Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło

Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych
Co zawdzięczamy wirusom (2): bakteriofagi, czyli wielopoziomowa gra strategiczna
Co zawdzięczamy wirusom (3): podstępni włamywacze, czyli wirusy w stylu retro
Co zawdzięczamy wirusom (4): dygresja o naszym genomie i ukrytych w nim wirusach
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Wirus odwdzięcza się za gościnę

W drugim odcinku niniejszej serii była mowa o tym, jak bakteriofagi potrafią przynieść korzyść bakterii, w której genomie umieściły swojego uśpionego profaga, powielającego się niezłośliwie w cyklu lizogenicznym. Jedną z korzyści była ochrona przed ponowną infekcją tym samym lub blisko spokrewnionym wirusem. Czy coś podobnego działa także w przypadku retrowirusów atakujących kręgowce? Aczkolwiek nie wchodzi tu w grę mechanizm stosowany przez fagi, wiele badań wskazuje, że produkty ekspresji genów pochodzących od retrowirusów endogennych (ERV) mogą wpływać na układ odpornościowy, a ponadto na różne, nie do końca zbadane sposoby bezpośrednio ograniczać zdolność wirusów egzogennych do infekowania komórek i skutecznego przeprowadzania odwrotnej transkrypcji.

Jeśli endogenizacja zachodzi w warunkach długotrwałej epidemii (kiedy jeden z typów retrowirusa chorobotwórczego może zakażać komórki linii płciowej i instalować swojego prowirusa w ich DNA, po czym łagodnieć wskutek gromadzenia się mutacji), może się zdarzyć, że nosiciele prowirusa uzyskują zwiększoną odporność na zakażenie typem egzogennym. Wydaje się, że coś w tym rodzaju obserwujemy w przypadku retrowirusa KoRV infekującego koale (Phascolarctos cinereus). Wirus ten wywołuje objawy podobne do AIDS u ludzi, choć łagodniejsze: osłabienie układu odpornościowego i w konsekwencji podatność na nowotwory złośliwe i zakażenia oportunistyczne (głównie chlamydiozę).

Ryc. 1.

Jeden z typów KoRV jest zdolny do zakażania bardzo różnorodnych rodzajów komórek, także należących do linii płciowej, i ma w związku z tym skłonność do endogenizacji. Jest to proces ewolucyjny odbywający się na naszych oczach: niektóre populacje koali są w ogóle wolne od KoRV, inne są zakażone praktycznie w 100%. Prowirus w komórkach linii płciowej może ulegać rekombinacji z innymi, dawno zdegradowanymi retrowirusami endogennymi, czego wynikiem są warianty zawierające defekty. Są one wciąż zdolne do namnażania się przez retrotranspozycję i wywoływania szkód, ale mniej zjadliwe niż kompletna forma wyjściowa. Mogą zatem szerzyć się w populacji kosztem nieuszkodzonego wirusa, jednocześnie zapewniając nosicielom zwiększoną odporność na zakażenie egzogennymi krewniakami.1 Dobór może w takiej sytuacji premiować mniejsze zło chroniące przed większym. Niewykluczone, że jest to jeden z częstych scenariuszy skutecznego utrwalania się ERV w genomach gospodarzy.

Pół miliarda lat wyścigu zbrojeń

Kręgowce (Vertebrata) są zaopatrzone w wyjątkowy system odpornościowy, w którym oprócz powszechnej wśród eukariontów odporności nieswoistej (wrodzonej) kluczową rolę odgrywa wysoce zaawansowana odporność swoista (adaptacyjna). System ten, oparty na aktywności limfocytów i komórek prezentujących antygeny, potrafi rozpoznawać olbrzymią liczbę nowych „substancji obcych”, wiązać je za pomocą precyzyjnie dobranych przeciwciał i niszczyć, a także przechowywać pamięć o nowo napotkanych antygenach. Dzieje się to dzięki generowaniu ogromnej zmienności przeciwciał (immunoglobulin) i receptorów limfocytów B i T. Ich geny tworzone są przez składanie (rekombinację) kilku modułów losowo wybranych z puli kilkuset genów obecnych w genomie, a następnie dodatkową modyfikację produktu tego składania. Liczba potencjalnie wytwarzanych przeciwciał jest zatem miliony razy większa niż liczba dziedziczonych genów kodujących przeciwciała. Zauważmy, że ponieważ proces rekombinacji i selektywnego powielania przeciwciał pasujących do antygenów zachodzi w komórkach somatycznych, jakimi są limfocyty, jego wynik nie jest dziedziczony z pokolenia na pokolenie. Każdy osobnik rozwija własną, indywidualną odporność swoistą.

Odporność swoista wyewoluowała najprawdopodobniej w kambrze, ok. 500 mln lat temu. Bezżuchwowce (śluzice i minogi), czyli linie rodowe najdawniej oddzielone od reszty kręgowców, posiadają system alternatywny, który powstał w dużym stopniu niezależnie, choć działa w nieco analogiczny sposób. Zamiast immunoglobulin (białek dopasowywanych do antygenów) rolę przeciwciał odgrywają w nim zmienne receptory limfocytów.

System odporności swoistej pozostałych kręgowców, czyli żuchwowców (Gnathostomata) nie został odziedziczony po dalekich przodkach, ale rozwinął się w stosunkowo krótkim czasie między ostatnim wspólnym przodkiem wszystkich kręgowców a rozejściem się linii ewolucyjnych chrzęstnoszkieletowych i kostnoszkieletowych (u obu grup zasadniczo ten sam system istnieje w rozwiniętej formie).2 Jest to fakt zastanawiający, bo choć rozmaite elementy uczenia się reakcji na antygeny i pamięci immunologicznej występują także u innych organizmów (nie wyłączając prokariontów), różnica jakościowa między tymi rozwiązaniami  prekursorowymi a systemem odporności kręgowców jest uderzająca.

Powstanie tak skutecznej ochrony przed patogenami zbiegło się w czasie z pojawieniem się właściwych retrowirusów (rodzina Retroviridae), które współcześnie atakują wyłącznie kręgowce. Ponieważ retrowirusy są pasożytami wyrafinowanymi, stosującymi pomysłowe strategie w celu uniknięcia rozpoznania i eliminacji przez organizm gospodarza, a przy tym szybko ewoluującymi, można podejrzewać, że z kolei adaptacyjny system odporności swoistej pojawił się jako odpowiedź kręgowców w wyścigu zbrojeń z wirusami.

Kluczowym składnikiem systemu są RAG1 i RAG2, czyli „geny aktywujące rekombinację”, ulegające ekspresji w rozwijających się limfocytach B i T. Kodowane przez nie enzymy (oczywiście nie samodzielnie, ale z pomocą innych białek) regulują proces wycinania, tasowania i łączenia wspomnianych wyżej modułów. Od dość dawna wiadomo, że geny RAG są spokrewnione z genem kodującym transpozazę używaną przez transpozony DNA z grupy nazywanej Transib (transpozaza jest to enzym umożliwiający elementom ruchomym przemieszczanie się w genomie metodą „wytnij i wklej”). Co dziwne, transpozony Transib nie występują u kręgowców, choć można je znaleźć u zwierząt dość blisko z nimi spokrewnionych, np. szkarłupni. W 2016 r. odkryto u lancetnika Branchiostoma belcheri transpozon, który wydaje się „żywą skamieniałością”: w odróżnieniu od swoich krewniaków zawiera odpowiedniki obu genów RAG. Lancetniki nie są kręgowcami, ale należą wraz z nimi do typu strunowców (Chordata). Skoro zatem prekursor kompleksu RAG istniał u prymitywnych strunowców (po czym jego oryginalna forma zanikła w linii rodowej kręgowców), hipoteza zakładająca transpozonowe pochodzenie genów sterujących systemem odporności swoistej stoi na pewniejszym gruncie.

Transpozony DNA tego konkretnego typu trudno nazwać wirusami: ich pochodzenie ginie gdzieś w mrokach wczesnej ewolucji życia na Ziemi i brak dowodów na ich wirusową genealogię; ale są to w każdym razie elementy na ogół „pasożytnicze”, powielające się samolubnie. W tym przypadku jednak ich enzymy zostały wykorzystane przez gospodarza (przodka żuchowców) w nowej funkcji, robiąc zawrotną karierę na jego usługach.

Ssaki, białka osłonki i żyworodność

Często się zdarza, że jakiś produkt ewolucji, ukształtowany pod naciskiem selekcyjnym tak, aby sprawnie pełnić jakieś funkcje biologiczne, okazuje się nagle przydatny w zupełnie nowych zastosowaniach. Zjawisko to nazywamy egzaptacją albo kooptacją. Często prezentowanym przykładem są pióra, które wyewoluowały jako wielofunkcyjna okrywa ciała dinozaurów, ale tylko w jednej z ich linii rodowych – u przodków ptaków – okazały się dodatkowo przydatne jako powierzchnia nośna umożliwiająca aktywny lot. Inny przykład to język, pełniący u czworonogów najrozmaitsze fukcje, a u człowieka zaadaptowany jako jeden z najważniejszych narządów mowy (przy zachowaniu wielu dawnych funkcji). Ponieważ wirusy endogenne przez pewien czas pozostają aktywne jako potencjalne źródło produktów zakodowanych w prowirusie, należy się spodziewać, że od czasu do czasu któryś z tych produktów przyda się gospodarzowi i zostanie przejęty w celu pełnienia nowej funkcji.

Wspominałem w poprzednim wpisie, że jedną z cechą charakterystycznych retrowirusów endogennych (w odróżnieniu od innych retrotranspozonów LTR) jest zachowanie śladów genów zwanych env, kodujących białka, które wchodzą w skład lipidowej osłonki wirusa (zwykle jako glikoproteinowe wypustki/kolce na jego powierzchni). Białka tego typu wiążą się z receptorami błonowymi komórek i umożliwiają fuzję błony komórki i osłonki wirusa. Dzięki tym mechanizmom retrowirus przeprowadza „abordaż” i wtargnięcie do infekowanej komórki, a po zakończeniu cyklu replikacyjnego jego młode wiriony mogą opuścić komórkę.

Białka env mogą zatem stanowić coś w rodzaju „rozpuszczalnika molekularnego”, powodującego fuzję błon komórkowych i kontrolowane (w odróżnieniu od patologicznego) zlewanie się komórek w olbrzymie wielojądrowe syncytia. Z takich syncytiów składa się syncytiotrofoblast, końcowa część łożyska, wnikająca w ścianę macicy.3 Syncytium maksymalizuje powierzchnię wymiany składników odżywczych między matką a zarodkiem/płodem, zarazem stanowiąc barierę dla komórek układu odpornościowego matki. Nie pozostawia bowiem przestrzeni międzykomórkowej, przez które mogłyby się one prześliznąć i zaatakować „obcy” organizm potomka.

Białka biorące udział w tworzeniu synctytiów łożyska, zwane syncytynami, są w prostej linii potomkami białek env „pożyczonych” od retrowirusów i kooptowanych w nowej roli. Wirusy, które ich użyczyły, są od dawien dawna nieaktywne. Moduły prowirusa kodujące białka kapsydu i enzymy umożliwiające odwrotną transkrypcję zostały nieodwracalnie uszkodzone przez liczne mutacje. Natomiast gen env dostał „nowe życie” jako kluczowy element procesu reprodukcyjnego ssaków żyworodnych.

Przygoda ssaków z białkami erv musiała się zacząć już u wspólnych przodków kladu Theria, zanim rozwidliły się linie ewolucyjne łożyskowców (Eutheria) i torbaczy (Metatheria) – czyli zapewne we wczesnej jurze (ok. 190 mln lat temu). Torbacze także tworzą łożysko i także wykorzystują w tym celu białka typu syncytyn.4 Zupełnie niezależnie od ssaków ryby żyworodne (np. piękniczkowate, Poeciliidae) i niektóre jaszczurki (afrykańskie scynki Lubuya ivensii) wykształciły struktury pełniące rolę łożyska i – co już chyba nie powinno dziwić – również zaadaptowały do ich budowy retrowirusowe białka env.

Ryc. 2.

Co ciekawe, uzależniwszy się od pożyczonego białka, ssaki nie zadowoliły się jednorazową egzaptacją genu env, ale co pewien czas (zwykle co kilkadziesiąt milionów lat) wymieniają go na „nowy model”. W różnych liniach rozwojowych łożyskowców następowało pozyskiwanie nowych wariantów erv od retrowirusów endogennych, a także utrata wariantów odziedziczonych po dalszych przodkach. Dwie syncytyny, które ulegają ekspresji u człowieka, są stosunkowo niedawnego pochodzenia. Gen kodujący syncytynę-1 występuje u małp wąskonosych, ale nie szerokonosych, został zatem egzaptowany 30–35 mln lat temu, już po zróżnicowaniu się małp na te dwie grupy. Gen starszej syncytyny-2 występuje u wszystkich małp, choć brak go u wyraków i małpiatek, liczy więc sobie zapewne ok. 40–45 mln lat.

Wirusy a układ nerwowy

Wciąż słabo poznany, ale jak się zdaje, bardzo ważny wkład wirusów w naszą ewolucję zawdzięczamy retrotranspozonom LTR typu TY3-gypsy, czyli prastarym wirusom z rodziny Metaviridae. Pożyczony z ich arsenału gen ARC – a właściwie rodzina genów, której protoplasta pojawił się u wspólnego przodka czworonogów (Tetrapoda) jakieś 350 mln lat temu – ulega ekspresji w komórkach układu nerwowego. ARC zachowuje się podobnie jak wirus: produkuje białko, które z kolei oddziałuje z kodującym je mRNA, obudowując je płaszczem przypominającym kapsyd. Powstające w ten sposób wirusopodobne cząsteczki przekazywane są przez zakończenia synaps, „zakażając” kolejne neurony.

O tym, co dokładnie zachodzi wskutek tej międzykomórkowej wymiany mRNA i jakiego typu informacja jest przekazywana, niewiele jeszcze da się powiedzieć, ale z badań, w których mysi gen ARC poddawano inaktywacji lub wyciszaniu, wynika, że od jego aktywności zależy plastyczność synaps, a pośrednio – organizacja pracy neuronów opraz procesy związane z uczeniem się i pamięcią długotrwałą. Być może nasze zdolności poznawcze, inteligencję i świadomość również w dużym stopniu zawdzięczamy egzaptacji elementów dostarczonych przez wirusy.

Morał

Przykłady wykorzystania elementów genetycznych pochodzenia wirusowego lub transpozonowego przez gospodarzy należących do różnych gałęzi drzewa życia można by długo wyliczać. Wpis na blogu musi zachować rozsądną objętość,  mogłem więc skrótowo zaprezentować tylko kilka z nich. Każdy rok przynosi zaskakujące odkrycia w tej dziedzinie. Nawet ta skromna próbka dowodzi jednak, że to, czym jesteśmy i w jaki sposób przebiegała ewolucja naszych przodków, w znacznym stopniu zależało od działalności wirusów. Tych samych, które infekują nasze komórki i są na ogół sprawcami chorób, często cierpienia i śmierci – a jednak czasem okazują się czynnikiem stymulującym ewolucję albo bezpośrednim źródłem ważnych, a nawet przełomowych innowacji biologicznych.

Faktem jest, że przeważająca większość sekwencji wirusowych i transpozonowych gromadzących się w genomie ulega typowej pseudogenizacji. To, co zostaje poddane „recyklingowi” i wtórnie wykorzystane (egzaptowane geny kodujące białka, sekwencje generujące użyteczne RNA, różnego rodzaju elementy regulatorowe) stanowi w gruncie rzeczy niewielką część pierwotnej zawartości „pasożytniczych” fragmentów DNA (endogennych wirusów, wszelkich retrotranspozonów czy transpozonów DNA) i jeszcze mniejszą część całego genomu. Wirusy nie są z natury ani naszymi wrogami, ani przyjaciółmi, ani narzędziami w ręku jakiejś siły wyższej. Działają bez świadomego celu, tak ukształtowane przez ewolucję, żeby jak najskuteczniej dbać o własny interes. Ale od czasu do czasu wynika z tego znacząca korzyść dla ich „ofiar”, a zatem pamiętajmy, że także z naszego ludzkiego punktu widzenia wirusy nie zasługują na to, żeby postrzegać je stereotypowo jako jednoznaczne zło i zagrożenie.

Przypisy

1) Nie oznacza to, że przyszłość koali rysuje się różowo. Ich populacje są zagrożone z wielu całkiem innych przyczyn (utrata i fragmentacja siedlisk, pożary lasów, konskewencje masowych polowań w przeszłości). Od początku XX w. do naszych czasów liczba koali skurczyła się prawdopodobnie o 99%. W tej sytuacji trwająca epidemia może być gwoździem do trumny gatunku niezależnie od naturalnych procesów endogenizacji wirusa, których zrozumienie jest ważne dla prób opracowania skutecznych szczepionek przeciwko KoRV.
2) Człowiek należy do żuchwowców, a w ich obrębie do kostnoszkieletowych (Osteichthyes). Celowo unikam tu nazwy „ryby kostnoszkieletowe”, bo „ryby” to termin nieformalny, a klad kostnoszkieletowych obejmuje nie tylko ryby. Jedną z grup kostnoszkieletowych są mięśniopłetwe (Sarcopterygia), do których spośród organizmów współczesnych należą trzonopłetwe, dwudyszne i czworonogi (czyli płazy, gady wraz z ptakami i ssaki). Kiedy mówimy o koewolucji kręgowców i wirusów, ważne jest zrozumienie, jak wygląda drzewo rodowe tych pierwszych i gdzie należy w nim szukać rodowodu człowieka.
3) Upraszczam tu skomplikowaną historię ewolucji łożyska, które u ssaków należy do najbardziej zmiennych i najszybciej ewoluujących struktur anatomicznych (co ma związek z egzaptacją białek wirusowych). Powyższy opis dotyczy w każdym razie łożyska człowieka i małp wąskonosych.
4) Wbrew rozpowszechnionym przekonaniom o „prymitywizmie” torbaczy, to biologia rozwojowa łożyskowców jest w większym stopniu odziedziczona po wspólnych przodkach, a reprodukcja torbaczy, z krótką ciążą i długotrwałym „donoszeniem” młodych w torbie lęgowej, jest innowacją tej grupy (i nie stanowi stadium przejściowego między jajorodnością pierwszych ssaków a sposobem reprodukcji łożyskowców). W tym sensie to torbacze są grupą „bardziej zaawansowaną ewolucyjnie”.

Lektura dodatkowa

Ewolucja retrowirusa KoRV w populacji koali: https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/jgv/10.1099/jgv.0.001304
Popularne streszczenie: https://www.nottingham.ac.uk/news/koala-genetics
Rekombinacja jako wstęp do „udomowienia” zjadliwego retrowirusa: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6112702/
Ewolucja syncytyn u łożyskowców: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2012.0507
Torbacze jako ssaki „zaawansowane ewolucyjnie”: https://www.nhm.ac.uk/discover/news/2023/may/marsupials-might-be-the-more-evolved-mammals.html
Jak działa „wirus kognitywny”, czyli gen ARC: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867417315040
Inne przykłady symbiosy wirusów z gospodarzem: https://journals.asm.org/doi/10.1128/jvi.02974-14.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Koala (Phascolarctos cinereus), torbacz, który niechcący stał się żywym laboratorium endogenizacji retrowirusa zachodzącej w czasie rzeczywistym. Foto: Benjamint444. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0).
Ryc. 2. Uproszczone drzewo rodowe naczelnych pokazujące historię endogenizacji genów envFRD i envW (kodujących syncytynę-2 i syncytynę-1) oraz genów retrowirusowych envV i envR kodujących białka także posiadające część właściwości syncytyn (w tym działanie immunosupresyjne, zmniejszające ryzyko konfliktu immunologicznego). Źródło: Esnault et al. 2013 (licencja CC BY 4.0).

One thought on “Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *