Scientia, Fortitudo et Virtus (Bilgi, Cesaret ve Fazilet)

18 Ekim 2021

Geniş Viral Dünya: Bildiklerimiz (ve Bilmediklerimiz)

 Gönderi tarihi 

Virüslerin küçük ve gizemli dünyasını keşfetmek

Yazı: LAUREN E. OAKES BRYCE, Çizim: GLADFELTER 17 NISAN 2021, NAITULUS

Şekil olarak hafifçe oval ve kenarları biraz bulanık olan siyah lekeler, postmodern bir tabloya çok benzeyen, benekli gri bir arka plana dağılmıştı. 1938’de Berlin Tıp Derneği’nin bir toplantısında, Alman bir doktor ve biyolog olan Helmut Ruska, virüs parçacıklarının şimdiye kadar görülen ilk görüntülerini sunuyordu. Lekeler, poksvirüs ailesinin üyeleriydi, özellikle ektromelia, doğrudan enfekte farelerin lenf sıvılarında görselleştirildi. 

O zamanlar Übermikroscop olarak bilinen elektron mikroskobunun icadı sayesinde , bilim adamları nihayet zaten var olduğu bilinen şeyi gözlemleyebildiler, yani aslında görebildiler: virüslerin küçük ve gizemli dünyası. Ruska’nın bir fizikçi olan kardeşi Ernst, doktorasını tamamlarken enstrümanın ilk prototipini yapmıştı, ancak Helmut cihazın biyoloji alanındaki potansiyel uygulamasını gördü. Helmut ve meslektaşları 1939’un sonunda virüslere ait yaklaşık 2.000 siyah beyaz resim toplamışlardı. Koleksiyonlarında, çiçek hastalığına neden olan variola virüsü ve tütün mozaik virüsü (keşfedilen ilk virüs) de vardı.

Yapısı basit ancak işlevselliği gelişmiş olan virüsler, “cansız ve canlı arasında” yer alan bir kategoride bulunur.

Bilim insanları, 80 yıldan biraz daha uzun bir süre sonra, COVID-19’a neden olan yeni virüs olan SARS-CoV-2’nin ilk görüntülerini yayınladı. İkonik başak (taç) proteinini ortaya çıkarmak için Ruska’nınkine benzer bir alet kullandılar. Siyah beyaz görüntüler, bunun koronavirüs ailesinin bir üyesi olduğunu görsel olarak doğruladı ve dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının bu tür virüsler hakkında yıllarca önceki araştırmalarından elde edilen mevcut bilgilerden yararlanmaya başlanmasını sağladı. Bilim insanları, bu yeni virüsü, Çin’deki bir grup hastaya Aralık 2019’un sonlarında nedeni bilinmeyen bir pnömoni teşhisi konduktan hemen sonra doğrudan gözlemleyebildiler. Mart 2020’ye gelindiğinde COVID-19, Dünya Sağlık Örgütü tarafından bir salgın ilan edilmişti.

Önceki salgınlarda olaylar çok daha yavaş ilerliyordu.  1300’lerin ortalarında meydana gelen Kara Ölüm (vaba) salgını, dört yıl içinde Avrupa nüfusunun üçte birinden fazlasını, kimse buna neyin sebep olduğunu bilmeden öldürdü. 1918 grip salgınında, bilim adamları hastalığın nedeninin biliyordu ancak bunun için virüs görecek araçlar veya onu test edecek PCR gibi testler yoktu. SARS-CoV-2 ortaya çıktığında, onlarca yıl önce yürütülen temel bilim araştırmalarının değeri, virüs tespiti için yenilikçi araçlar biçiminde hızla ortaya çıktı. Araştırmacılar artık yeni virüslerin genomlarını dizileyebilie ve genomlarını inceleyebiliyordu. Ancak bugün bile gelişmiş genomik teknolajilere rağmen bile elektron mikroskobu bu tür patojenlerin benzersiz bir “açık” görünümünü sunmaya devam ediyor.

ABD Hastalık Kontrol Merkezleri (CDC) için patojenleri belirlemek için elektron mikroskobu kullanan Cynthia Goldsmith, “Bir resimle gerçekten tartışamazsınız” diyor. “Bu teknoloji, yalnızca virüsün nasıl göründüğünü değil, aynı zamanda hücrede nasıl büyüdüğünü de görmemizi sağlıyor.” Goldsmith yıllar içinde sayısını tahmin bile edemeyeceği kadar çok virüs tespit etmiş olsa da, incelediği virüsler zaten hastalığa neden olduğu bilinenlerle ve esas olarak insanları enfekte edenlerle sınırlı. Ancak bilim adamları  , memeli ve kuş ev sahiplerinde 1.67 milyon henüz keşfedilmemiş viral türün var olduğunu tahmin ediyor  . Örneğin yarasalar,  yeni  koronavirüs türleriyle doludur . Evrendeki yıldızlardan daha fazla virüs olabilir . Bugün yürütülen temel bilim araştırmaları, onların geçmişini, bugününü ve geleceğini anlamamıza ve bizi daha da yeni virüslerin ortaya çıkmasına daha iyi hazırlamamıza yardım etmede kritik bir rol oynayacaktır.

Stanford Üniversitesi’nden Laura Bloomfield, “Bilim adamları ve halk sağlığı yetkilileri, bir sonraki salgının ne zaman ve nerede ortaya çıkacağını düşünmek için çok zaman harcadılar” diyor. “Ama öğrendiğimiz şey, bunu kesin olarak tahmin etme olasılığının çok düşük olduğu. Hazırlık ve müdahale etmek için yapıları yerli yerince yerlerine koymamız ve aynı zamanda gelecekteki salgınları en başta önlememiz gerekiyor. ” 

Bu, temel bilim araştırmalarına girmek anlamına gelecektir. Bu, yalnızca daha fazla virüs keşfetmek ve dizilemek anlamına gelmeyecek, aynı zamanda virüslerin yapılarını anlama yeteneğimizi, konakçılarıyla nasıl etkileşime girdiklerini ve tarih boyunca nasıl evrimleştiklerini daha iyi hale getirecek araştırmalara yatırım yapmak anlamına gelecektir. Ek olarak, bir sonraki salgına hazırlanmak aynı zamanda insan davranışına daha fazla odaklanmak ve doğa ile olan ilişkimizi onarmak anlamına gelecektir. Yerel ormanların, endüstriyel ormancılık veya tarım için tahrip edilmesi, insan yerleşimlerinin veya arazi kullanımının el değmemiş ve bozulmamış ekosistemlere genişletilmesi ve vahşi yaşamın ticareti gibi faaliyetler, başka bir felaket salgını olasılığını büyük ölçüde artırır.

Virüslerin keşfi

Ruska’nın zamanında araştırmacılar, virüsleri belirleyip tanımlamak için “filtrelenebilir bulaşıcı ajanlar” terimini kullandılar. Deney, çıplak gözle görülemeyen bu küçük varlıkların, bakterileri ve diğer mikroorganizmaları yakalayan ve tutan filtrelerden geçebildiğini ortaya çıkardı. Latince bir kelime olan “yapışkan sıvı“, “güçlü meyve suyu” veya “zehir” anlamına gelen “virüs” terimi, hem filtrelerden geçebilecek kadar küçük hem de canlı bir konakçı olan bitkinin veya hayvanın yardımı olmadan üreyemeyen ajanlar için kullanılmıştır. Hollandalı bir mikrobiyolog ve botanikçi olan Martinus Beijerinck,  19. yüzyılda hastalıklı tütün bitkisi yapraklarından elde edilen öz (ekstrakt) ile deneyler yaparak virüslerin hastalığa neden olduğunu gösterdi.

Beijerinck, ışık mikroskobu ile tespit edilemeyecek kadar küçük bir varlığın bitkileri enfekte edebildiğini gösteren ilk bilim insanlarından biriydi. Beijerinck’in hasta bitkilerden taze ekstrakte edilmiş özsu uygulaması, sağlıklı bitkilerin yapraklarında lekeler oluşturdu; ne kadar çok özsuyu uygularsa, semptomlar o kadar kötüydü. Hasta bitkilerden elde edilen özsuyu  contagium vivum Fluidum  (bulaşıcı canlı sıvı) olarak adlandırdı. Bunun, “bölünen ve büyüyen hücrelerin içine girdiğini”, yani çoğalmak için başka canlıların (bu durumda bitki hücrelerinin) gerekli olduğu anlamına geldiğini belirtti.

Beijerinck’in diğer bitkileri enfekte edebilen bu “sıvı zehri” keşfetmesi, bugün yeni virüsleri belirleme, tanımlama, morfolojilerini (yapılarını) deşifre etme ve bu bilgileri, virüslerin neden oldukları hastalıklara karşı tedaviler geliştirmek için kullanma yeteneğimizin temelini oluşturdu. Ama aynı zamanda popüler virüs algımızı sadece patojenik, yani hastalığa neden olabilecek şekilde önyargılı hale getirdi. Çoğu durumda, virüsler hastalığa neden olmaz ve hatta birçoğu yararlıdır. Bazı virüsler sağlık için tehdit oluştururken, diğerleri yararlı işlevler yerine getirerek hayatımızı daha iyi ya da daha kötü şekilde şekillendirirler.

Virüsler hayatı nasıl şekillendirir?

Yapısı basit, ancak işlevselliği gelişmiş olan virüsler, “cansız ve canlılar arasında yer alan” bir kategoride bulunur. Bazı biyologlar onları yarı canlı olarak düşünürken, diğerleri onlardan cansız küçük parçacıklar (partiküller) veya madde düzenlemeleri (montajı) olarak bahsediyor. Ancak uzmanlar, bunların hayat ağacını saran sarmaşıklar gibi oldukları konusunda hemfikir; Varoluşları, iki yaşam biçimi arasında yakın bir ilişki olan simbiyozu içerir. Virüsler yalnızca canlı hücrelerin içinde çoğalabilir. En sağlıklı halimizde bile, vücudumuz trilyonlarca virüse, belki daha fazlasına ev sahipliği yapar. Orada “canlı” gibidirler. Çünkü genetik materyalleri konakçılarının hücrelerine nüfuz edip onları virüs üreten fabrikalara dönüştürür. 

Wildlife Conservation Society’nin Sağlık Programı’ndan hastalık ekolojisti Sarah Olson, “Bir virüs ve bir hücreyi birlikte mikroskobik bir kopya makinesi olarak düşünün” diyor. “Virüs, hücreye girmek için mevcut giriş noktalarını kullanıyor – ve girdiğinde, hücrenin mekanizmasını ele geçirmek ve kendisinin kopyalarını yapmak için talimatlar taşıyor. Sonra bir sonraki makineye (hücreye) gider. “

“Viruslar”, hücrelerin çok eski zamanlardan gelen torunları olabilir, ancak bazı araştırmacılar onların yaşamın dördüncü bir boyutunu oluşturabileceklerini öne sürüyor.

Bir virüs, bir dizi adımda çoğalır: önce bir konakçı hücreye bağlanır ve kendi genetik materyalini (DNA veya RNA) enjekte eder, ardından hücre daha fazla virüs ürettikçe kendisini hücrenin genetik materyaline dahil eder. Viral bilgi bir konakçının genomuna entegre edildiğinde, bu bilgi konağın bir parçası haline gelir ve nesiller boyunca aktarılabilir. Aslında, insan genomunun yaklaşık yüzde 8’i viral genlerden geliyor, bu da virüslerle birlikte evrimleştiğimiz ve bunu yapmaya devam edeceğimiz anlamına geliyor. Ayrıca, virüsler olmadan, insanlar ve diğer memeliler “doğurma” yerine hala “yumurta bırakıyor” olabilirdi. Evrim sırasında bir noktada, plasenta oluşumu için gerekli olan protein sintin,  bir retrovirüs enfeksiyonundan geldi. Ayrıca virüslerin, bakterilerin bağırsaklarımızı işgal etmesini önleyebileceğini de biliyoruz.  

Diğer canlılar gibi virüsler de Darwinci bir misyonu yerine getiriyorlar: sayılarını olabildiğince artırmayı, coğrafi sınırlarını genişletmeyi ve zaman içinde hayatta kalmayı hedefliyorlar. Aşılar piyasaya sürülürken ve yeni varyantlar tanımlanırken bile, SARS-CoV-2’nin şu anda yaptığı tam olarak budur. Ancak geçmiş hala önemlidir. Seattle’daki Fred Hutchinson Kanser Araştırma Merkezi’nde biyolog olan Michael Emerman’ın söylediği gibi, virüslerin evrimsel tarihindeki eski olayları incelemenin motivasyonu, acil modern zorlukları daha iyi anlamaktır. 

Virüslerin kökenleri ve tarihsel geçmişleri neden önemli

Virüslerin kökenleri ve evrimleri üzerine yapılan temel araştırmalardan ortaya çıkan modeller, gelecekteki pandemilere hazırlıklı olma durumumuzu bilgilendirmeye yardımcı olabilir. Viral evrim hakkında yazılar yazan biyolog Julia Durzyńska (Polonya, Poznań’daki Adam Mickiewicz Üniversitesi), “Mevcut tüm virüslerin kökenleri hakkında tek bir açıklamaya sahip olmak istersiniz” diyor. “Bunun yerine, birbirini tamamlayan üç baskın model var.” 

Sözde “virüsler ilktir” modeli, yaşamın başlangıcında, hücrelerden önce çok basit virüs formlarının var olduğunu öne sürüyor. Modern virüslerin eski ataları, hücresel yaşamın gelişimi için hammadde sağlamış olabilir. Bu model bugün dünyadaki tüm virüsler için geçerli olsaydı, hepsinin birkaç viral atadan evrimleştiği anlamına gelirdi. Bazı açılardan bu, yeni virüslerin tanımlanmasını ve aşıların veya tedavilerin geliştirilmesini kolaylaştırırdı: bilim adamları, bir virüs hakkında bildiklerini alıp, akrabalarını anlamak için bunu başlangıç ​​noktası olarak kullanabilirdi. 

Viral kökenlerin ikinci model “kaçış” veya “ilerleyen modeli“, virüslerin daha büyük organizmaların genlerinden kaçan genetik unsurlardan kaynaklandığını öne sürer. Örneğin bakteriyofajlar (bakterileri enfekte eden virüsler), bakteriyel genetik materyal parçalarından gelir. Dolayısıyla bu modele göre, tüm virüsler çok hücreli yaşamın varolmasından önce, çok eski zamanlardan gelmiyor.

İndirgeme” modeli olarak bilinen üçüncü model, virüslerin bir zamanlar daha büyük, serbest yaşayan organizmalar olduğu hipotezine dayanmaktadır. Zamanla genetik bilgilerini kaybettiklerine ve sonunda küçüldüklerine ve tek başına üreyemediklerine inanılıyor. Ancak diğer organizmaların hücrelerinde çoğalarak varlıklarını sürdürmeyi başardılar. Bu modelin en yaygın şekilde kanıtı olarak yorumlanan keşif, ilk olarak 2003 yılında izole edilen ilk “dev virüs” olan mimivirüstür.

Dev virüsler viral dünyaya bakışımızı nasıl genişletti?

Yirmi beş yıl önce, şu anda Davidson Koleji’nde biyolog olan David Wessner, koronavirüsler üzerine çalışan bir araştırma ekibinde doktora sonrası bir akademisyendi. Çalışması, virüslerin dışından çıkıntı yapan sivri uçlu (taç, Spike) proteinleri incelemeyi ve hücrelerle nasıl etkileşime girdiklerini belirlemeyi içeriyordu. Wessner, “Bu temel araştırmaların çoğu, COVID-19 ortaya çıktığında tepki vermeye zemin hazırladı,” diyor ve aynı şey dev virüsler üzerine yapılan temel araştırmalar için de geçerli olabilir. Henüz insan sağlığını önemli ölçüde etkileyen dev bir virüs tanımlamadık, ancak bu değişebilir. “

Daha sonra mimivirüs olarak adlandırılacak olan şey ilk olarak İngiltere’de 1992 pnömoni salgınının araştırılması sırasında gözlemlendi. Fransa’daki Aix-Marseille Université’de bir mikrobiyolog olan Bernard La Scola, bilinmeyen varlığı izole etmek ve yapısını incelemek için çok yıllık bir çabaya öncülük etti. O sırada elektron mikroskobu ile çalışan bir arkadaşı vardı. La Scola, “Ona bir örnek verdim” diyor. “Ona bu ilginç konuya bakıp bakamayacağını sordum ve ne olduğu hakkında hiçbir fikrim olmadığını söyledim.”

La Scola, ortaya çıkan görüntüyü ilk gördüğünde dev bir virüsü düşünmediğini söylüyor.

“Ölçeğe baktıktan sonra virüs olamayacak kadar büyük olduğunu fark ettim. Ve biz de bununla çalışmaya başladık. ” La Scola ve meslektaşları, yeni bir şeyi izole ettiklerini biliyorlardı.

Virüsler, sayılarını olabildiğince artırmayı, coğrafi sınırlarını genişletmeyi ve zaman içinde hayatta kalmayı hedefler.

Nihayetinde, mimivirüsün ( Acanthamoeba polyphaga ) ve daha sonra mamavirüsün ve daha sonra daha  da büyük pandoravirüsün keşfi, göreceli boyutları ve genetik karmaşıklıkları göz önüne alındığında, bir virüs olmanın ne anlama geldiğine dair insan algısını değiştirdi. Bazı bilim insanları, “bunların” derin eski zamanlardan gelen hücrelerin torunları olabileceğini düşünürken, diğerleri, yaşam ağacı modelini oluşturan arkeler, bakteriler ve ökaryot domeynlerinden farklı olarak, yaşamın dördüncü bir boyutunu oluşturabileceklerini öne sürüyorlar. 

La Scola, virüslerin kökeni ile ilgili tartışmalara pek girmez; bunun yerine yeni virüsleri izole etmeye ve tanımlamaya odaklanır. Yıllar boyunca, kendisi ve öğrencileri, üniversitesi, Méditerranée Enfeksiyon Vakfı ve Fransa Sağlık Bakanlığı dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan fon aldılar, ancak La Scola, dev virüsler üzerindeki çalışmalarının çoğunun fonlanmadığını söylüyor. Diğer, daha uygulamalı projeler için aldığı fondan ve kendisinin ve diğerlerinin yoğun ilgisinden ve ısrarından yararlandı.

Bugün, dev virüslerin insan sağlığını dramatik bir şekilde etkilediği bilinmese de, La Scola temkinli bir şekilde Afrika domuz ateşi virüsü Asfivirus’a işaret ediyor. Kenelerden domuzlara ve domuzlar arasında geçiş yapar. Kanamalı ateşe neden olur ve La Scola ve ekibinin Marsilya’da kanalizasyondan izole ettiği dev bir virüsle yakından ilgilidir. 

“Bu bir genom indirgeme örneği, çünkü genomunun yaklaşık üçte ikisini kaybetti” diyor. “Ve şimdi bu dev virüs muhtemelen omurgalılarda, yani domuzlarda hemorajik ateşin etkeni.” Virüs daha büyük bir organizmadan gelmiş ve hastalığa neden olacak şekilde evrimleşmiş olabilir. Bir kez oldu, bu yüzden tekrar olabilir ve belki de insanlarda. 

2020’de La Scola ve meslektaşları, başka bir yeni virüs olan Yaravirüs‘ün şaşırtıcı kökenleri üzerine bir makale yayınladılar. Virüsü genetik bilgisini deşifre etmek için dizilediklerinde, bazı genlerin dev virüslerde bulunanlara benzer göründüğünü fark ettiler, ancak Yaravirüs’ün onlarla nasıl ilişkili olup olmadığını çözemediler. Genlerinden hiçbiri, bilinen organizmaların herhangi bir dizisiyle eşleşmedi. Tamamen yeniydi. Yani benzersiz genetik bilgilerle karakterize edilen bir karanlık madde virüsü idi. Böylesine karanlık bir madde, uçsuz bucaksız bir uçurum, daha iyi anlamamız gereken viral bir dünyanın kanıtıdır.

İnsan davranışının rolü 

Sağlıklı ormanlar gibi bozulmamış ekosistemlerde, virüsler ve vahşi konakçıları uzun zamandır birbirleriyle hassas bir denge içinde etkileşime girmişlerdir. İnsanlar bilim insanlarının”mevcut hastalık ekolojisi ağı” dedikleri şeye müdahale ettiklerinde, kendilerini genellikle yabancı virüslere maruz bırakırlar. Benzer şekilde, vahşi hayvanları ormandan alıp ticari pazarlara taşımak da insanları yeni virüslere maruz bırakır. İleriye bakıldığında, insanların viral dünyayla gezinmeleri kısmen “uçta”, yani insanların ve vahşi yaşamın etkileşime girdiği ve patojenlerin değiş-tokuş edildiği bozulmuş habitatlar tarafından şekillendirilecektir.

Bloomfield, “Bununla ilgili bir ölçü var: kenar yoğunluğu” diyor. Kenar yoğunluğu, insanların günlük faaliyetlerini gerçekleştirdiği bir arazideki parçalanmanın şeklini ve kapsamını ifade eder. Ağaç kesmek, yollar inşa etmek ve kentsel yerleşimlerin genişletilmesi bu tür parçalanmaya neden olabilecek faaliyetlerdir.

Çevresel bozulma, insanlar ve hayvan habitatları arasında daha fazla “kenar” ve dolayısıyla insanların daha önce maruz kalmadıkları virüslerle daha fazla temas etme olasılıkları yaratır. Bloomfield, peyzajları değiştirmenin insanlar ve vahşi yaşam arasındaki etkileşimi nasıl teşvik ettiğini ve bulaşıcı hastalıkların ortaya çıkışını nasıl etkilediğini araştırıyor. Bulaşıcı hastalık uzmanları genellikle belirli hastalıklara odaklanırken, halk sağlığı uzmanları genellikle virüsün yarasa veya maymundan insana geçişi (zoonotik) gibi bir türden diğerine geçtiği yayılma olaylarının ayrıntılarını araştırır. Ancak Bloomfield, çok daha büyük modellerle ilgileniyor: insan davranışının çevresel bozulmayı nasıl yönlendirdiği, sınır yoğunluğunu ve dolayısıyla hastalık bulaşma riskini nasıl artırdığı.

Amazon ormanına açılan yolların balık kılçığı deseni yaygın bir örnektir. 2000 ve 2001’de Peru’daki araştırmacılar, ormansız bölgelerde sivrisinekler tarafından nispeten bozulmamış alanlara kıyasla 278 kat daha yüksek ısırma oranını belgelediler.  Yeni güneşli havuzlarda sivrisinekler hızla çoğaldıkça ve insanlar ormana girdikçe sıtma vakaları arttı. Uganda’da Bloomfield’ın araştırması, hane halkları ve ev yapımı için malzeme toplama gibi faaliyetler etrafında daha fazla kenar yoğunluğu olduğunu ortaya koydu. Ormanlık habitatlarda yiyecek arama, insanlarla diğer primatlar arasındaki temas olasılığını da artırır. Araştırmacılar, orman bozulmasının Nipah, Hendra ve Ebola gibi vahşi yaşamdan kaynaklanan birçok virüsün salgınlarıyla ilişkili olduğunu bulmuşlardır. 

Bloomfield, “Biyolojik çeşitliliğin daha yüksek olduğu alanlar ve bu biyolojik çeşitliliğe insan müdahalesi kesinlikle endişe verici konulardır” diyor. “Türler arasında ne kadar çok etkileşim olursa, nadir bulaşma olayları için o kadar yüksek olasılık var” diye belirtiyor. Yeni hastalıkların ortaya çıkışıyla ilgili ileri görüşlü bir kitap yazan bilim muhabiri David Quammen, fenomenin bir çift zar atma ve yılan gözü alma şansına benzediğini açıklıyor. Bir zar atma olasılıkları düşüktür, ancak zarları yeterince sık atarsanız, sonunda bir çift ile sonuçlanırsınız. Doğru virüs insanlara doğru koşullar altında bulaştığında yayılmalar ve salgınlar meydana gelebilir. Modern seyahat ve dünya genelindeki mevcut insan bağlantı düzeyimiz, enfekte bir kişi bir yerden diğerine seyahat ettiğinde bir salgının hızla salgın haline gelebileceği anlamına geliyor.

Belki de doğru dengeyi ancak viral dünyayı ve virüslerin hayatlarımızı şekillendirmeye devam ettiği birçok yolu daha iyi anlayarak, bize saldırıp, bir parçamız haline gelerek ve bize yardım ederek bulabiliriz. Bozulmayı ve vahşi yaşam ticaretini durdurmak, insanları yeni ve potansiyel olarak zararlı virüslerden ayrı tutmamıza da yardımcı olacaktır.

2015’ten önce, ortaya çıkan bulaşıcı hastalıklarla ilgili veriler, ihmal edilen hastalıklarla ilgili araştırma ve geliştirme için küresel finansmanı izleyen ve raporlayan bir proje olan G-FINDER tarafından takip edilmiyordu (küresel düşünce kuruluşu Policy Cures Research’ün himayesinde ve Bill ve Melinda Gates Vakfı). Ebola salgınının bir kombinasyonu; SARS, MERS ve H1N1 gibi pandemiler; ve küresel sağlık güvenliğine ilişkin artan endişe, sorunu SARS-CoV-2’nin ortaya çıkmasından önce bile kolektif bilinçte gündeme getirdi. Yine de, virüsler ve ortaya çıkan bulaşıcı hastalıklarla ilgili temel bilim araştırmalarına yönelik finansman, birçok uzmanın olması gerektiğini düşündüğü yerde değil. 

İnsanlar, hayvanlar, bitkiler ve onların paylaşılan çevreleri arasındaki karşılıklı bağlantıların giderek daha fazla tanınması  (ve bu bağlantıların insan sağlığı üzerindeki etkileri) daha disiplinler arası araştırma ve işbirliğine doğru bir paradigma değişimini de gerektirecektir. İnsanların, hayvanların ve çevrenin sağlığı derinlemesine iç içe olduğu için, araştırma çabaları ve problem çözme tıp ve çevre bilimcilerinin çabaları arasında köprüler kurulmasını gerektirir. Şimdiye kadar, bu tür disiplinler arası araştırmayı teşvik eden pek çok mekanizma yok. Bloomfield, “Bence vakıflar muhtemelen bu desteğin çoğunu bulacağımız yer” diyor.

Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları, yeni koronavirüsün ilk görüntülerinin elde edilmesinden bir yıldan kısa bir süre sonra COVID-19’a karşı etkili bir aşı geliştirerek bu yıl tarih yazdı. Böylesine benzeri görülmemiş bir tepkinin temelini oluşturan temel bilim araştırmasıydı; geçmişte aşıların geliştirilmesi genellikle 10 ila 15 yıl sürmüştür. Kısmen doğayla ve birbirimizle devam eden etkileşimlerimizle şekillenen geleceğimiz, bu yaklaşımın sürdürülmesini gerektiriyor: mevcut bilgiyi eyleme geçirmek ve hala tam olarak bilmediğimiz viral bir dünyayı deşifre etmeyi amaçlayan temel araştırmaları desteklemek.

Lauren E. Oakes, Yaban Hayatı Koruma Derneği’nde koruma bilimcisi, Stanford Üniversitesi Yer Sistemi Bilimi Bölümü’nde yardımcı profesör ve bilim yazarıdır. Kanarya Ağacı Arayışında (Temel Kitaplar, 2018) yazarıdır .

Bu makale ilk olarak   Science Philosophy Alliance Channel’da  Nisan 2021’de yayınlandı.

Koronavirüs: Yapım döngüsü ve yapıtaşı proteinleri

 Gönderi tarihi 

SARS-CoV-2: Yeni koronavirüs
Koronavirüs SARS-CoV-2, virüs kabuğunu oluşturan moleküllerden, bir konak hücreyi ve içindeki RNA genomunu enfekte etmesine izin veren çıkıntılı sivri uçlardan oluşur. Bir insan hücresi enfekte olduğunda virüs, daha fazla protein molekülü için plan yapar ve yeni kopyalarını üretmek için konakçı hücreyi ele geçirir. Bunun nasıl çalıştığını daha ayrıntılı olarak öğrenmek isterseniz, burada açıklamalarla birlikte animasyonlu bir viral yaşam döngüsü bulabilirsiniz. Daha önce de, bu virüsün gen, genom ve proteinlerini bir blog yazımızda burada işlemiştik. Ancak, o zamandan bu yana yeni gelişmeler var ve aşağıda özetlenmiş…

Yapım döngüsü

Virüsün hücremize girişi
SARS-CoV-2 ile enfeksiyon, konakçı hücre reseptörü anjiyotensin dönüştürücü enzim 2‘ye (ACE2) bağlanan glikozile edilmiş Spike (başak veya diğer bir adı ile diken) proteinleri yoluyla konakçı hücreye girildiğinde başlar.

Yapışmadan sonra SARS-CoV-2, proteaz bölünmesi ve aktivasyonu ile yönlendirilerek hücre zarından endositoz veya füzyon yoluyla konakçı hücreye girer. SARS-CoV-2 daha sonra kendi genomik +RNA’sını (ifade edilen veya anlamlı RNA zinciri) viral RNA ve protein sentezi için konakçı hücrenin içine (sitozol) salar.

NSP’lerin çevirisi (Translasyon)

Viral genom yaklaşık 30 kb uzunluğundadır. Genomun üçte ikisi poliprotein pp1a ve pp1ab’yi kodlarken, kalan üçte biri zarf (E), zar (M), nükleokapsid (N) ve başak (S) proteinleri dahil olmak üzere yapısal proteinleri kodlayan genlerden oluşur. Sitozolde, viral genomik RNA’lar konakçı ribozom mekanizması tarafından poliprotein pp1a ve pp1ab’ye çevrilir ve bunlar daha sonra proteolitik olarak işlenir.

Bölünme

Poliproteinler pp1a ve pp1ab, viral proteazlar nsp3 ve nsp5 tarafından daha küçük yapısal olmayan proteinlere (nsps) bölünür.Nsp3; nsp4 ve nsp6 ile çift zarlı veziküllerin (DMV’ler) veya diğer bir adı ile torbacıkların oluşumunda da rol alan bir membran proteinidir. Nsp12; nsp7 ve nsp8 ile replikaz-transkriptaz kompleksinin kor yapısını oluşturan RNA’ya bağımlı bir RNA polimerazdır. Nsp14, nsp10’un da yardımı ile hem hata (yani mutasyon) düzeltme hem de zincri tekrar birleştirme aktivitelerine sahip bir ekzoribonükleazdır (bu enzimin yani Nsp14+Nsp10 kompleksinin diğer bir adı ExoN’dur). ExoN önemli bir ilaç hedefi olabilir. Çünkü, bu enzimi susturursan virüs replike olurken çok hata yapar ve muhtemelen daha az bulaşıcı ve patojenik olur. Nsp16 ve helikaz, nsp13, RNA başlığının oluşumunda da rol oynar.

Replikasyon ve transkripsiyon

Viral RNA sentezi, hücre içi zarlardan modifiye edilmiş çift zarlı veziküllerde (DMV’ler) meydana gelir. DMV içinde, viral RNA’lar, süreksiz transkripsiyon yoluyla genomik pozitif anlamlı RNA’ların ve subgenomik negatif iplikli RNA’ların sentezi için kullanılabilen tam uzunlukta negatif sarmallı RNA’lar üretmek için kopyalanır. Subgenomik negatif sarmallı RNA’lar ayrıca subgenomik pozitif sarmallı RNA’lara kopyalanır. Bu pozitif sarmallı RNA’lar, viral proteinlerin translasyonu için DMV’lerin çift membranını kaplayan moleküler gözenekler (por) yoluyla sitozole aktarılır.

Yapısal proteinlerin çevirisi

Viral genomun üçte biri, zarf (E), zar (M), nükleokapsid (N) ve başak (S) proteinleri dahil olmak üzere yapısal proteinleri kodlayan genlerden oluşur. Bu yapısal proteinlerin transkriptleri çift zarlı veziküller içinde oluşturulur ve daha sonra sitozol ve ER’ye (endoplazmik retikulum) aktarılır ve burada proteinlere çevrilir. E ve M proteinleri, virüs montajı ve tomurcuklanma için gerekli olan küçük zar proteinleridir. N (nükleokapsit) proteini ise viral genomik RNA’yı yoğunlaştırır, böylece küçük virionun içine paketlenebilir. S proteini, reseptör tanıma ve hücre zarı füzyon sürecinde önemli bir rol oynar.

Montaj

Viral genomik pozitif sarmallı RNA’lar ve N proteinleri, Endoplazmik Retikulum-Golgi ara bölmesine (ERGIC) giren nükleokapsidler halinde birleşir. ERGIC membranlarında bulunan yapısal proteinler, virion formları olarak zarfın içine dahil edilir.

Ekzositoz

Yapım (kendini inşa etme) döngülerini tamamladıktan sonra, virüsler daha fazla bulaşma için ekzositoz yoluyla hücreden salınmaya hazırdır.

Yapıtaşı proteinleri

Spike

Başak proteini (yüzey glikoproteini, S-proteini olarak da bilinir) virüs kabuğundan (alt, bej) dışarıya sarkılı bulunur ve konakçı hücreye girişe aracılık eder.

Bir protein üç özdeş kopyadan (yeşil renkli bir homo-trimer) oluşur ve anjiyotensin dönüştürücü enzim 2 adı verilen hücresel reseptöre bağlanır (gösterilmemiştir). Bu bağlanma, hücre ve virüs zarının füzyonuna yol açan bir dizi olayı tetikler. Ön füzyon trimerinin istikrarsızlaştırılmasından sonra, başak proteinin bir kısmı atılır ve bu da kararlı bir füzyon sonrası konformasyona geçişe yol açar. Bir konakçı hücre reseptörünü devreye sokmak için, Spike proteinin reseptör bağlanma alanı, menteşe benzeri bir konformasyonel yeniden düzenlemeye tabi tutulur. SARS-CoV-2’nin konakçı hücre ile bu bağlanma, giriş ve füzyon mekanizması hala tam olarak anlaşılamamıştır. Başak proteini yoğun bir şekilde glikozile edilmiştir (gri), yani protein yüzeyinde sümüksü bir yüzey oluşturan şeker zincirleri taşır ve bağışıklık sisteminin başak proteinini tanımasını zorlaştırır. Glikozilasyon tipi, proteinin üretildiği konakçı hücreye bağlıdır.

Ana Proteaz

SARS-CoV-2’nin RNA genomu, viral girişten hemen sonra ilk kez proteinlere çevrildiğinde, fonksiyonel parçalara bölünmesi gereken, polipeptid adı verilen uzun bir protein üretilir. Bu olmadan virüs çoğalamaz ve bulaşma gerçekleşemez. Bu olay, iki proteaz, nsp3 ve ana proteaz (ayrıca 3C benzeri proteaz veya nsp5 olarak da bilinir) tarafından yapılır. Bu nedenle her ikisi de başlıca ilaç hedefleridir. Ana proteaz, iki özdeş proteinden (homodimer) oluşan bir dimer olarak çalışır, resim bu iki kopyayı (yeşil) potansiyel bir inhibitör (kırmızımsı) bağlı halde göstermektedir.

RNA polimeraz kompleksi (RdRp)

(Ayrıca, RNA’ya bağımlı RNA polimeraz, RdRp kompleksi, nsp12, nsp7, nsp8 olarak da bilinir). SARS-CoV-2, proteinlerini kodlamak için tek sarmallı pozitif zincir bir RNA kullanır ve bu nedenle “tek sarmallı RNA virüsleri” sınıfına aittir. Virüs, bu oldukça büyük RNA genomunu kopyalamak için “RNA’ya bağımlı RNA polimeraz” adı verilen özel bir proteine ​​ihtiyaç duyar. Bu protein, bir ipteki boncuklar gibi tek ribonükleotitleri birbirine bağlayarak, RNA’nın yeni bir kopyasını oluşturmak için viral RNA’yı şablon (kalıp) olarak kullanır. RdRp (nsp12 olarak da adlandırılır) birkaç başka proteinin – nsp7, nsp8, nsp10 ve nsp14 – yardımı ile çalışır. Nsp7 ve nsp8, yeni yapılan RNA’nın polimerazı sorunsuz bir şekilde terk etmesi için bir rampa (“kayan kutuplar” olarak adlandırılır) sağlamak için birlikte çalışır. Bu gereksiz görünebilir, ancak polimeraz onsuz yeni RNA yapamaz! Nsp10/nsp14 (ExoN), yeni yapılmış RNA’yı düzeltmek için birlikte çalışır, hataları ortadan kaldırır, bu da SARS-CoV-2’nin böylesine büyük bir genoma sahip olmasını sağlar. Bu proteinler birlikte, virüsün kendisinin birçok yüksek kaliteli kopyasını yapmasını sağlayan karmaşık bir makine oluşturur.

EndoRNaz


EndoRNaz (ayrıca NendoU, nsp15 veya nidoviral RNA uridilata özgü endoribonükleaz olarak da bilinir), bir RNA dizisinin ortasında üridini (U) keserek 2′ ‐ 3 ′ siklik fosfodiester ve 5 ‐ hidroksil terminali ile sonuçlanan viral bir enzimdir. Bir nsp15 monomeri; N-terminal oligomerizasyon alanı, bir orta alan ve C-terminalinde katalitik NendoU alanı olmak üzere üç farklı alandan oluşur. Altı monomer daha sonra, fonksiyonel form olan bir N-terminal oligomerizasyon alanı ile kararlı kılınarak bir çift halkalı heksamer oluşturur. Nsp15, Mn2 + bağımlı bir endoribonükleazdır, yani bölme işini gerçekleştirmek aktif bölgesindeki metal manganın koordinasyonuna dayanır. Bu bölünmenin ve bir bütün olarak nsp15’in tam işlevi bilinmemektedir.

Nsp9

Nsp9’un (tek zincir RNA bağlayıcı protein) viral replikasyona ve virülansa aracılık ettiğine inanılmaktadır. Nsp9’un uzun oligonükleotid ipliklerini (tek zincir RNA) bağlayabildiği gösterilmiştir, proteinde hiçbir doğrudan etkileşim bölgesi tanımlanmamıştır. Nsp9’un koronavirüsler dışında görülmeyen benzersiz bir kıvrımı vardır; ancak, alt ailede homologlar bulunmuştur. Çözelti içinde zorunlu bir homodimer oluşturur ve bu dimeri bir GxxxG alfa sarmal motifi aracılığıyla oluşturduğu gözlenmiştir. Ek olarak, ana proteazın (nsp5) bölünme motifini (LEVL) içeren peptidlerin nsp9’a bağlanma afinitesine sahip olduğu gösterilmiştir. Bu peptitler, dimerizasyon bölgesi yapısıyla etkileşime girer, ancak dimerizasyonu engellemez. Sonuç olarak, gizemli bir protein.

Nsp3

Nsp3, 2000’den fazla amino asitten oluşur. Koronavirüsün genomu tarafından kodlanan en büyük protein olarak, yapısını ve işlevini çözmek çok büyük bir görevdir. Hiçbir nsp3 yapısı çözülmedi. Birkaç transmembran alanı vardır, bu da onu membrana bağlı bir protein yapar. Ayrıca bağışıklık sistemiyle çeşitli şekillerde etkileşerek bağışıklık tepkisini bastırır. En çok çalışılan alan (domeyn), tıpkı ana proteaz gibi polipeptitleri ayırma görevi görür. SARS-CoV-2’nin RNA’sı, viral girişten hemen sonra ilk kez proteinlere çevrildiğinde, fonksiyonel parçalara bölünmesi gereken uzun bir protein zinciri yani bir poli-peptit üretilir. İlk üç işlevsel parça, nsp1, nsp2 ve nsp3, nsp3’ün papain benzeri proteaz alanı tarafından bölünür. Bu aktivite olmadan virüs çoğalamaz ve bulaşma gerçekleşemez. Dolayısıyla, bu alan önemli bir ilaç hedefidir.

Lider protein

Lider protein (nsp1), enfeksiyondan sonra konakçı hücreyi yeniden yapılandırmaya başlar ve korona virüsleri arasında oldukça farklıdır. Ribozoma (40S alt birimi) bağlanır ve enfekte olmuş hücrenin kendi protein üretimini yavaşlatırken viral proteinlerin üretimini sağlar. Bu, hücrenin bir bağışıklık tepkisine yardımcı olmasını önlemeye yardımcı olur ve virüsün çoğalmasına yardımcı olmaya zorlar. Nsp1 ayrıca konakçı mRNA bölünmesini (ancak bir nükleazın kendisi değildir) ve konakçı hücrede henüz tam olarak anlaşılmayan çeşitli kimyasal değişiklikleri indükler.

RNA ve Nükleokapsid

SARS-CoV-2’nin genomu, tek sarmallı RNA’dır (insan hücrelerindeki DNA’ya benzemez). Bu RNA, konakçı hücre içine girdikten sonra hemen viral proteinlere çevrilebileceği anlamına gelir. Tek sarmallı olduğu için, RNA’daki herhangi bir hasar düzeltilemez çünkü yalnızca bir kopya mevcuttur. Buna ek olarak, genom, virüs dünyasındaki en büyük RNA genomlarından biridir ve virüsün kendisinin boyutuna da yansıyan bir gerçektir. RNA, virüs için çok değerli olduğu ve kabuğu çok kırılgan olduğu için, RNA, viral partikül içinde paketlendiğinde nükleokapsid proteinleri (gri) şeklinde ekstra bir koruma katmanına sahiptir. Muhtemelen nükleokapsid kompleksi tarafından oluşturulan iki sarmal oluğun etrafına çift sarmal bir şekilde sarılmıştır. Bununla birlikte, nükleobazlar (turuncu ve sarı), merdiven benzeri bir şekle sahip tipik bir RNA çift sarmalı oluşturmak için birbirinden çok uzaktır ve bazlar birbirine doğru bakmayabilir.

Viral zarf

Virüsün kabuğu, içinde virüsün yapıldığı konakçı hücreden elde edilen çift lipid (yağ) zarından (gri renkte gösterilmiştir) oluşur. Lipitlerin su seven (hidrofilik) kısımları dışarıya bakarken, su sevmeyen (hidrofobik) kısımlar zarın iç tarafına bakar. Bu düzenleme, virüsün neden sabunla yok edilebileceğini kolayca açıklar: sabun, çift-lipidik zarları çözer.

Daha fazla bilmek ister misin? Burada!

Spike proteinine ek olarak, bilipidik zara gömülü iki protein daha vardır: zar proteini ve zarf proteini. Membran proteini, konakçı hücrede viral makromoleküllerin birleşmesinde önemli bir rol oynar (her şeyin işlevsel olması için doğru şekilde paketlenmesini sağlamak). Bugüne kadar zar proteininin atomik yapısı belirlenmemiştir. Küçük zarf (E) proteini de viryonların oluşumunda önemli bir rol oynuyor gibi görünmektedir. E proteini olmadan, daha az virüs üretilir ve daha az virülenttir. E proteini, konakçı hücre zarlarında iyon taşıyıcıları (sarı) olarak görev yapan pentamerik gözenekler (por) oluşturur.

Metiltransferaz

RNA’nın metilasyon kaplamasını gerçekleştiren koronavirüs içinde iki metiltransferaz proteini (nsp14 ve nsp16) tanımlanmıştır. Bu kapaklama reaksiyonları, RNA’nın bozulmadan korunmasına yardımcı olmak için önemlidir, fakat aynı zamanda mRNA işleme ve doğuştan gelen bağışıklıkta da önemlidir. Nsp10 proteini (açık mavi), nsp14 ve nsp16 için bir aktivatördür. Nsp16 (koyu yeşil, sağda) viral mRNA’nın 2′-O’sunda metiltransferaz aktivitesine sahiptir. Nsp14 (eksonükleaz olarak da bilinir), viral replikasyon ve transkripsiyonda ikili fonksiyona sahip bir proteindir. Bunları birbirine bağlayan esnek bir bağlayıcı (gri) bulunan iki ana alan vardır. N-terminal alanı (açık yeşil), mutagenezi önlemek için RNA üretimini 3′-5 ‘yönünde düzelten bir ekzoribonükleaz fonksiyonuna sahiptir (bkz. RNA polimeraz kompleksi). Düzeltici bir enzimin varlığı, SARS-CoV2’nin büyük genomununun (29.8 kilobaz uzunluğunda) nispeten hatasız kopyalanmasını kolaylaştırır.

Hepatit C (9.6 kilobaz) veya Lassavirüs (İki RNA ipliği, her biri 3.4 kilobaz) gibi diğer RNA virüsleri, önemli ölçüde daha küçük genomları nedeniyle bir ekzoribonükleaz enzimini kodlamaz.

C-terminal alanı (koyu yeşil), viral mRNA’nın 5 ‘ucunun N7 kaplaması için metil transferaz aktivitesine sahiptir. Bugüne kadar, SARS-CoV2’den hiçbir nsp14 net bir şekilde çözülememiştir, ancak SARS-CoV’de, SARS-CoV-2’nin nsp14’ne %95 sekans özdeşliğine sahip birkaç yapı vardır.

Aksesuar proteinler

Aksesuar proteinler, in vitro viral replikasyon için gerekli değildir ve diğer proteinlerden daha az çalışılmıştır. SARS-CoV genomu içindeki konumlarına göre isimlendirilmişlerdir. RNA dizilerinin, çeşitli Açık Okuma Çerçeveleri (ORF’ler) aracılığıyla farklı proteinleri kodladığı bulunmuştur. Bu, proteinler için RNA üzerindeki başlangıç noktasının değişebileceği ve aynı RNA dizisi tarafından çeşitli proteinlerin üretilmesine neden olabileceği anlamına gelir. Örneğin RNA, nereden başladığınıza bağlı olarak ORF9b ve Nucleocapsid için eş zamanlı kodlama yapabilir. ORF3, SARS-CoV-2’de sadece 22 amino asit uzunluğunda, ancak SARS-CoV’de 154 amino asit uzunluğundadır.

Konakçı hücrede bağışıklık tepkisinin önemli bir parçası olan interferonu baskıladığı gösterilmiştir. ORF3 ne kadar uzun olursa bağışıklık sisteminin o kadar iyi baskılanabileceği gösterildi. ORF3 ayrıca, konakçı hücrenin, virionların atılımına karşı geçirgen hale getirilmesinde önemli bir rol oynar gibi görünmektedir ve Spike, zar ve zarf proteinleri ile etkileşime girebilir.

Eğlenceli bir şey olarak, ORF3a’nın yapısı şapka takan bir domuza benziyor. (Karşılaştırın)

ORF6 ayrıca, virüsün sağlıklı hücreleri enfekte etmesine yardımcı olan interferon sinyallerini de durdurur. ORF3’ün aksine, virüs replikasyonunda gerekli olmayan bir oyuncu gibi görünmektedir. Çalışmalar, ORF6’nın hücrede direnç mekanizmaları oluşturmak için gerekli genlerin ifadesi için bir inhibitör olabileceğini de göstermiştir. Şimdiye kadar ORF6’nın atomik yapısı belirlenmemiştir.

ORF7’nin insanlarda COVID-19 enfeksiyonlarının ciddiyetine katkıda bulunabilecek hücre ölümünü indüklediği ileri sürülmüştür. Araştırmalar, aynı zamanda, bir hücrenin, çevredeki hücreleri de enfekte olmak üzere korumak için atılan virionları yüzeyinde tutmak için kullandığı, konak hücrenin tetherin tedarikini sınırladığını ileri sürüyor.

ORF8, yüzeyinde onu bozulmadan koruyan şeker zincirleri (glikozilasyon) taşır. Hem sitoplazmada hem de endoplazmik retikulumda bulunur. Her iki virüste bulunan herhangi bir proteinin SARS-CoV ve SARS-CoV-2 arasındaki en düşük sekans özdeşliğine sahiptir. ORF8’in, bağışıklık sisteminin önemli bir parçası olan enfekte hücrelerin başlıca histokompatibilite kompleks molekülleri ile doğrudan etkileşime girerek MHC-I lizozomal bozulmaya yol açtığına dair kanıtlar olmuştur. Bu, enfekte olmuş hücreleri yok eden sitotoksik T hücresinin sınırlandırılmasına neden olur. Şimdiye kadar ORF8’in atomik yapısı belirlenmemiştir.

Aksesuar protein ORF9b için gen, nükleokapsid geninde alternatif bir açık okuma çerçevesi içinde bulunur. Bu proteinin yapıları şu anda hem SARS-CoV hem de SARS-CoV2 için mevcuttur. Bu proteinin yeni katı, lipitleri bağladığı düşünülen bir oyuk ile hidrofobik arayüze sahip dimerik bir katlanma oluşturur. Zara bağlı olduğu ve virionun birleşmesinde küçük bir yapısal role sahip olabileceği öne sürülmüştür.

KaynakCoronavirus Structural Task Force