Çekirdek Sahibi Bir Bakteri, Ökaryotların Evrimini Destekleyebilir mi?

Şimdi burada hücresinin ortasında genetik materyal bulunduran kapalı bir kompartıman kimde bulunur diye sorsak, herkesin aklına ökaryot bir hücre gelir. Fakat ikinci bir olasılık olabilir mi?

Science dergisinde yayınlanan bir makaleye göre Pseudomonas chlororaphis bakterisini enfekte eden faj 201φ2-1'ın hayat döngüsünün bir kısmı bakterinin ortasında çekirdek benzeri bir kompartımanı oluşturmayı içeriyor.

Bu serüven, araştırmacıların bu bakteriyofajın tübülin benzeri bir hücre iskeleti proteini kullanarak ki bu PhuZ oluyor, kopyalanmakta olan faj DNA'sını bakteri hücresinin ortasına yerleştirdiğini gözlemliyor. Bu süreçte rol alan başka proteinleri bulmak adına bir kütle spektrometrisi yapılıyor ve bakteri hücresini enfekte ettikten 45 dakika sonra viral DNA'nın çevresini neredeyse küresel olarak saran gp105 adlı bir protein bulunuyor.

Science

Süreci anlamak adına, PhuZ proteinini de kırmızı görüntülenen mCherry ile etiketliyorlar ve fajın girmesiyle beraber gp105 proteininin hücrenin bir kutbunda toplandığını ve PhuZ proteininin polimerleşerek bu gp105 kabuğunu hücrenin ortasına doğru itildiğini gözlemliyorlar. Bütün bu polimerleşme/itilme sırasında gp105 proteini boş durmuyor ve DNA replikasyonu devam ettiği için o da boyut olarak büyüyor.

Daha sonra kalan faj proteinlerinin nerede lokalize olduğunu görmek için proteinler GFP proteini ile etiketleniyor. DNA replikasyonu ya da transkripsiyonu ile alakalı olduğu düşünülen proteinler, bu çekirdek benzeri yapının içinde bulunurken diğer birçok farklı faj proteini yapının dışında kalıyor. Bu kabuğun içinde bulunan bazı proteinler ise şöyle: DNA helikaz homologu olan gp197, DNA ligaz homologu olan gp333, RNA polimeraz β alt birimlerinin homologu olan gp107 ve gp130 proteinleri.

Şu ana kadar baktıklarımızın hepsi faj proteiniyken kabuğun içinde bir de bakteri hücresine ait olan DNA topoizomeraz proteini de gösteriliyor. Aynı zamanda DNA onarım ve bakımında yer alan RecA proteininin homologu olan gp237 proteini de GFP ile etiketleniyor. Virüs bakterinin içine girmeden önce sitoplazmada dağınık bir şekilde duran protein, virüs girişinden sonra yavaş yavaş gp105 proteininden oluşan kabuğun içine giriyor ve 30 dakika içerisinde neredeyse tamamen orada lokalize oluyor. Her proteinin diffüz olup olmadığını kontrol etmek için GFP proteinini başka bir proteine takmadan gönderiyorlar fakat kabuğun içinde hiçbir GFP proteinine rastlanmıyor. Bu da bu kompartımanın bir şekilde seçici geçirgen bir yapısı olduğunu gösteriyor. Bu enzimlerin ve DNA'nın dağılım şeklinin ökaryot hücrelerde bulunan çekirdeğin dağılımına benzemesi de gözlerden kaçmıyor.

Science

Peki yeni virüsler nasıl oluşuyor ve başka bakterileri enfekte etmek için nasıl yola çıkıyor? İlk önce gp200 gibi fajın kapsid proteinleri bakteri hücresinin zarına bağlanıyor ve oradan virüs DNA'sının içinde olduğu gp105 proteininden oluşan kabuğa bağlanıyorlar. O sırada gerçekleşen mekanizma bilinmemekle beraber, kapsid proteini içinde virüs DNA'sını taşıyan bir şekilde oradan ayrılıyor.

Deneyin sonucuna yavaş yavaş geliyoruz. Kriyo-elektron tomografisi (CET) kullanarak neredeyse doğal durumda bulunan virüs ile enfekte olmuş bakteriyi yüksek çözünürlükte görüntülüyorlar. Çıkan sonuçlardan yaptıkları çıkarımlar ise şöyle: gerçekten bakterinin ortasında düzensiz ama keskin bir şekilde sınırları belli olan bir kompartıman mevcut. Bu yapının sınırları protein bazlı olmasından ötürü normal hücre zarından daha değişik bir görünüme sahip ve yaklaşık 5 nm kalınlığında. Aynı zamanda hem bakterinin hücre zarına yapışık hem de ortadaki kompartımana yapışık şekilde kapsid proteinleri gözleniyor.

Science

Peki bu virüs bu kadar başarılı bir yol izliyor ve bakteri tarafından hiç yakalanmıyor mu? Buraya kadar anlattıklarımız Pseudomonas chlororaphis faj 201φ2-1 üzerineydi ve bakterinin virüse nasıl bir tepki verdiği makalenin konusu değildi. 2019 yılında yayınlanan başka bir makale ise yine çekirdek benzeri bir yapı oluşturan Pseudomonas aeruginosa faj ΦKZ üzerine yazılıyor ve bu sefer bakterinin nasıl bir yöntemle bu virüsle savaştığı araştırılıyor. Normal şartlarda bakterinin virüse karşı en güçlü silahlarından biri CRISPR-Cas sistemi ya da restriksiyon endonükleazları olur. Fakat bu durumda araştırmacılar DNA'yı hedef alan çalışmaların hiçbir CRISPR-Cas sisteminin (Cas3, Cas9, Cas12) virüsü yenmek konusunda başarılı olamadığını gözlemlediler. Bu virüsün de yukarıda konuştuğumuz gibi bir kompartıman oluşturduğu göz önüne alındığında, bu sistemin kompartıman içine giremediği hipotezini oluşturdular. Bunu test etmek adına virüs DNA'sını in vitro Cas9 ile kesmeye çalıştılar ve başardılar. Peki bu sonuçlar bize virüsün yenilmez olduğunu mu gösteriyor? Hayır! DNA bir kabuk ile korunuyor olsa da virüsün ihtiyacı olan proteinleri yaptırmak için bakterinin ribozomlarına ihtiyacı var ve bu ribozomlar kompartımanın dışında bulunuyor. Bu yüzden virüsün mRNA'ları bu kompartımanın dışında proteine dönüştürülüyor. Virüsün bu zayıflığından yola çıkan araştırmacılar RNA'yı hedef alan bir RNA-güdümlü RNA nükleaz Cas13a tasarlıyorlar ve birkaç farklı transkripti hedef alıp, bunlardan iki tanesinde virüsün etkinliğinin azaldığını gözlemliyorlar.

bioRxiv

Bu kadar mekanizma konuştuktan sonra bu keşfin bize nasıl farklı bir perspektif yarattığından bahsedelim. Ökaryot hücrelerde bulunan çekirdeklerin nasıl ortaya çıktığı ile ilgili bir hipotez çekirdeklerin DNA taşıyan bir virüsün bir arkeyi enfekte etmesi sonucu olduğunu savunur. (Viral Eukaryogenesis (VE) hypothesis). En başta konuştuğumuz makale ise transkripsiyonu translasyondan ayırmanın ökaryot hücrelerden ziyade virüslerin icadı olduğunu gösterdiği için bu hipotezi destekler bir kaynak olarak gösteriliyor.