Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 7
Lekcja 6: Wspólny przodek i ciągła ewolucjaEwolucja wirusów
Ewolucja i zmienność genetyczna wirusów. Odporna na leki mutacja wirusa HIV. Rekombinacja wirusów grypy. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu FUNDACJI HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Wirusy podlegają ewolucji i selekcji naturalnej, podobnie jak organizmy zbudowane z komórek, a większość z nich ewoluuje szybko.
- Kiedy dwa wirusy infekują komórkę w tym samym czasie, mogą wymieniać materiał genetyczny, tworząc nowe, „mieszane” wirusy o unikalnych właściwościach. W ten sposób mogą powstawać m.in. nowe szczepy grypy.
- Wirusy RNA mają wysokie tempo mutacji, które umożliwiają szczególnie szybką ewolucję. Przykładem jest ewolucja oporności na leki w przypadku HIV.
Wprowadzenie
Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego każdego roku pojawia się inny szczep wirusa grypy? Lub w jaki sposób HIV, wirus wywołujący AIDS, może stać się oporny na leki?
Krótka odpowiedź na te pytania jest taka, że wirusy ewoluują. Oznacza to, że „pula genów” populacji wirusów może zmieniać się w czasie. W niektórych przypadkach wirusy w populacji - takiej jak wszystkie wirusy grypy w regionie geograficznym lub wszystkie wirusy HIV w ciele pacjenta - mogą ewoluować poprzez dobór naturalny. Dziedziczne cechy, które pomagają w namnażaniu wirusa (takie jak wysoka zakaźność w przypadku grypy lub lekooporność w przypadku HIV), z czasem stają się coraz bardziej powszechne w populacji wirusów.
Wirusy nie tylko ewoluują, ale przede wszystkim ewoluują szybciej niż ich gospodarze, tacy jak ludzie. To sprawia, że ewolucja wirusów jest ważnym tematem - nie tylko dla biologów badających wirusy, ale także dla lekarzy, pielęgniarek i pracowników służby zdrowia, a także każdego, kto może być narażony na wirusa. (Wskazówka: to oznacza nas wszystkich!)
Zmienność genetyczna wirusów
Dobór naturalny może nastąpić tylko wtedy, gdy ma odpowiedni punkt wyjścia: zmienność genetyczną. Zmienność genetyczna oznacza, że istnieją pewne różnice genetyczne (dziedziczne) w populacji. W wirusach zmienność pochodzi z dwóch głównych źródeł
- Rekombinacja: wirusy wymieniają fragmenty materiału genetycznego (DNA lub RNA).
- Losowa mutacja: zmiana zachodzi w sekwencji DNA lub RNA wirusa.Możemy dostrzec zmienność genetyczną i ewolucję wirusów wokół nas, jeśli wiemy, gdzie szukać - na przykład w nowych szczepach grypy, które pojawiają się każdego roku.
Wymieszanie: Rekombinacja
Zanim przyjrzymy się konkretnie grypie, spójrzmy, jak wirusy wymieniają DNA i RNA w procesie zwanym rekombinacją.
Rekombinacja zwykle ma miejsce, gdy dwa wirusy zainfekują tę samą komórkę w tym samym czasie. Ponieważ oba wirusy wykorzystują komórkę do produkcji większej liczby cząsteczek wirusów, będzie wiele różnych części wirusów - w tym nowo wytworzone genomy - znajdujących się w komórce jednocześnie.
W tych okolicznościach rekombinacja może nastąpić na dwa różne sposoby. Po pierwsze, podobne regiony genomów wirusowych mogą parować się i wymieniać fragmentami, fizycznie przerywając i ponownie łącząc DNA lub RNA. Po drugie, wirusy z różnymi segmentami (które są rodzajem małych chromosomów) mogą wymieniać się niektórymi z nich, w procesie nazywanym reasortacją genową.
Rekombinacja i grypa
Wirusy grypy są mistrzami reasortacji genowej. Mają osiem segmentów RNA, z których każdy zawiera jeden lub kilka genów.
Gdy dwa wirusy grypy infekują tę samą komórkę w tym samym czasie, niektóre nowe wirusy wytworzone w komórce mogą mieć mieszankę segmentów (np. segmenty 1-4 ze szczepu A i segmenty 5-8 ze szczepu B).
W szczególności świnie są dobrze znanymi „naczyniami do mieszania” wirusów grypy.
Tego rodzaju wymiana materiału genetycznego jest powszechna w przypadku wirusów grypy. Pamiętasz na przykład szczep grypy H1N1 („świńska grypa”), który spowodował pandemię w 2009 roku? H1N1 miał segment RNA z wirusów ludzkich i ptasich, a także z wirusów świńskich z Ameryki Północnej i Azji. Ta kombinacja odzwierciedla serię reasortacji genowych, które miały miejsce krok po kroku przez wiele lat, aby wyprodukować ten szczep H1N1.
Mutacje wirusowe
Widzieliśmy, jak rekombinacja może wpływać na ewolucję wirusów, ale co z mutacją? Mutacja to trwała zmiana w materiale genetycznym (DNA lub RNA) wirusa. Mutacja może wystąpić, jeśli podczas kopiowania DNA lub RNA wirusa nastąpi błąd.
Niektóre wirusy mają bardzo szybkie tempo mutacji, ale nie jest to regułą. Ogólnie rzecz biorąc, wirusy RNA mają tendencję do szybkiego tempa mutacji, podczas gdy wirusy DNA mają wolne tempo mutacji.
Dlaczego tak jest? Kluczowa różnica jest w maszynerii kopiującej. Większość wirusów DNA kopiuje swój materiał genetyczny za pomocą enzymów z komórki gospodarza, zwanych polimerazami DNA, które go też „korygują” (wychwytują i naprawiają błędy w miarę ich przemieszczania). Natomiast wirusy RNA używają enzymów zwanych polimerazami RNA, które nie korygują, co przyczynia się do powstania o wiele większej ilości błędów.
Studium przypadku: oporność na leki wirusa HIV
Ludzki wirus niedoboru odporności (HIV) to wirus, który powoduje zespół nabytego niedoboru odporności (AIDS). HIV jest wirusem RNA o szybkim tempie mutacji i ewoluuje szybko, co prowadzi do pojawiania się szczepów lekoopornych.
Szybkie tempo mutacji wirusa HIV
Ponieważ wirusy RNA, takie jak HIV, mają szybkie tempo mutacji, w organizmie pacjenta będzie wiele zmian genetycznych w populacji wirusów HIV. Wiele mutacji będzie szkodliwych, a zmutowane wirusy po prostu „umrą” (nie będą się namnażać). Jednak niektóre mutacje pomagają wirusom namnażać się w określonych warunkach. Na przykład mutacja może zapewnić oporność na lek.
Rozwój oporności na leki wirusa HIV
Niektóre leki mogą blokować replikację wirusa HIV poprzez hamowanie kluczowych enzymów wirusowych. Przyjmowanie jednego z tych leków początkowo obniży poziom wirusa u pacjenta. Jednak po pewnym czasie wirusy HIV zwykle „odbijają się” i wracają do wysokiego poziomu, mimo że lek jest nadal podawany. Innymi słowy, pojawia się odporna na leki forma wirusa.
Aby zobaczyć, dlaczego tak się dzieje, przyjrzyjmy się przykładowi określonego rodzaju leku przeciwwirusowego, inhibitora odwrotnej transkryptazy. Inhibitory odwrotnej transkryptazy, takie jak cząsteczka newirapiny przedstawiona na poniższym schemacie, wiążą się z enzymem wirusowym zwanym odwrotną transkryptazą (struktura czerwono-brązowa). Lek powstrzymuje enzym przed kopiowaniem genomu RNA wirusa HIV do DNA. Jeśli ten enzym jest nieaktywny, wirus HIV nie może trwale zainfekować komórki.
Większość wirusów HIV jest powstrzymywana przez newirapinę. Jednak bardzo mała część wirusów w populacji HIV będzie (przypadkowo) mieć mutację w genie kodującym odwrotną transkryptazę, co uczyni je opornymi na lek. Na przykład, mogą mieć mutację genetyczną, która zmienia miejsce wiązania leku na enzymie, tak że lek nie jest już w stanie dowiązać się do niego i hamować aktywność enzymu.
Wirusy z tą mutacją oporności będą się namnażać pomimo obecności leku i przez pokolenia mogą przywracać poziom wirusów obecny przed podaniem leku. Co więcej, cała populacja wirusów będzie teraz odporna na lek!
HAART i oporność na leki
Jeśli HIV może ewoluować w odpowiedzi na lek, jak można zatrzymać wirusa? To, co wydaje się działać najlepiej, to terapia kombinowana, z jednoczesnym przyjmowaniem trzech lub więcej leków. Takie podejście do leczenia nazywane jest wysoce aktywną terapią przeciwretrowirusową lub w skrócie HAART. Leki podawane w „koktajlu” HAART zazwyczaj atakują różne etapy cyklu życia HIV.
Podejście HAART działa, ponieważ stosunkowo mało prawdopodobne jest, aby jakikolwiek wirus HIV w populacji miał trzy mutacje, które dają oporność na wszystkie trzy leki jednocześnie. Chociaż formy wirusa oporne na wiele leków ostatecznie ewoluują, kombinacje wielu leków znacznie spowalniają rozwój oporności.
Aby dowiedzieć się więcej o biologii HIV, zapoznaj się z artykułem na temat cykli życia wirusów. Aby dowiedzieć się więcej o objawach, leczeniu i zapobieganiu HIV i AIDS, odwiedź sekcję zdrowie i medycyna a HIV i AIDS.
Dlaczego wirusy ewoluują tak szybko?
Wirusy ewoluują szybciej niż ludzie. Dlaczego tak się dzieje?
Jak widzieliśmy w przypadku HIV, niektóre wirusy mają szybkie tempo mutacji, co pomaga im szybko ewoluować, zapewniając większą różnorodność. Dwa inne czynniki, które przyczyniają się do szybkiej ewolucji wirusów, to duża populacja i krótki cykl życia.
Im większa populacja, tym większe szanse, że znajdzie się wirus z określoną losową mutacją (np. opornością na lek lub wysoką zakaźnością), na którą może działać selekcja naturalna. Ponadto wirusy namnażają się szybko, więc ich populacje ewoluują w krótszych okresach czasu niż ich gospodarze. Na przykład wirus HIV przechodzi przez swój cykl życia w zaledwie
Jakie mamy narzędzia do zwalczania szybko ewoluujących wirusów? Podejmowanie kroków mających na celu zapobieganie przenoszeniu, rozwój nowych leków stosowanych w leczeniu oraz opracowywanie i stosowanie szczepionek - to ważne strategie.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji