VİRÜSLER
Hücresel olmayan genetik elementlerdir. Yapılarında nükleik asit ve nukleik asiti kuşatan protein kılıf vardır. Boyutları 0.02-0.03 mikrometredir ve bakterilerden daha küçüktür. Virüs partikülü hücre dışında virion olarak bilinir ve mekanizmaları yoktur. Virüslerin kendi mekanizmaları olmadığından dolayı genetik materyal hücre içine enfekte (girmeli) edilmeli ve kendini üretebilmek için konak hücrenin ribozomlarını, enzimlerini ve katabolik gücünü kullanmak zorundadır. Bakteri, bitki ve hayvan hücreleri özel virüsler tarafından infeksiyona hassastırlar.
Virüs genomları bakteri genomlarından daha küçüktürler. En büyük virüs genomlarından biri 190 kilobazdır. En küçük bakteri genomu ise 590 kilobazdır. Virüslerdeki genetik materyal (DNA ve RNA) tek iplik veya çift iplik olabilir. Virüs genetik materyali virüs partikülü içersinde olduğunda ve etrafı proteinle çevrildiğinde nükleokapsit olarak isimlendirilir. Genetik materyalin bu alışılmadık formları genom replikasyonu ve mRNA üretiminde problemler oluşturabilir. Protein kılıf altında genomlar bir çok molekül olarak segmentlere ayrılır.
Protein örtü kapsomer adı verilen pek çok protein alt ünitelerinden oluşur. Nükleik asidin etrafındaki bu örtü ya heliks yapısında (çubuk şeklinde) ya da 20 yüzlü bir kabuk (küresel, icosahedron) olabilir. Bu yapılar kapsomerler kullanılarak geometrik şekilde düzenlenmiştir. Olgun bir virionda bu yapı mutlaka bulunmalıdır. Virion hastalık oluşturabilen olgun virüs partikülüdür. Bazı virüslerde kuyruklar veya dikenimsi çıkıntılar olabilir. Bu yapılar hücre enfeksiyonunda oldukça önemlidir.
Bazı hayvansal virüslerde nükleokapsidi kuşatan membrandan oluşan kılıf (=zarf) yapısı vardır. Virüsler etrafındaki bu membran özelliğindeki kılıf, içinde çoğaldığı hücrenin sitoplazmik membranından yapılır. Virüs partükülü çoğaldığı hücreden ayrılırken hücre membranının bir kısmını alır (Tomurcuklanma şeklinde). Böylece virüsün kılıfındaki lipit çoğaldığı hücreden alınır. Fakat proteinler ise virüs tarafından kodlanır ve membran replikasyonu sırasında membran içerisine yerleştirilir.
Virüsler zorunlu hücre içi parazitlerdir. Onları laboratuvar koşullarında yaşatmak için canlı konak hücre gerekmektedir. Virüsler doku kültüründe üreyebilirler. Virüsler virüse karşı hassas, aktif olarak üreyen bakteri kolonilerinin yüzeyine bir süspansiyon halinde sürülerek sayılabilir. Bir virüs partikülü enfekte ettikçe ve üredikçe, virüsten oluşan yeni virüsler de bu kolonide bulunan diğer hücreleri tekrar enfekte ederler ve burada bulunan hücrelerin hepsi virüs tarafından öldürülünce besi yeri üzerinde şeffaf zonlar oluşur bu da plak (plague) olarak adlandırılır. Bu plak bir virüs partikülü tarafından yapılır. Orijinal süspansiyonlarda bulunan virionların sayısı oluşturan plağın sayısına eşittir. Virüslerde iki tip üreme görülür.
1) Virulant veya litik faj enfeksiyonu: Bu infeksiyonda yeni virüs partikülleri konak hücresinde yapılır ve hücre patlatılarak dışarı salınır.
2) Lizojenik (Tempere=Ilımlı) faj enfeksiyonu: Virüs genomu konak hücre genomu içerisine entegre olur ve konak hücrenin bir kısmı olarak replike olabilir, konak hücre DNA'sı içine entegre olan faj'a profaj bu enfeksiyona ise Lizojenik faj enfeksiyonu denir. Bu işlem bakteriyofaj da lizojeni olarak adlandırılırken hayvansal virüslerde transformasyon olarak adlandırılır
Hem litik hem de lizojenik işlemde virüs hücrenin içersine girmelidir. Bu işlemde hem konak hücrenin yüzeyine tutunma safhası (adsorbsiyon), hem de konak hücrenin içine girme (penetrasyon) safhası olur. Litik faj enfeksiyonunda aşağıdaki gibi olmaktadır.
1) Hücrenin yüzeyine tutunma (adsorbsiyon) safhası: Virüsün hücre yüzeyine tutunarak o hücreyi enfekte etmesi oldukça spesifiktir. Yani her virüs, her hücreyi enfekte edemez. Bir virüs proteini (glikoprotein) konak hücre reseptörü üzerine spesifik olarak bağlanır. Bu virüs hücre reseptörleri virüsün hücre fonksiyonunda aktif rol oynamazlar. Bazı ökaryotik hücrelerde virionlar spesifik olmayan endositoz ile taşınır.
2) Penetrasyon safhası: Bu safhada bakteriofaj gireceği hücrenin hücre duvarı ve hücre membranını enzimatik (lizozim enzimi) olarak bozar, bir delik açılır ve bu delikten virüsün genetik materyali hücre içersine verilir. Virüsün protein örtüsü konak hücre içerisine girmez. Protein örtünün görevi korumadır. Nükleik asit ise virüs replikasyonunu yönetir. Virüsün gireceği konak hücre kendini çeşitli yollarla koruyabilir;
a) Kendi yüzeyinde virüsün bağlanabileceği reseptörler taşımaması.
b) Yabancı nükleik asite saldıran restriksiyon enzimlerinin prokaryotik hücreler tarafından üretilmesi.
3) Replikasyonıın başlangıç safhası: Virüs girdiği konak hücrenin protein sentezleme mekanizmasının yönünü değiştirir. Bu protein sentezleme mekanizmasını kendi viral genlerini ifade etmek için kullanır.
4) Replikasyon safhası: Nükleik asit replikasyonu olur.
5) Yapısal alt ünitelerinin sentezlennıe safha: protein örtüler sentezlenir.
6) Paketlenme safhası: Paketleme safhasıdır. Protein örtüler içersine genomlar paketlenir.
7) Salgılanma (lizis) safhası: Olgun virüs partikülleri hücreden salgılanır.
Bu olayların hepsi infeksiyondan hemen sonra olur. Bakteri hücresinde bu safhaların tümü 20-30 dakika, hayvansal hücrelerde ise 8-40 saat arasında olur.
Lizojenik enfeksiyonlarda;
1) Virüs, litik enfeksiyonu başlatmak için kullanılan genlerin ifade edilmesini baskılamalıdır.
2) Konak kromozomu içerisine çift iplikli DNA kopyasını entegre etmelidir. Faj genleri bir sinyal gelene kadar lizojenik safhada tutulur. Sinyal geldikten sonra virüs yukarıda açıklanan litik siklusa girer.
VİRÜSLER HAKKINDA GENEL KONULAR
1. Virüs büyüklüğü: En küçük virüslerin genomlarındaki proteinleri kodlama kapasiteleri çok küçüktür. Bu yüzden onlar replikasyon için girdikleri konak hücrenin enzimlerini kullanırlar. Bu sebepten dolayı bazı nükleotid sıraları bir okuma çerçevesinden daha fazla okunur. Virüslerin genom boyutu arttıkça virüs yapısı ve hayat siklusu daha komplike olmaktadır.
2. Konak biyosentetik aktivitesinin sonlanması aşağıdakiler ile olmaktadır;
a. Burada konak RNA polimerazını inhibe eden proteinler vardır (T4 ve T7 fajlarında).
b. Yeni RNA polimerazın sentezi veya sigma benzeri faktörler konak promotoruna bağlanmaz (T7 fajında).
c. Translasyon faktörünün inaktivasyonu (poliovirüs)
d. Konak DNA'sının harabiyeti. (T4 fajı) (Faj genomu kendi sentezine ait özel enzimleri kodlamaktadır).
3. Transkripsiyonel programlar: Virüs genlerinin farklı proteinleri infeksiyon siklusunun farklı periyotlarında transkribe edebilir. Genellikle konak RNA polimerazı önce yeni virüse spesifik RNA polimerazı veya yeni sigma faktörlerin kodlayacaktır. Bu proteinlere başlangıç proteinleri (early proteinler) denir. Bu proteinler ile genom replikasyonu, yapısal proteinlerin sentezi ve paketlenmesi için gerekli olan genler sentezlenir. Genom replikasyonu esnasında ara proteinler sentezlenir. Geç proteinler ise yapısal proteinlerin sentezi ve paketlenme esnasında sentezlenir. Litik proteinler infeksiyon siklusunun en son safhasında sentezlenir ve bunlar sayesinde virüs partikülü konak hücreden ayrılır.
4. DNA replikasyonu: Genomun sonunda direkt tekrarlanan baz çiftleri (T4 ve T7) oluşturabilir. Bunlar enzimatik olarak uzun parçalar halinde kesilir ve faj DNA'sı içine yerleştirilir.
5. RNA virüsleri: Bunların kendine özgü problemleri vardır. Konak hücrede bir virüs RNA molekülünün RNA kopyalarını yapan enzimler yoktur. Bu sebepten dolayı böyle bir enzim ya virion içerisinde olmalıdır (rhabdoviruses ve reoviruses) veya RNA bu enzimi sentezlemek için hemen transfer edilmelidir (MS2 ve poliovirusde olduğu gibi). RNA bakteriyofajı (örneğin MS2) RNA genomuna sahiptir. Bunların RNA'sı çok küçüktür. Her virüs partikülü için protein kılıf özeldir ve yalnız gen vericisi olan bakteriyi infekte ederler. RNA, mRNA gibi davranır ve sadece bir kaç proteini kodlar. Virüs, konağın proteinlerini çok sayıda viral materyali yapmak için kullanır.
Tek iplikçikli icosahedral DNA bakteriyofajı (örneğin O-X174 gibi) çok küçük virüstür. Genomu ise, çembersel yapıda tek iplikçikli DNA'nın küçük parçalarından oluşur. Tek iplikçikli filamentöz DNA bakteriyofajı lineer yapıdadır, fakat tek iplikçikli bakteriofaj çembersel DNA'ya sahiptir. Bunlar genetik mühendisliğinde oldukça çok kullanılır ve bunların kullanılma sebebi içinde üredikleri konak hücresini öldürmeden konak hücreden ayrılabilmeleridir.
Çift iplikçikli DNA bakteriyofajı (T3 ve T7) da icosahedral başa sahiptir ve küçük bir kuyruğu vardır. Baş bölgesinde 5 tane, kuyrukta ise 3 ile 6 farklı proteini vardır. Büyük çift zincirli DNA bakteriyofajı (T2- T4) en kompleks virüslerden biridir. Bunların yapısında baş kısmında DNA, kuyruk kısmında ise kuyruk fibrilleri vardır. Bu yapı sayesinde konak bakteri hücresine tutunarak virüsün DNA'sı bakteri içine enjekte edilir.
Lambda fajı alternatif replikasyon siklüsüne sahip olan virüse örnektir. Bir hücreyi enfekte edebilir ve litik siklusa gidebilir. Lizis olmuş (erimiş) hücreden 100 veya daha fazla yeni virionları salgılayabilir ya da bakteri DNA içerisine entegre olabilir ve lizojenik safhada profaj olarak bakteriyal kromozomda bulunur. Konak DNA'sının parçası gibi konak DNA tarafından replike olur. Ultraviyole ışını, mitomisin C ve alkelleyici ajanlar profajın litik faja dönüşmesini sağlar. Bu alternatiflerin seçimi konak hücre içerisine DNA'nın entegre olmasından sonra yapılır. Konak RNA polimerazı iki promotora bağlanır. Bunlardan biri lambda repressör geni için diğeri ise cro geni içindir. Eğer lambda repressör proteini cro proteinden daha hızlıca yapılırsa litik siklusu baskılayacaktır çünkü repressör protein litik genin yanındaki promotora bağlanır ve onun ifadesini önler. Cro protein lambda repressör proteinin ifadesini baskılar ve böylece litik fonksiyonun başlamasını sağlar.
Lambda kromozoma profaj olarak girdiğinde yalnızca lambda repressör geni ifade edilir bu yalnızca bu fajın litik siklüsunu önlemez aynı zamanda da diğer lambda fajlar tarafından konak hücrenin enfekte edilmesini önler. Yani onu diğer lambda fajlarına bağışık kılar. Eğer diğer bir lambda genomu enjekte edilirse lambda repressör ona bağlanabilir. Bunun sebebi ise litik genlerin ifadesinin önlenmesidir. Lambda profajının litik siklüsü lambda repressörünün inaktivasyonu ile olur. Bu durumda profaj kromozomdan ayrılır ve litik genler ifade edilir.
Mu fajı konak hücre kromozomu içine entegre olabilir. Lambda fajı kromozomun belli bir bölgesine sokulmasına rağmen Mu fajı DNA'nın pek çok kenarına entegre olabilir. Mu'nun trasposable özelliği vardır. Transposable elementler DNA parçalarıdır. Bu parçalar ayrı elementler olarak DNA'nın bir kenarından diğer kenarına hareket edebilme özelliğine sahiptirler.
Hayvansal hücreler virüs ile enfekte edildiği zaman tüm virüs endositozis ile hücre içine girer. Virüs üretiminin sonucunda hücre eriyebilir veya hücre erimeden devamlı virüs üretimi de olabilir. Bu olay genelde kılıflı=zarflı virüslerde görülür.
Poliovirus bir RNA virüsüdür. Genomu bir büyük polipeptid halinde ribozom tarafından transle edilir. Bu molekül sonra daha küçük fonksiyonel protein molekülleri halinde bir proteaz ile bölünür. Poliovirüs RNA molekülü genom olarak fonksiyon görebilir. Bu genomda protein örtü içerisinde paketlenebilir veya mRNA olabilir. RNA'nın VPg proteinlerine bağlanması özel bir molekülü oluşturma fonksiyonunu tayin eder. Tek iplikçikli RNA rhabdovirüsler genomu transle edilmez, daha küçük mRNA molekülü senleri yapılır ve burada kalıp olarak kullanır. Genomun tümünün kopyası kalıp olarak kullanılır ve böylece genomik RNA'nın yeni kopyalan sentezlenecektir.
Rhabdovirüsler kılıflıdır. Hücre kılıfının lipit matriksi içerisine virüse özgü glikoproteinler yerleştirilir. Virüsler hücreden ayrılırken (tomurcuklanarak) nukleokapsidli membranlı olarak ayrılır.
İnfluenza virüsü bir RNA virüsüdür. Virüs nukleusa geldiği zaman her bir molekül bunlara özgü mRNA molekülünün üretimi için kalıp olarak kullanılır. Bu mRNA molekülü de bir virüs proteini kodlar. Segmentli genom yapısı ökaryotik hücrelerin kromozomlarına benzemektedir. Ökaryotlarda kromozomun yeni kombinasyonları mayoz ile olur. Eğer birden fazla virüs hücreyi enfekte ederse, bunların her biri ayrı olarak konak hücre tarafından üretilecektir. Paketlenme esnasında bunların genomu birbirine karışabilir. Bu da yeni oluşan virüsün yüzey proteinlerinin değişmesine sebep olur. Bu olaya da antijenik shift denir.
Reovirüsler'de influenza ile benzerlik gösterir. Bunlarda segmentli RNA genomlar vardır. Bunların her segmenti tek bir proteini kodlar. Bunlarda RNA çift ipliklidir. Bu yüzden de enfeksiyon hücrenin yüzey proteinine tutunarak başlar. Bu proteinlerin asıl görevi ise hormon reseptörü olmalarıdır.
SV 40 küçük bir papavirusdur. Bunlar litik enfeksiyonlar yapar ya da konak DNA'sına (lisogenik bakteriyofajdaki gibi) entegre olur. Bu olaya transformasyon adı verilir. Çünkü konak hücre doku kültüründe bir çok farklı özellik gösterir. Bunlar kanser hücreleri gibi davranır ve, SV 40 bazı hayvanlarda kansere sebep olur. Tek bir hücrenin enfeksiyonu ile litik veya lizojenik siklus hemen başlayabilir. SV 40 enfeksiyonun tipi enfekte hayvan hücresi tipi tarafından tayin edilir.
Herpes virüsler birçok insan hastalığına sebep olur. Bunlar genellikle latent enfeksiyonlardır (durgun). Ancak stresli durumlarda belirtileri ortaya çıkar. Morfolojik yapılarında tegüment görülür. Tegüment nükleokapsid yapılarının dışındaki fıbrilli yapıdır. Bu virüs transkripsiyonal programa sahiptir ve bu da genin ifadesinin ne zaman yapılacağını kontrol eder. Bu zarflı virüsün nükleokapsiti nükleusta paketlenir ve zarf nükleer membrandan tomurcuklanarak ayrılır (sitoplazmik membran yerine).
Pox virüs hayvansal hücrelerdeki diğer DNA virüslerinden farklılaşır. Bunlar sitoplazmada replike olular (nükleusta değil.) Bu aşırı büyük virüs tıpta önemlidir.
Retro virüsler oldukça özeldirler ve bunlar;
1) İnsanlar ve hayvanlarda AIDS ve kanser gibi hastalıklara sebep olurlar.
2) Kendilerine özgü reaksiyonları vardır.
Konak kromozomu içerisine kendi genomlarının bir kopyasını entegre ederek hücreleri transform ederler bunun sonucunda kanser hücrelerinin oluşumuna sebep olacak viral proteinler sentezlenir ve böylelikle kanser oluşur. Genomları tek iplikçi RNA'dır. Bu sebepten onlar çift iplikçi DNA molekülünü bu RNA'dan sentezlemek zorundadırlar. Sonra sentezlenen bu yeni çift iplikçikli DNA konağın çift iplikçikli DNA'sı içerisine entegre olur. Bu reaksiyon "reverse transkriptaz" enzimi ile kataliz edilir. Bu kompleks protein 3 farklı aktiviteye sahiptir;
1.Önce komplementeri tek iplikçi DNA sentezlemek için RNA kalıp olarak kullanılır.
2. Enzim sonra RNA primer molekülünü hidroliz eder. (ikinci enzimatik aktivite kullanılarak: Ribonükleaz H aktivitesi)
3.Komplementerin DNA sırası sentezlenir ve çift iplikçi DNA oluşur. Bu da konak DNA'sı içerisine girer.
Reverse transkriptaz enzimi normal konak enzimi değildir. Konak hücreyi enfekte eden virionun bir parçasıdır. Bununla birlikte reaksiyon hücresel moleküle bağlıdır ve bu da bir tRNA dır ve bu reverse transkriptaz için bir primer olarak görev alır. Sentezlenen DNA' da terminal tekrar sırası vardır. Bunun integrasyonu bakteriyal transposonlarınki ile benzerdir ve bakteriyofaj Mu daki gibi o konak DNA nın herhangi bir bölgesine girebilir bu da retrovirüs integraz enzimi ile katalize edilir.
Retrovirüsün tümör oluşturma potansiyeli onkogenlerden (kanser oluşturan genler) kaynaklanmaktadır. Bu onkogenler hücre transformasyonuna sebep olurlar. Normal hücrelerinde onkogenlere benzer sıralar içerdiği DNA hibridizasyon çalışmaları ile ortaya konmuştur. Bu tip genler hücre büyümesini düzenlemede oldukça önemlidir ve onkogenler anormal gelişmeye sebep olan değişmiş düzenleme mekanizmasına sahiptirler.
Retrovirüsün hayvansal hücre genomu içine kendi genetik bilgisinin kopyasını yerleştirmesi, hayvansal hücre içine yeni genlerin yerleştirilmesi açısından oldukça önemlidir. Böylece hastalığa sebep olan kusurlu bir gen ile bu genin iyi bir kopyası değiştirilebilir. Retrovirüsler gen terapisinde iyi bir vektördür. Retrovirüsler genetik olarak modifiye edilebilir ve böylece kendi kendini replike etmezler.