımlar altında olabilirliği maksimum kılan varyans-kovaryans matrisi şöyle ifade edilebilir (Cesarini vd., 2009b, 621).

∑ [𝜎𝐴

2 _{+ 𝜎}

𝐶2+ 𝜎𝐸2 𝑅𝐽𝜎𝐴2+ 𝜎𝐶2

𝑅_𝐽𝜎_𝐴2+ 𝜎_𝐶2 𝜎_𝐴2 + 𝜎_𝐶2+ 𝜎_𝐸2]

De Neve vd. (2012, 50-51), yukarıdaki formülde açıklanan CovMZ ve CovDZ

formüllerine dayanarak yukarıdaki 2x2 varyans-kovaryans matrisi ile rastgele etkili regresyon modeli aracılığıyla ACE modelinin tahmin edilebileceğini ifade eder. Yazarlar matristeki Rj ifadesinin MZ ikizlerde 1 (bir), DZ ikizlerde ise 0,5 kabul

edilmesi gerektiğini belirtirler.

İkizler üzerinde ilk çalışmayı 1905 yılında Thorndike yapmıştır. Ancak ondan önce ikiz verilerini kullanan ilk kişi olarak 1875 yılında Galton karşımıza çıkmaktadır. Bugün bilinen anlamda ikiz metodolojisinin ilk örnekleri de 1924’te birbirinden tamamen bağımsız olarak çalışan Hermann Werner Siemens ve Curtis Merrima’a aittir. Aynı tarihlerde Norveçli bilim insanı Kristine Bonnevie ise ikizler üzerinde parmak izi araştırması yaparak literatüre girmiştir (Lehtovirta, 2014, 62).

İkiz çalışmaları ile ilgili birçok farklı çalışmadan söz edilebilir. Ancak bu çalışmalardan kapsamlı ve doğru sonuçlar elde edilmesinde ikiz kayıtları son derece önemlidir. İkiz bireylerle yapılan çalışmaların bazı türleri aşağıdaki şekilde sayılabilir (Little, 2011, 188):

 Klasik ikiz çalışmaları: Galton’un 19. yy.’de yayınlanan çalışması klasik ikiz çalışmalarının ilki olarak kabul edilmektedir, Herhangi bir özellik veya hastalıkla ilgili MZ ikizlerin benzerliği ile DZ ikizlerin benzerliği

karşılaştırılarak söz konusu özellik veya hastalıkla ilgili genotipik değişimler açıklanmaya çalışılır (Boomsma, Busjahn ve Peltonen, 2002, 873). Klasik ikiz çalışmalarında tek yumurta ikizlerinden biri kontrol diğeri ise deney olarak kabul edilir. Bu yöntemde ikizler aynı veya farklı çevrede yetişmiş olabilirler. Klasik ikiz çalışmalarında hem MZ hem de DZ ikizlerin fenotipleri karşılaştırılır (Little, 2011, 188).

 Çift yumurta ikizi çalışmaları: Klasik ikiz çalışmalarından farklı olarak bu yöntemde sadece genetik olarak ortalama %50 benzerlik gösteren çift yumurta ikizleri kullanılır (Little, 2011, 188).

 Boylamsal ikiz çalışmaları: Boylamsal çalışmalarda araştırmacılar herhangi bir özelliğin üzerindeki genetik ve çevresel etkileri tespit etmek için ikiz bireyleri belli bir zaman periyodunda sürekli gözlemler. 1985 yılına tarihlenen ve mizaç, bilişsel gelişim, fiziksel gelişim ile duyguların gelişiminde genetik ve çevresel faktörlerin etkilerinin araştırıldığı The

Colorado Longitudinal Twin Study-Colorada Boylamsal İkiz Çalışması

bilinen en büyük boylamsal ikiz çalışmalarındandır. Bir diğer önemli çalışma the MidAtlantic Twin Registry-MidAtlantik İkiz Kayıtları olarak bilinen ve yaklaşık 50.000 MZ ve DZ ikizlerin kaydının bulunduğu çalışmadır. Bu çalışmada kardiyovasküler hastalıklar gibi fizyolojik hastalıkların yanı sıra depresyon ve anksiyete bozukluğu gibi psikolojik hastalıkların da genetik ve çevresel etkilerinin araştırıldığı görülmektedir (Litte, 2011, 188). Ülkemizde henüz ikiz bireylerin kayıtlarının tutulduğu bir veri bankası bulunmamaktadır. International Society for Twin Studies

– Twin Research and Human Genetics (Uluslararası İkiz Çalışmaları Topluluğu – İkiz Araştırmaları ve İnsan Genetiği) başlığı altında toplanan

ve insan genetiğinin ikiz çalışmaları yoluyla araştırılmasına imkân veren veri bankalarının bulunduğu ülkeler Avustralya, Belçika, Kanada, Şili, Çin, Danimarka, Finlandiya, Almanya, İsrail, İtalya, Japonya, Malezya, Hollanda, Norveç, Güney Kore, İspanya, Sri Lanka, İngiltere ve Amerika Birleşik Devletleri’dir.

(http://www.twinstudies.org/information/twinregisters/).

 İkiz aile tasarımları çalışmaları: Klasik ikiz çalışmaları fenotipik varyasyonların genetik ve çevresel etkilerin göreceli büyüklüklerini MZ ve DZ ikiz çiftlerin gözlenen kovaryanslarını karşılaştırır. Buna karşın bu çalışmalarda çok keskin varsayımlar vardır ve bu varsayımlar ön yargılı sonuçlar üretebilmektedir. İkiz bireylerin ailelerinin de çalışmaya dâhil edilerek daha geniş kapsamlı bir modelleme ile bu varsayımların olumsuz etkilerini en aza indirmek için ikiz aile tasarımları çalışmaları ortaya çıkmıştır ( Keller, Medland ve Duncan, 2010, 377).

 İkiz eşler (karı-koca) çalışmaları: Bu tür çalışmalarda ise ikiz bireylerin sosyal etkileşimde oldukları arkadaş ve eşleri de çalışmalara dâhil edilir. Bu sayede ilişkinin kalitesindeki genetik ve çevresel benzerlik ve farklılıklar ortaya konmaya çalışılır (Little, 2011, 188).

 Moleküler genetik çalışmaları: İnsan genetik kodunu içeren deoksiribo nükleik asit (DNA) sekansının yaklaşık% 99.9'u tüm insanlar arasında özdeş olmasına rağmen, genetik sekans insan genomunun geri kalan% 0.1'inde on binlerce yerde değişir (Willcutt, 7). Moleküler genetik çalışmalarla hastalıklardan sorumlu olan genler lokalize edilmeye çalışılmakta ve hastalıkların genetik temelleri araştırılmaktadır (Ateş ve Abay, 2001, 24). Moleküler genetik çalışmaları belli bir özellik için belli bir genin etkisinin araştırıldığı çalışmalardır. Spesifik DNA bölgeleri üzerinde devam eden çalışmalarda araştırmacılar, kalıtımda katkısı bulunan belirli genleri veya genomları tanımlamak için moleküler genetik araştırmaları ile ikiz çalışmalarını birlikte kullanmaya başlamışlardır (Little, 2011, 188).

 Epigenetik etki çalışmaları: Özellikle sosyal çevre ile fenotipik çeşitlilik arasındaki ilişkiyi anlamaya yönelik bir yaklaşım olarak gen aktivitesinin epigenetik düzenlerinin incelenmesi için deneysel çalışmalar bu sınıfa girmektedir (Champagne, 2011, 193).

İkiz çalışmaları, davranışsal genetik alanında birçok noktada çalışılması nispeten kolay olduğundan; finansal risk, yatırım kararları ve davranışsal finans literatüründe önemli yer tutan ön yargılar konularında da sıkça kullanılan bir metottur. Bireyler finansal riskten kaçınmada önemli farklılıklar gösterir. İkizler üzerinde yapılan son çalışmalar bu farklılıkların bazılarının bireysel bazılarının kalıtsal farklılıklardan kaynaklandığını ortaya koymuştur (Dreber vd. 2009, 85). İkiz çalışmalarının davranışsal genetik çalışmalarında kullanılması, diğer pek çok bilim dalında da insan davranışlarını sorgulayan bilim insanlarına yol göstermiş ve öncü olmuştur. Ekonomi ve finans alanındaki davranışları araştıran ikiz çalışmaları tek yumurta ve çift yumurta ikizlerinin ekonomik fenotiplerinin korelasyonlarını karşılaştırarak kalıtsallığı tahmin etmeye çalışmaktadır.