Evrim Mekanizmaları - 11: Plazmidler ve Yatay Gen Transferi

Plazmidler, normal olarak hücre içerisinde bulunan ve hücresel faaliyetleri kontrol eden kromozomal DNA'dan bağımsız olan ve ondan bağımsız olarak kendisini kopyalayabilen DNA parçalarına verilen isimdir. Tıpkı bizim hücrelerimizde bulunan heliks DNA'lar gibi çift şeritlidir; ancak heliks şeklinde değil, çoğunlukla daire şeklindedirler. Aşağıda, sol tarafta normal bir DNA'yı, sağ tarafta ise ondan bağımsız plazmidleri görmektesiniz:

Genellikle bakterilerde bulunurlar; ancak çok nadir olarak Saccharomyces cerevisae gibi ökaryotik hücrelerde de bulunabilirler. 1.000 ila 1.000.000 baz çifti uzunluğu arasında olabilirler. Plazmidler, 1952 yılında Joshua Lederberg tarafından keşfedilmiştir. 

Aşağıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi plazmidlerin aktarımı iki şekilde olabilmektedir. Üstteki kısımdaki gibi, plazmid bağımsız olarak hücre bölünmesinde kendisini eşleyebilir ve çoğalabilir. Ya da alttakinde görüldüğü gibi plazmid önce ana DNA'ya kaynaşabilir, sonra hücre bölünmesinde onunla birlikte çoğalabilir. Elbette bu kaynama sayesinde canlının özellikleri az ya da çok etkilenmektedir.

Plazmidleri evrim açısından önemli kılan özellik, uygun bir konak buldukları zaman kendilerini kopyalayabilmeleri ve konaktan konağa geçebilmeleridir. Üstelik Bakteriler'de, Arkeler'de ve Ökaryotlar'da görülebildikleri ve birinden diğerine sıçrayıp gen taşıyabildikleri için çok önemli bir olaya sebep olurlar: yatay gen transferi (lateral gene transfer). Bunu izah edelim:

Bildiğiniz gibi normalde genler, dikey olarak aktarılırlar: ebeveynlerden yavrulara geçerler, yavrulardan onların yavrularına ve bu şekilde devam eder. Buna "dikey" denmesinin nedeni, Evrim Ağacı'nın dallarından biri üzerinde, atadan toruna, dikine bir şekilde geçiyor olması, dallar arasında geçişin olmamasıdır. Basitçe, "üreme" faaliyetini başlı başına bir dikey gen transferi olarak düşünebilirsiniz.

Ancak mikrobik canlıların etkisi sebebiyle, Evrim Ağacı'nın bir dalından bir diğerine gen aktarımı yapılabilir. Bu mikrobik canlı, bir diğer canlıdan aldığı plazmidleri, bulaştığı bir diğer türe ait canlının hücreleri içerisinde çoğalırken, yanlışlıkla ona aktarabilir. Göreceli olarak nadiren gerçekleşen bu olay, Evrim Ağacı'nın bir dalından tamamen alakasız bir diğer dalına genlerin dolaylı yoldan aktarılmasını sağlar. İşte bu şekilde, türler arasında yatay olarak yapılan gen transferine, Yatay Gen Transferi adı verilir. Bunun önemi çok açıktır: normalde evrimsel süreçte birbirlerinden tamamen uzaklaşmış canlıların aslında genlerinin artık birbirine karışması mümkün değildir, çünkü neredeyse hiçbir zaman çiftleşemezler. Ancak bu şekilde taşınan genler, hiç olmadık varyasyonları tetikleyecek gen aktarımlarını sağlayabilir.

Tahminimizce, evrim için bunun ne kadar önemli olduğunu tahmin edebilirsiniz. Popülasyonlar arasında Gen Aktarımı (Göçler) mekanizmasının evrim için önemini hatırlayın. Bu da, benzer bir durumun, hatta daha önemlisinin genler arasında olmasını sağlar. Aslında tür bir başka türle çiftleşip genlerini karıştıramayacak olsa bile, türün bir diğer türle genlerini karıştırabilmesi anlamına gelmektedir. Bu da evrim için ciddi anlamda malzeme yaratır.

Plazmidler de, tıpkı virüsler gibi, bir canlı formu sayılmazlar, çünkü Abiyogenez yazı dizimizde bahsettiğimiz canlılığın temel gerekliliklerinin yerine getirmezler. Ancak virüslerin plazmidlerden farklı, virüslerde genetik materyali koruyacak bir kılıf bulunmasıdır. Plazmidler ise "çıplak DNA" konumundadırlar; herhangi bir yapıyla korunmazlar. Sadece bazı durumlarda plazmidin bir diğer konağa geçebilmesi için pilus adı verilen bir kanalın üretilmesi gerekir. Bu kanal sayesinde aktarım sırasında plazmid korunur ve çevre koşullarından dolayı parçalanmaz. Lisede gördüğümüz meşhur öglena konjugasyonunda, iki öglenayı birbirine bağlayan tüpün adı "pilus", aktarılan materyal ise "plazmid"dir.

Plazmidler, tüm bu anlattıklarımızdan ötürü, önemli ama ikincil bir Çeşitlilik Mekanizması'dır. Çünkü plazmidlerin evrime doğrudan etkisi genelde prokaryotlarda görülür. Ayrıca plazmidlerin işlevlerini fark eden bilim insanları için de, çok önemli bir malzeme görevi görürler. Moleküler biyologlar, genleri istedikleri gibi manipüle edebilmek için plazmidleri kullanırlar. Diledikleri özelliklere sahip plazmidleri, hücreler arasında aktararak gen transferini sağlarlar. Genetik biliminde kullanılan bu plazmidlere vektör adı verilir. Plazmidler kullanılarak antibiyotikler üretilebilir ve büyük miktarda protein üretimi yapılabilir. Örneğin insülin üretimi için kullanılan şey basitçe plazmidler, daha doğrusu vektörlerdir. Plazmidlerin bilim dünyasındaki sorunu, sadece 1.000.000 baz çiftine kadar taşıyabilmeleridir, daha sonra kararsız hale gelirler ve işlevlerini göremezler. Ancak bu bile, oldukça büyük bir sayıdır. 

Plazmidler, pek çok şekilde gruplanabilir. Örneğin plazmidleri bir bakteriden diğerine geçme kabiliyetlerine göre gruplandırabiliriz. tra genlerine sahip olan plazmidler bir bakteriden diğerine geçebilirler. Bu gene sahip olmayanlar ise, ortamda tra genlerine ve dolayısıyla bunun ürünü olan pilus üretici enzimlere sahip olan bir diğer plazmid olmadan, bakteriden bakteriye geçemezler. Veya plazmidleri tek bir hücre içerisinde birlikte bulunabilirliklerine göre sınıflandırabiliriz. Örneğin E. coli bakterisi içerisinde birkaç farklı çeşit plazmid bulunabilir. Ancak bunların sadece bir kısmı işlerliklerini sürdürebilirler; çünkü bölünme için yeterli malzeme yoktur ve sadece belli bir grup hayatta kalabilir. 

Plazmidleri sınıflandırmanın en kolay yolu ise, fonksiyonlarına göredir. Bu şekilde sınıflandırırsak, 5 tip plazmid olduğunu görürüz:

1) F-Plazmidleri: tra genine sahip olan plazmidlerdir. Konjugasyon yapabilirler.

2) R-Plazmidleri: Antibiyotik ve zehirlere karşı direnç geliştirebilen genlere sahiptirler. Bakterilerin pilus üretmesine yardımcı olurlar. 

3) Col Plazmidleri: Diğer bakterileri öldürmek için "bakteriyosin" isimli proteinleri salgılayan genleri taşıyan plazmidlerdir.

4) Bozucu Plazmidler: Toluen ve salisik asit gibi sıradışı moleküllerin sindirimini sağlayabilen plazmidlerdir. Bu moleküllerin "sıradışı"lığı, normalde bu moleküllerin hücre içerisinde kullanılmamasıdır.

5) Virülens Plazmidler: Bakteriye viral özellikler kazandırarak bir virüse çeviren plazmidlerdir.

Her ne kadar 5 farklı kategori saydıysak da, bir plazmid bunlardan bir ya da daha fazlasını bir arada yapabilir. Ancak bu kategorilerden de anlaşılabileceği gibi, bir canlıya, hiç sahip olmadığı özellikleri katması açısından plazmidler büyük öneme sahiptirler. Bu sayede doğada çeşitlilik yaratılır ve daha önce bahsettiğimiz seçilim mekanizmaları sayesinde evrim gerçekleşir. 

Plazmidlerin Evrime Katkısı: Süper-Hızlı Bakteri Evrimi

Plazmidler yoluyla meydana gelen evrime de net bir örnek vererek bu konuyu sonlandırmak isteriz.

MRSA olarak bilinen metisilin dirençli Staphylococcus aureus türü bakteriler, 2008 yılı itibariyle ABD'de HIV'den daha fazla can almaktadır. MRSA bulaşan insanların derilerinde kabarma ve yırtılmalar görülmekte, sonrasında da bu yaralar giderek şişerek ölümcül sonuçlara neden olmaktadır. Çoğunlukla bir örümcek ısırığı gibi gözüken ve sonrasında giderek büyüyen yara, iltihaplara da son derece açıktır. Büyüyen yaranın içerisinde apseler de oluşur. 

MRSA'nın son dönemde bu kadar öne çıkmasının tek bir nedeni var: evrim. MRSA, sadece metisilin içerikli antibiyotiklere değil, aynı zamanda bildiğimiz birçok diğer kimyasala karşı da dirençlidir. Bu sebeple de salgınlarının önüne geçmek neredeyse imkansızdır. Modern MRSA, elbette bir anda, yoktan var olmamıştır. 1940'ların başlarında ilk defa penisilin bakteriyel hastalıkların tedavisinde kullanıldığında, henüz S. aureus türü bakterilerin penisiline direnç kazanabileceği ve böyle soy hatlarının evrimleşebileceği bilinmiyordu. Penisilin, uygulandığı anda olumlu sonuçlar veriyordu.

Ancak sadece 10 yıl içerisinde, 1950'lerden itibaren S. aureus bakterisinden doğan hastalıkları penisilin ile tedavi etmek çok zor bir hal almıştı. 1960'lara geldiğimizde ise neredeyse hiçbir S. aureus vakası tedavi edilemez olmuştu. 1961 yılında ilk defa metisilin geliştirildi. Birkaç ay içerisinde S. aureus sebepli hastalıklara karşı çok ciddi bir başarı sağlandı. Ancak evrimin de eli armut toplamıyordu: sadece 1 sene içerisinde, metisilin dirençli S. aureus soyları (MRSA) tespit edilmeye başlandı. Evrimin, insanın bakterilerin üremesi ve yaşaması üzerine koyduğu çevresel baskıya karşı bakterilerde yeni özellikler geliştirmesi günümüze kadar sürdü. Günümüzdeki MRSA, sadece penisilin ve metisiline karşı değil, aynı zamanda antibakteriyel mücadelenin "son aşaması" olarak kabul edilen vankomisin içerikli antibiyotiklere karşı da direnç kazanacak şekilde evrimleşti.

Sıradan bir deri enfeksiyonu problemi, nasıl küresel bir korku kaynağı haline geldi? Her ne kadar medya kaynaklarını dinleyecek olursanız, son zamanlarda "ortaya çıkan" bakterilerin direnç "geliştirdiğini" veya dirençli olmayı "öğrendiğini" duyacak olsanız da, işin dolandırmadan söylenen, açık nedeni evrimdir. Günümüzde, medya kaynaklarının bir sözcükten bu kadar korkuyor olması, gülünç olduğu kadar üzücüdür de.

Peki bu evrim nasıl gerçekleşmiştir? Bakteriler, zaten çok kısa sürede, çok fazla sayıda bölünerek çoğalabilmektedirler. Bu da, onların evrim hızını katlayarak arttırmaktadır. Ama bu evrimi daha da arttıran ufak bir nokta vardır: yatay gen transferi. 

Normalde, bir bakteri soy hattının ya da genel olarak bir canlı türünün, çevresel bir baskıya karşı direnç geliştirecek şekilde evrimleşmesi için, öncelikle popülasyona konuyla ilgili fayda sağlayacak bir varyasyonun girmesi gerekir, sonra da bunun sürekli seçilimiyle türün değişmesi gerekir. Bu, doğada neredeyse her zaman ve kulağa gelenden çok daha hızlı şekilde gerçekleşebilir. Ancak MRSA gibi bakterilerin evrimleşme hızı, evrimsel süreç açısından "normal" olanın kat kat üzerindedir. İşte bunun sebebi, yatay gen transferidir: bakteriler, kendi soy hatlarına -genellikle rastgele mutasyonlar yoluyla- yeni bir varyasyonun girip de sonrasında seçilmesini beklemek zorunda değillerdir. Eğer ki dirençli bir soy hattı bir noktada evrimleştiyse, bu bakterilerin birbirlerine yatay gen transferi yoluyla bu dirençli genleri aktarması çok muhtemeldir. Bu sayede, dirençsiz soy hatları da çok kısa sürede direnç kazanabilecektir. Bu da, evrimin adeta bir "kısa yol" yöntemidir.

Gerçekten de yapılan tüm araştırmalar, bu tür bir evrimi doğrulamaktadır. Hatta 1992 yılında yapılan bir çalışma, sadece S. aureus türünün kendi içerisinde değil, Enterococcus faecalis türünden S. aureus türüne de vankomisin direncine ait genlerin aktarılabildiğini göstermişlerdir. E. faecalis normalde sindirim kanalında bulunur. Buradaki hastalıkları tedavi etmek için kullanılabilen vankomisine karşı direnç kazanan soy hatları, sadece kendi türünden olan bireylere değil, plazmid etkileşimi sayesinde bambaşka bir bakteri türüne de bu genleri aktarabilmiştir.

Evrim Mekanizmalarının Ortak Kullanımı: Mutasyonlar ve Plazmidler

Anlaşılması gereken bir noktanın altını tekrardan çizmek istiyoruz: bu tür direnç kazanan bakteriler, çevresel bir stres unsuru (antibiyotikler gibi) oluştu diye bunu "anlayarak" evrim geçirmezler. O stres faktörü var olsa da, olmasa da popülasyona sürekli bir çeşitlilik dahil olmakta ve popülasyondan silinen çeşitlilik unsurları olmaktadır. Yani canlı popülasyonları son derece dinamik gen havuzlarına sahiptir, hele ki prokaryotlar (bakteri ve arkeler)... Dolayısıyla bu varyasyonlardan bazıları, uygun çevre şartları oluştuğunda bir anda çok ciddi avantajlar sağlayarak, seçilim mekanizmalarının etkisi altında popülasyonda birikmeye başlayabilir (veya zayıflar çok hızlı elenmye başlar). Bunun çok güzel bir örneğini, Antimicrobial Agents and Chemoterapy dergisinde Haziran 2011 ayında yayımlanan bir makalenin ortaya koyduğunu görüyoruz:

MIC, bir bakteri popülasyonunun %99'undan fazlasının çoğalmasını durdurmak için verilmesi gereken antibiyotik miktarı olarak tanımlanır. Dolayısıyla araştırmalarda, bir bakterinin direncini MIC'ye bakarak ölçebiliriz. Mycobacterium tuberculosis türü bakterisinde bulunan GidB geninin mutasyonlar sonucu silinmesi (delesyonu), bakterilerin streptomisin içerikli antibiyotiklere direncini tek bir seferde 16 katına çıkarmaktadır! Bu, faydalı mutasyonlara güzel bir örnektir.

Sonuçtan emin olmak için kromozomal gidB geni silinmiş bu bakteri suşuna plazmide klonlanmış bir GidB geni dışarıdan verilmiştir ve direnç anında, tamamen kaybolmuştur. Böylece GidB delesyonunun, yani tek bir mutasyonun, doğrudan faydalı sonuç verdiği ve direnci 16 kat (%1600) kadar devasa miktarda arttırabildiği kanıtlanmıştır. Bu gen üzerinde meydana gelebilecek yüzlerce potansiyel çerçeve kaydırıcı mutasyon, direnci 16 katına çıkarma şansına sahiptir. 

Dolayısıyla plazmidler, makalemiz içerisinde de değindiğimiz gibi, araştırmalar içerisinde  bu tür hedefli mutasyonların yaratılması amacıyla kullanılabilmektedir.