Научното откритие, че вирусите се движат често и неочаквано от видове към видове, променя нашето разбиране за тяхната еволюционна история и може да има тревожни последици под формата на нови болести.
Когато се формират нови видове, откъде идват техните вируси? Вирусите, които са малко повече от стадо генетичен материал без паша, отчаяно се нуждаят от клетъчни структури и ресурси на своите домакини, за да се възпроизвеждат отново и отново. Вирус без хост е нищо.
Поради тази зависимост, някои вируси остават лоялни към своите домакини през цялата еволюция, мутирайки и променяйки се леко всеки път, когато домакинът се трансформира в нов вид. Този процес се нарича ко-дивергенция. Хората и шимпанзетата например имат малко по-различни вируси на хепатит В, като и двата най-вероятно са мутирали от версията, заразила обикновения прародител на хората и маймуните преди повече от четири милиона години.
Друг вариант, наречен междувидов преход, се появява, когато вирусът мигрира към напълно нов тип хост, който няма нищо общо с предишния. Този тип вирусна еволюция е свързан със сериозни нови заболявания като инфлуенца по птиците, ХИВ, Ебола и ТОРС. И тъй като такива заболявания са изключително опасни, имаме късмет, че междувидовият преход е доста рядко явление.
Въпреки това, наскоро, когато учените в Австралия извършиха първото проучване на дългосрочната еволюция на хиляди различни вируси, те стигнаха до стряскащото заключение, че междувидовият преход е много по-важен и се случва много по-често, отколкото си представяхме. Промяната на видовете е движещата сила за повечето големи еволюционни новообразувания при вируси. Междувременно съвместната дивергенция е по-слабо разпространена, отколкото очаквахме и причинява главно постепенни промени.
„Те показаха много убедително, че съвместната дивергенция е по-скоро изключение, отколкото правило“, казва еволюционният биолог Плеуни Пеннингс, асистент в университета в Сан Франциско и не участва в австралийското проучване.
Тези констатации не означават, че новите заболявания, произтичащи от междувидов преход, са по-сериозна и непосредствена заплаха от предполагаемата медицина. Те обаче показват, че еволюционната динамика на вирусите може да бъде изненадващо сложна. Ако учените подцениха честотата на прехода на вируси към нови хостове, тогава в този случай става много важен приоритет да проучат кои вируси са най-предразположени към това.
Има много причини, поради които скоковете на междувидови видове е малко вероятно да окажат значително влияние върху еволюцията на вирусите. Пречките, които пречат на вирусът да премине успешно към гостоприемник от друг вид, са много сериозни и застрашителни. Ако вирусът не е в състояние да манипулира генетичния материал на гостоприемника и да се възпроизвежда, тогава това е задънена улица, край на клон. Вирусът може да се нуждае от много опити да зарази нов гостоприемник, който прави десетилетия или дори повече, натрупвайки съответни мутации към този момент. Той прави това, докато не се утвърди и започне да се размножава и разпространява.
Промоционално видео:
Миналата пролет например група биолози и биомедицински изследователи, ръководени от Сюзън Вандеууде, професор по сравнителна медицина в Университета в Колорадо, даде пример за това, което може да се нарече незавършен междувидов преход. Vandewood изследва лентивирусите. Това е типът ретровирус, към който принадлежи ХИВ. Нейните носители са пумари и червени северноамерикански рисове. Професорът, заедно със своя изследователски екип, постоянно намираше определен лентивирус на червения рис в пума в Калифорния и Флорида. Но всеки път генетичните данни показват, че този вирус се е появил в резултат на контакт на пума с заразен рис, да речем, когато пумата е изяла рис, а не от друга заразена пума, която го е разпространила. Концентрацията на вируса в пумарите също беше ниска, което показва товаче вирусът е труден за възпроизвеждане.
Накратко, вирусът навлезе в нов котешки гостоприемник, но организмът на гостоприемника не беше много подходящ за паразита и той не можеше да се засели правилно върху него. „В много от преходите няма доказателства, че новият вирус се размножава в пури“, отбелязва Вандевуд. (За разлика от екипа на Vandewood установили, че определена форма на вируса на риса е мигрирала към пантерите във Флорида, която предава варианта, който са се приспособили.) Тъй като преминаването на лентивирус от един котешки вид в друг се случва толкова често, той може да мутира доста силно с течение на времето, след което пумата ще се превърне в подходящо местообитание за него. Но засега това не се е случило, въпреки че имаше много такива възможности.
Освен това, когато вирусите успешно прескачат от един вид в друг, те могат да станат жертва на собствения си успех. Това се отнася предимно за малки изолирани популации (това е колко нови видове са родени). Опасните вируси могат много бързо да унищожат наличните хостове, след което те изчезват сами.
Поради тази причина вирусолозите могат да кажат с висока степен на увереност, че дори и междувидови скокове през широки времеви рамки да се случват често, съвместното разминаване на вирусите и техните домакини може да бъде норма. Но има малко експериментални доказателства в подкрепа на това предположение. „Идеалното съвместно разминаване е едно от онези явления, за които можете да научите. Но ако се опитате да намерите добри примери за този вид съвместна дивергенция, се оказва, че те са много, много редки “, казва Пенингс.
Професорът по биология в университета в Сидни, Едуард Холмс и неговите австралийски колеги решиха да разрешат тази загадка. Използвайки данни за вирусния геном, те реконструираха еволюционната история на 19 основни вирусни семейства, всяка от които съдържа от 23 до 142 вируса, които обитават различни домакини, от бозайници до риби и растения. Те създадоха филогенетични (еволюционни) схеми за семейства на вируси и за техните домакински видове и след това ги сравниха. Учените разсъждават по следния начин: ако вирусът в основата си съвместно се отклонява от своя гостоприемник, еволюирайки с него, то в този случай филогенетичната схема на вируса трябва да е подобна на схемата на неговия гостоприемник, тъй като предците на вируса трябва да са заразили предците на гостоприемника. Но ако вирусът прескача от хост в хост,еволюционните модели на хостове и вируси ще изглеждат различно. Колко е различно? Зависи от броя на междувидови преходи.
В своята работа, публикувана в списание PLOS Pathogens, те съобщават, че във всички 19 семейства на вируси, междувидови преходи са широко разпространени. Холмс каза, че за него не е изненада, че всяко вирусно семейство, което те изучават, изглежда, че прави междувидови скокове. Той обаче се изненада колко често правят такива скокове през цялата си история. "Те всички го правят", каза Холмс. "И това е нещо необикновено."
Позовавайки се на въпроса защо учените преди това не са осъзнали колко важни са междувидовите преходи за еволюцията на вируса, Холмс обясни, че в миналото авторите на филогенетични изследвания често са разглеждали проблема твърде тясно, изучавайки доста малък брой видове и вируси-гостоприемници и го правят в кратки срокове … След 10 или 20 години може да не получите междувидов скок. "И за един милион години това определено се е случило", каза Холмс.
Неговият новаторски подход „дава поглед върху дългосрочната връзка между гостоприемници и вируси“, казва Джон Ден, доцент по биология в Куинс Колидж, от проучването.
Разбирането как и защо се случват междувидови преходи беше помогнато от наблюдението на Холмс и неговите колеги за РНК вируси (които използват РНК като генетичен материал). Те заключават, че такива вируси кръстосват много по-често от ДНК вирусите (които използват ДНК). „Това вероятно се дължи на факта, че те имат по-висока степен на мутация“, казва Vandewood. С комбинация от по-малък геном и по-висока степен на мутация, РНК вирусът има по-голям шанс да се адаптира към средата на новия гостоприемник.
В допълнение, Холмс обяснява тази тенденция с различните жизнени цикли на РНК и ДНК вируси. Инфекциите с участието на РНК вируси често са трудни, но те са краткотрайни, тоест болестта идва и преминава доста бързо, както е при грипа или обикновената настинка. Тази преходност води до факта, че вирусът може да пропусне възможността да стане част от нововъзникващите гостоприемни видове. „При опасен вирус вредният ефект продължава дни или седмици“, казва Холмс. „И средно, съвместното разминаване в такива случаи е рядкост. Просто вирусът изчезва доста бързо."
Но инфекциите, включващи ДНК вируса, често са хронични. Когато част от популацията гостоприемник се отклони от типичната си форма, за да създаде нов вид, е по-вероятно да вземете вируса със себе си, тъй като много повече домакини са заразени. По този начин се увеличава вероятността от съвместно разминаване между вируса и неговия нов гостоприемник.
Начинът на живот на домакина също играе роля за прехода на вируси и за съвместното разминаване на тези междувидови скокове. „Знаем, че размерът и плътността на популацията на гостоприемниците са много важни и този фактор определя колко вируси носят“, казва Холмс. Той привежда прилепите като пример. Прилепите са склонни да пренасят голям брой различни вируси, но това отчасти се дължи на факта, че има огромен брой прилепи. Такива големи популации са по-склонни да хванат вируса. „Има много просто екологично правило: колкото повече хостове, толкова по-опасни вируси могат да пренасят“, отбелязва Холмс. "Просто вирусът има по-голям шанс да намери уязвим гостоприемник."
През 1975 г. Франсис Л. Блек от Йейлския университет написа изследователска работа, която предостави задълбочено разбиране за това как динамиката на населението на домакините влияе върху човешките заболявания. Проучвайки доста изолираните и малки общности на амазонските аборигени, учените са установили, че хроничните вирусни инфекции при тези хора се срещат доста често, но острите инфекции в повечето случаи отсъстват. Изолацията защитава тези племена от нови вируси. Онези няколко опасни вируса, които въпреки това попаднаха в коренните общности, скоро изчезнаха. Те имаха малко домакини, за да оцелеят, и затова вирусите изчезнаха доста бързо.
Констатацията, че междувидовите преходи се случват често, може да предизвика значителна загриженост, тъй като те са свързани с нови опасни заболявания. В миналото е имало много скокове и са се случвали често. И така, какво ни има бъдещето - същото, но в големи количества?
Не е задължително. „Статистиката на междувидови преходи от миналото не винаги точно предсказва бъдещето, особено когато става въпрос за хората“, казва Пенингс. Нашият начин на живот днес също е различен от това как хората са живели само преди няколко века и затова рискът от заразяване с нови болести изглежда е различен за нас.
Човек е носител и на голям брой вируси. Населението ни е твърде голямо и ние сме невероятно мобилни, което означава, че доста лесно и просто предаваме вируси на нови податливи хостове. „Правим много неща, които увеличават шансовете за предаване на вируси. Обичаме да си пъхаме носа на места, където не трябва да ходим, рискуваме твърде често, ядем това, което не бива да ядем “, казва Vandewood. „Ние вероятно сме най-лошите нарушители на правилата и затова най-често ставаме обект на междувидови скокове - просто защото понякога извършваме безумни действия.“
Подобни безумни действия често водят до сблъсъци с други видове. Колкото по-често правим това, толкова повече сме изложени на нови вируси. Видовете, с които влизаме в контакт, най-често ни застрашават. „По-вероятно е да се заразим с нещо от мишки, отколкото от тигри“, казва Пеннингс.
По-нататъшното изследване на историята на еволюцията на вирусите обаче ще помогне на учените да разберат дали има видове, на които трябва да обърнем повече внимание като източници на нови инфекции. (Епидемиолозите вече внимателно наблюдават вирусите, предавани от домашни птици на хората, защото се страхуват от птичи грип.) Вирусите от растения, риби и бозайници вероятно са също толкова опасни за хората. Не по-малко възможно е при изследванията да предскажат следващата епидемия учените да ограничат фокуса си до няколко групи с висок риск.
Холмс има различна гледна точка. „Не мисля, че прогнозите в този случай могат да бъдат ефективни“, казва той. „Разбирам защо се прави това, но броят на новите вируси, които откриваме, е огромен и следователно прогнозите в този случай са просто неподходящи.“
За щастие, този вид анализ стана по-лесен с появата и развитието на метагеномиката, както се нарича клонът на геномиката, който изучава не генома на отделен организъм, а набор от геномна информация, получена от околната среда. Като част от подобни изследвания Холмс и колегите му подбират геномни последователности от различни налични бази данни. Те не се нуждаят от физически проби от вируси и това само по себе си е иновация в областта на изследванията. „Вирологията преминава към нов етап, в който метагеномиката може да бъде използвана за масово изпробване, за да се види какво има“, казва Холмс.
Той също така отбелязва, че днес е по-достъпна нова информация за вирусите и следователно филогенетичните схеми, създадени от него и неговите колеги, в близко бъдеще ще претърпят големи промени. „След три години тези схеми ще бъдат много по-пълни, защото ще открием толкова много нови образци на тези вируси“, обещава Холмс.
Малори Локлеар