Pleomorfizm

27. Temmuz 2015 · arztchen

Pleomorfizm (çok biçimlilik), mikroorganizmalarda aynı türün ya da aynı soy/hat (lineage) içindeki bireylerin çevresel koşullar, yaşam döngüsü evreleri veya hücresel stres yanıtları nedeniyle düzensiz ve değişken morfolojik görünümler sergilemesidir. Bu değişkenlik; hücre şekli (kok, basil, filamentöz formlar), boyut, hücre duvarı/zar özellikleri, koloni morfolojisi, boyanma karakteri ve kimi zaman metabolik durum gibi fenotipik düzeylerde ortaya çıkabilir. Daha üstün yapılı canlılarda “fenotipik varyasyon” veya “polimorfizm” başlıkları altında ele alınan çeşitliliğe benzer bir ilke taşır; ancak mikroorganizmalarda pleomorfizm çoğu kez çok daha hızlı, daha belirgin ve çevreye çok daha duyarlı biçimde gelişir.

Pleomorfizm sözcüğü Yunanca kökenlidir:

pleōn / pleio- (πλείων / πλειο-) “daha çok, daha fazla”
morphḗ (μορφή) “biçim, şekil”
Bu iki kökün birleşimiyle “çok biçimli olma” anlamını taşır.

Tıp ve biyolojide “-izm” eki, bir olguyu/özelliği sistematik olarak adlandırır. Dolayısıyla pleomorfizm, bir organizmanın sabit tek bir morfolojiye “kilitlenmek” yerine, koşullara bağlı biçim repertuvarı sergileyebilme kapasitesini vurgular. Burada kritik nokta şudur: Pleomorfizm, genellikle genetik olarak farklı alt türlerin karışımı anlamına gelmez; aynı genetik arka plan üzerinde fenotipik esneklik ve/veya diferansiyasyon anlamına gelir. Bu nedenle pleomorfizmi değerlendirirken “heterojen popülasyon mu, yoksa tek popülasyonda fenotipik varyasyon mu?” ayrımı temel bir tanısal ve kavramsal adımdır.

Mikroorganizma dünyasında morfoloji “sadece şekil” değildir; çoğu zaman:

Besin edinimi (yüzey alanı/hacim oranı),
Hareket ve yayılım,
Bağlanma ve kolonizasyon,
Bağışıklıktan kaçış,
Antibiyotiklere ve fiziksel streslere tolerans,
Topluluk yaşamı (biofilm)

gibi yaşamsal işlevlerle doğrudan ilişkilidir. Bu yüzden pleomorfizm, basit bir “anormallik” olarak değil, çoğu kez uyarlanabilir bir strateji olarak görülür.

Özellikle mikrobiyal ekolojide değişken koşullar (pH, osmolarite, sıcaklık, oksijen, besin kıtlığı, demir sınırlaması, konak savunması, antibiyotik baskısı) altında, popülasyonun aynı anda farklı morfolojik formlar üretmesi bir tür “bahis yayma” (bet-hedging) etkisi yaratabilir: Her koşulda tek bir forma yatırım yapmak yerine, farklı formlar aracılığıyla hayatta kalma olasılığı artırılır.

Pleomorfizm pratikte üç ana eksende okunabilir:

Bazı organizmaların yaşam döngülerinde doğal olarak farklı formlar görülür. Bu durum “düzensiz” izlenimi verse de aslında programlı diferansiyasyon söz konusudur. Örneğin bazı bakterilerde filamentleşme stres altında planlı bir yanıt olabilir; bazı mayalarda tomurcuklanma–psödohif–hif geçişleri yaşam döngüsü ve çevreyle ilişkilidir.

Antibiyotikler, besin kıtlığı, oksidatif stres, konak savunması gibi baskılar altında morfolojik değişim belirginleşir. Bu, çoğu zaman hücre duvarı biyosentezindeki aksamalar, bölünme septumu kontrolündeki bozulmalar, DNA hasar yanıtları, zar bileşimi değişiklikleri veya metabolik yavaşlama ile birlikte seyreder.

Tek bir kültür içinde farklı fenotipik alt popülasyonlar oluşabilir. Bu, gen düzenleyici ağların “aç/kapa” benzeri davranışı, epigenetik düzeyde durum değişimleri, faz varyasyonu veya biofilm içi mikro-nişler nedeniyle olabilir. Mikroskopide “aynı tür içinde farklı şekiller” olarak görülür.

Bakterilerde pleomorfizm özellikle hücre duvarı, sitokeleton benzeri proteinler ve bölünme aparatının (septum oluşumu) düzenlenmesi üzerinden anlaşılır.

Klasik bakteriyel hücre şekli, peptidoglikan mimarisiyle yakından ilişkilidir. Hücre duvarı sentezinde yer alan enzimlerin (transpeptidazlar vb.) baskılanması veya bozulması:

hücrenin şişmesi,
sferikleşmesi,
filamentleşmesi,
düzensiz “dev hücre” veya “hayalet hücre” görünümleri

gibi pleomorfik tablolar oluşturabilir. Özellikle beta-laktam antibiyotikler veya glikopeptidler gibi hücre duvarını hedefleyen ajanlar, duyarlı türlerde belirgin şekil değişiklikleri yaratır. Bu tür değişimler bazen ölümcül, bazen de geçici tolerans sağlayan adaptif bir durum olabilir.

Bakteriyel bölünme, hücrenin ortasında septum oluşumu ile gerçekleşir. DNA hasarı veya replikasyon stresi gibi durumlarda bölünme baskılanabilir; hücre uzamaya devam eder ama bölünemez: filamentleşme ortaya çıkar. Filamentler, konak bağışıklık hücrelerinden kaçma veya zarar görmeden baskı altında kalma açısından avantaj sağlayabilir.

Bakteri hücresinde aktin/tübülin benzeri proteinler (ör. MreB, FtsZ) şeklin korunması ve bölünme için kritiktir. Bu proteinlerin ekspresyonu/işlevi değiştiğinde, kok-basil arası geçişler, düzensiz uzamalar ve “pleomorfik” spektrumlar görülebilir.

Corynebacterium türlerinde (difteroidler dahil) “pleomorfik, çomak şeklinde, bazen şişkin uçlu” görünümler klasik mikroskobik betimlemelerdendir.
Helicobacter pylori gibi bazı türlerde çevresel stresle spiral formdan kokkoid forma geçiş gibi morfolojik dönüşümler gözlenebilir (bu dönüşüm canlılık ve kültürlenebilirlik tartışmalarıyla birlikte anılır).
Listeria, bazı koşullarda filamentleşme gösterebilir.

Bu örneklerde pleomorfizm, mikrobun “kimliğini” ortadan kaldırmaz; ancak laboratuvar tanısında yanılgıya yol açabilir.

Maya ve mantarlarda morfolojik esneklik çok güçlüdür. Burada “pleomorfizm” çoğu kez daha özel bir kavramla, dimorfizm (iki biçimlilik) veya polimorfizm ile iç içe geçer.

Özellikle Candida gibi türlerde:

maya formu (tek hücreli, tomurcuklanan),
psödohif (uzamış, zincirleşmiş hücreler; septumlar belirgin),
gerçek hif (uzun filament, farklı hücresel organizasyon)

arasında geçiş olabilir. Bu geçişler:

doku invazyonu,
yüzeye tutunma,
biofilm oluşumu,
immün kaçış

gibi patojeniteyle ilişkili süreçleri etkileyebilir.

Maya kolonilerinde “pürüzlü/düz”, “opak/şeffaf” gibi fenotipik varyasyonlar görülebilir. Bu durum, yüzey proteinleri, hücre duvarı bileşimi ve gen düzenleme durumlarıyla ilişkilendirilebilir ve klinikte antifungal duyarlılık veya virülans özellikleriyle bağ kurabilir.

Riketsiyalar ve benzeri obligat hücre içi bakterilerde pleomorfizm değerlendirmesi iki zorluk taşır:

Organizmanın çoğalması ve görünümü konak hücre ortamına sıkı bağımlıdır.
Preparat ve boyama teknikleri, hücre içi yerleşim ve boyanma heterojenliği nedeniyle “düzensiz” algılanabilir.

Hücre içi yaşam, mikrobun “sabit bir dış ortam morfolojisi” yerine, farklı konak hücre tipleri ve farklı hücresel bölmelerde değişen şekiller almasına neden olabilir. Ayrıca konak bağışıklığının oluşturduğu baskılar, bazı formların daha avantajlı olmasına yol açabilir.

Pleomorfizmin en “klasik” alanlarından biri mikoplazmalardır. Bunun temel nedeni, bu grubun peptidoglikan hücre duvarının olmamasıdır.

Hücre duvarı, bakteriye “sert bir kalıp” gibi şekil kazandırır.
Duvar olmadığında şekli belirleyen ana unsur plazma zarının fiziksel özellikleri ve sitoplazmik yoğunluktur.
Mikoplazmalar, zarlarına sterol gibi bileşenler alarak belirli bir stabilite sağlasa da, çevresel koşullara bağlı olarak biçim varyasyonu çok geniştir.

Mikoplazmalar mikroskopide:

küçük yuvarlak formlar,
filamentöz uzamalar,
düzensiz şekiller

şeklinde çok farklı görünümler sergileyebilir. Bu durum, klasik Gram boyamanın sınırlı olması ve kültür koşullarının seçiciliğiyle birleşince tanısal güçlük yaratabilir.

Pleomorfizm, tanıda iki düzlemde önemlidir: mikroskobik yorum ve kültür/koloni değerlendirmesi.

Pleomorfik bir bakteri, “başka bir tür” gibi görünebilir. Örneğin:

kısa basil–kok benzeri formlar,
filamentleşmiş uzamalar,
hücre duvarı hasarına bağlı düzensiz boyanma

gibi görünümler, deneyimsiz gözde farklı etkenleri düşündürebilir. Bu nedenle mikroskobik bulgu, tek başına “son söz” değildir; kültür, biyokimyasal testler, antijen/nükleik asit temelli yöntemler ile desteklenmelidir.

Örnek hastadan antibiyotik kullanımı varsa, etken canlı olsa bile “stres morfolojisi” gösterebilir. Bu durum:

kültürde üremenin gecikmesi,
atipik koloni görünümü,
mikroskobide “dağınık ve düzensiz” hücreler

ile karşımıza çıkabilir.

Kuruma, ısı ile tespit, aşırı dekolorizasyon, yaşlı kültür kullanımı gibi teknik faktörler “yalancı pleomorfizm” izlenimi yaratabilir. Dolayısıyla pleomorfizm kararında pre-analitik ve analitik kalite belirleyicidir.

Pleomorfizmi evrimsel açıdan ele almak, onu patolojik bir sapma olmaktan çıkarıp uyum kapasitesi bağlamına taşır.

Mikroorganizmalar, kısa jenerasyon süreleri nedeniyle genetik adaptasyonla hızlı evrimleşebilir; ancak çevresel değişimler bazen genetik adaptasyondan da hızlıdır (ani antibiyotik baskısı, konak değişimi, besin kıtlığı). Bu durumda fenotipik esneklik, yani pleomorfizm:

“anında yanıt” sağlayarak hayatta kalmayı artırabilir.

Konak bağışıklığı, patojeni tanımaya ve temizlemeye çalışır; patojen ise kaçış mekanizmaları geliştirir. Morfoloji değişimi:

fagositozdan kaçma,
yüzey antijenlerinin sunumunu değiştirme,
biofilm ve topluluk yaşamına geçiş

gibi kaçış biçimleriyle bağlantılı olabilir.

Bazı bakteriler “persistör” adı verilen, metabolizması yavaşlamış ve antibiyotiklere geçici tolerans gösteren alt popülasyonlar oluşturabilir. Pleomorfik morfolojiler, kimi zaman bu fizyolojik durumun görünür yüzü olabilir: aynı popülasyon içinde farklı şekiller, farklı büyüme hızları ve farklı stres dayanıklılıkları.

Pleomorfizm, klinik pratikte tek başına “hastalık şiddeti” göstergesi değildir; fakat şu durumlarda anlam kazanır:

Antibiyotik altında alınan örneklerde: stres-indüklü morfolojiler tanıyı zorlaştırabilir.
İmmünsüpresif konaklarda: biofilm ve invazyonla ilişkili morfolojik geçişler daha belirgin olabilir.
Kronik enfeksiyonlarda: uzun süreli seleksiyon ve nişleşme, fenotipik heterojenliği artırabilir.

Diğer yandan, pleomorfizmi yanlış yorumlamak gereksiz geniş spektrum antibiyotik kullanımına veya yanlış etken varsayımına yol açabilir. Bu nedenle “görünüm” bulgusunu, kültür ve moleküler doğrulama ile birleştirmek en güvenli yaklaşımdır.

Keşif

İleri Okuma

Neisser (1879) Ueber die pathogene Bedeutung der sogenannten Diphtherie-Bacillen. Breslauer Ärztliche Zeitschrift.
Lwoff (1956) Bacterial evolution. Bacteriological Reviews, 20, 1–23.
Jacob, Monod (1961) Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. Journal of Molecular Biology, 3, 318–356.
Weibull (1962) Protoplasts and spheroplasts of bacteria. Bacteriological Reviews, 26, 1–45.
Maniloff (1969) The Mycoplasmas: biology of a unique group of prokaryotes. Annual Review of Microbiology, 23, 213–242.
Stanier, Adelberg, Ingraham (1976) The Microbial World. Prentice-Hall, ISBN.
Shapiro (1984) Bacterial population genetics and evolutionary ecology. Annual Review of Microbiology, 38, 31–56.
Errington (2013) L-form bacteria, cell walls and the origins of life. Open Biology, 3, 120143, DOI.
Casadevall, Pirofski (2015) What is a host? Incorporating the microbiota into the damage-response framework. Infection and Immunity, 83, 2–7, DOI.

İlgili Yazılar

Tetanoz

DAHA YAKIN OLMAK İÇİN: ELEKTRON MİKROSKOPLARI

Giardia intestinalis

İmpetigo contagiosa