Viroloji: Virüslerin Çoğalması

• Virüsler çoğalmak için duyarlı hücreler arar, ancak her virüs türü her hücre tipinde çoğalamaz.
• Hücre yüzeyindeki virüs spesifik reseptörlerin varlığı virüsün çoğalmasını etkiler.
• Virüs-konak hücre arasındaki epitop-paratop (reseptör-antireseptör) ilişkisi konak spektrumunu belirler.
• Virüs çoğalması nükleik asit replikasyonuna dayanır, ardından yapısal proteinler yeni nükleik asidi çevreleyen kapsidi oluşturur.
• Zarflı virüslerde, nükleokapsid zarfla çevrelenir ve olgun virüs partikülü hücre dışına atılır.
• Virüs çoğalması, hücre enfeksiyonundan yeni virionların oluşumuna kadar birkaç saatten birkaç güne kadar sürebilir.
• Virüslerin çoğalma süreçlerinde mRNA sentezi, viral protein sentezi ve yeni viral nükleik asit sentezi olmak üzere 3 temel hedef bulunur.
• RNA virüslerinin çoğalması genellikle hücre sitoplazmasında gerçekleşir.
• DNA virüslerinin çoğalması genellikle hücre çekirdeğinde gerçekleşir.
• RNA virüslerinden orthomyxoviruslar ve retroviruslar hücre çekirdeğinde çoğalır.
• DNA virüslerinden poxvirus, asfivirus ve iridoviruslar sitoplazmada çoğalır.

Replikasyon Döngüsü

• Olgun bir virüsten (ebeveyn virüs) yavru virüsler (progeny virüs) oluşana kadar geçen süreye ve olaylar zincirine replikasyon döngüsü denir.
• Replikasyon döngüsü aşamaları şunlardır:
  • Ataçman (Attachment-Adsorbsiyon)
  • Penetrasyon
  • Soyunma (Uncoating-Kapsitten arınma)
  • Genom replikasyonu ve gen ekspresyonu
  • Toparlanma (Agregasyon)
  • Olgunlaşma
  • Saçılım
• Genom replikasyonu ve gen ekspresyonu evreleri eklips dönemini oluşturur.

Adsorbsiyon (Ataçman-Tutunma)

• Hücre yüzeyindeki reseptörler (paratop) ile virüs tutunma proteinleri (epitop) arasında meydana gelen geri dönüşümlü bir olaydır.
• Ortamın reseptör ve koreseptör varlığı, iyon konsantrasyonu, pH değeri, antikor ve inhibitörlerin varlığı, ve sıcaklığı bu olayı etkiler.
• Bu şartlardaki değişiklikler bağlanmayı engelleyebilir.
• Viral proteinler zarflı virüslerde zarf üzerinde, zarfsızlarda ise kapsit üzerinde bulunur ve ataçmandan sorumludur.
• Rotaviruslar yalnızca bağırsak epitel hücrelerine ilgi duyarken, HIV makrofaj ve yardımcı T lenfosit hücrelerine ilgi duyar.
• Multitropik virüsler birçok doku veya sistemde enfeksiyon başlatabilirler.
• Bazı virüsler birden fazla hücre yüzey molekülünü reseptör olarak kullanabilirler, bu da onlara geniş bir konakçı spektrumu sağlar.
• Tek bir hücre yüzey molekülü birden fazla virüs türünün adsorpsiyonuna aracılık edebilir.

Penetrasyon (Hücre İçine Girme)

• Hücre yüzeyine tutunan virüsün hücre içine alınmasıdır.
• Penetrasyonu etkileyen faktörler hücre tipi, virüs yoğunluğu (MOI değeri), ortam sıcaklığı ve pH değeridir.
• Penetrasyon kısa sürede üç temel mekanizma ile gerçekleşir:
  • Hücre membranı ile füzyon
  • Pinositozis (endositozis)
  • Translokasyon (direkt giriş)

Füzyon

• Zarflı virüsler tarafından kullanılan bir penetrasyon mekanizmasıdır.
• Virüs zarı hücre zarı ile kaynaşarak nükleokapsit doğrudan hücre içine girer.
• Füzyon, viral zarf ile hücre membranının birleşmesiyle veya endositozu takiben sitoplazmik veziküller içinde oluşur.
• Virüs zarında füzyon proteinlerinin bulunması gerekir; örneğin influenzavirus hemaglutinini, retrovirus transmembran glikoproteinleri, paramyxoviridae ailesinde F (füzyon) proteini.

Pinositozis (Endositozis)

• Viropeksis veya reseptör aracılıklı endositozis olarak da bilinir.
• Virüsün hücre içi vakuollere girmesidir.
• Hem zarflı hem de zarfsız virüslerde görülür.
• Hücre yüzeyine tutunan virüs, hücre membranının içeri doğru invagine olması ile sitoplazma içerisine alınır.
• Asidifikasyon vezikülleri nükleokapsitin serbest kalmasını sağlar.

Translokasyon (Direkt Penetrasyon)

• Genellikle kübik simetrili küçük yapılı virüsler tarafından kullanılır, özellikle bitki virüsleri.
• Virion, hücre membranı porlarından direkt olarak geçerek sitoplazmaya ulaşır.
• Translokasyon için en iyi örnek viroidlerdir.
• Virüs kapsidindeki proteinler ve hücrenin spesifik membran reseptörleri bu olayı düzenler.
• Sadece zarfsız virüslerde görülür; örneğin reovirus.

Kapsitten Arınma (Soyunma)

• Hücreye giren viral nükleik asitin replike olabilmesi için öncelikle örtücü katmanlardan ayrılması gerekir.
• Zarflı virüslerde, füzyon olayıyla kısmi ayrılma meydana gelse de tam ayrılma endozomlar içinde olur.
• Enzim içeren veziküller düşük pH ile virüsü asidifiye eder.
• Asidik ortam kapsidin parçalanmasını ve nükleik asidin serbest kalmasını sağlar.
• Bu aşamadan sonra EKLİPS dönemi başlar.

Genom Replikasyonu ve Gen Ekspresyonu

• Genom replikasyonu ve translasyon işlemleri virüsün genomik özelliklerine göre değişiklik gösterir.
• mRNA yazılımı (transkripsiyon) tamamlandıktan sonra erken ve geç dönem proteinlerinin translasyonu gerçekleşir.
  • Erken dönem proteinler genom replikasyonunda görev alır.
  • Geç dönem proteinler virüs yapısal proteinleridir.
• En son olarak progeny virüs nükleik asitleri sentezlenir.
• Transkripsiyon, DNA veya RNA’daki nükleik asit iplikçiğinden yeni bir nükleik asit iplikçiğinin sentezlenmesidir.
• Translasyon ise protein sentezinin yapıldığı aşamadır; mRNA'daki şifreye göre amino asitler birleşerek polipeptit zinciri oluşturur.
• mRNA yapımından sonra, erken dönem proteinleri sentezlenir.

Erken Dönem Proteinleri

• Yapısal olmayan proteinleri ve viral nükleik asit sentezinde kullanılacak viral enzimleri oluşturur.
• Üç temel görevi bulunur: konak hücre nükleik asit ve protein sentezini durdurmak, viral protein sentezini yönetmek, viral nükleik asit sentezini yönetmek.
• Geç dönem mRNA'lar "son proteinlerin" sentezini yönlendirir.
  • Bu son ürünler genellikle virion oluşumuna katılan yapısal proteinlerdir.

Toparlanma (Agregasyon)

• Yeni sentezlenen viral proteinlerin ortalarına nükleik asiti alarak simetrilerine uygun bir biçimde toparlanmalarıdır.

Olgunlaşma

• Virüs partikülünün enfeksiyöz olma özelliğini kazandığı dönemdir.
• Kapsit proteinleri arasındaki son düzenlemeler, viral proteazların işlevleri ve genom üzerindeki yeni yapılanmalar bu dönemde gerçekleşir.
• Zarflı virüslerde kapsidin zarfla çevrelenmesi, virüs gruplarına göre konakçı hücrenin farklı bölgelerinde gerçekleşir.
  • Paramyxovirusların zarfı plazma membranından, herpesviruslarda çekirdek zarından, flaviviruslarda ise endoplazmik retikulumdan köken alır.
• Virüs özgün zarf proteinleri, tomurcuklanma öncesinde ilgili bölgeye aktarılır ve tomurcuklanmanın olacağı hücre zarına yerleşir.

Saçılım

• Olgunlaşan virüslerin hücreden dışarı atılması farklı şekillerde olabilir.
  • Lizis (Burst): Genellikle zarfsız virüsler, hücrenin parçalanmasına neden olarak dışarı atılırlar.
  • Tomurcuklanma (Budding): Zarflı virüsler, hücrenin sitoplazma veya çekirdek zarını kendine zar edinerek (budding) hücreyi terk eder. Plazma membranı, çekirdek zarı, endoplazmik retikulum veya golgi aygıtı zarf kaynağı olarak kullanılabilir.
  • Ekzositoz: Bazı zarflı ve zarfsız virüsler hücreyi ekzositoz yoluyla terk eder. Matriks proteini bulundurmayan zarflı virüsler, sitoplazmik bir vezikül içine (granüllü endoplazmik retikulum veya Golgi) tomurcuklanırlar, daha sonra düzgün duvarlı vezikül içinde sitoplazmayı geçer ve ekzositozla salınırlar.
• Enfeksiyonu takip eden birkaç saat süresince ortamdaki enfeksiyöz virüs partikülü sayısı hızla azalır (hücreye tutunma ve penetrasyon).
• Ardından, ortamda enfeksiyon virüs partikülü ya hiç saptanamaz ya da çok az miktarda saptanabilir (eklips dönemi).
• Sonrasında ortamda saptanabilen enfeksiyon virüs partiküllerinin sayısı hızla artar (yeni virüs partiküllerinin hücre dışına atılması).

Baltimore Virüs Sınıflandırması

• Virüs çoğalmasının eklips fazında gerçekleşen olaylar, virüs ailelerine göre farklılık gösterir.
• Virüs ailelerinin sınıflandırılmasında genom özellikleri önemli bir kriterdir.
• Hücresel genler dsDNA üzerinde kodlanır ve ssRNA üzerinden protein sentezi gerçekleşir.
• Hücresel protein sentez mekanizmalarını kullanılması nedeniyle virüsler benzer bir yol izler; viral proteinler için mRNA çıkarılması gerekir.
• Baltimore sınıflandırması, genom tiplerine göre 7 sınıfa ayrılır: dsDNA, ssDNA, dsRNA, (+)ssRNA, (-)ssRNA, RT-ssRNA, RT-kısmi dsDNA.
• Sitoplazmada çoğalan dsDNA virüsleri (Poxviridae, Asfarviridae, İridoviridae) viral DNA bağımlı RNA polimeraz kullanır.
• Çekirdekte çoğalan dsDNA virüsleri (Herpesviridae, Adenoviridae, Papillomaviridae) hücresel DNA bağımlı RNA polimeraz kullanır.
• Revers transkriptaz enzimi (RT) taşıyan virüsler Hepadnaviridae ve Retroviridae'dir.

Hepadnavirüsler

• Kısmi çift zincirli hepadnavirüs genomu, DNA polimeraz kullanarak kısa iplikçiği tamamlar ve dsDNA formuna geçer.
• dsDNA süperheliks yapısına dönüştürülür ve hücresel RNA polimeraz II ile RNA transkripti çıkarılır.
• Viriondaki revers transkriptaz enzimi ile komplementer DNA iplikçiği sentezlenir.
• Bu DNA iplikçiği kalıp olarak kullanılarak dsDNA oluşturulur ve ardından mRNA ve protein sentezi gerçekleşir.

Retrovirüsler

• Retrovirüs genomu (+) RNA yapısında olmasına rağmen direkt protein sentezini başlatamaz.
• ssRNA yapısındaki nükleik asit, revers transkriptaz yardımıyla RNA-DNA hibridi oluşturur ve aynı enzimle dsDNA şekillenir.
• dsDNA konak hücre genomuna yerleşerek provirüs olarak adlandırılır.
• Bu bölge hücresel RNA polimeraz II tarafından transkribe edilir ve sırayla mRNA ve protein sentezi gerçekleşir.

Segmentli dsRNA Virüsleri

• Segmentli dsRNA virüsleri (Reoviridae, Birnaviridae, Picobirnaviridae) sitoplazmada çoğalır.
• Her segment, viriondaki transkriptaz enzimi ile pozitif anlamlı RNA iplikçiğini transkribe eder.
• Pozitif iplikçik, mRNA oluşumu ve protein sentezi için kullanılırken bir yandan da virionlara girecek dsRNA için kalıp görevi yapar.

Segmentli Negatif Anlamlı ssRNA Virüsleri

• Segmentli negatif anlamlı ssRNA virüsleri (Orthomyxoviridae, Bunyaviridae, Arenaviridae), her genom segmentini virionda bulunan transkriptaz enzimi ile transkribe eder ve pozitif anlamlı RNA üretir.
• Pozitif RNA, mRNA olarak kullanılır ve ayrıca yeni negatif RNA üretmek için kalıp görevi görür.
• Arenavirus ve bazı bunyavirusların genomunun S segmenti ambisense (kısmen + ve kısmen -) niteliğindedir ve 5' ucundaki bölge pozitif anlamlı RNA gibi translasyona başlar.

Tek Parça Genom Içeren Negatif Anlamlı ssRNA Virüsleri

• Tek parça genom içeren negatif anlamlı ssRNA virüsleri (Paramyxoviridae, Rhabdoviridae, Filoviridae, Bornaviridae) RNA bağımlı RNA polimeraza sahiptir.
• Enzim hem transkriptaz hem de replikaz görevi görür.
• Transkriptaz, viral genomdan pozitif anlamlı subgenomik RNA transkriptleri oluşturur.
• Enzim replikaz gibi davranarak tüm genomu kapsayan pozitif anlamlı bir RNA transkripti oluşturur.
• Bu transkript, yeni virionlara gidecek negatif anlamlı RNA molekülleri için kalıp görevi görür.

Pozitif Anlamlı ssRNA Virüsleri

• Pozitif anlamlı virüsler (Picornaviridae, Caliciviridae, Astroviridae, Togaviridae, Flaviviridae) virüslerin genomik RNA'ları direkt olarak mRNA gibi görev yapar.
• RNA bağımlı RNA polimeraz viral genomun replikasyonunu yönetir.
• Pozitif anlamlı RNA transkriptinden negatif anlamlı RNA transkriptlenir.
• Oluşan transkript kalıp görevi görerek virionlara girecek pozitif anlamlı viral RNA'lar sentezlenir.

mRNA Sentezi - Transkripsiyon Sonrası

• Çoğalma sürecinde viral protein sentezi için mRNA fonksiyonu gerekir.
• Viral DNA veya RNA'lardan oluşturulan transkriptlerin mRNA'ya dönüştürülmesi için moleküler işlemler gerekir:
  • 5' capping: RNA transkriptinin 5' ucuna 7-metil guanosinden oluşan bir bölge (5' başlığı) eklenir. Bu, mRNA'nın ribozomun 40S alt ünitesine bağlanmasına olanak sağlar ve mRNA'yı ekzonükleazlardan korur.
  • Poliadenilasyon: RNA transkriptinin 3' ucuna 50-200 adenilat kalıntısından oluşan poli A kuyruğu eklenir. Bu kuyruğu mRNA'nın stabilizasyonunu sağlar ve sitoplazmaya taşınmasına yardımcı olur.
  • Metilasyon: Poli-A kuyruğu eklenen transkript'in yaklaşık %1'ine bir metil grubu eklenir.
  • Birleşme: Transkriptteki intronların uzaklaştırılması ve eksonların birleştirilmesi işlemini içerir ve endonükleazlar görev alır.

Viral Protein Sentezi - Translasyon

• Konak hücre sitoplazmasında oluşturulan veya çekirdekte oluşturularak mRNA konak hücre ribozomuna bağlanarak translasyon sürecini başlatır.
• Tek bir proteini kodlayan mRNA'larda (monosistronik) tek bir başlangıç ve bitiş noktası vardır.
• Genom boyunda sentezlenen ve birden çok protein kodlayan mRNA'larda (polisistronik) birden fazla protein oluşur.

Virüs Çoğalmasının Durdurulması (Antiviral Terapi)

• Bakterilere etkiyen birçok antibiyotiğe rağmen virüs gelişimine etki eden antiviral ajanların sayısı azdır.
• Bunun nedeni virüslerin karmaşık çoğalma stratejileri ve hücre içinde çoğalmalarıdır.
• İyi bir antiviral ajan spesifik olmalı, hücreye kolaylıkla girebilmeli, serum konsantrasyonu uzun süre korunabilmeli, terapötik indeksi yüksek olmalı ve yan etkileri az olmalıdır.
• Virüs replikasyonunu engellemek için 3 dönem hedeflenir: adsorbsiyon ve penetrasyon, eklips ve hücreden çıkış.
  • Adsorbsiyonu engelleyen maddeler: Sülfatlı polisakaritler (agar ekstraktı, mukopolisakkaritler), yüzey aktif maddeler ve antikorlar.
  • Eklips döneminde etkin olan antiviral maddeler: Nükleosit analogları etkilenmiş hücrelerde DNA zincir uzamasını durdurur (Asiklovir, Ribavirin), düşük pH'da parçalanmasını engelleyen Amantadin ve transkripsiyonu engelleyen (gör Retrovirüslerde kullanılır ve Azidovudin, Zidovudin, Statin ve Interflon kullanılır).
  • Hücreden çıkışı engelleyen maddeler:Matrix proteinini etkileyen M2 proteindir ve osentamivir'dir.

İnterferon ve İnterferenz

• İnterferonlar, çeşitli uyaranlar varlığında hücre tarafından sentezlenen ve salgılanan, diğer hücreleri aktif virüs enfeksiyonundan koruyan proteinlerdir.
• İnterferens, bir hücrenin aynı veya farklı türde bir virüsle tekrar enfekte olmasının engellenmesidir.
  • İlk enfeksiyona neden olan virüse 'interfere eden virüs', ikinci virüse 'challenge virüs' denir.
• İnterferonlar; virüsler, bakteriler (özellikle gram-negatif), riketsiya, mikoplazma, protozoa ve dsRNA tarafından tetiklenebilir.
• Üç sınıfa ayrılırlar: IFN alfa (lökositler), IFN beta (fibroblastlar), IFN gamma (lenfosit ve NK hücreleri).
• Alfa ve beta interferonlar antiviral etkinliğe sahipken gama interferon immün sistemin düzenlenmesinde görev alır.
• İnterferon, viral mRNA'lardan protein sentezini engeller, RNA sentezini durdurur.

Sonuç olarak interferon etkinliğindeki temel basamaklar

• Viral RNA sentezinin durdurulması
• Viral RNA'ların yıkımlanması
• Viral mRNA'lardan protein sentezinin engellenmesi
• İnterferon günümüzde bazı kanser türleri ve ağır hepatit olgularının (hepatit B ve C) tedavisi amacıyla insan hekimliğinde kullanılmaktadır.