Znanstveno odkritje, da se virusi pogosto in nepričakovano selijo iz vrst v vrste, spreminja naše razumevanje njihove evolucijske zgodovine in bi lahko imelo zaskrbljujoče posledice v obliki novih bolezni.
Ko nastajajo nove vrste, od kod prihajajo njihovi virusi? Virusi, ki so le nekaj več kot čreda genskega materiala brez paše, obupno potrebujejo celične strukture in vire svojih gostiteljev, da se lahko znova in znova razmnožujejo. Virus brez gostitelja ni nič.
Zaradi te odvisnosti nekateri virusi ostanejo zvesti svojim gostiteljem skozi celotno evolucijo, pri čemer se mutirajo in rahlo spremenijo vsakič, ko se gostitelj spremeni v novo vrsto. Ta postopek se imenuje soodstopanje. Ljudje in šimpanzi imajo na primer nekoliko drugačne viruse hepatitisa B, oba sta najverjetneje mutirala iz različice, ki je okužila običajnega prednika ljudi in opice pred več kot štirimi milijoni let.
Druga možnost, imenovana prehod med vrstami, se pojavi, ko virus migrira na povsem novo vrsto gostitelja, ki nima nobene zveze s prejšnjim. Ta vrsta virusne evolucije je povezana z novimi resnimi boleznimi, kot so ptičja gripa, HIV, ebola in SARS. In ker so takšne bolezni izjemno nevarne, imamo srečo, da je prehod med vrstami precej redek pojav.
Vendar pa so pred kratkim, ko so znanstveniki v Avstraliji izvedli prvo študijo dolgoročne evolucije tisoč različnih virusov, prišli do presenetljivega zaključka, da je prehod med vrstami veliko pomembnejši in se pojavlja veliko pogosteje, kot smo si predstavljali. Sprememba vrst je gonilna sila večine evolucijskih novotvorb pri virusih. Medtem je soodstopanje manj razširjeno, kot smo pričakovali, in v glavnem povzroča postopne spremembe.
"Zelo prepričljivo so pokazali, da je soodločanje prej izjema kot pravilo," je dejal evolucijski biolog Pleuni Pennings, docent na univerzi v San Franciscu in ni vključen v avstralsko študijo.
Te ugotovitve nikakor ne pomenijo, da so nove bolezni, ki izvirajo iz prehoda med vrste, resnejša in neposredna grožnja, kot je domnevala medicina. Vendar pa kažejo, da je lahko evolucijska dinamika virusov presenetljivo zapletena. Če znanstveniki podcenjujejo pogostost prehoda virusov na nove gostitelje, postane v tem primeru zelo pomembna prednostna naloga, da preučijo, kateri virusi so za to najbolj dovzetni.
Obstaja veliko razlogov, da skoki medvrstnic verjetno ne bodo pomembno vplivali na evolucijo virusov. Ovire, ki preprečujejo, da bi virus uspešno prešel na gostitelja druge vrste, so zelo resne in groze. Če virus ne more manipulirati z gostiteljskim genetskim materialom in se razmnoževati, potem je to slepa ulica, konec veje. Virus bo morda potreboval veliko poskusov, da bi okužil novega gostitelja, ki ga dela že desetletja ali celo več, v tem času pa kopiči ustrezne mutacije. To počne, dokler se ne uveljavlja in se ne začne množiti in širiti.
Promocijski video:
Lani spomladi je na primer skupina biologov in biomedicinskih raziskovalcev pod vodstvom Susan VandeWoude, profesorice primerjalne medicine na univerzi v Koloradu, dala primer, čemur bi lahko rekli, da je nepopoln prehod med vrstami. Vandewood raziskuje lentiviruse. To je vrsta retrovirusa, ki mu pripada HIV. Njeni nosilci so kage in rdeči severnoameriški risi. Profesor je skupaj s svojo raziskovalno ekipo ves čas našel določen lentivirus rdečega risa v kali v Kaliforniji in na Floridi. Toda vsakič, ko so genetski podatki kazali, da se je ta virus pojavil kot posledica stika puma z okuženim risom, recimo, ko je puma pojedla ris, in ne iz druge okužene pljuče, ki jo je širila. Tudi koncentracija virusa v kašah je bila nizka, kar kaže na toda je virus težko razmnoževati.
Skratka, virus je vstopil v novega mačjega gostitelja, toda organizem gostitelja ni bil ravno primeren za zajedavca in na njem se ni mogel pravilno usesti. "V mnogih prehodih ni bilo dokazov, da se je nov virus množil v kašah," ugotavlja Vandewood. (V nasprotju s tem je skupina Vandewooda ugotovila, da se določena oblika virusa risa seli na floridske pantere, ki prenašajo različico, ki so se ji prilagodili.) Ker se prehodi lentivirusa iz ene mačje vrste v drugo pojavljajo tako pogosto, lahko sčasoma precej mutirajo, nato pa pljuva bo zanj postal primeren habitat. A doslej se to ni zgodilo, čeprav je bilo takšnih priložnosti veliko.
Še več, ko virusi uspešno skočijo iz ene vrste v drugo, lahko postanejo žrtev lastnega uspeha. To velja predvsem za majhne izolirane populacije (to je, koliko novih vrst se je rodilo). Nevarni virusi lahko zelo hitro uničijo razpoložljive gostitelje, po katerih sami izginejo.
Zaradi tega lahko virologi z veliko mero zaupanja trdijo, da je pogosto razhajanje virusov in njihovih gostiteljev pogosto, če se pogosto pojavljajo preskakovanje medvrstnic v širokem časovnem okviru. Vendar je malo eksperimentalnih dokazov v podporo tej domnevi. »Idealna sorazmernost je eden tistih pojavov, o katerih se lahko naučite. Toda če poskusite najti dobre primere tovrstne soodločanja, se izkaže, da so zelo, zelo redki, «pravi Penningsova.
Profesor biologije z univerze v Sydneyju Edward Holmes in njegovi avstralski kolegi so se odločili rešiti to skrivnost. S pomočjo podatkov o virusnem genomu so rekonstruirali evolucijsko zgodovino 19 glavnih družin virusov, od katerih vsaka vsebuje od 23 do 142 virusov, ki naseljujejo različne gostitelje, od sesalcev do rib in rastlin. Ustvarili so filogenetske (evolucijske) sheme za družine virusov in za njihove gostiteljske vrste ter jih nato primerjali. Znanstveniki so utemeljevali tako: če se virus v osnovi sočasno preusmeri s svojim gostiteljem, se z njim razvija, potem bi morala biti v tem primeru filogenetska shema virusa podobna shemi njegovega gostitelja, saj so morali predniki virusa okužiti prednike gostitelja. Če pa virus skoči z gostitelja na gostitelja,evolucijski vzorci gostiteljev in virusov bodo videti drugače. Kako drugačen je? Odvisno je od števila prehodov med vrstami.
V svojem delu, objavljenem v reviji PLOS Pathogens, so poročali, da so bili v vseh 19 družinah virusov medvrstne prehode zelo razširjene. Holmes je dejal, da ga ni presenetilo, da je bila vsaka virusna družina, ki so jo preučevali, videti, kot da bi naredila preskoke med vrstami. Bil pa je presenečen nad tem, kako pogosto so v svoji zgodovini delali take skoke. "Vsi to počnejo," je rekel Holmes. "In to je nekaj nenavadnega."
Na vprašanje, zakaj se znanstveniki prej niso zavedali, kako pomembni so medoznačni prehodi za evolucijo virusa, je Holmes pojasnil, da so avtorji filogenetskih študij v preteklosti težavo obravnavali preozko, saj so preučevali precej majhno število gostiteljskih vrst in virusov in to počeli v majhnem časovnem okviru. … Čez 10 ali 20 let morda ne boste imeli preskoka medvrstnic. "In čez milijon let se je to zagotovo zgodilo," je dejal Holmes.
Njegov inovativni pristop "omogoča vpogled v dolgoročne odnose med gostitelji in virusi," je iz študije dejal John Denn, izredni profesor za biologijo na Queens College.
Holmes in njegovi kolegi so opazili, kako in zakaj pride do prehodov med vrstami, pomagali pri opazovanju RNA virusov (ki RNA uporabljajo kot genetski material). Ugotovili so, da takšni virusi križajo vrste veliko pogosteje kot virusi DNK (ki uporabljajo DNK). "To je verjetno posledica dejstva, da imajo višjo stopnjo mutacije," je dejal Vandewood. S kombinacijo manjšega genoma in višje mutacije ima virus RNA boljše možnosti, da se prilagodi okolju novega gostitelja.
Poleg tega Holmes razlaga ta trend z različnimi življenjskimi cikli RNA in DNA virusov. Okužbe s sodelovanjem virusov RNA so pogosto težke, vendar so kratkotrajne, torej bolezen pride in mine precej hitro, kot je to pri gripi ali navadnem prehladu. Ta prehodnost vodi do dejstva, da virus morda zamudi priložnost, da postane del nastajajočih gostiteljskih vrst. "Pri nevarnem virusu škodljivi učinek traja več dni ali tednov," pravi Holmes. "In v povprečju je soodstopanje v takih primerih redko. Samo, da virus precej hitro izgine."
Toda okužbe z virusom DNK so pogosto kronične. Ko del populacije gostiteljev odstopa od svoje značilne oblike, da ustvari novo vrsto, je večja verjetnost, da bo virus odnesel s seboj, saj je okuženih veliko več gostiteljev. Tako se verjetnost sorazmerja med virusom in njegovim novim gostiteljem povečuje.
Gostiteljev življenjski slog igra tudi pomembno vlogo pri prehodu virusov in pri soodvisnosti teh preskokov medvrstnic. "Vemo, da sta velikost in gostota populacije gostiteljev zelo pomembni in ta dejavnik določa, koliko virusov se prenaša," pravi Holmes. Kot primer navaja netopirje. Netopirji ponavadi prenašajo veliko število različnih virusov, vendar je to deloma posledica dejstva, da obstaja veliko število netopirjev. Tako velike populacije lažje okužijo virus. "Obstaja zelo preprosto ekološko pravilo: več gostiteljev in nevarnejših virusov se lahko prenesejo," ugotavlja Holmes. "Preprosto ima virus več možnosti, da najde ranljivega gostitelja."
Leta 1975 je Francis L. Black z univerze Yale napisal raziskovalno nalogo, ki je dala poglobljeno razumevanje, kako dinamika populacije gostiteljev vpliva na človeško bolezen. Znanstveniki so ugotovili, da se kronične virusne okužbe pri teh ljudeh pojavljajo precej pogosto, vendar so akutne okužbe večinoma odsotne. Izolacija ščiti ta plemena pred novimi virusi. Tistih nekaj nevarnih virusov, ki so kljub temu prišli v domorodne skupnosti, je kmalu izumrlo. Domačine so preživele le malo, zato so virusi precej hitro izginili.
Ugotovitev, da se medvrstni prehodi pojavljajo pogosto, lahko povzroči veliko zaskrbljenost, saj so povezani z novimi nevarnimi boleznimi. V preteklosti je bilo veliko skokov in zgodili so se pogosto. Kaj nam torej prinaša prihodnost - enako, vendar v velikih količinah?
Ni potrebno. "Statistika prehodov med vrstami iz preteklosti ne napoveduje vedno natančno prihodnosti, zlasti ko gre za ljudi," pravi Penningsova. Naš življenjski slog se danes razlikuje tudi od tega, kako so ljudje živeli le nekaj stoletij nazaj, zato se zdi, da se tveganje za okužbo novih bolezni pri nas razlikuje.
Oseba je tudi prenašalka velikega števila virusov. Naša populacija je prevelika, mi pa smo neverjetno mobilni, kar pomeni, da precej enostavno in preprosto prenašamo viruse na nove dovzetne gostitelje. "Delamo veliko stvari, ki povečujejo možnosti za prenos virusa. Radi trkamo po nogah, kjer ne bi smeli iti, prevečkrat tvegamo, jemo tisto, česar ne bi smeli jesti, «pravi Vandewood. "Verjetno smo najhujši kršitelji pravil, zato najpogosteje postanemo predmet preskokov medvrstnic - preprosto zato, ker včasih počnemo nora dejanja."
Takšna nora dejanja pogosto vodijo v trke z drugimi vrstami. Pogosteje kot to počnemo, bolj smo izpostavljeni novim virusom. Vrste, s katerimi stopimo v stik, nas najpogosteje ogrožajo. "Bolj verjetno je, da se okužimo z mišmi kot s tigri," pravi Pennings.
Toda nadaljnje raziskave zgodovine evolucije virusov bodo znanstvenikom pomagale razumeti, ali obstajajo vrste, na katere bi morali biti bolj pozorni kot viri novih okužb. (Epidemiologi že natančno spremljajo viruse, ki se prenašajo s perutnine na človeka, saj se bojijo ptičje gripe.) Virusi iz rastlin, rib in sesalcev so verjetno prav tako nevarni za človeka. Prav tako je možno, da bodo znanstveniki v raziskavah, ki napovedujejo naslednjo epidemijo, usmerili pozornost na nekaj skupin z visokim tveganjem.
Holmes ima drugačno stališče. "Ne verjamem, da so napovedi v tem primeru lahko učinkovite," pravi. "Razumem, zakaj se to počne, vendar je število novih virusov, ki jih odkrivamo, ogromno, zato so napovedi v tem primeru preprosto neprimerne."
Na srečo je tovrstna analiza postala lažja s pojavom in razvojem metagenomije, kot se imenuje veja genomike, ki preučuje ne genom posameznega organizma, temveč celoto genomskih informacij, pridobljenih iz okolja. Kot del takšnih raziskav Holmes in sodelavci izberejo genomske sekvence iz različnih razpoložljivih baz podatkov. Ne potrebujejo fizičnih vzorcev virusov in to je samo po sebi novost na področju raziskav. "Virologija prehaja na novo stopnjo, kjer se lahko metagenomija množično vzorči, da vidimo, kaj je tam," pravi Holmes.
Opaža tudi, da so danes na voljo nove informacije o virusih, zato bodo filogenetske sheme, ki so jih ustvarili on in njegovi sodelavci, v bližnji prihodnosti doživele velike spremembe. "V treh letih bodo te sheme veliko bolj dovršene, saj bomo našli toliko novih vzorcev teh virusov," obljublja Holmes.
Mallory Locklear