Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych
Co zawdzięczamy wirusom (2): bakteriofagi, czyli wielopoziomowa gra strategiczna
Co zawdzięczamy wirusom (4): dygresja o naszym genomie i ukrytych w nim wirusach
Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Czy szczepionka może nas zmodyfikować genetycznie?

Kiedy podczas pandemii COVID-19 dopuszczono do użytku szczepionki mRNA, jedna z obaw często wyrażanych przez laików dotyczyła wprowadzania do komórek ludzkiego organizmu „obcego materiału genetycznego”, który mógłby doprowadzić do nieodwracalnych dziedzicznych zmian w ludzkim genomie. Zaznaczmy od razu, że była to obawa bezzasadna. Syntetyczne mRNA (informacyjne RNA) zawarte w szczepionkach służy wyłącznie jako matryca do produkcji białka kolca (S) wirusa SARS-CoV-2 w cytoplazmie komórki. Komórka prezentuje to białko na swojej powierzchni, ucząc układ odpornościowy reakcji obronnej na charakterystyczny antygen.

Aby mRNA mogło wpłynąć na ludzki genom, musiałby zostać przekopiowane na DNA, przemycone przez barierę ochronną jądro-cytoplazma i wklejone do genomu. Takie operacje nie są możliwe bez zestawu odpowiednich enzymów, których nie zawiera ani szczepionka, ani nawet sam koronawirus. Sekwencja mRNA w szczepionce jest starannie zaprojektowana tak, aby łącząc się z rybosomami, posłużyło ono do stworzenia zadanej z góry liczby kopii białka S, po czym, jak każde „zużyte” mRNA, ulega szybkiemu zniszczeniu przez rybonukleazy, enzymy pilnujące, żeby zbędne lub omyłkowe transkrypty nie zaśmiecały komórki.

SARS-CoV-2 to wirus z jednoniciowym RNA o polarności dodatniej. Tworzenie wszystkich komponentów, z których „montowane” są kopie wirusa, zachodzi w cytoplazmie bez pośrednictwa DNA. Wirus nie dysponuje żadnymi narzędziami umożliwiających przepisanie RNA na DNA i modyfikację genomu gospodarza. Zauważmy przy okazji, że aby „modyfikacja genetyczna” mogła być przekazywana z pokolenia na pokolenie, musiałaby zajść w komórkach linii płciowej (czyli tych, z których powstają plemniki lub komórki jajowe). Mutacja, która zajdzie w jakiejkolwiek innej komórce ciała, ginie wraz ze śmiercią jej nosiciela.

Centralny dogmat i jak go obalano

W podręcznikach biologii można spotkać zasadę zwaną centralnym dogmatem biologii molekularnej. Sformułował ją Francis Crick w latach 1957–1958 (i powtórzył w roku 1970) w następującej postaci:

• Kiedy informacja genetyczna zostanie przetłumaczona z sekwencji nukleotydowej kwasu nukleinowego na sekwencję aminokwasową białka, nie może zostać przetłumaczona z powrotem na sekwencję nukleotydową ani przepisana z jednego białka na drugie.¹

Tak się pechowo złożyło, że w roku 1965 drugi współodkrywca struktury molekularnej DNA, James Watson, przedstawił „centralny dogmat” w innej postaci, niezgodnej z pierwotną wersją Cricka. Według wersji Watsona informacja genetyczna jest przepisywana z DNA na RNA (lub duplikowana podczas replikacji kwasów nukleinowych), a następnie tłumaczona z RNA na białko. „Dogmat” w wersji Watsona zakazuje natomiast przepisywania informacji sekwencyjnej z RNA na DNA. Przepływ informacji jest jednokierunkowy:

• DNA → RNA → białko

Różnica jest istotna, bo jak dotąd nie odkryto żadnych procesów biologicznych, które naruszałyby zasadę Cricka, natomiast zasada w wersji Watsona bywa „naruszana” na kilka  różnych sposobów. Innymi słowy, wersja Watsona jest po prostu błędna (choć poprawnie opisuje typowe procesy transkrypcji i translacji). Jednak z powodu tego nieporozumienia niemal co roku ktoś ogłasza „obalenie centralnego dogmatu”. W roku 1970 Howard Temin  i David Baltimore „obalili” go dzięki odkryciu enzymów zwanych odwrotnymi transkryptazami (lub rewertazami), za co w 1975 r. otrzymali Nobla z medycyny i fizjologii (czytaj: biologii). Odwrotne transkryptazy syntetyzują podwójną nić DNA na podstawie matrycy, którą jest pojedyncza nić RNA.² Wyizolowano je po raz pierwszy z wirusów onkogennych wywołujących białaczkę u myszy i mięsaka u kur. Szczególnie ważną grupą wirusów RNA wyposażonych w odwrotną transkryptazę są retrowirusy, łączone w rodzinę Retroviridae.

Jak działa retrowirus?

Retrowirusy, podobnie jak koronawirusy, mają genom w postaci jednoniciowego RNA. W każdym kapsydzie upakowane są dwie kopie genomu, obie używane podczas syntezy DNA, co do pewnego stopnia łagodzi skutki faktu, że odwrotna transkrypcja jest podatna na błędy przepisywania. Inaczej niż koronawirusy, retrowirusy kodują własną odwrotną transkryptazę; jej cząsteczki zawarte są w wirionie i dostają się do zainfekowanej komórki wraz z wirusowym RNA i kilkoma białkami pomocniczymi. Po przepisaniu genomu wirusa na DNA trzeba przeszmuglować owo DNA do jądra komórki. Jest kilka wirusowych sztuczek, które ułatwiają taki transport. Na przykład część retrowirusów wykorzystuje fakt, że podczas podziału mitotycznego komórki przejściowo zanika błona jądrowa; inne potrafią poszerzać kanały transportowe otoczki jądra w taki sposób, że nawet cały kapsyd wraz z zawartym w nim materiałem może przeniknąć do środka, a odwrotna transkrypcja zachodzi częściowo lub całkowicie w obrębie jądra. W każdy razie, kiedy już DNA dostanie się na „teren chroniony”, wówczas inny enzym retrowirusa, integraza, powoduje wklejenie DNA z przepisanym genomem wirusowym do genomu gospodarza.

Jak pamiętamy, bakteriofagi integrują kopię swojego genomu z genomem zaatakowanej bakterii w postaci profaga. Retrowirusy robią coś podobnego – z tą istotną różnicą, że ich informacja genetyczna zostaje najpierw przepisana z RNA na DNA. Oczywiście bakterie nie mają jądra, co ułatwia fagom dostęp do genomu komórki żywicielskiej. Retrowirusy mają trudniejsze zadanie, ale przez setki milionów lat nauczyły się sztuki obchodzenia zabezpieczeń. Retrowirusowe DNA włączone do genomu nazywamy prowirusem. Prowirus może pozostać uśpiony nawet przez wiele lat, niewidzialny dla układu odpornościowego. Jeśli w tym czasie zachodzą podziały komórkowe, to DNA wirusowe jest replikowane wraz z całą resztą genomu gospodarza. Gdy jednak wirus się uaktywnia, jego DNA jest przepisywane na mRNA, które z kolei jest transportowane do cytoplazmy, gdzie zachodzi translacja: syntetyzowane są białka wirusa i tworzą się z nich kapsydy, w które pakowane są po dwie kopie genomu w postaci jednoniciowego RNA wraz z odpowiednimi enzymami. Wiriony otaczają się sferyczną osłoną lipidową „pożyczoną” od gospodarza, opuszczają komórkę, osiągają stadium dojrzałości (stają się zdolne do zakażania) –  i w ten sposób cykl życiowy retrowirusa zostaje domknięty.

Retrowirusy jako zagrożenie

Wydawałoby się, że nie mamy szczególnego powodu, żeby lubić retrowirusy. Są to patogeny podstępne, ukrywające się przed odpowiedzią odpornościową zainfekowanego organizmu i tworzące sobie rezerwę uśpionych prowirusów. Co gorsza, często biorą na cel właśnie te komórki, które odpowiadają za pobudzanie odpowiedzi odpornościowej. Klasycznym przykładem są ludzkie  wirusy niedoboru odporności HIV (z rodzaju Lentivirus), wywołujące AIDS. Atakują one kilka typów komórek układu odpornościowego, a zwłaszcza limfocyty Th o kluczowym znaczeniu dla funkcjonowania całego układu (patrz wcześniejszy wpis Agnieszki Szuster-Ciesielskiej).³ Także wirusy z grupy PTLV, zakażające małpy wąskonose, w tym ludzi (jak HTLV-1, pierwszy odkryty retrowirus ludzki), atakują limfocyty Th. U ich nosicieli mogą się rozwijać choroby nowotworowe takie jak ostra białaczka lub chłoniak. Infekcje retrowirusowe są przy dzisiejszym stanie medycyny w zasadzie nieuleczalne, w przypadku HIV opracowano jednak terapie pozwalające łagodzić przebieg zakażenia i nie dopuszczać do rozwoju fazy objawowej, co pozwala ludziom zakażonym prowadzić w miarę normalne życie. Istnieją też retrowirusy niezjadliwe (np. tzw. wirusy pieniste z podrodziny Spumaretrovirinae), niepowodujące żadnych objawów chorobowych mimo chronicznej infekcji.

Retrowirusy wyspecjalizowały się w pasożytowaniu na kręgowcach i robią to skutecznie od co najmniej 450–500 mln lat (skąd to wiadomo, wyjaśnię w kolejnym odcinku serii). Niejednokrotnie udawało im się to, o co laicy podejrzewają szczepionki mRNA: retrowirus infekował komórki linii płciowej i stawał się jako prowirus składnikiem DNA gospodarza przekazywanym z pokolenia na pokolenie. Gdyby skutki takiego dziedziczenia obniżały dostosowanie nosicieli, dobór naturalny szybko eliminowałby z populacji „modyfikacje genetyczne” dokonywane przez wirusa. Wiemy jednak, że nie zawsze się tak dzieje. Raz na pewien czas (rzędu kilku milionów lat) prowirusowi udaje się utrwalić w całej populacji tego czy innego gatunku kręgowca. W linii ewolucyjnej człowieka zdarzało się to wielokrotnie. W rezultacie znacząca część naszego genomu jest pochodzenia retrowirusowego. Jakie są tego skutki, o tym także dowiemy się z kolejnego odcinka.

Tu można jeszcze raz zadać pytanie: czy u osoby zainfekowanej retrowirusem istnieje możliwość przeniesienia z cytoplazmy do jądra materiału genetycznego pochodzącego np. ze szczepionki? Być może odwrotna transkryptaza wirusa mogłaby niechcący przepisać obce mRNA na sekwencję DNA, którą z kolei wirusowa integraza wkleiłaby do jądrowego DNA? Trudno stwierdzić, że coś jest absolutnie niemożliwe, ale z pewnością prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest astronomicznie małe. Wirusy mają swoje egoistyczne interesy i nie są zainteresowane transkrybowaniem jakiegokolwiek RNA poza własnym. Przecież w każdej chwili w cytoplazmie znajduje się mnóstwo molekuł RNA rozmaitego pochodzenia. Odwrotna transkryptaza jest wysoce swoista i ma ściśle określone zadanie: rozpoznać i przepisać sekwencję wirusową i nic ponadto.

W normalnych warunkach komórki ludzkie nie produkują własnych odwrotnych transkryptaz, choć jak zobaczymy, są one kodowane przez pewne szczególne elementy ludzkiego genomu. Rodzajem odwrotnej transkryptazy jest także ludzka telomeraza – enzym odbudowujący (na podstawie matrycy RNA) telomery, czyli fragmenty DNA tworzące ochronne „końcówki” chromosomów, skracane przy podziałach komórkowych. Telomeraza jest aktywna w komórkach linii płciowej i w niektórych komórkach macierzystych, podlegających intensywnym podziałom, poza tym jednak nie ulega ekspresji w zdrowych dorosłych komórkach; może się natomiast uaktywniać w sposób patologiczny w tkankach dotkniętych nowotworami, umożliwiając komórkom nowotworowym niekontrolowane powielanie się. Jednak i telomeraza transkrybuje określoną, swoistą sekwencję, a nie dowolną zabłąkaną molekułę RNA.

W przypadkach absolutnie wyjątkowych, zdarzających się raz na wiele milionów lat, obce (wirusowe) RNA może się załapać jako „pasażer na gapę” i posłużyć jako matryca dla DNA wkomponowanego w genom gospodarza. O tej możliwości również wspomnę w kolejnym wpisie. Ogólnie jednak nie ma obawy, żeby szczepionka zmodyfikowała nas genetycznie.⁴ Jeśli natomiast powiemy, że niektóre wirusy dokonują takiej sztuki, to nie jest to żadna przenośnia, tylko stwierdzenie faktu.

Notka językowa

Jak to często bywa ze skrótowcami polskimi, DNA i RNA nie mają ustalonego rodzaju gramatycznego. Są one częściej używane niż pełne nazwy kwas deoksyrybonukleinowy i kwas rybonukleinowy, które oczywiście byłyby traktowane jako rodzaj męski (nieżywotny). Poprawne jest zarówno przypisywanie obu skrótowcom rodzaju męskiego, jak i nijakiego („dwuniciowy DNA” lub „dwuniciowe DNA”). W niniejszej serii trzymam się drugiej możliwości, ponieważ wydaje mi się, że brzmi naturalniej w swobodnej polszczyźnie, ale zaznaczam, że jest to wybór arbitralny, który nikogo do niczego nie zobowiązuje.

Przypisy

¹⁾ Oryginalne sformułowanie Cricka było zwięźlejsze (patrz ryc. 1), ale rozwinąłem je nieco dla uniknięcia niejednoznaczności. Crick przyznał później, że niefortunnie użył słowa „dogmat”, jak gdyby chodziło o jakiś aksjomat niepodlegający dyskusji, podczas gdy jego zamiarem było przedstawienie założenia fundamentalnego, lecz sprawdzalnego empirycznie.
²⁾ Jest to w istocie proces kilkuetapowy, polegający na zsyntetyzowaniu pojedynczej nici DNA (na podstawie RNA), następnie usunięciu i zdegradowaniu RNA i wreszcie zsyntetyzowaniu drugiej, komplementarnej nici DNA (na podstawie DNA). Odwrotna transkryptaza jest enzymem wielofunkcyjnym, składającym się z domen, które działają jako polimeraza lub rybonukleaza, dzięki czemu może wykonać wszystkie etapy zadania.
³⁾ HIV „przycumowuje” do receptorów CD4, glikoprotein występujących na powierzchni atakowanych typów komórek, wiążąc się dodatkowo z koreceptorami CCR5 lub CXCR4. To związanie umożliwia mu wtargnięcie do wnętrza komórki.
⁴⁾ Gdyby jednak mimo wszystko wskutek jakiegoś nieprawdopodobnego splotu okoliczności syntetyczny odpowiednik koronawirusowego genu białka S został przepisany na DNA i wklejony do genomu ludzkiego, to w najgorszym razie białko zsyntetyzowane na jego podstawie zostałoby zaprezentowane na powierzchni komórki, a następnie rozpoznane jako „wróg” i zniszczone wraz z komórką przez nasz układ odpornościowy. To samo się dzieje po podaniu szczepionki, gdy białko S jest produkowane bezpośrednio na podstawie szczepionkowego mRNA.

Lektura dodatkowa

Francis Crick i „centralny dogmat”: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5602739/
Zakażenia retrowirusami chorobotwórczymi: https://www.medonet.pl/choroby-od-a-do-z/choroby-zakazne,retrowirusy-i-zakazenia-retrowirusowe—objawy-i-leczenie,artykul,1696398.html
Cykl replikacyjny HIV: https://www.niaid.nih.gov/diseases-conditions/hiv-replication-cycle

Opisy ilustracji

Ryc. 1. „Centralny dogmat” w notatkach Francisa Cricka z roku 1957. Warto zwrócić uwagę na strzałkę naszkicowaną linią przerywaną: autor dopuszczał możliwość odwrotnej transkrypcji. Źródło: Cobb 2017 (licencja CC BY-SA).
Ryc. 2. Schemat budowy wirionu wirusa z rodzaju Epsilonretrovirus atakującego ryby (sandacza amerykańskiego, Sander vitreus) i wywołującego u nich nowotwory. Wirion opuszcza komórkę gospodarza w postaci niedojrzałej (po lewej), po czym wskutek działania zawartych w nim enzymów jego struktura wewnętrzna osiąga formę dojdrzałą (po prawej), zdolną do infekowania nowych komórek. Warto zwrócić uwagę na obecne w wirionie gotowe enzymy: odwrotną transkryptazę i integrazę. Źródło: ViralZone, Swiss Institute of Bioinformatics (licencja CC-BY 4.0).