/

Wirusy – wrogowie czy sprzymierzeńcy?

avatar
Emilia Korczmar 30 Sie, 4 minuty

Wirusy kojarzą nam się wyłącznie negatywnie. Nic w tym dziwnego, skoro na świecie żyje 38 milionów nosicieli wirusa HIV. Onkogenny wirus HPV również zbiera swoje żniwo. Z kolei w okresie jesienno-zimowym daje nam się we znaki wirus grypy. Wydawać by się mogło, że wirusy to bezwzględni wrogowie człowieka i innych organizmów żywych – czy aby na pewno?

Masz w sobie wirusa

Te chorobotwórcze struktury wyewoluowały około pół miliarda lat temu, co ustalono za pomocą badań nad wirusowymi „skamieniałościami”. Nie są to bynajmniej skamieliny w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Kiedy wirus zainfekuje komórkę rozrodczą i wbuduje swój materiał genetyczny w genom gospodarza (transfer horyzontalny genów), wówczas informacja ta będzie przekazywana przez kolejne pokolenia komórek (transport wertykalny genów). Wbudowane w ten sposób sekwencje to endogenne elementy wirusowe (endogenous viral elements, EVEs). Są one swego rodzaju śladami walk naszych przodków
z wirusami, a niekiedy mogą stanowić zdobyczne trofeum, gdy cecha wirusa zostanie korzystnie zaadaptowana przez organizm gospodarza. EVEs stanowią 8% ludzkiego genomu, czyli ok. 240 milionów par zasad. [1] W wyniku mutacji większość EVEs ma charakter obojętny, jednak bez wątpienia można powiedzieć, że wirusy są naszą częścią. Dramatyczne infekcje wirusowe kształtowały ewolucję zwierząt przez setki milionów lat, a nauka badająca udział antycznych wirusów w rozwoju współczesnych genomów to paleowirusologia. [3]

Od retrowirusa do ssaka

Jedną z unikalnych cech większości ssaków jest obecność łożyska. To ono pośredniczy w transporcie substancji niezbędnych dla rozwijającego się płodu, jak również w odprowadzaniu zbędnych i szkodliwych metabolitów. Mechanizm tworzenia tej struktury poznano dopiero wraz z odkryciem syncytyn – retrowirusowych protein otoczki. Ich głównym zadaniem jest oszukanie układu immunologicznego gospodarza, dzięki czemu wirus może zarazić komórkę. Syncytyny powodują również „zlewanie się” pojedynczych komórek gospodarza w strukturę zwaną syncytium (patrz przypis 1). Różne linie zwierząt przyswoiły retrowirusowe geny kodujące syncytyny i wykorzystały ich właściwości w procesie tworzenia łożyska. Kolejne badania wykazały, że retrowirusowe proteiny otoczki biorą udział również w fuzji mioblastycznej (2) oraz w tworzeniu mięśni u myszy. Pełna lista funkcji syncytyn wciąż nie jest poznana. Wiemy już jednak, że bez tych wirusowych białek nie powstałyby znane nam dziś ssaki, w tym również człowiek. [1]

Syncytyny to jeden z wielu przykładów retrotranspozonów, czyli retrowirusowych sekwencji zdolnych do przemieszczania się w obrębie genomu. Sekwencje te przez długi czas nosiły miano „śmieciowego DNA”. Dziś wiemy, że są one zarówno darem, jak i przekleństwem dla organizmów eukariotycznych, w zależności od tego w jakie miejsce w genomie się „wkleją”. [10] Retrotranspozony mogą posiadać na swoich końcach długie elementy powtórzeniowe (long terminal repeats, LTR), bądź ich nie posiadać (non-LTR), co zdarza się częściej. Elementy te powstają na skutek reakcji odwrotnej transkrypcji, czyli przepisania informacji wirusa z RNA na DNA. Brak LTR determinuje odmienny mechanizm przemieszczania się retrotranspozonu w obrębie genomu. Wśród retrotranspozonów non-LTR wyróżniamy takie, które posiadają długie, przeplatane elementy jądrowe (long interspersed nuclear elements – LINEs) oraz takie, które posiadają krótkie wersje tych elementów (short interspersed nuclear elements – SINEs). Długie sekwencje (LINEs) gromadzą się pomiędzy genami, podczas gdy krótkie (SINEs) występują najczęściej w regionach bogatych w geny, co odzwierciedla negatywną selekcję przeciwko wstawianiu długich sekwencji w pobliżu genów, aby nie zakłócać ich ekspresji. Oba typy stanowią około jednej trzeciej ludzkiego genomu, a ich rozprzestrzenienie odegrało istotną rolę w kształtowaniu struktury i funkcji genomów ssaków. Najbardziej aktywna u człowieka grupa autonomicznych retrotranspozonów LINE-1 oraz nieautonomicznych SINEs w dalszym ciągu generują zarówno wewnątrz- jak i międzyosobnicze różnice genetyczne w populacji ludzkiej. [9] Badania nad retrotranspozonami dowodzą, że te „skaczące” w genomie elementy mają wpływ na ekspresję genów, prowadząc do powstawania zaburzeń psychicznych, takich jak schizofrenia, zaburzenia afektywne dwubiegunowe czy zespół stresu pourazowego. Zależność tę odkryto również w przypadku demencji oraz Alzheimera. [8] Z kolei retrotranspozony LINE-1 pełnią rolę w procesie powstawania guzów, prowadząc do nowotworów płuc, wątroby, jajnika i prostaty. Uważa się, że te negatywne funkcje retrotranspozonów są skutkiem ubocznym w kształtowaniu ludzkiego genomu. Inaczej mówiąc, jest to cena za dar ewolucji człowieka.

Wirus myślowy

Skomplikowana sieć neuronów przypomina biologiczny komputer. Energia generowana przez mózg w stanie aktywnym jest w stanie rozświetlić żarówkę. Tkanka nerwowa nie przestaje nas fascynować, ponieważ tak bardzo różni się od pozostałych tkanek. Czy wirusy mogły mieć w tym swój udział? Otóż badania nad schorzeniami neurologicznymi, takimi jak choroba Alzheimera, doprowadziły do przełomowych odkryć, do których należy między innymi gen Arc. Białko kodowane przez ten gen przyjmuje formę przypominającą wirusowy kapsyd (3), w której zawarta jest informacja genetyczna (mRNA) przekazywana pomiędzy neuronami. Transport ten zachodzi w bardzo podobny sposób do zarażenia komórki wirusem, co sugeruje pochodzenie genu Arc. Obecne badania mają pomóc w lepszym zrozumieniu choroby Alzheimera, ponieważ jest możliwe, że to właśnie w kapsydach białkowych Arc rozprzestrzeniane są toksyczne dla mózgu białka. Co więcej, struktury te mogą znaleźć zastosowanie w inżynierii genetycznej oraz terapii genowej. Obecnie w tym celu stosuje się wirusy, które nie zawsze są skuteczne, gdyż niszczy je układ immunologiczny. Kapsydy Arc naturalnie występują u gospodarza, dzięki czemu terapie
z ich użyciem mogą być dużo bardziej wydajne. [4]

Rola wirusów w ewolucji i funkcjonowaniu układu nerwowego jest znacznie większa, niż mogłoby się wydawać. Zespół Johana Jakobssona z Lund University w Szwecji zbadał regulację ekspresji genów przez sekwencje pochodzące od retrowirusów (wspomniane wcześniej retrotranspozony). Ich aktywność przejawia się najintensywniej w układzie nerwowym, co sugeruje, dlaczego tkanka nerwowa jest tak wyjątkowa na tle innych tkanek. [2] Znaczny udział w powstawaniu zaburzeń neurologicznych, zwłaszcza psychicznych, mają również bornawirusy. Są to wirusy RNA zarażające wyłącznie komórki nerwowe. Badania nad bornawirusami mogą pomóc lepiej zrozumieć relację wirus-gospodarz oraz powstawanie guzów mózgu, a także umożliwić zaprojektowanie nowych terapii przeciwko schizofrenii. [5]

Nie sposób analizować historii ewolucji zwierząt bez uwzględnienia w niej wirusów. Dziś, między innymi dzięki metodom sekwencjonowania, paleowirusologia stwarza nie tylko nowe możliwości leczenia chorób genetycznych, lecz również odpowiada na nurtujące od wieków pytania.

 

Przypisy:

1. Syncytium – rodzaj komórczaka powstałego w wyniku fuzji komórek z równoczesnym zanikiem otaczających je błon komórkowych. [Encyklopedia PWN]

2. Fuzja mioblastyczna – fuzja młodych komórek mięśniowych; proces kluczowy
w powstawaniu i regeneracji tkanki mięśniowej. [7]

3. Kapsyd – białkowa osłonka kwasu nukleinowego (genomu) wirusa. [Encyklopedia PWN]

 

Źródła:

1. „Paleovirology – ghosts and gifts of viruses past” Patel M.R., Emerman M., Malik H.S., 2011. Current opinion in virology, 1(4), p.304-309

2. „Bornavirus and the Brain” Juan Carlos de la Torre, The Journal of Infectious Diseases, Volume 186, Issue Supplement_2, December 2002, Pages S241–S247

3. „Filowirusy – wirusy obecne od milionów lat – Dlaczego teraz wybuchła tak wielka epidemia?” Pancer K., Gut W., Litwińska B., Postępy mikrobiologii, 2016, 55, 2, 205-214

4. https://www.nih.gov/news-events/news-releases/memory-gene-goes-viral

5. https://www.lunduniversity.lu.se/article/do-viruses-make-us-smarter

6. https://aids.gov.pl/hiv_aids/450-2-2/

7. „Mechanisms of myoblast fusion during muscle development.” Ji Hoon Kim, Peng Jin, Rui Duan, Elizabeth H. Chen, Current Opinion in Genetics & Development, Volume 32, June 2015, Pages 162-170

8. „Transposable elements” Guffanti G , Bartlett A, DeCrescenzo P , Macciardi F, Hunter R, „Current Topics in Behavioral Neurosciences” 2019, 42:221-246

9. „The influence of LINE-1 and SINE retrotransposons on mammalian genomes” Richardson SR, Doucet AJ, Kopera HC, Moldovan JB, Garcia-Perez JL, Moran JV, „Microbiology spectrum” 3(2) 2015

10. „Retrotransposons as regulators of gene expression” Reyad A. Elbarbary, Bronwyn A. Lucas, and Lynne E. Maquat Science. 2016 Feb 12; 351(6274)

 

Grafika:

1) https://pixabay.com/pl/illustrations/wirus-patogen-zaka%C5%BCenia-biologia-4937553/

Podziel się: