Virüslerin Kökeni: Virüsler Nasıl Evrimleşti?

Virüslerin evrimsel tarihi, belirsizliklerle dolu bir konu olsa da virologlar ve hücre biyologları için büyüleyici bir alandır. Virüsler arasındaki devasa çeşitlilik sebebiyle biyologlar bu varlıkları nasıl sınıflandıracakları ve geleneksel yaşam ağacıyla nasıl ilişkilendirecekleri konusunda zorluk yaşamışlardır. Virüsler, hücreler arasında hareket etme kabiliyetini kazanmış genetik unsurları temsil ediyor olabilirler. Veyahut önceden parazit olmayan ve daha sonra parazit haline gelen organizmaları temsil ediyor da olabilirler. Hatta ve hatta bildiğimiz şekliyle yaşamın öncüleri olabilirler!

Virüslerin Temel Özellikleri

Virüslerin oldukça çeşitli olduğunu biliyoruz. Diğer bütün biyolojik varlıkların aksine poliovirüs gibi bazı virüsler RNA genomuna, herpesvirüs gibi bazıları ise DNA genomuna sahiptir. Dahası, influenza virüsü gibi bazı virüsler tek sarmallı genomlara sahipken çiçek virüsü gibi bazıları çift sarmallı genomlara sahiptir.

Virüslerin yapıları ve çoğalma stratejileri de aynı şekilde çeşitlidir. Bununla birlikte, virüsler birkaç benzer özelliğe sahiptirler: İlk olarak, genelde o kadar küçüktürler ki çapları 200 nanometreden azdır. İkinci olarak, sadece konak hücre içinde çoğalabilirler. Ve son olarak bilinen hiçbir virüs, bir hücrenin protein üreten translasyon mekanizmasının gerekli bir bileşeni olan ribozomları içermez.

Virüsler Canlı mıdır?

Bu soruyu ele almak için "yaşam" derken ne kastedildiğini iyi anlamamız gerekir. Belirli tanımlar farklılık gösterse de biyologlar genellikle tüm canlı organizmaların birkaç temel özelliğe sahip olduğu konusunda hemfikirdir: Büyüyebilir, üreyebilir, homeostazlarını koruyabilir, uyarıcılara yanıt verebilir ve çeşitli metabolik süreçleri yürütebilirler. Buna ek olarak canlı organizma popülasyonları zaman içinde evrimleşebilir.

Peki virüsler bu kriterlere uyuyor mu? Hem evet hem hayır. Muhtemelen hepimiz virüslerin bir şekilde çoğaldıklarını biliyoruz. Az sayıda virüs partikülü ile enfekte olabiliriz, örneğin başka bir kişi öksürdüğünde dışarı atılan partikülleri soluduktan sonra virüsler vücudumuzda çoğaldıkça birkaç gün sonra hasta olabiliriz. Aynı şekilde muhtemelen hepimiz virüslerin zaman içinde evrimleştiğini de biliyoruz. Her yıl grip aşısı olmamız gerekiyor çünkü influenza virüsü yıl geçtikçe değişiyor veya gelişiyor.

Ancak virüsler metabolik süreçleri yürütemez. En önemlisi, virüsler ATP üretemediklerinden dolayı canlı organizmalardan farklıdır. Ayrıca virüsler yukarıda belirtildiği gibi translasyon için gerekli mekanizmaya sahip değildir. Ribozomları yoktur ve mesajcı RNA moleküllerinden bağımsız olarak protein oluşturamazlar. Bu sınırlamalar nedeniyle, virüsler yalnızca canlı bir konak hücre içinde çoğalabilir. Bu nedenle virüsler mecburi hücre içi parazitlerdir. Yani yaşamın katı bir tanımına göre, cansızdırlar. Ancak herkesin bu sonuca katılması gerekmiyor. Belki de virüsler yaşam ağacında kapsid kodlayan organizmalar gibi farklı bir organizma türünü temsil ediyordur.

Virüsler Nereden Geldi?

Virologlar arasında bu soru hakkında pek çok tartışma vardır. Üç ana hipotez öne sürülmüştür:

1. İlerleme Hipotezi, virüslerin hücreler arasında hareket etme kabiliyeti kazanan genetik unsurlardan ortaya çıktığını belirtir.
2. Gerileme (Regresyon) Hipotezi, virüslerin hücresel organizmaların kalıntıları olduğunu ileri sürer.
3. Önce-Virüs Hipotezi, virüslerin mevcut hücresel konakçılarından önce geldiğini veya onlarla birlikte evrimleştiğini belirtir.

İlerleme Hipotezi

Bu hipoteze göre, virüsler aşamalı bir süreçten geçerek ortaya çıkmıştır. Hareketli genetik elementler, genom içinde hareket edebilen genetik materyal parçaları, bir hücreden çıkıp diğerine girebilme yeteneği kazanmıştır. Bu dönüşümü kavramsallaştırmak için, HIV'in ait olduğu virüs ailesi olan retrovirüslerin çoğalma sürecini inceleyelim.

Retrovirüsler tek sarmallı bir RNA genomuna sahiptir. Virüs konak hücreye girdiğinde, viral bir enzim olan ters transkriptaz bu tek sarmallı RNA'yı çift sarmallı DNA'ya dönüştürür. Bu viral DNA daha sonra konak hücrenin çekirdeğine göç eder. Başka bir viral enzim olan integraz, yeni oluşan viral DNA'yı konak hücrenin genomuna ekler. Viral genler daha sonra kopyalanabilir ve dönüştürülebilir. Konak hücrenin RNA polimerazı virüsün tek sarmallı RNA genomunun yeni kopyalarını üretebilir. Yeni virüsler bir araya gelir ve sürece yeniden başlamak üzere hücreden çıkar.

Bu süreçte ökaryotik genomların çoğunda yer alan, alışılmadık olsa da önemli bir bileşen olan retrotranspozonların hareketi dikkat çekmektedir. Bu hareketli genetik unsurlar insan genomunun şaşırtıcı bir şekilde %42'sini oluşturur ve bir RNA aracılığıyla genom içinde hareket edebilir. Retrovirüsler gibi, belirli retrotranspozon sınıfları yani viral benzeri retrotranspozonlar bir ters transkriptaz ve genellikle bir integraz kodlar.

Bu enzimler sayesinde elementler RNA'ya transkripte olabilir, DNA'ya ters kopyalanabilir ve daha sonra genom içinde yeni bir konuma entegre edilebilir. Birkaç yapısal proteinin kazanılmasının, elementin bir hücreden çıkıp yeni bir hücreye girmesine ve böylece bulaşıcı bir etken haline gelmesine izin verebileceğini tahmin edebiliriz. Gerçekten de retrovirüslerin ve viral benzeri retrotranspozonların genetik yapıları dikkate değer benzerlikler göstermektedir.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Gerileme Hipotezi

Yukarıda açıklanan ilerleme sürecinin aksine, virüsler gerileyen bir süreçle ortaya çıkmış da olabilir. Mikrobiyologlar genellikle Chlamydia ve Rickettsia türleri gibi zorunlu hücre içi parazitleri olan bazı bakterilerin serbest yaşayan bir soydan evrimleştiği konusunda hemfikirdir. Gerçekten de genomik çalışmalar, ökaryotik hücrelerin mitokondrileri ile Rickettsia prowazekii'nin ortak, serbest yaşayan bir soydan geliyor olabileceğini göstermektedir.

O halde mevcut virüsler, replikasyon için parazitik bir yaklaşım benimsediklerinden zaman içinde genetik bilgilerini kaybeden daha karmaşık, muhtemelen serbest yaşayan organizmalardan evrimleşmiş olabilirler.

Belirli bir grup nükleositoplazmik büyük DNA virüsü bu hipotezi en iyi şekilde açıklamaktadır. Çiçek virüsü ve yakın zamanda keşfedilen tüm virüslerin en büyüğü olan Mimivirüs'ü de içeren bu virüsler, çoğu virüsten çok daha büyüktür. Örneğin tipik bir tuğla şeklindeki çiçek virüsü 200 nm genişliğinde ve 300 nm uzunluğunda olabilir. Bunun yaklaşık iki katı büyüklüğündeki Mimivirüs'ün toplam çapı yaklaşık 750 nm'dir. Buna karşılık, küre şeklindeki influenza virüsü partiküllerinin çapı sadece 80 nm olabilir ve poliovirüs partiküllerinin çapı sadece 30 nm'dir, yani bir tuz tanesinden yaklaşık 10.000 kat daha küçüktür.

Ayrıca nükleositoplazmik büyük DNA virüsleri de büyük genomlara sahiptir. Aynı şekilde, çiçek virüsü genomları genellikle yaklaşık 200.000 baz çiftine ve Mimivirüs 1,2 milyon baz çiftine sahipken; poliovirüs sadece 7.500 nükleotitlik bir genoma sahiptir. Büyüklüklerine ek olarak, nükleositoplazmik büyük DNA virüsleri diğer virüslere göre daha fazla karmaşıklık sergiler ve replikasyon için konakçılarına diğer virüslere göre daha az bağımlıdır.

Örneğin çiçek virüsü partikülleri, virüsün konak hücre sitoplazması içinde işlevsel mesajcı RNA üretmesini sağlayan çok sayıda viral enzim ve ilgili faktörleri içerir. Nükleositoplazmik büyük DNA virüslerinin boyutu ve karmaşıklığı nedeniyle, bazı virologlar bu virüslerin daha karmaşık ataların torunları olabileceği hipotezini ortaya atmışlardır. Bu hipotezi savunanlara göre, otonom organizmalar başlangıçta simbiyotik bir ilişki geliştirmiştir. Zamanla, bir organizma diğerine giderek daha fazla bağımlı hale geldikçe ilişki parazitik hale gelmiştir.

Bir zamanlar serbest yaşayan parazit konağa daha bağımlı hale geldikçe, daha önce gerekli olan genlerini kaybetmiştir. Sonunda bağımsız olarak çoğalamaz hale gelmiş ve zorunlu bir hücre içi parazit, bir virüs haline gelmiştir. Dev Mimivirüs'ün analizi bu hipotezi destekleyebilir. Bu virüs, daha önce tamamlanmış bir öteleme sisteminin kalıntıları olabilecek çeviri genleriyle ilişkili nispeten geniş bir varsayılan gen repertuarı içerir. İlginç bir şekilde Mimivirüs, Rickettsia prowazekii gibi parazit bakterilerden kayda değer bir farklılık göstermez.

Önce-Virüs Hipotezi

İlerleme ve gerileme hipotezlerinin her ikisi de hücrelerin virüslerden önce var olduğunu varsaymaktadır. Peki ya virüsler daha önce var olduysa?

Son zamanlarda, bazı araştırmacılar virüslerin ilk çoğalan varlıklar olabileceğini öne sürmüşlerdir. Koonin ve Martin, virüslerin hücre öncesi bir dünyada kendi kendini kopyalayan birimler olarak var olduğunu öne sürmüştür. Zaman içinde bu birimlerin daha organize ve daha karmaşık hale geldiğini savunmuşlardır. Bunun sonucu olarak zarların ve hücre duvarlarının sentezi için enzimler evrimleşerek hücrelerin oluşmasını sağlamıştır. Bu durumda virüsler bakteri, arke ya da ökaryotlardan önce var olmuş olabilir.

Çoğu biyolog artık ilk çoğalan moleküllerin DNA'dan değil RNA'dan oluştuğu konusunda hemfikirdir. Ayrıca RNA molekülleri olan ribozimlerin enzimatik özellikler sergilediği bilinmektedir ve bunlar kimyasal reaksiyonları katalize edebilir. Muhtemelen, ilk hücre oluşmadan önce var olan ve basit şekilde çoğalan RNA molekülleri, ilk hücreleri enfekte etme yeteneğini geliştirmiştir. O halde günümüzün tek sarmallı RNA virüsleri bu hücre öncesi RNA moleküllerinin devamı olabilir mi?

Bir başka fikir ise günümüzün nükleositoplazmik büyük DNA virüslerinin öncüllerinin ökaryotik hücrelerin ortaya çıkmasına yol açtığıdır. Villarreal, DeFilippis ve Bell bu iddiayı açıklayan modeller sunmuşlardır. Her iki görüşe göre, belki de ökaryotik hücrelerdeki mevcut çekirdek, karmaşık, zarflı bir DNA virüsünün gelişmekte olan bir ökaryotik hücrenin kalıcı üyesi haline geldiği endosimbiyoz benzeri bir olaydan ortaya çıkmıştır.

Tek Bir Hipotez Doğru Olmayabilir!

Virüslerin nereden geldiği, basit bir soru değildir. Retrovirüsler gibi bazı virüslerin ilerleyici bir süreçle ortaya çıktığı oldukça ikna edici bir şekilde iddia edilebilir. Hareketli genetik elementler hücreler arasında seyahat etme kabiliyeti kazanarak bulaşıcı bir etken haline gelmiş olabilir.

Ancak büyük DNA virüslerinin, bir zamanlar bağımsız olan varlıkların zaman içinde ana genlerini kaybettiği ve parazitik bir çoğalma stratejisi benimsediği gerilemeci bir süreçle ortaya çıktığı da iddia edilebilir. Belki de bugünün virüsleri birden çok kez, birden çok mekanizma aracılığıyla ortaya çıkmıştır! Ya da belki de tüm virüsler henüz keşfedilmemiş bir mekanizma aracılığıyla ortaya çıkmıştır. Günümüzde mikrobiyoloji, genomik ve yapısal biyoloji gibi alanlarda yapılan temel araştırmalar bu soruya yanıt bulmamızı sağlayabilir.