Viruslarda  Mutasyonlar ve  Rekombinasyonlar 

Prof. Dr. Mustafa Arda

Ankara Üniversitesi Veteriner Fakültesi
Temel Mikrobiyoloji 1   

01. Mutasyonlar
   01.01. Genel Bilgiler
   01.02. Başlıca Mutant Türleri
02. Rekombinasyonlar
   02.01. Genel Bilgiler
   02.02. Viral Gen Ürünleri Arasında İnteraksiyonlar
 

01. Mutasyonlar

01.01. Genel Bilgiler

Viruslar, diğer mikroorganizmalardan daha fazla genetik varyasyonlara açıktırlar ve maruz kalırlar. Bu değişiklikler, genellikle, genetik yapıda oluşan ve fenotipe de etkileyen mutasyonlar sonucunda ortaya çıkmaktadırlar. Viruslar uygun (permisif) canlı sistemlerde (deneme hayvanları, embriyolu yumurtalar, hücre kültürleri) üreyerek kısa bir süre içinde milyonlarca hatta milyarlarca yeni nesil oluşturabilmektedirler. Gayet doğaldır ki, DNA veya RNA'nın bu kadar fazla replikasyonları sırasında, genetik düzeyde kendiliğinden (doğal veya spontan olarak) bazı değişmeler meydana gelmektedir. Bazen de, virusların üretildikleri ortama ilave edilen bir kısım mutajenik maddeler, mutasyonlara yol açarak, böyle değişikliklerin oranını daha da artırmaktadır. Spontan mutasyonların oranı, normal koşullar altında, genellikle, çok sınırlı (10-6 - 10-8 arası) olmasına karşın, mutajenik maddelerin katılımı ile bu oran çok yükselmektedir (10-3 - 10-4). Mutasyonlar sonucunda, orijinallerine göre değişik genotipte ve buna bağlı olarak fenotipte gözlemlenen ve saptanan yeni nesiller (mutantlar) meydana gelirler. Ancak, mutasyonları tam veya kısmen de olsa önlemek ve düzeltmek için, üredikleri sistemlerde, bazı mekanizmalar da yok değildir. Bu düzeltme sistemleri, virusların genomlarından ziyade, hücrelerde bulunmaktadır. Bunlar da çoğu zaman yetirsiz kalmaktadırlar. Çünkü, bazı virusların replikasyonları ve ekspresyonlarında görevli enzimlerinin böyle bir aktivitesi bulunmamaktadır. Bu olgu, bakterilerde çok daha etkindir.

Virusların fazla sıklıkta mutasyonlarla karşı karşıya gelmelerinin diğer nedenleri arasında, bunların genetik materyallerinin daha komplike bir karakter taşımasıdır. Şöyle ki, virusların DNA veya RNA karakterinde bir genetik materyale sahip olmaları yanı sıra, tek veya çift iplikçikli, segmentli-segmentsiz, lineer-sirküler, pozitif veya negatif polariteli, bazılarının süpersarmal bir özellik taşımaları, ayrıca replikasyon yerlerinin nukleus veya sitoplasma olmaları, virus familyaları arasında replikasyon sırasında değişik enzimlerin ardışık fonksiyonel bulunmaları ve diğer nedenler bu mutasyonların oluşmasında kolaylaştırıcı faktör olarak etkilemektedirler.

Mutasyonların bazıları hafif veya belli-belirsiz (silent) olmakta, genomda önemli değişiklikler yapmamakta ve tamiratı da kolayca yapılabilmektedir. Buna karşın bir kısmı ise, genetik materyallerde önemli bozukluklar yaparak (virulens, patojenite, antijenite ve diğer önemli faktörlerde), orijinal (parental) viruslara oranla farklı genotipte mutantların ortaya çıkmasına ve hatta bazı mutasyonlar da virusların ölmesine (letal mutasyon) yol açmaktadırlar. Bu son türdeki mutasyonlar, nukleik asitlerin temel niteliğindeki genlerinde oluşan, köklü ve tamiri yapılamayan değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Silent mutasyonlar, genellikle, viral genomda, bir bazın girmesi veya çıkması ile karakterize olan türdeki varyasyonları kapsamakta ve bir kaç generasyon sonra tamir edilebilmektedirler.

Bazı değişiklikler de, genetik defektif virusların (bunlar, helper viruslarının yardımı ile hücrelerde replike olabilir ve çoğalabilirler) ortaya çıkmasına yol açarlar.

Temel genlerin dışındakilerde oluşun mutasyonlar bazen, antiviral ilaçlara karşı virusların direnç kazanmasına ve antijenite de önemli değişikliklerin ve buna bağlı olarak ta alt serotiplerin meydana gelmesine neden olabilmektedirler.

Nukleik asitlerin yapılarını oluşturan bazların sırasında ve türlerinde bir çok tarzda değişiklikler görülebilmektedir. Bunların arasında başlıca,  

1) Nukleik asitlerin normal baz sıraları arasından bir baz çiftinin çıkması (delesyon) veya baz sıraları arasına bir baz çiftinin girmesi (insersiyon) sonucunda mutasyonlar ortaya çıkabilirler (çift iplikçikli genoma sahip viruslarda).

2) Baz sıraları arasına bir bazın girmesi veya baz sıralarından bir bazın çıkması sonucunda mutasyonlar görülebilir (tek veya çift iplikçikli genomlarda).

3) Bir baz çiftinin yerini yine aynı türden diğer bir baz çiftinin (transisyonel mutasyonlar) veya farklı türden bir baz çiftinin alması (transversiyonal mutasyonlar) mutasyonlara yol açabilir (çift iplikçikli genoma sahip viruslarda) (nokta mutasyonları).

4) Aynı iplikçik üzerinde yan yana bulunan bazlar arasında kovalent bağlar kurularak ortaya çıkan birleşmeler (genellikle, timin dimerleri arasında oluşan dimerizasyon gibi) mutasyonlara neden olabilmektedir (tek veya çift iplikçikli genomlarda).

5) Tek veya çift iplikçikli genomlarda, değişik tarzlarda (baz-şeker bağlarının kopması, bazlar arası karşılıklı hidrojen bağlarının parçalanması, çapraz bağların kurulması, şeker-fosfat molekülleri arasındaki bağların kopması, ve diğer nedenler) mutasyonlar (hafif veya önemli) ortaya çıkabilmektedir.

Yukarda, genel hatları ile belirtilen mutasyonlar, virusların hücreler içindeki replikasyonları ve ekspresyonları (transkripsiyon ve translasyon) sırasında kendiliğinden (spontan olarak) veya çeşitli mutajenik maddelerin (mutajenler: Fiziksel mutajenler, "UV-ışınları, X-ışınları" veya kimyasal mutajenler" nitröz asidi, hidroksil amin, alkilen maddeler, baz analogları, akridinler, vs") etkisi altında meydana gelmektedirler.

Mutasyonlara, RNA viruslarında, DNA viruslarından daha fazla rastlanılmaktadır. Bunun başlıca nedenleri arasında, RNA viruslarında, replikasyonda görev alan RNA polimeraz enziminin (RNA'ya bağımlı RNA polimeraz) geriye yönelik düzeltme mekanizmasının bulunmamasıdır. Bu nedenle replikasyon sırasında oluşan hatalar (yanlış bazların sıraya girmesi ve bunların düzeltilememesi) aynen kalırlar. Ayrıca, sellüler orijinli RNA polimeraz enziminin de yanlışı düzelterek doğru bazı yerine koyma kapasitesi bulunmamaktadır. Bu durumlara bağlı olarak RNA viruslarında 2500-10000 polimerize nukleotide bir hata isabet etmektedir. Ayrıca, küçük RNA viruslarında her bir replikasyonda bir veya birden fazla yanlış nukleotidin sıraya girebileceği belirtilmiştir.

Mutasyonlar, diğer özellikleri yanı sıra, plak formasyonlarında da kendini belli eder ve değişik morfolojiye sahip plaklar meydana gelebilirler. Böylece heterojen virus populasyonlarının oluşmalarına yol açarlar. Bu durum da, genellikle antijenitede oluşan değişiklikleri yansıtır.

Bir doğal suş (genetik olarak normal ve orijinal özelliklerini taşıyan bir virus) ile infekte edilen bir canlıda oluşan antikorların etkinliği ile, bu virustan mutasyonla oluşturulan ve değişik antijenik karaktere sahip mutant virusla infekte edilen canlıda oluşan antikorların kros aktivite ve kros proteksiyon bakımlarından farklar bulunmaktadır. Diğer bir ifade ile mutant suşa karşı oluşan antikorlar, orijinal virusu belli bir oranda nötralize edebilir (veya bazen hiç nötralizasyon görülmeyebilir). Ayrıca, böyle mutant suşlar da canlılarda, orijinal virus kadar bir koruma sağlamayabilirler. Bu durum aynı zamanda, yerel suşlarla yapılan aşıların (monovalan veya polivalan) kullanılmasının gerekli olacağını da ortaya koymaktadır. Influenza ve retroviruslarında genetik varyasyonlara fazla rastlanıldığından, bunlarda alt serotipler de ortaya sıkça çıkmaktadır.

Retroviruslarında replikasyonda 2 farklı enzim görev yapmaktadır. Bunlardan biri virionda kodlanan revers transkriptaz enzimi (RNA'ya bağımlı DNA polimeraz enzimi) ile hücresel RNA polimeraz (DNA'ya bağımlı RNA polimeraz) enzimleridir. Bunların da her ikisinin hata düzeltme yetenekleri bulunmamaktadır. Bu durum da, retroviruslar arasında çok fazla mutant suşların ortaya çıkmasına yol açmaktadır.

Eğer mutasyon nukleik asitlerdeki tripletlerin birinde, özellikle bir kodonun 3. bazında, ise sonuçta oluşan değişiklikler proteinlerin yapısına pek fazla etkilemeyebilir, dolayısıyla da önemli bozukluklar (proteinin aktivasyon noksanlığı veya inaktivasyonu) meydana gelmez ve kısa süre içinde tamir edilebilir. Ancak, eğer üçüncü bazın değişmesi sonu bir stop kodonu veya ardışık çok değişik kodonlar ortaya çıkıyorsa, o zaman böyle mutasyonlar önemli olabilirler. Buna karşılık, kromozomal nitelik taşıyan mutasyonlarda, (özellikle, delesyon tarzındakiler) çok önemli genleri taşıyan segmentler çıkmışsa, virus inaktive olabilir ve letal mutasyon görülebilir.

Virusların infeksiyonu sonucunda hücrelerde ortaya çıkan plaklarda morfolojik değişiklikler gözlemleniyorsa, bu farklı görünümdeki plaklardan ayrı ayrı elde edilen ve saf olarak üretilen viruslardan hazırlanan aşılar deneme hayvanlarına verilerek oluşan antikorların, doğal veya deneysel infeksiyonları önleme yönünden değerlendirilmesi yapılarak, en uygun bulunanı aşı olarak kullanılabilir (Örn, Newcastle hastalığı için hazırlanan Clone 30 aşısı gibi). Ancak, böyle aşıların saha patojenik virusunu önlemedeki etkinliği, genellikle, sınırlıdır.

Bir gendeki mutasyonlar sonucu ortaya çıkan genotipik varyasyonlar, aynı yerde (değişikliğin olduğu yerde) meydana gelen geri mutasyonlarla veya aynı genin başka bir yerinde (intragenik) veya başka bir gende (ekstragenik) oluşan supresör mutasyonlarla giderilebilir.

Mutasyonların en önemli özelliği, baz sıralarında oluşan değişikliklerle genetik informasyonların (veya tripletlerin değişerek başka amino asit kodonlarının sıraya girmesi ve bunun sonucunda proteinin yapısında çok değişik amino asitlerin sırada bulunması) normal düzeninin bozulmasına yol açmasıdır.

01.02. Başlıca Mutant Türleri

Genlerin baz sıralarında veya tripletlerde, çeşitli nedenlerle (spontan, fiziksel, kimyasal ve diğer türden) meydana gelen genotipik değişmeler (mutasyonlar), virusun orijinal (doğal) suşlarından farklı özellik taşıyan mutantların ortaya çıkmasına yol açar. Bunlar arasında en önemli olan mutantlar aşağıda belirtilmiştir.

1) Özel koşullara bağlı letal mutantlar: Bazı şartlara bağımlı olarak ortaya çıkan bu tür mutantlar, nonpermisif (uygun olmayan) koşullarda infeksiyöz bir karakter taşımazlar. Ancak bazı özel uygun şartlarda (permisif koşullar) infeksiyöz projeniler (nesiller) meydana getirmektedirler. Bu karaktere sahip mutantlar da başlıca iki kategoride incelenmektedirler.

a) Isıya duyarlı (temperatür sensitif, Ts) mutantlar: Hayvan virusları arasında çok sık rastlanılan bu tür mutantlar, düşük ısıda üremelerine karşın yüksek ısıda üreyememektedirler. Böyle mutantların kodladıkları proteinler veya polipeptidler ancak düşük ısıda (30-31°C) aktivite göstermekte, buna karşın daha yüksek ısılarda (37-38°C) etkinlikleri olmamakta ve inaktif duruma gelmektedirler. Çünkü, yüksek ısı proteinlerin quarterner yapısını bozmakta ve böylece aktivitesine olumsuz etkilemektedir. Viral genomda oluşan nokta mutasyonlar, hücre içinde oluşturulan polipeptidlerde normal sırasında olmayan amino asitlerin yer alması ve bunların da farklı karaktere (düşük ısıda aktivasyon göstermesi gibi) sahip olmasına yol açmaktadır.

b) Konağa bağımlı mutantlar: Böyle özellikteki mutantlar ancak bir tür hücrede üreyebilir ve bunlarda plaklar oluşturabilirler. Buna karşın bazıları da diğer bir türü tercih ederler. Poxviruslarında rastlanan p-mutantları ve adenoviruslarda saptanan kb-mutantları böyle özellik taşırlar.

2) Defektif mutantlar: Viral replikasyonları için önemli olan bir veya bir kaç fonksiyonel geni bulunmayan viruslar, genellikle, bu tanımla belirtilmektedirler. Böyle virusların duyarlı hücrelerde üreyebilmeleri için, normal yardımcı (helper) viruslarının sağladığı ve fakat, defektiflerin gen noksanlığı nedeniyle kendilerinin kodlayamadığı proteinlere gereksinimleri vardır. Diğer bir ifade ile defektif viruslar, yalnız olarak, permisif hücrelerde üreyemezler ve olgunlaşamazlar. Kendilerinde olmayan ve fakat, normal viruslarca kodlanan gen ürünü proteinlere bağımlıdırlar. Böyle durumlara delesyon mutantlarında fazlaca rastlanılmaktadır. Örn, defektif bir karakter gösteren parvovirusların üreyebilmeleri için, hücrelerde normal (helper) adenoviruslarının da bulunması gereklidir. 

Bazı durumlarda virusların üremeleri, hücresel orijinli proteinlerin azlığından (yetersizliğinden), aktivite noksanlığından veya yokluğundan da kaynaklanabilir.

Laboratuvarlarda fazla pasajı yapılan viruslarda defektif viral partikül sayısında artmalar gözlemlenmektedir. Bunlar, ayrıca, homolog virusların da üremelerini önleyebilmektedirler. Böyle mutantların, çoğu zaman infeksiyöz yetenekleri de bulunmamaktadır. Ayrıca her hücre pasajında, infeksiyöz titrede azalmalar da saptanır. Normal homolog virusların üremelerini inhibe eden böyle mutant viruslara "defektif interfere edici viruslar" adı verilmektedir. Bu tür mutant virus partiküllerine RNA virusları arasında fazlaca rastlanılmakta ve bunlar, aynı zamanda, persistent infeksiyonların ortaya çıkmasında ve devamında da etkili olabileceği açıklanmaktadır.

Eğer  virusların  üretilmeleri için  kullanılacak  inokulumlar yüksek sulandırmalardan hazırlanırsa (10-5 veya 10-6 gibi) defektif virus sayısında ve hücrelerde birikmelerinde azalmalar meydana gelir.

Defektif virusların kapsidleri normal görünümde olmasına karşın genomlarında bir veya birkaç gen noksandır. Halbuki, pseudoviruslarda ise, kapsid normal olmasına karşın, virionda, viral genom yanı sıra konakcı hücre DNA'sından da küçük bir segment bulunmaktadır. Bu nedenle de her ikisi de infeksiyöz yeteneğe sahip değildirler. Ancak, pseudoviruslarda, genomun hepsi hücre orijinli değildir.

Defektif viruslara, influenza virusları, adenovirusları, papova virusları ve diğer viruslar arasında rastlanılmaktadır.

3) Sıcak mutantlar: Bu tür mutant viruslar, doğal (orijinal) virusların ürediği ısı limitlerinin daha üstündeki derecelerde (40-41°C) çoğalmaktadırlar. Böyle mutantlar, vücut ısıları (ateşi) yükselmiş hastalarda kolayca üreyebilmekte ve infeksiyonlara yol açabilmektedirler.

4) Plak mutantları: Aynı virus türlerinde, spontan veya çeşitli faktörlerle oluşturulan mutasyonlar sonunda, plak  formasyonlarında da bazı morfolojik değişiklikler de meydana gelmektedir. Böyle mutantlar genellikle delesyonlar sonucunda ortaya çıkmaktadırlar. Aynı tür içinde heterolog plakların görülmesi antijenik ve patojenik karakterlerindeki değişmelerden kaynaklanmaktadır. Plak pürifikasyonları ile saf virus partikülleri elde edilebilir.

5) İlaçlara dirençli mutantlar: Bazı ilaçlara direnç gösteren mutantlara viruslar arasında tesadüf edilmektedir. Örn, poliovirus mutantının guanidine ve bazı herpes virus mutantları da fosfoasetik asite direnç gösterdikleri belirtilmiştir. Bunlara karşın, polioviruslarında ve vaccinia viruslarında guanidine bağımlı suşların varlığı açıklanmıştır.

Viruslar arasında bazı fiziksel ve kimyasal maddelere (formol, vs) dirençli nesillerin meydana geldiği de bildirilmiştir.

02. Rekombinasyonlar

02.01. Genel Bilgiler

İn vivo veya in vitro (hücre kültürlerinde) üreyen virusların arasında veya viruslarla içinde üredikleri hücre DNA'sı arasında oluşan genetik interaksiyonlar sonunda karşılıklı genetik materyal değişimi (intramoleküler genetik değişim), genellikle, rekombinasyon olarak tanımlanmaktadır. Bu olgu sonunda da yeni genetik karakterlerde hibrid virus suşları oluşmaktadır. Bu suşlar, doğal viruslardan bazı yönleri ile farklı oldukları gibi kendisini oluşturan her iki virusa ait genetik materyallere de sahiptirler.

1) İntramoleküler rekombinasyonlar: Bir hücre, genetik olarak birbirine yakın iki virusla koinfekte edildiğinde (örn, HSV-1 ve HSV-2 virusları gibi) viral nukleik asitlerinin sentezleri sırasında karşılıklı gen alış-verişi meydana gelmekte ve oluşan yeni hibrid suşlar, hem tip-1 ve hem de tip-2 HSV'larına ait genetik materyallere sahip olmaktadırlar (intertipik rekombinant viruslar). Diğer DNA viruslarında da (SV-40 ile adenoviruslar) benzer rekombinasyonlar ortaya çıkmaktadırlar.

2) Genetik reassorment: Bu olgu daha ziyade segmentli viruslar arasında görülmektedir. Aynı hücre, genetik olarak birbirine çok yakın iki virus tarafından koinfekte edildiğinde bu iki virusa ait bazı segmentler arasında karşılıklı değişmeler (segment değişimi) olmaktadır. Bu fenomen sonunda da hibrid virus partikülleri meydana gelir. Bu olayda, her iki virusa ait segmentler karşılıklı bir araya (yan yana) geldiklerinde segment değişimi görülür. Bu değişim sonunda oluşan reassortmentlerden aşı suşu olarak kullanılabilir. Ancak, hepsi bu amaç için uygun değildir ve çok iyi bir seleksiyon yapmak gereklidir. Reassorment tarzındaki rekombinasyonlara influenzaviruslarında sıkça rastlanmakta ve virusun, doğada, 13 tür hemaglutinin H1-H13 ve 9 türde neuraminidaz varyantı bulunmaktadır.

3) Genetik reaktivasyon: Bir hücre, farklı genlerinde defekt bulunan ve birbirine genetik çok yakın (akraba) iki inaktif virus tarafından infekte edildiğinde, hücre içinde infeksiyöz virus partiküllerinin oluşmasına multiplisite reaktivasyonu adı verilir. Böyle olgular UV-ışınları ile inaktive edilen viruslarda daha iyi gözlenmektedirler. Kimyasal maddeler de benzer tarzda etkili olabilmektedir.

4) Eğer bir hücre biri aktif ve diğeri de inaktif birbirine genetik yakın olan iki virus tarafından infekte edilirse, aralarında, hücre içinde gen alışverişi olabilmektedir (kros reaktivasyon, Marker rescue). Bu olguda, inaktif virusun genom porsiyonu, aktif virusunun genomuna rekombine olmaktadır. Böylece ortaya çıkan yeni projeniler, genomlarında inaktif virusa ait özel markerleri taşırlar.

02.02. Viral Gen Ürünleri Arasında İnteraksiyonlar

Viruslar arasında genetik olmayan bu tarz interaksiyonlar bir kaç şekilde ortaya çıkmaktadır .

1) Komplementasyon: Her biri yalnız olarak hücrelerde üremeyen iki mutant virus aynı hücreyi infekte ettiklerinde birinin replikasyonu için gerekli olan proteinin diğeri kodlayarak her ikisi birlikte aynı hücrede üreyebilirler. Komplementasyon, birbiri ile ilişkili olmayan viruslar, defektif viruslar veya zarflı-zarfsız viruslar arasında görülebilir. Bu olguda, belli bir gen yönünden defektif olmayan bir virusun sağladığı gen ürünü, bu ürünün sentezini kodlamayan defektif virus tarafından kullanılarak kolayca üreyebilmektedir. Bu iki mutant virus arasında gen değişimi olmadığı için, yeni projenilerde de defektif genler bulunmaktadır. Eğer, iki mutant virus, aynı ürünün geni için defektif iseler o zaman her ikisi de üreyemez .

2) Fenotipik karışım: Bir hücrenin miks infeksiyonu sonu, bir virusa ait genetik materyalin tümü, diğer virusa ait kapsid veya zarfın içine girebilir (transkapsidasyon). Bazen de, bir virusun kapsid veya zarf materyalleri, diğer virusa ait kapsid veya zarf proteinleri arasında bulunabilirler (fenotipik karışım). Bu son durumda, viral genom etrafında her iki virusa ait proteinden meydana gelen kapsid yer alır.

3) Poliploidi ve heteroploidi (genotipik karışım): Virusların hücrelerde replikasyonları sırasında bazen aynı zarf veya kapsid içinde birden fazla aynı virusun genetik materyali (poliploidi) veya bir kapsid veya zarf içinde değişik viruslara ait genetik materyaller bulunabilirler (heteroploidi). Bu tarzdaki olgulara, daha ziyade, hücrelerden tomurcuklanma ile çıkan viruslarda (paramyxoviruslar ve diğerleri) görülmektedir.

[1] Kaynak : Temel Mikrobiyoloji