Viruslarda Mutasyon ve Genetik Değişimler

Genetik metaryal, yani viral nükleik asit tarafından kodlanan bilgilerden meydana gelen değişikliklere mutasyon adı verilir.

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.

Doğal Mutasyonlar

Mutasyon hızını belirleyen faktörler arasında virusa bağlı (virüsün genom tipi büyüklüğü, replikasyon hızı, polimeraz enziminin varlığı ve özelliği) konağa bağlı (deaminasyon, oksidasyon ve UV varlığı gibi çevresel etkenler, immün yanıtın baskısı vb). durumlar sayılabilir.

DNA viruslarının replikasyon enzimlerinin hata düzeltme özelliği vardır.

RNA viruslarında mutasyon oranı çok daha yüksektir. Çünkü replikasyon enzimlerinin hata düzeltme özelliği yoktur. Mutasyonların etkileri bir özellik kazandırma kaybettirme ya da hiç etkilememe olabilir. Bütün mutasyonlar kalıcı değildir.

Virusun temel fonksiyonları bozan mutasyonlar kalıtılmazken, yeni bir özellik kazandıran durumlarda kalıcı olabilir.

Yeni antijenik özellik kazandırma olayına antijenik kayma adı verilir. Antijenik özellik kazandırılması virusun, konak hücrenin immun yanıtından kaçmasına yada patojenitenin azalmasına sebep olabilir.

İndüklenmiş Mutasyonlar

Çeşitli mutajenlerle uyarılarak mutasyon sağlanabilir. İki yöntem kullanılır:

Virus süspansiyonunun mutajenle doğrudan muamele edilmesi (x ışınları uv ışınları gibi fiziksel ajanlar yada nitröz asit gibi kimyasal ajanlarla)

Hücre kültürlerinde virusun replikasyonu sırasında mutajenin eklenmesi ve mutant oluşumunun indüksiyonudur. (5-bromodeoksi-üridinle)

Viral genetik çalışmalarında en çok tercih edilen mutantlar şarta bağlı ölü mutantlardır. Bu mutantlar diğer koşullarda üreyebilirken laboratuvar tarafından sağlanan bir koşulla üreyememektedir. Bazı virus aşılarının hazırlanmasında canlı atenüe a ş ı suşlarının elde edilmesi için soğuğa adapte mutantlar geliştirilmektedir.

Defektif viruslar

Defektif viruslar, replikasyon için gerekli olan fonksiyonel genlerinden bir veya bir kaçını kaybetmiş olan virustur.

Replikasyon ve olgunlaşma için yardımcı virusa ihtiyaç duyarlar. Defektif viruslar arasında Adenoviruslerle ilişkili satallit virusler, retrovirusler, psödovirionlar (kendi genomu yerine yanlışlıkla hücre genomunun bir kısmını paketler) vardır.

Defektif virus partikülleri delesyon mutasyonları ile elde edilebilir.

Örneğin HSV aşı geliştirilmesinde virusun temel genlerinden birisi delesyona uğratılır ve replikasyon döngüsü, yeterli immun yanıt oluşturabilecek antijenlerin sentezlenmesiyle sınırlandırılır.

Bazı delesyonlarda ise defektif infertere edici partiküller hem replike olamazlar hemde orijinal virusun replikasyonunuda bozar.

Kaynaklar;

http://www.mikrobiyoloji.org

http://www.erzurum.edu.tr/Content/Yuklemeler/Personel/ISMAIL__BEZIRGANOGLU/viroloji7833.pdf

#viruslarda #mutasyon #genetik #değişimler