Genom replikasyonu ve gen ekspresyonu: Genel bakış
Virusların hücrelerde replikasyon için izledikleri yol temel olarak virusun genom yapısı ile ilişkilidir. David Baltimore 1971 yılında virusları kullandıkları replikasyon stratejilerine göre 6 sınıfa ayırmıştır. İlerleyen yıllarda, hepadnaviruslar ve caulimovirusların replikasyon stratejilerinin diğerlerinden daha farklı olduğu anlaşılarak, sınıf sayısı yediye çıkarılmıştır.
Baltimore sınıflaması
Bu sınıfları incelemeden önce aşağıdaki noktaların akılda tutulması yararlı olabilir:
- Memelilerde DNA ve RNA sentezi hücre çekirdeğinde gerçekleşir. Bu nedenle, sitozolde replike olan virusların kendi polimerazlarını yapması gereklidir.
- Memelilerde RNA’yı kalıp olarak kullanarak RNA yada DNA sentezi yapabilen enzimler yoktur. Bu nedenle, RNA virusları replikasyon için kendi enzimlerini kullanmak zorundadır. Bu enzimlerin hata düzeltme işlevi olmadığından sıklıkla yanlış nükleotidlerin diziye girmesine neden olurlar. Dolayısıyla, bu enzimleri kullanan viruslarda mutasyonlar görece sıktır.
- Pozitif yönelimli RNA viruslarında virus partikülü içinde RNA bağımlı RNA polimeraz (RbRP) bulunmaz. Bu viruslar hücre içine girdikten sonra genomlarını doğrudan mRNA olarak kullanarak RbRP enziminin sentezlenmesini sağlar.
- Negatif yönelimli RNA viruslarında RbRP enzimi virus partikülü içindedir. Virus hücreye girdikten sonra virus bu enzimi kullanarak pozitif yönelimli RNA (mRNA) sentezini sağlar.
- Poksvirus dışındaki DNA virusları hücre çekirdeğinde replike olur.
- RNA viruslarının çoğu sitozolde replike olur. Retroviruslar, ortomiksoviruslar, bornaviruslar ve hepatit delta virus ise çekirdekte replike olur.
- DNA genomlarında 5’-3’ yönünde yazılan iplik, mRNA ile (T:U değişimi dışında) aynı diziye sahiptir. Bu nedenle, anlamlı (sense) iplik olarak kabul edilir. Bu bağlamda, mRNA dizisi de anlamlı iplik yada pozitif yönelimli olarak kabul edilir.
Her sınıf için yalnızca insanlarda infeksiyon yapan viruslar örnek olarak verilmiştir.
Sınıf I: çift iplikli DNA virusları (şekil 5). Bu sınıftaki viruslar replikasyon yerlerine göre iki gruba ayrılır:
- (Ia) Çekirdekte replike olanlar: Bu gruptaki viruslar (Adenoviridae, Herpesviridae, Papovaviridae) genomlarını replike etmek ve/veya transkripsiyon için hücresel faktörlere gerek duyar. Bu faktörler arasında DNA polimeraz ve RNA polimeraz II gibi replikaz ve transkriptazlar yer alır. Sözkonusu enzimler hücre çekirdeğinde bulunduğundan bu viruslar hücre çekirdeğinde replike olurlar. Herpes ve adenoviruslar kendi DNA polimerazlarını kodlar. Ancak, RNA polimerazları olmadığından çekirdekteki transkripsiyon donanımlarını kullanmak zorundadırlar. Papovaviruslar ise replikasyon ve transkripsiyon için hücresel enzimleri kullanır.
- (Ib) Sitozolde replike olanlar: Bu grupta yalnızca Poxviridae yer alır. Bu viruslar replikasyon ve transkripsiyon için gerekli tüm enzimlere sahip olduğundan hücresel faktörlere gerek duymaz.
Sınıf II: tek iplikli DNA virusları. Bu viruslar (Parvoviridae, Circoviridae) hücre çekirdeğinde replike olurlar. Çekirdekte hücresel DNA polimerazlar yardımıyla çift iplikli ara form oluşur. Bu form yine hücresel enzimlerce transkripte edilir.
Şekil 5: Çift ve tek iplikli DNA viruslarında replikasyon. Kısaltmalar: ds: çift iplikli, ss: tek iplikli, hRNAP: hücresel RNA polimeraz, vDNAP: viral DNA polimeraz
Sınıf III: çift iplikli RNA virusları. Bu viruslar (Reoviridae) sitozolde replike olurlar. Genomları segmentlidir. Bazı türlerde (Reovirus) her genom segmenti ayrı bir virus partikülü içine paketlenir. Bu tür genomlara çok parçalı (multipartite) genom denir (şekil 6). İster segmentli ister çok parçalı olsun, bu sınıftaki virusler kendi RNA bağımlı RNA polimerazı (RbRP) aracılığı ile replike olurlar (şekil 7).
Şekil 6: çift iplikli RNA viruslarında genom türleri. [A] Bazı türlerde genom segmentlidir. [B] Bazılarında ise her segment ayrı bir virus partikülü içine paketlenir. Bunlara çok parçalı (multipartite) genomlar denir. Çok parçalı genomu olan viruslar, ancak segmentleri taşıyan tüm virus partiküllerinin hücreyi birlikte infekte etmesi durumunda prodüktif bir infeksiyon oluşturabilir. Çok parçalı genom taşıyan viruslar taşıdıkları genom segmentinin büyüklüğüne göre farklı boyutlarda olabilir.
|
|
Şekil 7: çift iplikli RNA viruslarında replikasyon. Bu viruslar virion içinde paketlenmiş olan RbRP enzimlerini kullanarak viral transkriptleri oluşturur.Bu aşama henüz iç kılıfını yitirmemiş olan virus partikülü içinde gerçekleşir. Sitozole salınan transkriptler aracılığıyla viral proteinler sentezlenir. Bu transkriptlerin bir bölümü sentezlenen kapsit proteinleri ile çevrelenir. Viral RbRP aracılığıyla negatif RNA ipliği sentezlenir ve böylece virus çift iplikli RNA genomuna sahip olur.
|
|
Sınıf IV: tek iplikli pozitif yönelimli RNA virusları. Çoğunluğu sitozolde replike olan bu virusların (Picornaviridae, Coronaviridae, Astroviridae, Flaviviridae,Togaviridae) genomları doğrudan mRNA olarak iş görür. Bu nedenle, çıplak genomları infeksiyöz kabul edilir. Sınıf IV viruslarda, RbRP virus partikülü içine paketlenmez. Bu sınıftaki viruslar transkripsiyon stratejilerine göre iki gruba ayrılır.
- (IVa) Polisistronik mRNA’sı olanlar: Bu grupta yer alan Picornaviridae ve Flaviviridae gibi viruslarda mRNA tek bir poliprotein olarak eksprese edilir (şekil 8A). Bu poliprotein daha sonra viral protezlarca kesilerek yapısal ve yapısal olmayan proteinlere ayrıştırılır.
- (IVb) Karmaşık transkripsiyonu olanlar: Bu grupta Togaviridae ve Coronoviridae gibi viruslar yer alır. Bunların bazılarında (örneğin, Togaviridae) transkripsiyon iki aşamalıdır. İlk aşamada yapısal olmayan proteinlerin (replikaz, vb), ikinci aşamada ise yapısal proteinlerin sentezi gerçekleşir (şekil 8B). Coronoviridae gibi viruslarda ise genomik yanısıra subgenomik transkriptler de oluşur. Bu yolla farklı polipeptitlerin sentezlenmesi sağlanır.
Şekil 8: Tek iplikli pozitif yönelimli RNA viruslarında replikasyon. [A] Polisistronik mRNA’sı olanlar [B] karmaşık transkripsiyona sahip olanlar. Her iki grupta da, genomun replikasyonu için antigenomik ara formlar sentezlenir.
Sınıf V: tek iplikli negatif yönelimli viruslar (şekil 9). Tüm negatif yönelimli RNA virusları ortak bazı özellikler taşır. Bunlar; (i) virion yapısında RbRP taşırlar, (ii) helikal simetriye sahiptirler, (iii) zarfları vardır, (iv) genomlarının 5’ ucunda kep ve 3’ ucunda poli-A kuyruğu bulunmaz ve (v) yalnızca omurgalılar, eklem bacaklılar ve bitkiler gibi yüksek ökaryotları infekte ederler. Bu nedenle evrimsel olarak görece yeni oldukları kabul edilmektedir. Bütün bu benzerliklerine karşın, bu viruslar morfolojik olarak çok farklı biçimlerde olabilirler. Negatif yönelimli RNA virusları genomlarının segmentli olup olmadığına göre iki gruba ayrılır:
- (Va) Segmentsiz genomu olanlar: Bu gruptakiler benzer genomik özellikleri nedeniyle Mononegavirales takımında sınıflandırılır. Bornaviridae, Filoviridae, Paramyxoviridae ve Rhabdoviridae ailelerinin oluşturduğu bu grup viruslar virion içinde paketlenen RbRP enzimleri aracılığı ile monosistronik mRNA oluştururlar. Bu mRNA aynı zamanda genom replikasyonu için kalıp olarak da kullanılır. Bu viruslar arasında yalnızca Bornaviruslar hücre çekirdeğinde replike olur.
- (Vb) Segmentli genomu olanlar: Bu grupta yer alan virusların genomları 2 (Arenaviridae), 3 (Bunyaviridae) yada 7-8 (Orthomyxoviridae) segmentlidir. Bunlar arasında yalnızca ortomiksoviruslar, hücrenin ekleme (splicing) donanımlarına gereksinimleri olduğundan, çekirdekte replike olur. Arena ve Bunyavirusların bazı türlerinde genom tümüyle negatif yönelimli değildir. Bunlarda segmentlerden en az biri pozitif yönelimlidir. Genomlarının bir bölümü negatif, bir bölümü pozitif yönelimli olan bu tür viruslara “ambisense” viruslar denir. Kuramsal olarak pozitif yönelimli gen segmentlerinin doğrudan transle edilmesi olası ise de, bu viruslarda gen ekspresyonu için bir transkripsiyon aşamasının gerekli olduğu kabul edilmektedir. Bu virusların negatif yönelimli RNA virusları olarak sınıflandırılmaları, temel olarak sözkonusu transkripsiyon basamağı ile ilgilidir. Segmentli viruslarda her segment RbRP aracılığıyla monosistronik mRNA’ya dönüştürülür. Bu mRNA aynı zamanda genom replikasyonu için kalıp olarak da kullanılır.
Şekil 9: Tek iplikli negatif yönelimli RNA viruslarında replikasyon. Segmentli olanların bir bölümünde genom ambisense özelliktedir.
|
|
Sınıf VI: Retroviruslar (şekil 10). Retroviruslar iki adet birbirinin aynı tek iplikli (diploid RNA) ve pozitif yönelimli RNA genomu taşırlar. Bu genom, doğrudan mRNA olarak davranmaz. Virion içinde taşınan ters (reverse) transkriptaz (RT) enzimi yardımıyla DNA’ya çevrilir. Bu olay sitozolde mikrotubullerde gerçekleşir. Viral DNA çekirdeğe porlardan geçerek girer. HIV-1’in çekirdeğe vDNA, IN ( integraz), MA (p17-matriks) ve Vpr den oluşan pre-integrasyon kompleksi olarak girdiği gösterilmiştir (bkz şekil 5). Kromozoma integre olan vDNA (proviral DNA), hücresel ve viral transkripsiyon aktivatörlerinin etkisi ile transkripte edilir. Hücresel RNA polimeraz II tarafından oluşturulan genomik transkript farklı eklenme (differential splicing) mekanizmaları ile gag-pol ve env poliproteinleri için iki ayrı mRNA’ya dönüştürülür. Gag-pol poliproteini viral proteazlar, zarf (env) poliproteini ise hücresel proteazlarca kesilerek olgun proteinler oluşturulur. Retrovirusların replikasyonu hücre çekirdeğinde gerçekleşir.
Şekil 10. Retrovirusların replikasyon döngüsü. Retroviruslar diploid RNA genomuna sahip tek virus ailesidir. RT enzimleri aracılığı ile genomlarını DNA’ya çevirip kromozoma integre olurlar (proviral DNA).
|
|
Sınıf VII: Hepadnaviruslar (şekil 11). Bu viruslar kısmi çift iplikli DNA genomuna sahiptir. Reseptör-aracılıklı endositoz ile hücre içine alınan virus, kapsitinden sıyrılır ve genom hücre çekirdeğine salınır. Çekirdekte hücresel enzimlerce virusun önce kısa ipliği onarılır ve ardından genom cccDNA formunu alır. Hücresel transkriptazlar bu formu kalıp olarak kullanarak genomik ve subgenomik transkriptler oluşturur. Genomik transkript, sentezlenen virus kapsiti tarafından çevrelenir. Kapsit içinde, genomik transkript RT enzimi ile DNA’ya çevrilir. Bu aşama sitozolde gerçekleşir.