Viral Ökaryogenez: Ökaryotların Kökü Virüslere Dayanıyor Olabilir mi?

Hayvan, bitki, mantar ve hatta protozoaların hücreleri birbirinden ne kadar farklı olursa olsunlar; paylaştıkları önemli bir özellik vardır: çekirdek. Elbette enerji üretiminden sorumlu mitokondriler gibi başka organelleri de var. Ancak sınırları belli, delikli bir genetik materyal kesesi olarak tanımlanabilecek çekirdeğin varlığı, 1925 yılında biyolog Edouard Chatton’a, "gerçek" ve "çekirdek" anlamlarına gelen sözcüklerin birleşiminden oluşan “ökaryot” terimini türetmesinde ilham olan asıl şeydi. Geri kalan her canlı ise “prokaryot” ("çekirdek öncesi" anlamına gelen bir sözcük) olarak adlandırıldı. Böylece çekirdekli ve çekirdeksiz yaşamın ikiye ayrılarak incelenmesi, biyoloji için bir temel haline geldi.

Çekirdeğin nasıl evrimleşip de bu ayrıma yol açtığını kimse tam olarak bilmiyor. Buna rağmen çekirdeğin, tıpkı mitokondrininkine benzer bir simbiyotik partnerlikle (endosimbiyoz) oluştuğuna yönelik giderek artan deliller, kimi araştırmacıları ikna etmiş durumda. Ancak arada şöyle kritik bir fark var: Çekirdeği oluşturan partner bir hücre değil, bir virüs olabilir.

MicroBioGen adlı biyoteknoloji şirketinde araştırma lideri olan Philip Bell, 2001 yılında ökaryotik çekirdeğin viral kaynağı hakkında bir teori ortaya atmış ve bunu 2020 Eylül ayında yenilemişti. Bell teorisini kısaca şöyle açıklıyor:

Bizler (ökaryotlar), karmaşıklıktan doğan (İng: "emergent complexity") şeyin klasik bir örneğiyiz. Üç organizmanın bir araya gelmesiyle bir topluluk oluşuyor ve zamanla birbirine öyle entegre oluyorlar ki yeni bir yaşam formu oluşuyor.

Bell ve diğer araştırmacıların dayanağı, prokaryotik hücrelerin içinde, tıpkı bir çekirdek gibi trsanskripsiyon (gen ifadesi) ve translasyon (gen çevrimi) olaylarını yönetebilen yapılar, bir başka deyişle “viral fabrikalar” kurmuş dev virüslerin gösterimi gibi bulgular olması. Bell, bunun ellerindeki en güçlü model olduğunu belirtiyor.

Ökaryotların kökenini araştıran araştırmacıların çoğu muhtemelen onunla aynı fikirde değil, kimileri bu düşünceyi fazla marjinal buluyor. Fakat viral kökenin savunucuları viral modeli akla uygun bir şekilde destekleyen bazı güncel araştırmaları öne sürüyor ve bütün bunları toparlayıp lehlerinde sonuçlandıracak son bulguların da yakın olduğuna inanıyorlar.

Viral Hediye mi, Viral Karmaşa mı?

Bilim insanları genel olarak, ökaryotların tarih sahnesine 2.5 ila 1.5 milyar yıl önce, bulgulara göre bir bakterinin başka bir tür prokaryot olan bir arkeyi içine alıp, bu arkenin evrimsel süreçte zamanla bugün "mitokondri" dediğimiz organel halini alması ile çıktığını düşünüyor. Ancak çekirdeğin oluşumu konusu daha derin bir gizem barındırıyor: Bu arke, halihazırda çekirdeğe sahip bir proto-ökaryot muydu, yoksa çekirdek sonradan mı belirdi, bilinmiyor.

Ökaryotik çekirdeğin kökenlerini açıklayacak her öykünün aydınlatması gereken belli noktaları var. Öncelikle yapısı gereği, çekirdek iç ve dış membranlarca çevrelenmiş bulunuyor. Ayrıca ilginç bir şekilde gen ifadesini (transkripsiyon) içinde gerçekleştirirken proteinlerin yapım işi (translasyon) dışında gerçekleşiyor. Ve gerçekten iddialı bir köken öyküsünün açıklığa kavuşturması gereken bir başka şey de, çekirdeğin en başta niçin var olduğu; yani bu antik hücrelerin hangi evrimsel baskılar altında genomlarının çevresini sarmalamaya itildiği.

Nature

Geçmiş yüzyılın büyük kısmı boyunca, çekirdeğin kökenine dair tahminler, bu yukarıdaki sorulardan en az birini açıklamada yetersiz kaldı. Ancak 21. yüzyılın başına yaklaşıldığında iki araştırmacı birbirinden bağımsız olarak çekirdekten sorumlu olan şeyin virüs olduğu fikrini ortaya attı.

Japonya’da, o zamanlar Nagoya Üniversitesinde bir araştırmacı olan Masaharu Takemura, evrimle ilgilenmeye başladığında, hücrelerin DNA’larını kopyalarken kullandığı enzim olan DNA polimerazın biyokimyasını çalışıyordu. Bu yazının yazıldığı sırada Tokyo Bilim Üniversitesinde virolog ve biyolog olan Takemura, ökaryot, bakteri, arke ve virüs DNA’larının filogenetik bir analizini yürütüyordu. Analizleri sonucu poksvirüslerin DNA polimerazlarının, ökaryot DNA polimerazların geniş bir sınıfına şaşırtıcı derecede çok benzediğini gördü. Bunun sonucunda ökaryotlardaki bu enzimin kökeninde antik bir poksvirüsün katkısı olduğu hipotezini oluşturdu.

Quanta Magazine

Takemura, poksvirüslerin enfekte ettiği hücrelerde bölmeler oluşturup, bunların içinde çoğaldığını biliyordu. Bütün bu bilgileri birleştirerek, ökaryotik çekirdeğin bu atasal poksvirüs bölmelerinden türediğine dair bir teori oluşturdu. Bu teorisi Journal of Molecular Evolution dergisinde 2001 Mayıs ayında yayımlandı.

Bu esnada Bell ise, Avustralya’da farklı sebeplerden yola çıkarak benzer bir sonuca vardı. 1990’ların başlarında yeni mezun bir öğrenciyken çekirdeğin kökeni hakkındaki (özellikle mitokondriye benzer biçimde endosimbiyotik bir başlangıç olmuş olabileceğine dair) teoriler ilgisini çekmeye başlamıştı. Bell, çekirdeğin bakteriyel değil de endosimbiyotik kökenli olup olmadığını düşünmeye başlamıştı. Bakteriyel ve ökaryotik genom arasında, bakterilerinkinin halkasal, ökaryotlarınkinin ise doğrusal olması gibi çok fazla fark olduğunu düşünmüştü.

Viral genomları incelediğindeyse, poksvirüslerinin ve ökaryotların genomları arasındaki benzerlikleri fark etti. Bell, “Modelin ilk versiyonunu yayımlamak dokuz yılımı aldı.” diye belirtiyor. Daha sonra çalışmasının Journal of Molecular Evolution dergisinde çıkması ise 18 ayı buldu, yani Takemura’nın çalışmasının yayımlanmasından 4 sayı sonra.

Bunun üzerinden 20 yıl kadar geçtikten sonra ise, Takemura ve Bell, yine birbirinden bağımsız olarak hipotezlerini güncellediler. Takemura’nın çalışması 3 Eylül 2020’de Frontiers in Microbiology’de yayımlanırken Bell’inki 20 Eylül’de Virus Research’da yayımlandı.

İki bilim insanı da çalışmalarında, hipotezlerini güncellemelerindeki ana sebeplerden biri olarak, olağanüstü bir grup olan “dev virüsler”in keşfini gösteriyor. Bu virüsler Takemura ve Bell’in ilk hipotezlerini ortaya koydukları dönemde bilinmiyordu. Bu virüslerin genomları, 1 milyonu aşkın baz çifti içerip bakterilerin küçük genomlarından çok daha büyüktü ve hücrelerdeki temel işlemlerde görev alan proteinlerin viral versiyonlarını içeriyordu. En önemlisi ise, bu virüslerin konak hücre sitoplazmasında karmaşık, kendiliğinden üretilen bölmelerde çoğalıyor olmalarıydı. Bu sebepten dolayı, poksvirüsler gibi nükleostoplazmik büyük DNA virüsleri (NCLDV) olarak kategorilendirildiler.

Paris Pasteur Enstitüsünde bir evrimsel biyolog olan Patrick Forterre, bu dev virüslerin oluşturduğu bölmelerin, ökaryotik çekirdekler kadar büyük viral fabrikalar olduğunu söylüyor. Üstelik, ökaryotları enfekte eden NCLDV’ler tarafından oluşturulan bu sözgelimi viral fabrikaların tıpkı çekirdekler gibi iç ve dış membranları var. İşte bu bilgiler ışığında Forterre, Takemura ve Bell çekirdeğin kökenini dev virüslere dayandırıyor.

Wikimedia Commons

Forterre’e göre, çekirdeğin dev virüslerden gelmiş olmasının iki olası açıklaması var:

Ya bu viral fabrikalar çekirdek halini aldı, ya da proto-ökaryotik hücreler onlardan bu yöntemi öğrenerek kromozomlarını korumak için bir yol buldular.

Takemura, ikinci önermenin daha olası olduğunu düşünüyor: Virüs hem bir arkenin genetik bariyer yapması için uyarı oluşturarak hem de bu yapım için gerekli olan bazı genleri sağlayarak ökaryotik hücrelere dolaylı yoldan katkı sağlamış olabilir.

Takemura’nın hipotezine göre, uzun zaman önce bir dev virüs, viral fabrikasını oluşturup kendi genomunu bununla çevrelerken, aynı zamanda enfekte ettiği arkenin genomunu da içeri aldı. Fakat enfekte hücrelerin pek çoğunun aksine, bu konak hücre virüsün bariyer inşa etme numarasını çalmayı başardı ve kendi genomunu virüsünkinden koruyan, kendi bölmesini oluşturdu. Zamanla, bu yarı geçirgen bariyer bugün çekirdek olarak bildiğimiz yapıya evrildi.

Bell ise viral fabrikanın doğrudan çekirdek haline geldiği versiyonu tercih ediyor. Bu süreç günümüzde bilinen virüslerin prokaryotları enfekte etme davranışını daha iyi yansıtıyor. Bell bu durumu "Ceset Yiyicilerin İstilası" (İng: "Invasion of the Body Snatchers") filmine benzetiyor.

Ona göre bir dev virüs, bir arkeyi enfekte ederek viral fabrikasını kurdu ancak konağını öldürmedi. Bunun yerine oluşturduğu yapı bir şekilde olduğu yerde kalmayı başardı. Daha sonra virüs, arkenin genlerini çalarak genomunu tamamen yok etti. Bu virüsler arasında (özellikle dev olanlar arasında) yaygın bir yöntemdir: Konaklarından genlerini alır ve böylece onlara daha az bağımlı olurlar. Bu süreç, neden bu kadar çok mitokondriyal genin çekirdeğe taşınmış olduğunu da açıklıyor. Bell, bunu şöyle anlatıyor:

Zaman içinde bu yapı mitokondriden de gen çalıp durdu ve onu da kontrol etmeye başladı. Virüs bir bakıma, arke hücresini bir palto gibi giydi sadece.

Wikiwand

Tartışmalı Köken

Takemura ve Bell'in önceki keşiflerinden bu yana, çekirdeğin viral kökeni fikrini destekleyecek bazı keşifler yapıldı. Örneğin dev virüs aile ağacına ait bütün dallar keşfedilerek evrimlerine dair bilgilerimiz arttı. Bunun yanında, konakları ile değiş tokuş ettikleri genler - hücrelerden çaldıkları, belki de verdikleri genler- saptandı.

Ayrıca, 2017'de araştırmacılar bakteri içinde viral fabrika oluşturan bir virüs keşfetti. O zamana dek, virüslerin viral fabrika oluşturuşunun yalnızca ökaryotlara özel olduğu sanılıyordu. Bu olayın prokaryotlarda da gerçekleşebileceği bulgusu, aynı şeyin uzun zaman önce gerçekleşip çekirdek oluşum sürecini başlatmış olabileceği fikrini doğurdu.

Takemura'ya göre, bu durumda çekirdek benzeri ilk yapı membran temelli değildi. Bu durum da onu (proto-çekirdek) pek çok viral fabrika ve ökaryotik çekirdekten farklı kılar. Yine de Takemura, virüsün bir prokaryotik hücre içerisinde kendi genomu çevresinde koruyucu bir bölme oluşturması fikrinin, atasal ökaryotik hücrelerde de benzer bir bölme oluşumu sürecinin yaşanmış olabileceğini desteklediği görüşünde.

2020 yılı içinde, araştırmacılar koronavirüslerin oluşturduğu çift membranlı viral fabrikaların yüzeyinde, hücre çekirdeğindekileri ürkütücü bir biçimde andıran gözenekler saptamıştı. Wisconsin Üniversitesinde bir evrimsel biyolog olan David A. Baum bu konuda şöyle söylüyor:

Bu bulguların doğruluğu ispatlanırsa, -gözenek oluşturan proteinin ökaryotik bir genomdan türemediği varsayıldığında- virüs modeline karşı argümanlardan biri gerçekten de çürümüş olur.

Baum yine de virüslerin çekirdeğin kökeniyle bir alakası olduğu fikrine sıcak bakmıyor. Ona göre bu, yalnızca işleri karmaşıklaştırıyor. O ve London College Üniversitesinde hücre biyoloğu olan kuzeni Buzz Baum’un farklı bir hipotezi var: Şöyle ki, çekirdek aslında atasal arkenin dış membranının bir kalıntısı. Temel olarak fikirleri, atasal bir arkenin çevresindeki dünyayı keşfederken membranının uzantıları ile bir bakteriyle etkileşime geçtiği yönünde. Zaman içinde bu membran parçaları birikerek sonunda tek bir parça haline kaynaştılar. Böylece diğer hücre içi bölmelere kaynaklık eden iç ve dış membran kıvrımlarını oluşturdular. David Baum modellerini şöyle anlatıyor:

Ökaryotların yaşayan en yakın akrabalarının prokaryotlarla etkileşebilen hücredışı uzantıları vardır. Bunlar ilginç bir şekille modelimizde önerdiğimiz yapılara benziyor.

Virüslerin ökaryotlara en temel çekirdek proteinlerinin bazılarını vermiş olabileceğine dair kanıtlara gelince, Baum bu konuda kesin karara varmanın zor olduğunu söylüyor:

Virüsler tamamen kleptomanyaklardır. Bana göre, virüsler ile ökaryotlar arasında benzerlikler bulduğumuzu düşünürken temkinli olmakta fayda var. Söz konusu genlerin virüslerden ökaryotlara mı geçtiğini ya da bunun tersinin mi olduğunu bilemeyiz.

Paris-Saclay Üniversitesinde mikrobal ekolog ve Fransız Milli Bilimsel Araştırma Merkezinde araştırma direktörü olan Purificación López-Garcìa da ökaryotların viral kaynaklı proteinler kullandığı fikrine ikna olmuş değil. López-Garcìa, ökaryotik çekirdek, hücre ve virüsler arasında homolog bir ilişki olduğuna dair hiçbir kanıtın olmadığını söylüyor.

Ancak López-Garcìa, Baumların “uzantı” modeline de katılmıyor. O ve arkadaşları ökaryotların, bir arke tarafından yutulan bir bakterinin sonradan mitokondriye dönüşmüş olabileceğini düşünmüyor. Bunun yerine, daha erken bir endosimbiyotik olayın sonucu olarak arkenin zaten bakterinin içinde yaşamakta olduğunu öne sürüyorlar. López-Garcìa bunu şöyle anlatıyor:

Modelimizde, çekirdek bu arkeden türüyor ve sitoplazma da bakteriden türüyor. Bu ikili de gelecekte mitokondri olacak şeyi içeri alıyor.

Takemura ise bu hipotezlerin kusurlu olduğunu, çünkü çekirdeğin neden oluştuğunu açıklamaktan öteye gidemediklerini, bunun yanında genomun çevrelenip protein yapılan kısımların dışta kalışının evrimsel mantığını barındırmadıklarını söylüyor. Bu Bell için de önemli bir nokta. Transkripsiyon ve translasyonun neden ayrılmış olduğunu bu hipotezlerde göremiyor. Forterre de viral köken teorisinin daha güçlü olduğuna inanıyor.

Beklenen Keşif

Baumlar ve López-Garcìa gibi bilim insanlarını Forterre’nin bakış açısına inandırmak için çok daha fazla kanıt gerekecek olsa da, yirmi yıllık teknolojik gelişme gereken kanıtlara ulaşmayı nihayet mümkün kılacak gibi görünüyor.

2020’de Japon araştırmacılar, on yılı aşkın bir çalışmanın sonunda Lokiarchaeota’yı, yani orijinal ökaryot ile partnerliğin bir parçası olmuş olabileceğine inanılan arke tipini, izole edip kültür ortamında üretmeyi başardıklarını açıkladı. Bu gelişme uzak akrabalarımızı enfekte etmiş olan virüsleri keşfetmemiz ve bu enfeksiyonların nasıl göründüğünü izlememiz için bir kapı açabilir. David Baum şöyle diyor:

Lokiarchaeota’yı, yani hücrelere girip burada kamp kuran ve sitoplazmadaki transkripsiyona imkan sağlayan porları açan arkeyi, enfekte eden yeni bir virüs sınıfı bulunsaydı, bu çok daha zorlayıcı olurdu.

Bell, Lokiarchaeota’nın keşfedildiği aynı derin deniz tortullarında yakın zamanda dev virüslerle dolu bir gömü bulunduğunun da altını çizdi. Birinin bu virüslerden herhangi birinin arkeleri enfekte edip edemeyeceğini, ve eğer edebiliyorsa da NCLDV’lerin (nükleostoplazmik büyük DNA virüslerinin) ökaryotlarda yaptığına benzer şekilde viral fabrikalar kurup kuramayacağını test etmesini umuyor. “Bu gösterildiği takdirde, oyun bitmiştir.” diyor Bell. Takemura da böyle bir virüsün varlığına dair umut beslediğini söyleyerek bunu şöyle ifade ediyor:

Çekirdek benzeri ve membran temelli yapılar oluşturan arkaik virüslerin keşfi, çekirdeğin viral kökeninin en güçlü kanıtı olacaktır.

Bu tip sıra dışı bir bulguya ulaşana dek, viral ökaryogenez tartışmalı bir konu olarak kalacak gibi görünüyor. Fakat sonunda bu onay savaşını kazanamasa bile, teorinin her testi evrimsel geçmişin ufak parçalarını açığa çıkarıyor ve bu sebeple de nereden geldiğimiz sorusunun cevabını bulmaya adım adım yaklaşıyoruz.