Znanstveno otkriće da se virusi često i neočekivano kreću iz vrsta u vrste mijenja naše razumijevanje njihove evolucijske povijesti i moglo bi imati zabrinjavajuće posljedice u obliku novih bolesti.
Kad se nove vrste formiraju, odakle dolaze njihovi virusi? Virusima, koji su nešto više od stada genetskog materijala na slobodnoj ispaši, očajnički trebaju stanične strukture i resursi njihovih domaćina da bi se razmnožavali iznova i iznova. Virus bez domaćina nije ništa.
Zbog ove ovisnosti, neki virusi ostaju lojalni svojim domaćinima tijekom evolucije, mutirajući i lagano se mijenjaju svaki put kada se domaćin pretvori u novu vrstu. Taj se postupak naziva ko-divergencija. Na primjer, ljudi i čimpanze imaju malo drugačije viruse hepatitisa B, koji su obojica najvjerojatnije mutirali iz verzije koja je zarazila zajedničkog pretka ljudi i majmuna prije više od četiri milijuna godina.
Druga opcija, nazvana interspecies tranzicija, javlja se kada virus migrira na potpuno novi tip domaćina koji nema nikakve veze s prethodnim. Ova vrsta virusne evolucije povezana je s ozbiljnim novim bolestima poput ptičje gripe, HIV-a, ebole i SARS-a. A budući da su takve bolesti izuzetno opasne, imamo sreću da je prijelaz među vrste prilično rijetka pojava.
Međutim, nedavno, kada su znanstvenici u Australiji proveli prvo istraživanje o dugoročnoj evoluciji tisuća različitih virusa, došli su do iznenađujućeg zaključka da je prijelaz među vrstama mnogo važniji i da se događa mnogo češće nego što smo zamislili. Promjena vrsta pokretačka je snaga većine evolucijskih novotvorina u virusima. U međuvremenu, ko-divergencija je manje raširena nego što smo očekivali i uglavnom uzrokuje postupne promjene.
"Oni su vrlo uvjerljivo pokazali da je ko-divergencija izuzetak, a ne pravilo," rekao je evolucijski biolog Pleuni Pennings, docent na Sveučilištu u San Franciscu i nije uključen u australijsko istraživanje.
Ovi nalazi nikako ne znače da su nove bolesti proizašle iz tranzicije među vrstama ozbiljnija i neposrednija prijetnja od pretpostavljenih u medicini. Međutim, pokazuju da evolucijska dinamika virusa može biti iznenađujuće složena. Ako su znanstvenici podcjenjivali učestalost prelaska virusa u nove domaćine, tada u ovom slučaju postaje vrlo važan prioritet proučavati koji su virusi na to najosjetljiviji.
Mnogo je razloga zbog kojih skokovi među vrsta vjerojatno neće imati značajan utjecaj na evoluciju virusa. Prepreke koje sprječavaju uspješan prijenos virusa do domaćina druge vrste vrlo su ozbiljne i moguće. Ako virus ne može manipulirati domaćim genetskim materijalom i reproducirati se, to je slijepa ulica, kraj grane. Virus će možda trebati mnogo pokušaja zaraziti novog domaćina, što čini desetljećima ili čak i više, skupljajući odgovarajuće mutacije u ovom trenutku. To čini sve dok se ne uvjeri u sebe i ne počne se množiti i širiti.
Promotivni video:
Prošlog proljeća, na primjer, skupina biologa i biomedicinskih istraživača pod vodstvom Susan VandeWoude, profesorice komparativne medicine na Sveučilištu u Coloradu, dala je primjer onoga što bi se moglo nazvati nepotpunim međupredmetnim prijelazom. Vandewood istražuje lentiviruse. Ovo je vrsta retrovirusa kojem pripada i HIV. Njeni nosioci su cugari i crveni sjevernoamerički ris. Profesorica je, zajedno sa svojim istraživačkim timom, konstantno pronalazila određeni lentivirus crvenog risa u kauču u Kaliforniji i na Floridi. Ali svaki put, genetski podaci su ukazivali na to da se ovaj virus pojavio kao rezultat kontakta puma sa zaraženim risom, recimo, kad je cuga jela ris, a ne iz druge zaražene puževe koja ga je širila. Koncentracija virusa u cugarama također je bila niska, što ukazuje na toda se virus teško razmnožava.
Ukratko, virus je ušao u novog mačjeg domaćina, ali organizam domaćina nije bio baš pogodan za parazita i on se nije mogao pravilno naseliti na njega. "U mnogim prijelazima nije bilo dokaza da se novi virus umnožavao u pučanima", napominje Vandewood. (Nasuprot tome, Vandewoodov tim otkrio je da se određeni oblik virusa risa migrirao na floridske pantere, koji su prenijeli varijantu koju su prilagodili.) Budući da se prijelaz lentivirusa s jedne mačje vrste u drugu događa tako često, može s vremenom prilično mutirati, nakon čega se cugar postat će pogodno stanište za njega. No, do sada se to nije dogodilo, iako je bilo dosta takvih prilika.
Štoviše, kada virusi uspješno uskoče iz jedne vrste u drugu, mogu postati žrtve vlastitog uspjeha. To se prije svega odnosi na male izolirane populacije (to je koliko novih vrsta je rođeno). Opasni virusi mogu vrlo brzo uništiti dostupne domaćine, nakon čega sami nestaju.
Iz tog razloga, virolozi mogu s visokim stupnjem pouzdanosti reći da čak i ako se interspecies skokovi kroz širok vremenski okvir često događaju, zajednička divergencija virusa i njihovih domaćina norma. Ali malo je eksperimentalnih dokaza koji bi podržali ovu pretpostavku. „Idealna koverzija jedna je od onih pojava o kojima možete učiti. Ali ako pokušate pronaći dobre primjere takve vrste zajedničke razlike, ispada da su one vrlo, vrlo rijetke “, kaže Pennings.
Profesor biologije na Sveučilištu u Sydneyu Edward Holmes i njegovi australski kolege odlučili su riješiti ovu misteriju. Koristeći podatke o virusnom genomu, rekonstruirali su povijest evolucije 19 glavnih obitelji virusa, od kojih svaka sadrži od 23 do 142 virusa koji nastanjuju razne domaćine, od sisavaca do riba i biljaka. Stvorili su filogenetske (evolucijske) sheme za obitelji virusa i za njihove domaćinske vrste, a zatim ih uspoređivali. Znanstvenici su zaključili sljedeće: ako virus u osnovi koivertira s domaćinom, evoluirajući s njim, tada bi u tom slučaju filogenetska shema virusa trebala biti slična shemi njegovog domaćina, budući da su preci virusa morali zaraziti pretke domaćina. Ali ako virus skoči s domaćina na domaćina,evolucijski obrasci domaćina i virusa izgledat će drugačije. Koliko je to različito? Ovisi o broju međupredmetnih prijelaza.
U svom su radu objavljenom u časopisu PLOS Pathogens izvijestili da su u svih 19 obitelji virusa međuopačke tranzicije rasprostranjene. Holmes je rekao da ga nije iznenadilo to što svaka virusna obitelj koju su proučavali izgledala je kao da stvara skokove među vrstama. Ali bio je iznenađen koliko često su pravili takve skokove tijekom svoje povijesti. "Svi to rade", rekao je Holmes. "A ovo je nešto neobično."
Pozivajući se na pitanje zašto znanstvenici ranije nisu shvatili koliko su važni interspecifični prijelazi za evoluciju virusa, Holmes je objasnio da su autori filogenetskih studija često problem smatrali preuzak, proučavajući prilično mali broj vrsta domaćina i virusa i radeći to u malom vremenskom okviru … Za 10 ili 20 godina možda nećete dobiti skok među vrstama. "A za milijun godina se to definitivno dogodilo", rekao je Holmes.
Njegov inovativni pristup "pruža uvid u dugoročne veze između domaćina i virusa", rekao je John Denn, izvanredni profesor biologije na Queens Collegeu iz studije.
Shvatanje načina i zašto se događaju prijelazi među vrstama pomoglo je Holmesom i njegovim kolegama promatranjem RNA virusa (koji RNA koriste kao genetski materijal). Zaključili su da takvi virusi križaju vrste mnogo češće od DNK virusa (koji koriste DNK). "To je vjerojatno zbog činjenice da imaju višu stopu mutacija", rekao je Vandewood. Uz kombinaciju manjeg genoma i veće stope mutacije, RNA virus ima veće šanse da se prilagodi okruženju novog domaćina.
Pored toga, Holmes objašnjava taj trend različitim životnim ciklusima RNA i DNA virusa. Infekcije s sudjelovanjem RNA virusa često su teške, ali su kratkotrajne, odnosno bolest dolazi i prolazi prilično brzo, kao što je slučaj s gripom ili običnom prehladom. Ova prolaznost dovodi do činjenice da virus može propustiti priliku da postane dio rastućih vrsta domaćina. "Kod opasnog virusa štetni učinak traje danima ili tjednima", kaže Holmes. "I u prosjeku je ko-divergencija u takvim slučajevima rijetka. Samo što virus prilično brzo nestaje."
Ali infekcije koje uključuju virus DNA često su kronične. Kada dio populacije domaćina odstupi od svog tipičnog oblika kako bi stvorio novu vrstu, vjerojatnije je da će virus uzeti sa sobom, jer je zaraženo mnogo više domaćina. Na taj način povećava se vjerojatnost ko-divergencije između virusa i njegovog novog domaćina.
Životni stil domaćina također igra ulogu u tranziciji virusa i u ko-divergenciji tih skokova među vrstama. "Znamo da su veličina i gustoća populacije domaćina vrlo važni, a taj faktor određuje koliko virusa nose", kaže Holmes. Kao primjer navodi slepe miševe. Šišmiši imaju tendenciju da nose velik broj različitih virusa, ali to je dijelom i zbog činjenice da postoji ogroman broj šišmiša. Tako velike populacije imaju veću vjerojatnost da će uhvatiti virus. "Postoji vrlo jednostavno ekološko pravilo: što više domaćina, to opasniji virusi mogu se nositi", napominje Holmes. "Samo što virus ima veće šanse da pronađe ranjivog domaćina."
1975. Francis L. Black sa sveučilišta Yale napisao je istraživački rad koji je pružio dubinsko razumijevanje kako dinamika populacije domaćina utječe na ljudsku bolest. Znanstvenici su otkrili prilično izolirane i male zajednice amazonskih domorodaca da se kronične virusne infekcije kod ovih ljudi javljaju prilično često, ali akutne infekcije uglavnom nisu. Izolacija štiti ova plemena od novih virusa. Tih nekoliko opasnih virusa koji su se ipak upustili u autohtone zajednice ubrzo su izumrli. Imali su malo domaćina koji su preživjeli i zato su virusi prilično brzo nestali.
Otkriće da se međuovisne tranzicije događaju često može izazvati značajnu zabrinutost jer su povezane s novim opasnim bolestima. U prošlosti je bilo mnogo skokova i događali su se često. Pa što nam ima budućnost u budućnosti - isto, ali u velikim količinama?
Nije potrebno. "Statistika prijelaza među vrstama iz prošlosti ne predviđa uvijek točno budućnost, pogotovo kada je riječ o ljudima", kaže Pennings. Naš životni stil danas se također razlikuje od načina na koji su ljudi živjeli prije samo nekoliko stoljeća, i zato se čini da je rizik od zaraze novih bolesti za nas drugačiji.
Osoba je također nositelj velikog broja virusa. Naša je populacija prevelika, a mi smo nevjerojatno mobilni, što znači da prilično lako i jednostavno prenosimo viruse novim osjetljivim domaćinima. „Činimo mnoge stvari koje povećavaju šanse za prijenos virusa. Volimo trzati nos na mjestima na koja ne bismo smjeli ići, rizikujemo prečesto, jedemo ono što ne bismo trebali jesti “, kaže Vandewood. "Vjerojatno smo najgori prekršitelji pravila, i zato najčešće postajemo objekti interspecies skokova - jednostavno zato što ponekad počinimo luda djela."
Takva suluda ponašanja često dovode do sudara s drugim vrstama. Što češće to radimo, više smo izloženi novim virusima. Vrste s kojima dolazimo u kontakt najčešće nas ugrožavaju. "Vjerojatnije je da ćemo se zaraziti nečim od miševa nego od tigrova", kaže Pennings.
Međutim, daljnja istraživanja povijesti evolucije virusa pomoći će znanstvenicima da shvate postoje li vrste na koje bismo trebali obratiti više pozornosti kao izvore novih infekcija. (Epidemiolozi već pomno prate viruse koji se prenose s peradi na ljude jer se boje ptičje gripe.) Virusi iz biljaka, riba i sisavaca vjerojatno su jednako opasni za ljude. Jednako je moguće da će znanstvenici u istraživanju kako bi predvidjeli sljedeću epidemiju usredotočili na nekoliko visoko rizičnih skupina.
Holmes ima drugačije gledište. "Ne mislim da prognoze u ovom slučaju mogu biti učinkovite", kaže on. "Razumijem zašto se to radi, ali broj novih virusa koje otkrivamo je ogroman, pa su stoga prognoze u ovom slučaju jednostavno neprikladne."
Srećom, ovakva analiza postala je lakša s pojavom i razvojem metagenomije, kako se naziva grana genomike, koja proučava ne genom pojedinog organizma, već ukupnost genomskih informacija dobivenih iz okoliša. Kao dio takvog istraživanja, Holmes i kolege odabiru genomske sekvence iz različitih dostupnih baza podataka. Ne trebaju fizički uzorci virusa, a to je samo po sebi inovacija u području istraživanja. "Virologija prelazi na novu fazu gdje se metagenomija može masovno uzorkovati da se vidi što je tu", kaže Holmes.
Također napominje da su danas dostupnije nove informacije o virusima, te će stoga filogenetske sheme koje su stvorili on i njegovi kolege u skoroj budućnosti pretrpjeti velike promjene. "Za tri godine ti će programi biti puno cjelovitiji jer ćemo pronaći toliko novih uzoraka tih virusa", obeća Holmes.
Mallory Locklear