Najbardziej niedoceniany materiał genetyczny w historii życia

,,It rises from dormant slumber
Drains life from the host in hunger (…)”

Iced Earth ,,Parasite”

Wszyscy znamy wirusy jako mniej lub bardziej szkodliwe czynniki chorobotwórcze, które zaburzają funkcjonowanie zwierząt, roślin, a nawet bakterii. Pasożytują na komórce wykorzystując jej zasoby do tworzenia swoich kopii, co wydaje się jedynym celem ich istnienia. Czy można zatem powiedzieć, że wirusy są zbędne, są wyłącznie zagrożeniem, które powinno być bezwzględnie zlikwidowane? Może jest także druga strona medalu? Obecnie pojawia się coraz więcej informacji o tych dziwnych tworach, informacji które przedstawiają wirusy, nie tylko jako niszczycielską siłę pasożytującą na genomie, ale jako pewnego rodzaju architektów, którzy mogli być głównymi sprawcami najważniejszych etapów w ewolucji a ich wpływ na to, jak dzisiaj wygląda otaczający nas świat mógł rozpocząć setki milionów lat temu. Dzięki rozwojowi metod sekwencjonowania nowych generacji poznawane są całe wiromy, stąd wiemy że liczba istniejących wirusów znacznie przewyższa liczbę wszystkich żywych komórek na świecie (Raoult and Forterre 2008). W 1 ml słonej wody znajduje się około 1 miliona bakterii, liczba wirusów w tej samej ilości jest dziesięciokrotnie większa, według szacunków w ciągu jednej sekundy 10³¹ bakteriofagów infekuje 10²⁴ bakterii (Villarreal and Witzany 2010)

Hipotezy dotyczące powstania wirusów i ich rola w kształtowaniu genomów

Aby dokładniej zrozumieć jaką rolę mogły odegrać wirusy należy spojrzeć w przeszłość. Szacuje się, że życie powstało około 4 miliardów lat temu. Wszystkie formy żywe,  które obecnie istnieją wzięły swój początek ze świata zamieszkiwanego wyłącznie przez kwasy nukleinowe. W tamtych czasach RNA było zarówno informacją jak i jej formą ekspresji, wydaje się że był to jedyny okres w historii życia gdy genotyp był jednocześnie fenotypem (Cech 2012). Wbrew pozorom mechanizmy ówczesnego świata mogły być zbliżone do tych obecnie, różnicą była skala. Cząsteczki kwasów nukleinowych prawdopodobnie wchodziły ze sobą w mniej lub bardziej trwałe interakcje, tak jak populacje zamieszkujące obecny świat. Układy takie dążąc do symbiozy, mogły doprowadzić do grupowania się prymitywnych genów, możliwe także że wykazywały relacje zbliżone do pasożytnictwa, czy drapieżnictwa. Właśnie w takim dynamicznym środowisku istniały twory które dały początek współczesnym wirusom. Taki scenariusz potwierdzają Koonin i Dolja (2014), którzy prezentują ciekawy pogląd, że obecnie istniejące wirusy są potomkami samolubnych, pozbawionych kapsydu elementów genetycznych zasiedlających dawny świat RNA. Takie struktury mogły być zbudowane z krótkich odcinków RNA, które nie kodowały białek, a do replikacji wykorzystywały mechanizmy molekularne gospodarza.

Istnieją trzy główne hipotezy na temat powstania wirusów. Według pierwszej virus first, powstały one niezależnie od reszty materiału genetycznego. Według tego scenariusza wirusy (a raczej ich protoplaści) mogły powstać w prebiotycznym świecie, a ich pierwszym ,,gospodarzem” był bulion pierwotny. W miarę ewolucji kwasów nukleinowych stały się rodzajem drapieżców, lub pasożytów atakujących ówczesny materiał genetyczny. Hipoteza druga, nazywana też hipoteza redukcji zakłada, że wirusy powstały na skutek redukcji pierwotnych genomów. Hipoteza trzecia to tak zwana teoria ucieczki, według której wirusy są zbuntowanym materiałem genetycznym, który uniezależnił się od reszty genomu i stał się jego pasożytem (Forterre 2006). Niezależnie od tego jak powstały mogły mieć istotny wpływ na wydarzenia kluczowe dla ewolucji życia takie jak: powstanie DNA, zróżnicowanie hipotetycznego ostatniego wspólnego przodka (LUCA – Last Universal Common/Cellular Ancestor) na trzy główne domeny życia, czy też powstanie jądra komórkowego. Oprócz wydarzeń które miał miejsce przed setkami milionów lat, wirusy w subtelny sposób wpływają na bardziej współczesne wydarzenia, a pasożytnictwo nie jest jedyną interakcją w jaką wchodzą z formami komórkowymi.

Forterre (2005) stawia twierdzenie że wirusy jako pierwsze weszły do świata DNA, stając się pierwszymi tworami które nie tylko posiadały materiał genetyczny w formie ,,nowego” kwasu nukleinowego, ale wytworzyły także mechanizmy związane z jego metabolizmem takie jak zdolność do replikacji, czy naprawy, a nawet rekombinacji. Powstanie kwasu dezoksyrybonukleinowego mogło mieć prozaiczną podstawę – konkurencję. Konflikt wirus-gospodarz to, podobnie zresztą jak dziś, nieustanny wyścig zbrojeń, który najlepiej oddaje paradoks czerwonej królowej (żeby stać w miejscu musisz biec). Wirus aby uniknąć mechanizmów obronnych gospodarza dokonywał modyfikacji które pozwalały uniknąć RNaz. Na pewnym etapie zmiany doprowadziły do powstania DNA, materiału bardziej stabilnego i odpornego na degradację niż RNA. Kwestią czasu było zastępowanie pierwotnego RNA w komórkach gospodarzy przez DNA. Wirus po infekcji poprzez odwrotną transkrypcję wbudowywał RNA gospodarza do własnego genomu, który nie mógł zmieścić się w kapsydzie. W pewnym momencie wirus był się rodzajem plazmidu DNA w komórce gospodarza, a w wyniku dalszego pozyskiwania materiału genetycznego stał się chromosomem (wiodącym materiałem genetycznym komórki). W ten sposób pierwotna infekcja mogła doprowadzić nie tylko do powstania genomów DNA, zdolnych do rekombinacji i replikacji, ale też plazmidów i chromosomów bakteryjnych. Idąc dalej, infekcja komórki przez dsDNA  wirusa (wirusa którego materiałem jest dwuniciowy DNA) mogła doprowadzić do powstania dominującej obecnie domeny eukariontów. Hipoteza ta jest nazywana wirusową eukariogenezą (Bell 2001).

Wirusy mogły odegrać rolę nie tylko w ewolucji samych genomów, ale także w powstaniu mechanizmów regulacji ekspresji, które dzisiaj określamy jako mechanizmy epigenetyczne. Nie ulega wątpliwości, że obecne wirusy to rodzaj pasożytów genomu. Właśnie ich pasożytniczy charakter mógł paradoksalnie przynieść ogromną korzyść dla infekowanych osobników. Dynamiczna koewolucja mogła zmusić gospodarza do wytworzenia mechanizmów obronnych do których należy interferencyjny RNA (siRNA i miRNA), jest on rodzajem genetycznego przeciwciała, które specyficznie unieszkodliwia egzogenny materiał. Jednak to nie jedyna jego rola, interferencyjny RNA pierwotnie stanowił mechanizm obronny, ale obecnie jest jednym z podstawowych mechanizmów regulujących ekspresję genów, przez co współtworzy kod epigenetyczny. W ten sposób wirusy mogły się przyczynić do rozwoju mechanizmów regulatorowych.

Wirusy to nie tylko pasożyty

Słowo wirus pochodzi od łacińskiego ,,virus”, oznaczającego truciznę. W wielu aspektach definicja dobrze oddaje naturę tych patogenów, jednak w miarę rozwoju wirusologii molekularnej uzyskiwana jest szersza perspektywa. Obecnie wiadomo, że wirusy mogą wchodzić w interakcje ściśle symbiotyczne, a nawet podlegać symbiogenezie – interakcji w wyniku której której z dwóch osobników w drodze sybiozy powstaje ściśle związany układ. Z podobnym zjawiskiem mamy do czynienia w przypadku porostów, a zapewne także mitochondriów i chloroplastów (Cavalier-Smith 2013). Przykładem zarówno symbionta jak i doskonałego naturalnego wektora genów jest polidnawirus poprawiający przystosowanie pasożytniczych (a dokładniej parazoitycznych) błonkówek. Błonkówki składają jaja w ciałach gąsienic, które stanowią rodzaj inkubatora i zarazem pożywienia dla nowo wyklutych młodych. Wraz z jajami do ciała gospodarza są wprowadzane wiriony, które są nieaktywne w organizmach błonkówek, ich replikacja przebiega wyłącznie podczas produkcji jaj. W ciele gąsienicy wirus uaktywnia się, chroniąc potomstwo muchówek przed mechanizmami obronnymi gospodarza (Hayakawa and Yazaki 1997).

Kolejną kwestią jest postrzeganie wirusów jako ,,złodziei genów”, które na drodze horyzontalnego transferu materiału genetycznego nabywają geny gospodarza. Badania wykazują na bardzo niski poziom homologii między wirusami a ich gospodarzami. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę cząsteczek wirusów w naszym otoczeniu, częstość infekcji, i wreszcie horyzontalny przepływ genów, należało by oczekiwać obecności fragmentów genów gospodarzy w genomach wirusów. Bardziej prawdopodobne jest to, że wirusy to nie ,,złodzieje genów”, ale ich ,,twórcy”. Zaskakującą zdolność do tworzenia nowych genów wykazują między innymi bakulowirusy, w ich przypadku zanotowano nabycie ponad 250 genów, przy utracie zaledwie 12 (Villarreal and Witzany 2010).  Możliwe jest, że genom gospodarza może ,,oswoić” fragment genomu wirusa i włączyć go we własny ,,repertuar genetyczny”. W genomach wirusów elementy genetyczne gospodarza występują rzadko, natomiast sytuacja odwrotna jest całkiem powszechna, szacuje się, że około 50% genomu ssaków (około 90% genomu roślin) pochodzi z genetycznych elementów mobilnych i endogennych wirusów (Forterre and Prangishvili 2013). Doskonałe i jak najbardziej na miejscu jest określenie Witzany’ego [2012], który stwierdził, że genom to nie tylko magazyn informacji, ale też nisza ekologiczna. W takim ujęciu wirusy są pewnego rodzaju architektem tego środowiska.

Wirusy mogą także działać w bardziej widocznej skali czasowej niż ta obserwowana z perspektywy setek tysięcy lat, i mieć wymierne korzyści dla konkretnych osobników. Symbioza może dotyczyć zarówno roślin, zwierząt jak i mikroorganizmów. Szczególnie spektakularnym przykładem współpracy na linii wirus-gospodarz jest gatunek mszyc (Dysaphis plantaginea) w przypadku którego zainfekowane osobniki charakteryzują się mniejszą płodnością, ale w ich przypadku dochodzi do wykształcenia skrzydeł, co znacznie zwiększa możliwości kolonizacyjne (Ryabov et al. 2009). Korzyści dla owadów przynosi także wiele wirusów, które są szkodliwe dla roślin. Przykładem jest wirus brązowej plamistości pomidora – TSWV, który zmniejsza ilość metabolitów wtórnych produkowanych przez roślinę, do ochrony przed owadami, a tym samym ułatwia kolonizację roślin przez wciornastki. (Roossinck 2015). Wirusy mogą być nie tylko patogenami dla roślin, ale też odgrywać istotną rolę w ich przystosowaniu do środowiska. Infekcje wirusowe mogą zwiększać odporność roślin na suszę, wysokie temperatury, czy przymrozki. Co więcej niektóre infekcje wirusowe sprawiają że ta roślina produkuje mniej związków zwabiających roślinożerne owady jak ma to miejsce na przykład przy infekcji wirusem żółtej mozaiki cukinii (Roossinck 2015).

Ostatnim zagadnieniem nad którym warto się zastanowić jest nieśmiertelne pytanie – czy wirusy żyją? Jeszcze 10-15 lat temu odpowiedź byłaby jednoznacznie negatywna, obecnie ogromny postęp technologii molekularnej, oraz rosnąca liczba badań w dziedzinie wirusologii nie pozwalają na jednoznaczną odpowiedź, im więcej wiadomo na temat fizjologii, metabolomiki i biologii molekularnej wirusów tym więcej wątpliwości w tej kwestii się pojawia. Do niedawna uważano, że wirus poza komórką gospodarza jest martwy, nie przejawia żadnej aktywności, dziś już wiadomo że tak nie jest. Przykład wirusa który wykazuje aktywność poza komórką gospodarza jest ATV (Acidianus–Tailed-Virus), który może diametralnie zmieniać formę wirionów w zależności od temperatury (Haring et al. 2005). Co więcej okazuje się że wirusy też mogą ,,chorować”, precyzyjniej mówiąc, mogą być infekowane przez inne wirusy. Największy znany dotychczas wirus – APMV (Acanthamoeba Polyphaga Mimivirus), może być zaatakowany przez innego wirusa -Sputnik, który zyskał miano wirofaga (La Scola et al. 2008). Oprócz potencjalnych możliwości wykorzystania wirofagów w leczeniu infekcji wirusowych, odkrycie przynosi kolejne wątpliwości dotyczące natury wirusów. Czy można jednoznacznie stwierdzić, że nie są formami żywymi? Kwestia pozostaje dyskusyjna, jednak nie można odmówić wirusom ich ogromnego wpływu na obecny kształt życia, który wykracza poza układ gospodarz-patogen. Wirusy są siłą zarówno selekcyjną, która posiada ogromną zdolność do oczyszczania całych nisz ekologicznych (epidemie), jednak z bardziej długofalowej perspektywy stają się do pewnego stopnia czynnikiem adaptacyjnym, zwiększającym dopasowanie do środowiska i w subtelny sposób wpływając na genom nie tylko gospodarza ale też jego bezpośredniego otoczenia.

Autor: Marek Kowalczyk

Bibliografia

Bell, P. J. L. (2001). Viral eukaryogenesis: Was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? Journal of Molecular Evolution 53:251-256.

Cavalier-Smith, T. (2013). Symbiogenesis: Mechanisms, Evolutionary Consequences, and Systematic Implications. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, Vol 44 44:145-+.

Cech, T. R. (2012). The RNA Worlds in Context. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 4.

Forterre, P. (2005). The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. Biochimie 87:793-803.

Forterre, P. (2006). The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions. Virus Research 117:5-16.

Forterre, P., and D. Prangishvili (2013). The major role of viruses in cellular evolution: facts and hypotheses. Current Opinion in Virology 3:558-565.

Haring, M., G. Vestergaard, R. Rachel, L. M. Chen, R. A. Garrett, and D. Prangishvili (2005). Virology: Independent virus development outside a host. Nature 436:1101-1102.

Hayakawa, Y., and K. Yazaki (1997). Envelope protein of parasitic wasp symbiont virus, polydnavirus, protects the wasp eggs from cellular immune reactions by the host insect (vol 246, pg 822, 1997). European Journal of Biochemistry 248:947-947.

Koonin, E. V., and V. V. Dolja (2014). Virus World as an Evolutionary Network of Viruses and Capsidless Selfish Elements. Microbiology and Molecular Biology Reviews 78:278-303.

La Scola, B., C. Desnues, I. Pagnier, C. Robert, L. Barrassi, G. Fournous, M. Merchat, M. Suzan-Monti, P. Forterre, E. Koonin, and D. Raoult (2008). The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. Nature 455:100-U165.

Raoult, D., and P. Forterre (2008). Redefining viruses: lessons from Mimivirus. Nature Reviews Microbiology 6:315-319.

Roossinck, M. J. (2015). Move Over, Bacteria! Viruses Make Their Mark as Mutualistic Microbial Symbionts. Journal of Virology 89:6532-6535.

Ryabov, E. V., G. Keane, N. Naish, C. Evered, and D. Winstanley (2009). Densovirus induces winged morphs in asexual clones of the rosy apple aphid, Dysaphis plantaginea. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106:8465-8470.

Villarreal, L. P., and G. Witzany (2010). Viruses are essential agents within the roots and stem of the tree of life. Journal of Theoretical Biology 262:698-710

Witzany G. (2012). Viruses: Essential Agents of Life, chapter: From Molecular Entities to Competent Agents: Viral Infection-Derived Consortia Act as Natural Genetic Engineers, Springer Netherlands, pp 407-419