Vědecké objevy, že viry se často a neočekávaně pohybují z různých druhů, mění naše chápání jejich evoluční historie a mohou mít znepokojivé důsledky v podobě nových nemocí.
Když se vytvoří nový druh, odkud pocházejí jejich viry? Viry, které jsou o něco více než stádo volně pasoucího se genetického materiálu, zoufale potřebují buněčné struktury a zdroje svých hostitelů, aby se znovu a znovu reprodukovaly. Virus bez hostitele není nic.
V důsledku této závislosti zůstávají některé viry věrné svým hostitelům po celou dobu evoluce, mutují a mírně se mění pokaždé, když se hostitel transformuje na nový druh. Tento proces se nazývá ko-divergence. Například lidé a šimpanzi mají mírně odlišné viry hepatitidy typu B, z nichž oba s největší pravděpodobností mutovali z verze, která infikovala společného předka člověka a lidoopů před více než čtyřmi miliony let.
Další možnost, zvaná interspeciální přechod, nastane, když virus migruje na zcela nový typ hostitele, který nemá nic společného s předchozím. Tento typ virové evoluce je spojen s vážnými novými chorobami, jako je ptačí chřipka, HIV, Ebola a SARS. A protože jsou taková onemocnění extrémně nebezpečná, máme štěstí, že přechod mezi druhy je docela vzácný případ.
Nedávno však, když vědci v Austrálii provedli první studii dlouhodobého vývoje tisíců různých virů, dospěli k překvapivému závěru, že mezidruhový přechod je mnohem důležitější a vyskytuje se mnohem častěji, než jsme si mysleli. Změna druhů je hnací silou většiny hlavních evolučních novotvarů virů. Mezitím je společná divergence méně rozšířená, než jsme očekávali, a způsobuje hlavně postupné změny.
"Velmi přesvědčivě ukázali, že společná divergence je spíše výjimkou než pravidlem," řekl evoluční biolog Pleuni Pennings, odborný asistent na univerzitě v San Franciscu, který není zapojen do australské studie.
Tato zjištění neznamenají, že nová onemocnění vyplývající z mezidruhového přechodu jsou vážnější a bezprostřední hrozbou, než se předpokládá medicína. Ukazují však, že evoluční dynamika virů může být překvapivě složitá. Pokud vědci podcenili frekvenci přechodu virů na nové hostitele, pak se v tomto případě stává velmi důležitou prioritou zkoumat, které viry jsou k tomu nejvíce náchylné.
Existuje mnoho důvodů, proč mezidruhové skoky pravděpodobně nebudou mít významný dopad na vývoj virů. Překážky, které brání viru v úspěšném přenosu na hostitele z jiného druhu, jsou velmi závažné a hrozivé. Pokud virus nedokáže manipulovat s genetickým materiálem hostitele a rozmnožovat se, jedná se o slepý konec, konec větve. Virus může potřebovat mnoho pokusů nakazit nového hostitele, který dělal po celá desetiletí nebo i více, a akumulovat odpovídající mutace v této době. Dělá to, dokud se neprohlásí a nezačne se množit a šířit.
Propagační video:
Například loni na jaře skupina biologů a biomedicínských vědců vedená Susan VandeWoudeovou, profesorkou srovnávací medicíny na University of Colorado, poskytla příklad toho, co by se dalo nazvat neúplným mezidruhovým přechodem. Vandewood zkoumá lentiviry. To je typ retroviru, do kterého HIV patří. Jeho nositeli jsou pumy a rysi severoameričtí. Profesorka společně se svým výzkumným týmem neustále objevovala určitý lentivirus červeného rysa v cougaru v Kalifornii a na Floridě. Ale pokaždé, když genetická data naznačila, že se tento virus objevil v důsledku kontaktu pumy s infikovaným rysem, řekněme, když puma jedla rysa, a ne z jiného infikovaného pumy, který jej šířil. Koncentrace viru v cougarech byla také nízká, což naznačuježe virus se obtížně rozmnožuje.
Virus zkrátka vstoupil do nového kočičího hostitele, ale organismus tohoto hostitele nebyl pro parazita příliš vhodný a nemohl se na něm řádně usadit. "V mnoha přechodech nebyl žádný důkaz o tom, že by se nový virus rozmnožoval v cougarech," poznamenává Vandewood. (Na rozdíl od toho tým Vandewoodů zjistil, že určitá forma viru rysa migrovala na panthery na Floridě, což přenášelo variantu, kterou přizpůsobily.) Protože přechody lentiviru z jednoho kočičího druhu na druhý se vyskytují tak často, může v průběhu času docela silně mutovat, a poté cougar se pro něj stane vhodným stanovištěm. Dosud se to však nestalo, ačkoli jich bylo spousty.
Navíc, když viry úspěšně skočí z jednoho druhu na druhý, mohou se stát obětí svého vlastního úspěchu. To se týká především malých izolovaných populací (takto se narodilo mnoho nových druhů). Nebezpečné viry mohou velmi rychle zničit dostupné hostitele, po kterých samy zmizí.
Z tohoto důvodu mohou virologové s velkou mírou jistoty říci, že i když se interspecies skoky v širokém časovém rámci vyskytují často, může být normou společná divergence virů a jejich hostitelů. Existuje však jen málo experimentálních důkazů, které by tento předpoklad podporovaly. „Ideální společná divergence je jedním z těch jevů, o kterých se můžete dozvědět. Pokud se však pokusíte najít dobré příklady tohoto druhu vzájemné odchylky, ukáže se, že jsou velmi, velmi vzácné, “říká Pennings.
Profesor biologie na University of Sydney Edward Holmes a jeho australští kolegové se rozhodli toto tajemství vyřešit. Pomocí údajů o virovém genomu rekonstruovali evoluční historii 19 hlavních virových rodin, z nichž každá obsahuje 23 až 142 virů, které obývají různé hostitele, od savců po ryby a rostliny. Vytvořili fylogenetická (evoluční) schémata pro rodiny virů a pro jejich hostitelské druhy a poté je porovnala. Vědci uvažovali následovně: pokud se virus v podstatě odkloní od svého hostitele a vyvíjí se s ním, pak by v tomto případě mělo být fylogenetické schéma viru podobné schématu jeho hostitele, protože předci viru museli infikovat předky hostitele. Pokud však virus skočí z hostitele na hostitele,evoluční vzorce hostitelů a virů budou vypadat jinak. Jak se liší? Závisí to na počtu mezidruhových přechodů.
Ve své práci, publikované v časopise PLOS Pathogens, uvedli, že ve všech 19 rodinách virů byly interspeciální přechody rozšířené. Holmes řekl, že pro něj nebylo žádným překvapením, že každá virová rodina, kterou studovali, vypadala, jako by dělala mezidruhové skoky. Překvapilo ho však, jak často ve své historii dělali takové skoky. "Všichni to dělají," řekl Holmes. "A tohle je něco neobvyklého."
S odvoláním na otázku, proč si vědci dosud neuvědomili, jak důležité jsou mezidruhové přechody pro vývoj viru, Holmes vysvětlil, že autoři fylogenetických studií v minulosti často považovali problém příliš úzce, studovali poměrně malý počet hostitelských druhů a virů a dělali to v malém časovém rámci. … Za 10 nebo 20 let se vám nemusí podařit mezidruhový skok. "A za milion let se to rozhodně stalo," řekl Holmes.
Jeho průkopnický přístup „poskytuje pohled na dlouhodobý vztah mezi hostiteli a viry,“uvedl John Denn, docent biologie na Queens College.
Pochopení toho, jak a proč dochází k mezidruhovým přechodům, pomohlo Holmesovi a jeho kolegům pozorovat RNA viry (které používají RNA jako genetický materiál). Došli k závěru, že tyto viry kříží druhy mnohem častěji než viry DNA (které používají DNA). "Je to pravděpodobně kvůli skutečnosti, že mají vyšší míru mutace," řekl Vandewood. Díky kombinaci menšího genomu a vyšší rychlosti mutace má RNA virus větší šanci přizpůsobit se prostředí nového hostitele.
Kromě toho Holmes vysvětluje tento trend různými životními cykly RNA a DNA virů. Infekce s účastí RNA virů jsou často obtížné, ale jsou krátkodobé, to znamená, že nemoc přichází a odchází poměrně rychle, jako je tomu u chřipky nebo běžného nachlazení. Tato pomíjivost vede ke skutečnosti, že virus může zmeškat příležitost stát se součástí vznikajících hostitelských druhů. "U nebezpečného viru trvá škodlivé působení několik dní nebo týdnů," říká Holmes. "A v těchto případech je průměrná společná odchylka vzácná." Je to jen tím, že virus zmizí velmi rychle. “
Infekce zahrnující virus DNA jsou však často chronické. Když se část hostitelské populace odchýlí od svého typického tvaru a vytvoří nový druh, je pravděpodobnější, že virus vezme s sebou, protože je infikováno mnoho dalších hostitelů. Zvyšuje se tedy pravděpodobnost společné divergence mezi virem a jeho novým hostitelem.
Životní styl hostitele také hraje roli v přechodu virů a v souběhu těchto mezidruhových skoků. "Víme, že velikost a hustota hostitelské populace jsou velmi důležité a že tento faktor určuje, kolik virů nese," říká Holmes. Jako příklad uvádí netopýry. Netopýři mají tendenci přenášet velké množství různých virů, ale je to částečně kvůli skutečnosti, že existuje velké množství netopýrů. Takové velké populace pravděpodobněji zachytí virus. "Existuje velmi jednoduché ekologické pravidlo: čím více hostitelů, tím nebezpečnější viry mohou nést," poznamenává Holmes. "Je to jen v tom, že virus má větší šanci najít zranitelného hostitele."
V roce 1975 Francis L. Black z Yale University napsal výzkumný dokument, který poskytl důkladné pochopení toho, jak dynamika hostitelské populace ovlivňuje lidské onemocnění. Po prostudování poněkud izolovaných a malých komunit amazonských domorodců vědci zjistili, že chronické virové infekce u těchto lidí se vyskytují poměrně často, ale akutní infekce většinou chybí. Izolace chrání tyto kmeny před novými viry. Těch několik nebezpečných virů, které se přesto dostaly do domorodých komunit, brzy vymřelo. Měli jen málo hostitelů, aby přežili, a proto viry poměrně rychle zmizely.
Zjištění, že interspecifické přechody nastávají často, může vyvolat značné obavy, protože jsou spojeny s nebezpečnými novými nemocemi. V minulosti došlo k mnoha skokům a často k nim došlo. Co pro nás má budoucnost - stejné, ale ve velkém množství?
Není nutné. „Statistiky přechodů mezidruhů z minulosti ne vždy přesně předpovídají budoucnost, zejména pokud jde o lidi,“říká Pennings. Náš životní styl se dnes liší také od toho, jak lidé žili teprve před několika stoletími, a proto se riziko nákazy novými nemocemi pro nás liší.
Osoba je také nositelem velkého počtu virů. Naše populace jsou příliš velké a jsme neuvěřitelně mobilní, což znamená, že viry docela snadno a jednoduše přenášíme na nové vnímavé počítače. "Děláme mnoho věcí, které zvyšují šance na přenos virů." Rádi strkáme nos do míst, kam bychom neměli jít, riskujeme příliš často, jíme to, co bychom neměli jíst, “říká Vandewood. "Pravděpodobně jsme nejhoršími pachateli pravidel, a proto se nejčastěji stáváme předmětem mezidruhových skoků - jednoduše proto, že někdy spácháme šílené činy."
Takové šílené činy často vedou ke kolizím s jinými druhy. Čím častěji to děláme, tím více jsme vystaveni novým virům. Druhy, se kterými přicházíme do styku, nás nejčastěji ohrožují. "Je více pravděpodobné, že se nakazíme něčím z myší než z tygrů," říká Pennings.
Další výzkum v historii vývoje virů však vědcům pomůže pochopit, zda existují druhy, kterým bychom měli věnovat více pozornosti jako zdroje nových infekcí. (Epidemiologové již pečlivě monitorují viry přenášené z drůbeže na člověka, protože se bojí ptačí chřipky.) Viry z rostlin, ryb a savců jsou pravděpodobně stejně nebezpečné pro člověka. Je rovněž možné, že ve výzkumu předpovídají příští epidemii vědci zužují své zaměření na několik vysoce rizikových skupin.
Holmes má jiný pohled. "Nemyslím si, že prognózy v tomto případě mohou být efektivní," říká. "Chápu, proč se to dělá, ale počet nových virů, které detekujeme, je obrovský, a proto jsou prognózy v tomto případě prostě nevhodné."
Naštěstí se tento druh analýzy stal snadnějším s nástupem a vývojem metagenomiky, jak se nazývá větev genomiky, která studuje nejen genom jednotlivého organismu, ale úplnost genomických informací získaných z prostředí. V rámci tohoto výzkumu si Holmes a jeho kolegové vybírají genomové sekvence z různých dostupných databází. Nepotřebují fyzické vzorky virů, a to samo o sobě je inovací v oblasti výzkumu. "Virologie se přesouvá do nové fáze, kde lze metagenomiku použít k masivnímu vzorkování, abyste viděli, co tam je," říká Holmes.
Poznamenává také, že nové informace o virech jsou dnes dostupnější, a proto fylogenetické plány vytvořené jím a jeho kolegy v blízké budoucnosti podstoupí zásadní změny. "Za tři roky budou tato schémata mnohem úplnější, protože najdeme tolik nových vzorků těchto virů," slibuje Holmes.
Mallory Locklear