Virüsleri ve evrimini anlamak

Mayıs 10, 2020

COVID-19 salgını, yarattığı kuvvetli tehdit nedeniyle tüm dünyada ve ülkemizde başlıca gündem halinde. Bu durum virüsleri ve evrimini biraz daha detaylı tanımamıza olanak sağlamaktadır.

[BAA- Biyolojik Hareket ve Evrim Bilim Alanı – Eda Şamiloğlu]

COVİD-19 salgını tüm dünyada ve ülkemizde en çok konuşulan konular arasında. Etkileri halk sağlığı açısından oldukça büyük ve yıkıcı olan bu salgının sebebi SARS-CoV-2, yani yeni korona virüstür. Bu virüsün, daha önce başka salgınlara da sebep olmuş korona virüs ailesinden olan SARS virüsünden evrildiği düşünülüyor.

Virüs nedir?

Virüsler bakterilerden çok daha küçük mikroskobik parazitik formlardır. Virüslerin ne kadar küçük olduğunu anlamak için bir tuz tanesinden 10.000 kat daha küçük oldukları düşünülebilir. Virüsler canlı bünyede, onları enfekte ederek çoğalırlar. Bağımsız olarak var olmayan bu parazitik formlar bitki, hayvan, bakteri tüm canlı hücrelere bulaşabilirler. Ancak belli bir virüs, sadece belli bir tür hücreyi etkileyebilir, yani canlı türüne özgüdürler.

Bu nanometrik virüsler, kopyalarını oluşturmada kalıtım materyali olarak DNA ya da RNA kullanabilirler ve taşıdıkları bu nükleik asitler tek ya da çift sarmal olabilir. Virüslerin kalıtım materyali dış çevreden izole olurken protein yapılı kılıflar, yani kapsid yapısı evrilmiştir. Kapsidi oluşturan proteinin simetrileri farklılaştıkça virüslerin dış yapısı da değişir; bu nedenle farklı şekillere sahip birçok virüs vardır. Bazı virüsler, ayrıca konak hücrenin hücre zarından kökenlenen lipit yapılı ve zarf tipi bir kılıfa sahiptir. Bu zarf kılıf, kapsid yapısını sarar ve virüsün bulaşma mekanizmasında rol alır. Örneğin grip virüsü zarflı bir virüstür. Konağa tutunma ve hücre içine girme işlemleri bu zarf kılıf olmadan gerçekleşemez.

Virüslerin en ilgi çekici niteliği konak bir hücre olmadan çoğalamamalarıdır; bu nedenle virüslerin henüz ne canlı ne cansız olduğu söylenebiliyor. İki form arasındaki sınırda olan bir varlıktır. Kendi metabolizmaları ve protein sentezi için gerekli işlevsel mekanizmaları yoktur. Oysa bu mekanizmalar canlılığın, canlılık faaliyetini gerçekleştirmesi anlamına gelir. Bu canlılık faaliyetleri yerine virüs konağa tutunarak hücrenin içine girdikten sonra, konak hücrenin kendi yaşamsal faaliyetleri için kullandığı tüm kaynağı kendini çoğaltmak için kullanmasına olanak veren bir evrimsel yolda ilerlemiştir. Ancak konağın metabolizmasını kullanarak bir diğer canlılık özelliği olan çoğalma faaliyetini gerçekleştirdiği ve hatta bu sırada evrildiği için tam olarak cansız da sayılamaz.

Virüslerin evrimsel kökeni

Virüslerin kökenine dair düşünülen üç evrim hipotezi vardır: İlk Virüs Hipotezi, İndirgeme Hipotezi ve Kaçış Hipotezidir. Bu hipotezler virüsün ilk atasal hücreden “önce ya da sonra” ortaya çıkmalarına göre ikiye ayrılır.

İlk Virüs Hipotezi; ilk atasal virüsü en eski hücreden önce evrildiğini, yani virüsün hücreyi öncelediğini söyler. Bu da hücrenin varlığından önce, antik ve bağımsız virüsler dünyası olduğu anlamına gelir. Fakat virüslerin konak hücreler olmadan çoğalamadıkları bilindiğinden virüslerin mevcut haliyle bu hipotezdeki gibi evrildiği fikri tartışmalıdır.
İkinci hipotez İndirgeme Hipotezidir; bu hipotezde ilk virüs en eski atasal hücreden sonra ortaya çıkar. Önce hücrenin, daha sonra ise virüslerin, hücresel parazit organizmaların indirgenmiş formları olarak evrildiği savunulur. İlgili hipotezi destekleyen araştırma sonuçları da vardır. Örneğin genomik ve fiziksel özellikleri, parazitik bakteriler ile benzeşen mega virüsler bulunmuştur. Bu benzerliklerden yola çıkılarak virüslerin de içinde bulunduğu “evrim ağaçları” oluşturulmuştur.
Son olarak Kaçış Hipotezi ise ikinci hipotez gibi virüslerin ortaya çıkışını hücreden sonraya konumlandırır. Virüslerin kalıtım materyalinin, ilk olarak konak hücrenin (parazitik olmasına gerek yok) genomunun bir parçası olduğu, fakat daha sonra virüs kalıtım parçasının hücre kontrolünden çıktığını veya kaçtığını söyler. Evrimsel akışın bu kaçıştan sonra yatay gen transferi mekanizmasıyla devam ettiği düşünülür. Tabii, bu hipotez virüslerin kendine özgü kapsid yapısının varlığını açıklamaya yetmez çünkü virüsü saran kapsid hücrede var olmayan bir yapıdır.

Virüslerin kökenine dair 3 hipotez
Virüslerin kökenine dair 3 hipotezin şematik gösterimi:
Ökaryotik,bakteriyel ve arkeal viroküre en geniş üç evrimsel grubu temsilen kullanılmıştır ve bu grupları etkileyen virüslerin hepsini ifade etmektedir.

Görüldüğü üzere hiçbir hipotez henüz tam bir açıklama gücüne sahip değildir; bu nedenle tüm hipotezlerin ortak katkısının olduğu karma bir açıklama daha olasıdır.

Molekül düzeyindeki karşılaştırmalar

Virüsler, hücrelerin aksine fosil kalıntı veya iz bırakmadığı için evrimsel öyküleri, antik moleküler veriye dayanmadan, mevcut modern virüslere bakılarak çalışılır. Genellikle virüslerin kalıtım materyali nicel olarak küçüktür; mega virüsler görece büyük genoma sahip oldukları için bu noktada önem kazanır. Örneğin, görece büyük ve orta ölçekli virüs genom bilgisi kullanılarak canlı evrim ağacına virüsler yerleştirilmiştir. Bu ağaçlarda virüslerin bakteri, arke ve ökaryotlardan ayrı bir kola ayrılarak bir süper grup oluşturduğu görülmektedir. Burada viral evrimi incelemek için moleküler veriler güçlü kanıtlar sağlamıştır.

İlerleyen çalışmalarda genomdan öte protein yapı bilgisi, alternatif evrim modellerini test etmek için kullanılmaya başladı. Köklü evrimsel bilgi ile protein yapı bilgisinin ilişkilendirilmesinin sebebi hücrenin iş gören biriminin protein olmasıdır. Proteinlerin üç boyutlu yapısı protein işlevinde merkezi bir rol oynar. Proteinlerin molekül dizileri farklı olsa bile benzer üç boyutlu şekle sahip olan proteinler hücrede aynı işi görebiliyor. Öyleyse şu çıkarım yapılabilir; protein yapı, evrimsel süreçte, kendisinin kaynağı olan genomdaki molekül dizisinden daha fazla korunmuştur.

Protein yapıları katlanma şekillerine göre süper katlanma aileleri şeklinde karakterize edilir ve bu sınıflandırmayı kullanarak daha derin evrimsel ilişkileri çalışmaya olanak verir. Bu metodla yapılan filogenetik ağaç çalışmaları sonucunda virüslerin kapsid yapması, konağa tutunması ve onu kontrollü bir ölüme sürüklemesi için gerekli olan proteinler, zaman çizelgesinde oldukça geç bir dönemde evrilerek ortaya çıkmıştır. Bu proteinler evrimsel süreçte geç bir dönemde ortaya çıkıyorsa erken dönemde var olan ilkin virüslerin dış yapısının hücreye benzemesi beklenir. Öyleyse hücreden kökenlenmiş ve hücreye benzeyen ilkin virüslerin konağa tutunma özelliği olmadığından, varlıklarını devam ettirebilmesi için yavaşta olsa kendi bölünme ve çoğalma mekanizmasına sahip olması beklenir. İlerleyen süreçte yapısal bir indirgeme ve değişim gerçekleşmiş olabilir.

Sonuç olarak, ilk çalışmalar virüslerin hücresel yaşamın kurucuları olduğu, yani ilk hücreyi öncelediği yönündeydi. Fakat, daha sonra yapılan filogenetik çalışmalar virüslerin hücresel atalarıyla birlikte evrildiğini ve konağa tutunup onun kaynaklarını kullanarak çoğalma yoluna adapte olduğunu gösterdi. Bundan yola çıkılarak virüslerin evriminde iki önemli faz olduğu düşünülüyor.

İlki, ilkel hücreden köken almaları ve atasal hücresiyle birlikte yaşamaları (henüz viron yapıları yokken ve kendi bağımsız üreme özellikleri varken). İkincisi ise genomu küçültme baskısı ve parazitik yaşama adaptasyon süreci. Bu evrimsel model, yeni viral soyların evrilebileceği ve Dünya viro küresinin çeşitliliğinin artabileceği anlamına gelir. Tıpkı COVİD-19 salgınına sebep olan SARS’tan kökenlenen SARS-CoV-2 virüsü örneğinde gördüğümüz gibi.

Kaynaklar

1 - Wessner, D. R. (2010) Discovery of the Giant Mimivirus. Nature Education 3(9):61

2- Nasir A, Kim KM, Caetano-Anollés G. (2012) Viral evolution: Primordial cellular origins and late adaptation to parasitism. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3575434/