Virüslerle Olan Karmaşık İlişkimiz

İnsan genomunun yüzde 10’u virüs DNA’sı parçalarından oluşur. Bu viral DNA çoğunlukla zararlı değil ve hatta bazı durumlarda yararlı etkisi var.

Virüsler bizi enfekte ettiğinde, genetik materyallerinin küçük parçalarını DNA’mıza yerleştirebilirler. Nadiren de olsa, bu materyalin insan genomuna dahil olması milyonlarca yıldır gerçekleşiyor. Bu devam eden sürecin bir sonucu olarak, viral genetik materyal, modern insan genomunun yaklaşık yüzde 10’unu oluşturuyor. Zamanla, genomumuzu dolduran viral istilacıların büyük çoğunluğu artık aktif enfeksiyonlara yol açmadıkları noktaya varıncaya kadar mutasyona uğradılar. Ancak, bilim insanlarının gösterdiği gibi, tamamen uykuda değiller.

(Viral Enfeksiyonlara Karşı Savunma Neandertallerden Miras Kaldı)

Bazen, “endojen retrovirüsler” (ERV) adı verilen bu kaçak viral gen dizileri, kanser gibi hastalıkların başlamasına katkıda bulunabilir. Ayrıca, konaklarını diğer virüslerden kaynaklanan enfeksiyonlara karşı hassas hale getirebilirler.

Bununla birlikte, bilim insanları, insan konakçılarına hayati faydalar veren, hastalıktan korunmaktan nişastayı sindirme yeteneği gibi insan evriminin önemli yönlerini şekillendiren bu viral kaçak yolculardan çok sayıda tanımladılar.

Hastalıklara Karşı Koruma

Utah Üniversitesi’ndeki genetikçiler Cedric Feschotte, Edward Chuong ve Nels Elde, insan genomuna yerleştirilen ERV’lerin bağışıklık sistemine anında takviye olabileceğini keşfettiler.

Bir virüsün kendini bir konakçı hücre içinde başarıyla kopyalayabilmesi için, konakçının genleri proteinlere çevirmek için her zaman kullandığı moleküler araçlara ihtiyacı vardır. Sonuç olarak, virüsler, insan hücrelerinin protein üreten mekanizmalarını komuta etmek için evrim tarafından titizlikle şekillendirilmiş araçlara sahipler.

Feschotte ve ekibi, virüslerin bağışıklık sistemine saldırmaya eğilimli oldukları için, bağışıklık sistemi genlerini manipüle etmede özellikle usta olabileceklerini fark ettiler. Eski insan genomları bunun üzerine evrilmiş olabilir. Feschotte, insanların (veya eski atalarımızın) genomlarının, viral DNA’yı kendi savunmaları için uygun hale getirdiklerine; bağışıklık sistemini virüslere ve diğer yabancı istilacılara karşı harekete geçirmek için kullandıklarına inanıyor.

Feschotte, “Bu ERV’lerin bağışıklık aktivitesini düzenlemede birincil aktörler olacağını varsaydık çünkü virüsler bağışıklık hücrelerini kontrol etmek için onları içten fethetmeye evrimleşmişti.”

Hipotezlerini tahkik etmek için Feschotte ve ekibi, insan hücrelerindeki ERV dizilerini sistematik olarak ortadan kaldırmak adına CRISPR adlı bir gen düzenleme tekniği kullandılar. Araştırmacılar dizilerden birini çıkardı ve hücreler viral enfeksiyon tarafından işgal edildiğinde bağışıklığın kayda değer bir biçimde zayıfladığını gözlemlediler. Diğer üç ERV sekansının çıkarılması da bağışıklık tepkisini azalttı.

(İnsanlık Tarihinin Seyrini Değiştiren 11 Salgın Hastalık)

Bu bulgular, bu ERV elemanlarının her birinin bağışıklık sisteminin farklı gen bileşenlerini aktive edebileceğini düşündürmekte. Ekip, benzer düzenleme faaliyetlerine sahip daha binlerce ERV dizini olduğuna inanıyor ve gelecekteki çalışmalarda bunları sistematik olarak keşfetmeyi umuyor.

Feschotte, “Buradaki çizgiyi sadece ERV’lerin düzenleyici potansiyeli üzerine çizdiğimizi düşünüyoruz” diyor.

İnsanların virüslerle olan karmaşık ilişkisinin altını çizen, bazı durumlarda ERV’lerin kansere neden olduğunu, ancak diğer durumlarda kansere karşı koruduğunu gösteren güçlü kanıtlar da var. Örneğin, ERV9 adı verilen bir ERV, testisteki hücrelerin DNA’sında kansere bağlı hasarı tespit edebilir. ERV9 daha sonra komşu bir geni hasarlı hücreleri intihar etmeye teşvik etmesine neden olur. Bu koruyucu mekanizma, kanser hücrelerinin yayılmasını önler.

İnsan Evrimini Şekillendirmek

Bilim insanları ayrıca, bu viral davetsiz misafirlerin erken gelişimden sindirime kadar insanın fizyolojik fonksiyonlarının evrimine yön verdiğini keşfettiler.

Yaklaşık 20 yıl önce bilim insanları, insan plasentasının gelişiminde önemli bir rol oynadığı anlaşılan, sistin adı verilen ERV türevi bir gen belirlediler. Sistin, virüsün dış yüzeyine gömülü bir proteini kodlayan retroviral genden kaynaklanır. Bu protein, viryonların (tümkatmanlı virüslerin) konakçı hücre zarı ile birleşmesine aracılık ederek viral enfeksiyonu kolaylaştırır. Beklenmedik bir dönüşümle insan vücudu, plasenta ve uterusu birleştiren hücre tabakasının oluşumunu teşvik etmek için viral proteinin aktivitelerini yeniden tasarladı.

Bilim insanları ayrıca, viral istilacıların insanların nişastayı sindirme yeteneği için kritik olduğunu keşfettiler. İnsanların karbonhidratları sindirmesine yardımcı olan bir protein olan amilaz yapmak için insan pankreatik geninin yanına bir ERV’nin de girmesi, tükürükte amilaz ekspresyonuna, yani amilazın tükürükle dışavurumuna yol açtı. Bunun sonucunda nişastayı ağızda sindirme kabiliyeti, insan diyetinde derin etkiler bırakmış, insanlar özellikle pirinç ve buğday gibi yiyecekleri yemeye doğru bir kayma gösterdiler. Amilaz ağızda sindirimi başlatmaya yardımcı olarak, ince bağırsağın karşılaştığı yiyecekleri parçalama yükünü hafifletir. Bu kritik enzim tükürükle atılmasaydı, ince bağırsak şekerleri ve nişastaları sindirmek çok daha zor olurdu.

Daha yakın zamanlarda, 2016 yılında araştırmacılar, organizmaların virüsleri etkisiz hale getirmek için kullandığı ortak bir stratejinin, yani onları mutasyona bombalamanın, insan evriminin şekillenmesine yardımcı olduğunu bildirdi.

Cornell Üniversitesi’nden işlemsel biyoloji alanında çalışan Alon Keinan liderliğindeki araştırmacılar, Bar-Ilan Üniversitesi’nden Erez Levanon ile işbirliği yaparak insan enzimlerinin virüsle savaşan ailesini, APOBEC’leri inceledi. DNA’nın iki tek şerit olarak açıldığı dönemlerde (hasar gördüğünde, kopyalama sürecinde veya RNA’ya kopyalanırken), APOBEC enzimleri viral DNA parçalarını arar. Daha sonra konakçı genom içinde gizlenen patojenleri nötralize etmek için viral DNA’ya, tipik olarak bir DNA bazının birçok örneğini diğeriyle değiştirerek, sistemli bir şekilde saldırırlar.

Bu APOBEC mekanizmasının insan genomunun viral olmayan kısımlarını da mutasyona uğratmış olması muhtemeldir. Keinan, bu genetik değişikliklerin çoğunun hastalığa neden olacak kadar zararlı olabileceğini söyledi. Çoğunlukla bu tür mutasyonlar, hayatta kalma ve üreme için zararlı oldukları için popülasyondan ayıklanır. Bununla birlikte, araştırmacılar APOBEC’leri çeşitli kanserlerle ilişkilendirdiler.

Keinan’ın ekibi, bu mutasyonların sperm ve yumurtalara dönüşen hücrelerde de meydana geldiğini ve bu nedenle gelecek nesillere taşındığını keşfetti. Her mutasyonlar zararlıdır diye bir şey yoktur. Evrimsel zaman içinde hayatta kalan genetik değişikliklerin (hastalığa yol açmayanların) faydalı olma olasılığı daha yüksektir. Bu içgörü, APOBEC anti-viral mekanizmasının, henüz tanımlanmamış çeşitli faydalı mutasyonlarla primat evriminin şekillenmesine yardımcı olduğunu göstermektedir. Keinan’ın ekibi, insansıların genomlarında on binlerce mutasyon raporladı ve şimdi insan evrimine katkıda bulunan, işlev değişikliklerine yol açan spesifik örnekleri arıyor.

Yararlı ERV’lerin ve antiviral mekanizmaların ek örneklerinin araştırılması devam ederken, bilim adamları çok sayıda türden geniş genom bilgi veritabanlarının yardımıyla viral kaçaklar hakkında daha fazla bilgi ediniyorlar. Viral DNA’nın konakçı genomlara nasıl entegre olduğunu, ERV’lerin bir konakçı türden diğerine nasıl atlayabileceğini ve bu nadir, ancak bazen ölümcül olan olaylar karşısında insanları nasıl koruyacaklarını anlamaya çalışıyorlar.

NIH, National Institute of General Medical Sciences (NIGMS)