Virüsler Transpozonlardan Mı Evrimleşmiştir?

Giriş

Virüslerin evrimi, biyolojinin ve evrimin sıra dışı konularından bir tanesi olmuştur. Yaşamın ilk ayak izlerine dair kesinliğin olmamasıyla beraber aynı durum, virüsün kökenleri için de geçerli olduğu söylenebilir. Virüslerin evrimine dair birçok hipotez öne sürülmüştür ve tartışılmıştır.

Virüs

1800’li yılların sonuna doğru Martinus Beijerinck isimli bir mikrobiyolog, Tütün Mozaik Hastalığı’na neyin sebebiyet verdiğini öğrenmek üzere araştırmalar yaptı. Araştırmasında, bu hastalığa bir bakterinin sebebiyet verip vermediğini araştırdı. Bunun için şöyle bir yol izledi: Tütün Mozaik Hastalığı’nı taşıyan tütün bitkisinin özünü ayrıştırıp bakterinin geçemediği bir filtreye bu özü döktü. Eğer bu hastalığa sebebiyet veren bir bakteri ise filtreden geçmiş özü yaprağa aktardığı zaman bu bitki, hastalığı taşımayacaktı. Sonuçlar beklenenin dışında gelişti. Filtrelenmiş özün döküldüğü sağlıklı bitki hastalığı taşır hale gelmişti. Bu deneyden şu anlaşıldı: Bakteriden daha küçük bir mikroorganizma, bu hastalığa sebebiyet veriyordu.

Virüs, dışında protein kılıf ve protein kılıfın içinde de gen dizisi olan bir formdur. Keşfedildiğinden beri virüsün, canlı olup olmadığı hep tartışma konusu olmuştur. Bunun sebebi, virüsün kendi başına metabolik faaliyeti gösterememesi ve canlılığa ait özellikleri sergilememesinden kaynaklanır. Virüsün bunları tek başına yapamaması, cansız olduğu düşüncesini doğuruyor ancak virüs herhangi bir organizma hücresini enfekte ettiği zaman, o hücreye ait metabolik faaliyetleri kullanıyor ve kendisini çoğaltıyor. Bir bakıma, canlılık özellikleri sergiliyor. Çoğu bilim insanı da virüslerin kimyasal ve yaşamsal formun arasında olduğunu kabul ediyor. Virüslerin sınıflandırması oldukça geniş olmakla beraber en bilinenleri şunlardır: Adenovirüsler, Bakteriyofajlar, İnfluenza Virüsleri, HIV Virüsü, Retrovirüsler vb.

Genomları tek veya çift zincirli DNA’lar içermekle beraber RNA zincirleri de içerebilir. Virüsün genomunun etrafını saran bir protein kılıf bulunur. Bu protein kılıfa kapsid adı verilir. Kapsid yapısını oluşturan birimlere ise kapsomer adı verilir. Tabi ki virüslerin sınıfına göre yapıları ve kompleks seviyeleri değişir. Virüsler arasında AIDS Hastalığı‘na neden olan, HIV Virüsü bir Retrovirüstür. Retrovirüsler, RNA virüs sınıfına aittir ve virüsler arasında dikkat çekici bir konuma sahiptir çünkü enfekte ettikleri organizmanın herhangi bir hücresinde metabolik faaliyetlerini farklı bir şekilde gösterirler. Ters Transkriptaz (Reverse Transcriptase) adında bir enzime sahiptir ve bu enzim, RNA’dan DNA eldesini sağlar. Retrovirüsler, protein sentezinde izlenilen DNA – RNA yolunun tam tersini izler.

Virüsler, enfekte ettikleri organizmada iki farklı yol izler: Litik Döngü ve Lizojenik Döngü. Litik Döngü’nün ilk adımında, virüs hücrenin zarına bağlanır ve kendi genomunu enjekte eder. İçeri enjekte edilen DNA’dan veya RNA’dan hücreye ait mekanizmalarla protein sentezlenir ve bu yeni virüsler meydana gelir. Son olarak, virüsler hücreyi parçalayarak öldürür ve virüsler çoğalmış olur. Lizojenik Döngü’de ise virüsün kendisine ait genomu enfekte ettiği hücrenin genomuna entegre olur. Virüsün genomu, hücre bölündükçe diğer hücrelerde de gömülü olarak kalmaya devam eder ve belli bir süre sonra uygun şartlar oluştuğu zaman virüs Litik Döngü’yü izler ve hücreyi parçalayarak öldürür.

Peki, virüslerin kökeni nedir? Canlı veya cansız bile diyemediğimiz bir form günümüze kadar nasıl evrildi? Virüslerin nasıl evrildiğine dair fikirlerin ve hipotezlerin listesi elbette çok kabarık. Bunlara “Virüslerin Evrimi” bölümünde değinilecektir. Virüslerin kökenine ait düşüncelerde hareket eden genetik elementlerin varlığından yani Transpozonlardan, sıklıkla bahsedilmiş ve bu yapıların üzerine birçok araştırma yürütülmüş ve yürütülmektedir.

Transpozon

Transpozonlar özetle, genom üzerinde bir yerden bir başka yere hareket edebilen DNA dizileridir ve memelilerin genomların yaklaşık % 25 – 50’sini oluşturur. Kendilerine Sıçrayan Genler (Jumping Genes) adı da verilmiştir. İki tip Transpozon mevcuttur: DNA Transpozonları ve Retrotranspozonlar. DNA Transpozonları, kes – yapıştır mekanizmasına göre orijinal dizinin bulunduğu diziden koparılır. Sonrasında, Transpozona ait orijinal dizi kopyalanır ve kopyalanan dizi DNA dizisinin başka bir yerine kopyala – yapıştır mekanizmasına göre yapıştırılır.

Ökaryotik hücrelerde çoğunlukla, Retrotranspozonlar bulunmaktadır. Retrotranspozonlar, biraz daha farklı bir yol izler. Bu Retrotranspozon dizisinden, bir RNA ara ürün elde edilir. Bu RNA dizisi, Ters Transkriptaz enzimiyle DNA dizisine çevrilir ve DNA dizisi DNA dizisinin başka bir yerine yapıştırılır. Bu sayede, Retrotranspozonun yeni kopyası meydana gelerek DNA dizisi üzerinde hareket etmiş olur. Retrovirüslerin, Retrotranspozonlardan evrildiği fikri hala araştırılmaktadır ve tartışılmaktadır.

Transpozonlar, Kodlamayan DNA sınıfında bulunur. Burada bulunmaların sebebi, protein kodlamalarına rağmen bu proteinlerin hücrenin normal faaliyetlerini karşılayacak niteliği olmamasıdır. Tabi ki bu durum Kodlamayan DNA ve RNA’ların, vücut içerisinde hiçbir rol oynamadığı söylenemez. Özellikle, gen ekspresyonu ve regülasyonunda önemli rol oynarlar. Transpozon dizilerin en bilineni, Alu dizileridir. Bu diziler, birçok Transpozon dizisinden kısa olmakla beraber herhangi bir protein kodladığı da bilinmemektedir. Alu dizileri, insan genomunun %10’unu oluşturduğu da bilinmektedir.

Virüslerin Evrimi ve Transpozonlarla İlişkisi

Virüslerin evrimi, oldukça ilgi çekici bir konu ve bu konu üzerine bilinmezlik hala sürüyor. Geliştirilmiş ve bilim camiası tarafından kabul görebilecek seviyeye gelmiş hipotezler mevcuttur.

1. Kaçış Hipotezi 

Bu Hipotez aslında, virüslerin hücre içinden dışına bir şekilde çıkmayı başaran DNA veya RNA’lardan evrimleştiği iddiasını öne sürer. Tarihin bir yerinde bu DNA veya RNA’lardan bir tanesi, hücre dışına çıkmayı başarmıştır. Transpozonlar bu yüzden virüslerin evriminde önemli bir role sahiptir çünkü hareket edebilen dizilerdir. Bu söylem de Retrovirüsler üzerinden desteklenebilir.

Bu yazıda, Retrotranspozonların ve Retrovirüslerin mekanizmasındaki benzerliğin çok dikkat çekici olduğunu söylemiştim. Hatta bu durumdan dolayı Retrovirüslerin kökeninin, Retrotranspozonlara dayanabileceği fikri doğmuştu. Yapılan bazı araştırmaların sonuçlarından, Transpozonların çeşitli virüslerin evrimine katkıda bulunabileceği çıkarımı yapıldı. Örneğin, Pseudovirüslerinin ve Metavirüslerinin, Retrovirüslerin evrimine önemli katkıda bulunduğu öğrenildi. Ayrıca, virüslerin ve Transpozonların mutasyon geçirme yetenekleri üst düzeyde olduğu ve Transpozonların gen regülasyonunun evriminde önemli roller üstlendiği de öğrenildi. Fakat bu hipotez, virüslere özgü bulunan yapıların nasıl oluştuğunu açıklayamaz.

2. İndirgeme Hipotezi

İndirgeme Hipotezi, virüslerin yaşamın erken döneminde var olan hücrelerden evrimleştiğini söyler. Bu hipoteze göre virüsler, başlangıçta bir hücrenin içinde simbiyotik bir ilişkinin içinde yer aldı. Zamanla hücre içindeki bu simbiyotik ilişki, parazit bir ilişkiye dönüştü ve hücre konuk organizmaya bağımlı hale geldi. Bu parazit ilişkiden dolayı da kendi kendine çoğalmasını sağlayacak genlerini kaybetti ve konuk organizmadan bağımsız çoğalamaz hale geldi. Bu parazit böylece bir virüs haline geldi.

Bu ilişkiyi biraz daha iyi anlamak adına farklı bir örnek verilebilir. Mitokondri aslında bir prokaryot hücredir. Kendi kendine yaşayan bu hücre, tarihin bir yerinde bir ökaryot hücrenin içine girmiş ve faaliyetlerini orada sürdürmeye başlamıştır (Endosimbiyotik Teori). Mitokondrinin kendi DNA’sı ve metabolik faaliyetleri vardır ve şu an bütün hücrelerimizin motor görevini görmektedir. Mitokondri aslında, ökaryot hücrelerle simbiyotik bir ilişki sürdürmektedir. Virüslerin başlarda mitokondri gibi simbiyotik bir ilişki geliştirdiğini fakat sonrasında bu ilişkiyi parazit bir ilişkiye çevirdiğini düşünün.

Eklemek gerekirse, Mitokondri ile bir parazit bakteri olan Rickettsia prowazekii’nin genom analizlerine göre aynı atayı paylaşabileceği tahmin ediliyor. Belki de günümüzdeki virüslerin de bu şekilde ortak paylaştığı atalar olabilir. Bu hipotez, dev virüslerle desteklenmiştir. Virüslerin özel bir grubu olan nükleostoplazmik büyük DNA Virüslerine ait Mimivirüs, bu hipotezin kanıtı olarak gösterilebilir. Mimivirüsler, çoğu virüsten kat kat büyüktür. Karşılaştırmak gerekirse İnfluenza Virüsü 80 nanometre uzunluğundayken Mimivirüsler, 750 nanometre uzunluğa sahiptir. Ayrıca genomları 1.2 milyon baz gibi bir virüs için çok geniş bir genom uzunluğundan oluşabilir. Nükleostoplazmik büyük DNA Virüsleri, şu an var olan virüslerin atası olabileceği fikri bu keşiflerden dolayı varsayılmıştır. Son olarak, Mimivirüslerin parazit ilişkileri taşıyabilecek genetik kalıntılara sahip olduğu ve özünde bazı parazitik bakterilerden hiç farklı olmadığı düşünülmektedir.

3. İlk Virüs Hipotezi

İlk Virüs Hipotezi, virüslerin yaşamın ilk ayak izlerini oluşturduğunu ve ilk hücrelerin de virüslerden evrildiğini söyler. Bu hipotezi desteklemek için sunulan bulgular şu şekildedir: Günümüzde DNA’dan önce RNA’nın olduğunu ve bu moleküllerin kendi kendine replike etme özelliği olduğu biliniyor. Ayrıca, bu RNA molekülleri enzimatik özellikleri yürütmesiyle de biliniyor. Bu RNA molekülleri ilk zamanlarda, bir hücreyi enfekte edebilecek bir özellik geliştirmiş olabilir. Bir başka bulgu da virüslerin homoloğu olmayan kendilerine özgü dizilerinin bulunmasıdır. Bu diziler, virüslerin eşsiz bir kökeni olabileceği fikrini doğurmuştur. Fakat her virüs metabolik faaliyetlerini gerçekleştirmek için konaklayabileceği bir hücreye ihtiyaç duyar. Bundan dolayı, virüslerin hücrelerden önce ortaya çıkmış olabileceği fikri tartışmalıdır. Bu hipotez birçok moleküler biyolog tarafından sorgulanmıştır ve birçok faktörden dolayı yetersiz görülmüştür.

Kaynaklar:

1. Wessner, D. R. (2010) The Origins of Viruses. Nature Education 3(9):37
2. Nasir A, Kim KM, Caetano-Anollés G. Viral evolution: Primordial cellular origins and late adaptation to parasitism. Mob Genet Elements. 2012 Sep 1;2(5):247-252.
3. Reece, Jane B, and Neil A. Campbell. Campbell Biology. Boston: Benjamin Cummings / Pearson, 2011.
4. Koonin EV, Dolja VV, Krupovic M. Origins and evolution of viruses of eukaryotes: The ultimate modularity. Virology. 2015 May;479-480:2-25.
5. Mustafin, R.N. Hypothesis on the Origin of Viruses from Transposons. Mol. Genet. Microbiol. Virol. 33, 223–232 (2018).
6. Sun C, Feschotte C, Wu Z, Mueller RL. DNA transposons have colonized the genome of the giant virus Pandoravirus salinus. BMC Biol. 2015 Jun 12;13:38.
(1) Reece, Jane B, and Neil A. Campbell. Campbell Biology. Boston: Benjamin Cummings / Pearson, 2011.
(2) Nasir A, Kim KM, Caetano-Anollés G. Viral evolution: Primordial cellular origins and late adaptation to parasitism. Mob Genet Elements. 2012 Sep 1;2(5):247-252.

Görsel Kaynak: https://www.inform.kz/en/jumping-genes-help-stabilize-dna-folding-patterns-study_a3607949

Editör: Elif Berfin KORGAN