Tag: symbioza

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

Piotr Gąsiorowski1 Comment 
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).

Co zawdzięczamy wirusom (2): bakteriofagi, czyli wielopoziomowa gra strategiczna

Piotr Gąsiorowski2 komentarze 
Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych
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 (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Nasz superorganizm

Według najnowszych oszacowań organizm zdrowego dorosłego człowieka zawiera mikrobiotę, na którą składa się średnio około 3,9 ∙ 1013 (39 bilionów) jednokomórkowych mikroorganizmów. Są wśród nich archeowce i eukarionty, ale znakomita większość naszej mikrobioty to bakterie. Jest ich kilkaset razy więcej niż wszystkich pozostałych drobnoustrojów razem wziętych. Powyższa liczba jest nieco większa niż szacowana liczba naszych własnych, ludzkich komórek, a jeśli weźmiemy pod uwagę, że ok. 84% komórek ludzkiego ciała to czerwone krwinki, w których zanika jądro wraz z DNA, to my, ludzie (Homo sapiens) jesteśmy szczęśliwymi posiadaczami (a raczej gospodarzami) genomów bakteryjnych w liczbie mniej więcej dziesięciokrotnie przewyższającej liczbę kopii naszego własnego genomu.

Co więcej, o ile ludzkie komórki zawierają niemal stuprocentowo identyczne, bliźniacze zestawy genów, to liczba gatunków mikroorganizmów, które nas zamieszkują, sięga grubych tysięcy, a genom każdego z nich jest inny. Oznacza to dostęp do ogromnego bogactwa produktów genów bakteryjnych, których nasz organizm nie byłby w stanie syntetyzować samodzielnie. Genom ludzki zawiera ok. 20 tysięcy genów. „Superorganizm”, na który składają się także wszyscy nasi mali towarzysze, ma potencjalnie do dyspozycji wiele milionów różnych genów. Niektóre związki syntetyzowane dzięki nim przez bakterie mają zasadnicze znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania na przykład ludzkiego układu odpornościowego, a także naszego ulubionego narządu – mózgu. Mikroorganizmy żyjące na naszej skórze i na błonach śluzowych, w jamie ustnej, w układzie moczowo-płciowym, a przede wszystkim w jelitach, gdzie rezyduje ich przytłaczająca większość, są z reguły nie pasożytami, ale komensalami lub symbiontami. Wciąż wiemy stosunkowo niewiele o szczegółach tej symbiozy, ale jedno jest oczywiste: bogata i urozmaicona mikrobiota wydatnie zwiększa szanse na długie i zdrowe życie. Bez bakteryjnych symbiontów, które zaczynają kolonizować organizm noworodka już w pierwszych godzinach i dniach po narodzinach, nie pociągnęlibyśmy długo.

Ale to nie wszystko. Jak w każdym ekosystemie zamieszkanym przez bakterie można w naszej mikrobiocie znaleźć także wirusy infekujące jej członków. Te wirusy to bakteriofagi (dla przyjaciół w skrócie „fagi”), ze względu na właściwości i pochodzenie ewolucyjne dzielone na kilka grup. Ok. 96% z nich należy do klasy Caudoviricetes, czyli „fagów z ogonkami”, w ogóle największej ze znanych grup wirusów na tym poziomie taksonomicznym.1 Jest to niezwykle starożytny klad, koewoluujący z bakteriami od zarania dziejów życia na Ziemi.2 Ze zrozumiałych względów ludzie interesują się fagami mniej niż wirusami atakującymi zwierzęta, a jednak każdy z nas nosi w sobie mniej więcej dziesięć razy więcej fagów niż bakterii. Jest ich kilkaset bilionów.3 Choć ich łączna masa nie przekracza pół grama, każdy z nich wyposażony jest w genom: w przypadku Caudoviricetes jest to dwuniciowe DNA o długości od kilkunastu tysięcy do ponad pół miliona nukleotydów. I nie jest dla nas bynajmniej obojętne, co siedzi w tych genomach. Mówiąc więc o ludzkiej mikrobiocie i jej zdrowiu, nie wolno zapominać o bakteriofagach.

Fagi i ich bakterie

Jako się rzekło, fagi i bakterie żyją razem w układzie pasożyt–gospodarz od kilku miliardów lat. Jedne i drugie mają się na Ziemi znakomicie, co oznacza, że jest to układ oparty na stabilnych strategiach ewolucyjnych. W interesie bakteriofagów nie leżałoby całkowite wyniszczenie bakterii (wymarłyby także razem ze swoimi ofiarami), a z kolei bakterie nie są wobec fagów całkowicie bezbronne. Bakteryjny system obrony antywirusowej potrafi rozpoznawać przynajmniej niektóre fagi i blokować ich replikację. Oczywiście fagi starają się oszukać ten system i tak toczy się odwieczny wyścig zbrojeń zwany koewolucją. Na tym jednak nie koniec. Pasożytnictwo może ewoluować w symbiozę przynoszącą korzyść obu stronom. Wiąże się to ze zdolnością fagów do wchodzenia w tzw. cykl lizogeniczny: fag włącza swoje DNA (zwane profagiem) do genomu bakterii. Gdy bakteria rozmnaża się przez podział, profag replikowany jest razem z resztą genomu i rozmnaża się także, nie zabijając komórek żywicielskich. Dlaczego nie ulegają przy tym ekspresji geny kodujące składniki wirusa, dzięki czemu możliwy byłby „montaż” i wydostanie się z komórki gotowych wirionów? Bo sam profag koduje czynnik hamujący transkrypcję tych genów, tzw. represor.

Ryc. 1.

Bakteria odnosi korzyść z tego rodzaju łagodnej infekcji. Po pierwsze – obecność represora powoduje, że bakteria staje się odporna na infekcje tym samym lub blisko spokrewnionym szczepem faga, blokując jego zdolność do niekontrolowanego namnażania się w jej wętrzu. Po drugie – może użyć swojego faga jako broni biologicznej przeciwko bakteriom konkurencyjnym. Jeśli mamy krewniaczą społeczność bakterii wyposażoną w profagi danego typu, zdarza się (spontanicznie lub pod wpływem stresów środowiskowych), że w niektórych komórkach bakteryjnych działanie represora ustaje i wirus przechodzi w odmienny tryb działania: cykl lityczny. Komórka syntetyzuje jego składniki, tworzą się z nich liczne wiriony, bakteria umiera i rozpada się, uwalniając fagi w postaci zdolnej do zjadliwego zakażania. Siostry i kuzynki bakterii, która właśnie zginęła, są nadal wyposażone w profaga, a zatem dość skutecznie zabezpieczone przed atakiem tych konkretnych wirusów. Pechowa bakteria, u której wirus się uaktywnił w sposób zjadliwy, ginie, ale jej ofiara nie idzie na marne, jeśli bakterie z konkurencyjnych szczepów, rywalizujących o te same zasoby, nie są nosicielami profaga i infekcja jest dla nich zabójcza. Bakteria „kamikaze” zwiększa sukces reprodukcyjny swojego DNA pośrednio, pomagając innym nosicielkom tego samego zestawu genów. A ponieważ w skład tego zestawu wchodzi profag, wirus również uczestniczy w tym sukcesie.

Zdarza się też, że profag traci zdolność powrotu do trybu litycznego i na stałe pozostaje składnikiem genomu swojego gospodarza. W ten sposób bakterie pozyskują geny wirusowe kodujące białka, które mogą się okazać użyteczne w nowych zastosowaniach. Jak zobaczymy w jednym z kolejnych wpisów, nie tylko bakterie zdobywają w ten sposób nowe, przydatne geny.

Prezenty dla gospodarza

Ciekawą klasą białek kodowanych przez profagi są te, które wpływają na zjadliwość bakterii pasożytniczych, pomagają bakteriom bronić się przed eukariotycznymi drapieżnikami lub niszczyć bakterie konkurujące o te same zasoby środowiska. Oprócz białkek pomagających bakteriom np. przyczepiać się do atakowanej komórki lub trawić jej ścianę, a także bakteriocyn hamujących wzrost bakterii pokrewnych, warto wspomnieć egzotoksyny – broń chemiczną, często o mocy piorunującej. Ekspresja takich genów jest regulowana przez osobne czynniki transkrypcyjne, zachodzi więc pomimo faktu, że ekspresja pozostałych genów wirusa jest powstrzymywana przez represor.

Pierwszym poznanym przykładem była toksyna maczugowca błonicy (Corynebacterium diphtheriae), odpowiedzialna za objawy chorobowe zakażenia tą bakterią. Produkuje ją maczugowiec, ale nie na podstawie własnego DNA, tylko genu tox zawartego w profagu – genomie korynefaga β, wirusa infekującego komórki maczugowca i pozostającego w nich w cyklu lizogenicznym. Dziesięć mikrogramów toksyny błoniczej to dla człowieka dawka śmiertelna. Jeszcze bardziej zabójcza trucizna o działaniu neurotoksycznym, botulina typu C1 lub D, potocznie znana jako botoks, kodowana jest z kolei w genomach kilku gatunków fagów, a produkowana w komórkach infekowanej przez nie laseczki jadu kiełbasianego (Clostridium botulinum). Inne dobrze znane bakterie uzbrajane w toksyny przez wirusy to np. przecinkowiec cholery (Vibrio cholerae), gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) czy pałeczka ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa). Choć zatem bakteriofagi nie atakują nas bezpośrednio, to nadają zjadliwość szczepom bakterii, które bez łagodnego zainfekowania fagiem nie byłyby dla nas niebezpieczne.

Sam bakteriofag nie używa kodowanych przez siebie toksyn dla własnych potrzeb, zapewne nie są one także jego oryginalnym wynalazkiem, tylko zostały przejęte w zamierzchłych czasach od dawniejszych bakteryjnych gospodarzy – na przykład pierwotnym źródłem protoplasty genu tox mogły być inne bakterie z typu promieniowców (Actinobacteria), do którego należy Corynebacterium. Jednak to wirus jest właścicielem patentu na aktualną wersję genu kodującego jad i można powiedzieć, że płaci nim za gościnę: zainfekowana bakteria staje się nie tylko odporna dla ponowne zakażenie tym samym wirusem, ale także wyposażona w naprawdę niebezpieczną broń masowego rażenia.

Przyjaciele i wrogowie naszych przyjaciół

Wspomniane bakterie nie są na szczęście normalnymi składnikami naszej mikrobioty. Ponieważ jednak żyją w niej tysiące gatunków bakterii i – jak wskazują niedawno publikowane wyniki badań metagenomicznych – ok. 140 tys. gatunków bakteriofagów (z czego około połowa to wirusy wcześniej nieznane), a cykl lizogeniczny występuje wśród nich powszechnie, łatwo sobie wyobrazić, jak skomplikowane relacje wiążą wszystkich uczestników tego ekosystemu (z człowiekiem włącznie) i jak trudne jest zbadanie ich w szczegółach. Fagi – dzięki swojej zdolności do przełączania się z trybu litycznego na lizogeniczny i odwrotnie – są czynnikiem regulującym równowagę ekologiczną społeczności bakteryjnych. W zależności od sytuacji mogą pomagać bakteriom lub hamować wzrost ich populacji. Bakterie należące do różnych szczepów mogą także „walczyć na fagi”.

Ponieważ bakterie jelitowe są między innymi fabryką neuroprzekaźników, neuropeptydów czy cytokin, od których zależy prawidłowe funkcjonowanie centralnego układu nerwowego (jest to tzw. „oś mózgowo-jelitowa”, obecnie intensywnie badana), a z kolei fagi dynamicznie wpływają na populacje bakterii, to nasze procesy poznawcze, zmiany nastroju czy podatność na choroby neurodegeneracyjne pozostają w znacznym stopniu na łasce bakteriofagów. Podobnie rzecz się ma z układem odpornościowym, tym bardziej, że choć fagi nie atakują naszych komórek, to stale przenikają przez bariery anatomiczno-fizjologiczne do tkanek chronionych przed patogenami, między innymi do krwi, gdzie białka kapsydów wchodzą w bezpośredni kontakt z komórkami odpowiedzi immunologicznej. W tym przypadku udział bakterii jest zbędny. Czego przy okazji uczy się nasz układ odpornościowy i jakie to ma znaczenie dla naszego zdrowia, nie wiemy do końca.

Terapia fagowa?

Już w pierwszej połowie XX w. eksperymentowano z użyciem fagów do zwalczania bakterii chorobotwórczych wprost – na zasadzie „wróg mojego wroga jest moim przyjacielem”. Odkrycie antybiotyków spowodowało, że badania te zeszły na daleki plan. Idea terapii fagowej – w różnych wariantach, wykorzystujących potencjał wirusów na rozmaite, niekoniecznie oczywiste sposoby – wraca co pewien czas, ale w zasadzie nie wyszła poza fazę eksperymentów (Polska ma w tej dziedzinie niebagatelne osiągnięcia, o czym zapewne jeszcze będziemy mieli okazję napisać). Na przeszkodzie stoją między innymi luki w naszej wiedzy o sieci oddziaływań między fagami, bakteriami i organizmem zasiedlonym przez nie wszystkie. Im więcej o nich wiemy, tym bardziej oczywisty staje się także ogrom naszej niewiedzy. Można jednak mieć nadzieję, że w miarę postępu badań uda się pokonać te trudności. Już teraz fagi są za to wdzięcznymi obiektami badań dla inżynierii genetycznej. Można ich użyć na przykład w szczepionkach jako nośnika antygenów białkowych lub DNA kodującego białka patogenu. Te zastosowania są już całkowicie realne i zapewne będą stosowane w szczepionkach nowych generacji.

Spośród trojga laureatów nagrody Nobla z chemii w roku 2018 dwaj (Amerykanin George Smith i Brytyjczyk Gregory Winter) zostali nagrodzeni za rozwinięcie eleganckiej techniki kontrolowanej ewolucji białek „prezentowanych” na powierzchni bakteriofagów.4 Spośród miliardów molekuł namnażanych wraz z wirusami i modyfikowanych przez mutacje selekcjonuje się te o najbardziej pożądanych właściwościach. Metoda ta ma liczne zastosowania praktyczne, od medycznych (otrzymano w ten sposób stosowane już na dużą skalę leki na reumatoidalne zapalenie stawów i choroby autoimmunologiczne) po używanie bakteriofagów jako próbników molekularnych w testach diagnostycznych i katalizatorów w procesach biochemicznych.

Uwagi językowe

Terminy bakteriofag i fag stały się trochę niezręczne, odkąd zaczęliśmy się orientować w najgłębszych pokrewieństwach organizmów żywych. Archeowce (zwane też archeonami) nie są bakteriami w rozumieniu współczesnej systematyki, a wirusy, które je najczęściej atakują, należą w dużej części do specyficznych grup niezbyt podobnych do typowych wirusów bakteryjnych. Ponadto element -fag (z greckiego pʰágos ‘zjadacz, pożeracz’) niezbyt precyzyjnie określa to, co wirusy robią bakteriom. Być może rozsądniej byłoby mówić o bakteriowirusach, archeowirusach i eukariowirusach (co zresztą niektórzy specjaliści starają się robić). Tradycja ma jednak swoje prawa i zapewne „fagi” zostaną z nami jeszcze przez pewien czas.

Ryc. 2.

Przypisy

1) Oczywiście nie oznacza to, że inne grupy nie mają znaczenia. Jest ich kilka i odznaczają się wielką różnorodnością. Interesujące są na przykład archeowirusy, czyli wirusy specjalizujące się w infekowaniu archeowców – bardzo specyficzne, często wrzecionowate lub pałeczkowate. Ich badania rzucają ciekawe światło na przebieg najdawniejszej ewolucji wirusów.
2) Dalekimi krewnymi fagów z ogonkami (których część atakuje także archeowce) są herpeswirusy pasożytujące na zwierzętach (u człowieka wywołują one np. opryszczkę, półpasiec i ospę wietrzną).
3) Dla porównania: liczbę kopii wirusa SARS-CoV-2 w organizmie człowieka w szczytowej fazie zakażenia COVID-19 szacuje się na 109–1011, a łączną masę ich wirionów na 1–100 μg (milionowych części grama).
4) Trzecia laureatka, Frances Arnold (USA), otrzymała nagrodę za podobne osiągnięcia – kontrolowaną ewolucję enzymów, tyle że bez wykorzystania bakteriofagów.

Lektura dodatkowa

Wirusy w ludzkiej mikrobiocie: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00072-6
Cykl lityczny i cykl lizogeniczny (w skrócie): https://pl.khanacademy.org/science/biology/biology-of-viruses/virus-biology/a/bacteriophages
Nagrody Nobla z chemii (2018): https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/prize-announcement/

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Niedawno odkryty wirus Tsamsa z rodziny Siphoviridae, jeden z największych bakteriofagów. Infekuje bakterie z rodzaju Bacillus i może występować jako profag (w cyklu lizogenicznym) laseczki wąglika (B. anthrax). Źródło: Ganz et al. 2014 (licencja CC BY-SA).
Ryc. 2. SSV19, wrzecionowaty archeowirus o ogonku odznaczającym się osobliwą, siedmiokrotną symetrią obrotową. Wirus ten infekuje ekstremofilne archeowce z rodzaju Sulfolobus, żyjące w źródłach wulkanicznych, silnie zakwaszonych (pH 2–3) i gorących (temperatura ok. 75–80 °C). Wirus wytrzymuje te warunki równie dobrze jak jego gospodarz. Źródło: Han et al. 2022 (licencja CC BY-NC-ND).

Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych

Piotr Gąsiorowski5 komentarzy 
Inne wpisy z tej serii:
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 (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Czy toto żyje?

Podręczniki biologii poświęcają wirusom po kilka stron, zwykle wyłączając je ze świata istot żywych. Powód jest dobrze znany. Z jednej strony – wirusy zawierają informację genetyczną, zapisaną na niciach kwasów nukleinowych (DNA lub RNA); używają przy tym tego samego uniwersalnego kodu genetycznego, co organizmy żywe; zdolne są do replikacji, czyli tworzenia swoich kopii potomnych, i do ewolucji, bo mutacje wirusowych genomów powstające od czasu do czasu wskutek niedoskonałości kopiowania podlegają działaniu stale obecnych sił napędowych ewolucji – doboru naturalnego i dryfu losowego. Można je zatem klasyfikować podobnie jak żywe organizmy, dzieląc je na szczepy/gatunki pogrupowane w większe jednostki systematyczne na podstawie pochodzenia od wspólnego przodka. Z drugiej strony – wirusy nie generują energii ani nie produkują potrzebnych związków w cyklach reakcji biochemicznych; nie mają budowy komórkowej, środowiska wewnętrznego ani mechanizmów jego samoregulacji (homeostazy). Brak metabolizmu oraz zdolności do samodzielnej replikacji uważa się zazwyczaj za dowód, że wirusy nie są żywymi organizmami. Według tego poglądu wirusy tylko częściowo spełniają listę warunków składających się na definicję „życia”. Brakuje im minimum autonomii wymaganej od istot żywych.

Jest jednak i trzecia strona. Wirusy są bardzo aktywnymi uczestnikami ewolucji życia na Ziemi, a ze względu na swoją liczebność stanowią być może największy zasób eksperymentalnych innowacji genetycznych, z którego mogą czerpać także „prawdziwe” organizmy. Każdy wirus to osobny genom, a ich ogólną liczbę na Ziemi ocenia się (oczywiście z dużym marginesem niepewności) na kilkadziesiąt kwintylionów (1 kwintylion = 1030). Jest to mniej więcej o rząd wielkości więcej niż liczba wszystkich osobników wszystkich gatunków organizmów komórkowych (wśród których zresztą ogromą większość stanowią prokarionty, zwłaszcza bakterie). Oznacza to, że w żadnym razie nie można ignorować roli wirusów w globalnym obiegu informacji genetycznej. Wirus to może mniej niż pełnoprawny organizm, ale na pewno więcej niż zlepek molekuł.

Z czego się toto składa?

Najistotniejszym składnikiem wirusa jest genom, czyli nić DNA lub RNA zawierająca od około tysiąca do 2,5 mln nukleotydów. Genomy wielu wirusów składają się z pojedynczej, a nie podwójnej nici kwasu nukleinowego. W przypadku jednoniciowego RNA istotna jest jego polarność: może ona być dodatnia (materiał wirusa może zostać wykorzystany wprost jako RNA matrycowe, czyli mRNA) lub ujemna (nić komplementarna do mRNA, która przed translacją musi zostać przepisana na nić o polarności dodatniej). Najmniejsze znane genomy wirusowe zawierają tylko dwa geny kodujące białka; największe (Pandoravirus salinus) – ok. 2,5 tysiąca genów (typowe wirusy kodują od kilkunastu do kilkudziesięciu białek).

Drugi składnik wirusa to opakowanie genomu: płaszcz zbudowany z białek, zwany kapsydem, skomponowany z powtarzalnych modułów (kapsomerów), ułożonych w symetryczną strukturę (zwykle dwudziestościan foremny lub helisę). Niektóre wirusy mają bardziej skomplikowane kapsydy, wyposażone w dodatkowe elementy, jak np. ogonki bakteriofagów, przez które wirus wstrzykuje do komórki bakteryjnej swój materiał genetyczny. Kapsyd chroni genom wirusa podczas transmisji (między opuszczeniem jednej komórki a wtargnięciem do innej) i oddziałuje z komórką gospodarza, umożliwiając wirusowi przeniknięcie do jej wnętrza. U niektórych wirusów (przykładem jest nasz dobry znajomy SARS-CoV-2) kapsyd osłonięty jest dodatkowo otoczką lipidową, z której wystają charakterystyczne wypustki (kolce) zbudowane z glikoprotein.

Ryc. 1.

We wnętrzu wirusa nie zachodzą żadne procesy biochemiczne, żadne przemiany materii ani energii. Wirus biernie korzysta z różnych zewnętrznych „środków lokomocji” w poszukiwaniu swojej ofiary i uktywnia się („ożywa”) dopiero wtedy, gdy ją znajdzie. Genom wirusa zawiera geny pozwalające wyprodukować komponenty kapsydu, ale sam wirus nie dysponuje maszynerią transkrypcyjną i translacyjną potrzebną, żeby na podstawie informacji genetycznej zsyntetyzować białka strukturalne i enzymy niezbędne, by zbudować swoje kopie, zamknąć je w kapsydach i pomóc im opuścić komórkę. Korzysta z wyposażenia żywiciela i jego energii metabolicznej.

Skąd się toto wzięło?

Wirusy są pasożytami ekstremalnymi, całkowicie zależnymi od zasobów gospodarza. Nie są jednak pod tym względem aż tak wyjątkowe, jak mogłoby się zdawać. Obligatoryjne pasożytnictwo lub endosymbioza często prowadzą do zależności tak ścisłej, że pasożyt lub symbiont przestaje być zdolny do samodzielnej egzystencji. Może „odchudzić” swoje DNA, pozbywając się genów kodujących to, czego i tak dostarczyć może gospodarz. Mitochondria organizmów eukariotycznych to prastare alfaproteobakterie, które zachowały tylko fragment swojego pierwotnego genomu, resztę tracąc na rzecz DNA zawartego w jądrze gospodarza. W ten sposób porzuciły samodzielność, stając się organellami komórki żywicielskiej. Ich metabolizm został podporządkowany potrzebom gospodarza. Podobnie ma się rzecz z plastydami (takimi jak chloroplasty roślin), które pochodzą od „udomowionych” cyjanobakterii. W mniej skrajnych przypadkach – np. opisywanych na naszym blogu pasożytniczych parzydełkowców (Myxozoa) – pasożyt pozostaje odrębnym organizmem, ale nie może istnieć samodzielnie  w innej postaci niż spory pozwalające mu się przemieszczać między gospodarzami. Choć jest z pochodzenia zwierzęciem, morfologicznie przypomina jednokomórkowe protisty. Jeden z gatunków Myxozoa utracił nawet mitochondria.

Skoro całkowite uzależnienie od gospodarza i utrata genów niezbędnych do samodzielnego przeżycia nie jest niczym niezwykłym wśród organizmów pasożytniczych lub symbiotycznych, można by bronić punktu widzenia, że środowisko komórki zainfekowanej przez wirusa, który potrafi wykorzystywać jej metabolizm i maszynerię trankrypcyjno-translacyjną do własnych celów, jest – obok płaszcza białkowego – jego fenotypem, tyle że „rozszerzonym” (aby przywołać pojęcie spopularyzowane przez jedną z książek Richarda Dawkinsa). Patrick Forterre, francuski mikrobiolog (notabene autor ogólnie dziś znanego skrótu LUCA, oznaczającego ostatniego wspólnego przodka współczesnych organizmów), zaproponował pojęcie „wirocelu” (virocell) na określenie komórki przekształconej pod wpływem infekcji wirusowej w organizm, którego celem staje się zreplikowanie wirusa. Utożsamia on wirocel z „żywą fazą” istnienia wirusa, podczas gdy wirion (czyli wirus istniejący poza komórką) stanowi fazę nie martwą, ale po prostu przejściowo nieaktywną, tak jak nasiona, zarodniki lub przetrwalniki innych organizmów.

Czy można sobie zatem wyobrazić, że wirusy powstały z dawnych jednokomórkowych pasożytów, u których tendencja do uproszczenia budowy i utraty samodzielności zaszła tak daleko, że znikła sama komórka, a pozostał tylko genom w opakowaniu ochronnym? Nie jest to wykluczone, ale  istnieją też inne hipotezy dotyczące pochodzenia wirusów. Niektórzy badacze widzą w nich „zdziczałe” fragmenty genomu organizmów komórkowych, przypominające transpozony („skaczące geny”), czyli sekwencje DNA, które mogą aktywnie wbudowywać swoje kopie w innych lokalizacjach w genomie komórki – tyle że wirusy rozwinęły zdolność do ucieczki z komórki i infekowania nowych komórek żywicielskich. Jeszcze inna hipoteza zakłada, że wirusy są starsze niż LUCA i wyewoluowały równolegle z formami komórkowymi jako pasożytnicze, „samolubne” replikatory. Mogły też przy okazji pełnić jakieś funkcje korzystne z punktu widzenia ewolucji praorganizmów, np. jako czynniki zapewniające horyzontalny transfer genów.

Ryc. 2.

Ponieważ wirusy stanowią bardzo różnorodną klasę bytów (rozmaitość cykli życiowych i poziomu złożoności, różne formy nośnika informacji genetycznej), nasuwa się podejrzenie, że powstawały kilkakrotnie w różny sposób. Na pewno od miliardów lat koewoluują ze swoimi gospodarzami i dostosowują się do ich cech szczególnych, ale nie jest jasne, dlaczego na przykład co najmniej połowa wirusów roślinnych używa jednoniciowego RNA o polarności dodatniej, podczas gdy ogromna większość bakteriofagów (wirusów atakujących bakterie), a także około jednej trzeciej wirusów zwierzęcych – dwuniciowego DNA. Wirusy tego drugiego typu prawie nigdy nie infekują roślin lądowych. Wirusy RNA bardzo rzadko pasożytują na bakteriach i nigdy (wg obecnego stanu wiedzy) na archeowcach, a z kolei ok. trzech czwartych wirusów atakujących grzyby zawiera dwuniciowe RNA.

Na czyj koszt toto istnieje?

Czasem ten sam gatunek wirusa może infekować eukarionty tak odległe od siebie ewolucyjnie jak roślina i zwierzę, jeśli są z sobą blisko związane ekologicznie (co ułatwia transmisję), ale nie znamy przypadku, żeby bakteriofagi atakowały eukarionta (np. człowieka, pantofelka lub brzozę). Retrowirusy (o których będzie jeszcze mowa) odniosły szczególny sukces ewolucyjny jako pasożyty kręgowców. Wirusy olbrzymie – fascynująca grupa, wśród której można spotkać gatunki przewyższające rozmiarami, objętością genomu i liczbą genów niektóre bakterie – pasożytują głównie na jednokomórkowych eukariontach, np. na pełzakach. Ale niektóre z wirusów olbrzymich (choć nie te największe) atakują zwierzęta. Spośród gatunków o szczególnie złej sławie można tu wymienić rodzaj Orthopoxvirus (pasożytujący na ssakach i owadach, a wywołujący różne typy ospy – prawdziwej, nie wietrznej) oraz ASFV, czyli wirusa afrykańskiego pomoru świń. Żywicielami w jego cyklu życiowym w ojczystej Afryce równikowej były (naprzemiennie) różne lokalne gatunki dzikich świń i pasożytujące na nich kleszcze z rodzaju Ornithodoros. Istnieją nawet wirusy pasożytujące na innych wirusach, tzw. wirofagi. Aby się zreplikować, potrzebują obecności w komórce żywicielkiej innego wirusa, zwykle jednego z wirusów olbrzymich, przy czym blokują albo osłabiają jego zdolność do replikacji, „kradnąc” jej produkty pośrednie.

Ryc. 3.

We wcześniejszym wpisie na naszym blogu Agnieszka Szuster-Ciesielska prezentowała zadziwiająco wyrafinowane manipulacje używane przez wirusy o złożonym cyklu życiowym, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo, że  zakażony żywiciel (ssak) zostanie ukąszony przez komara, który następnie – sam zakażony – przeniesie wirusa na kolejne ssaki.

Wirusy kojarzą się z chorobami zakaźnymi, a ponieważ szybko mutują i potrafią się przystosować do zmiany gospodarza, mogą niespodziewanie pojawić się jakby znikąd, bez uprzedzenia, zastając ludzkość nieprzygotowaną na nowy dla naszego gatunku, groźny patogen. Wszycy doświadczyliśmy tego w sposób dramatyczny podczas pandemii COVID-19, której sprawcą był SARS-CoV-2, jeden z wirusów z pojedynczą nicią RNA o polarności dodatniej (fakt istotny dla opracowania szczepionek opartych na mRNA). Przy tej okazji wzrosła wiedza przeciętnego konsumenta informacji naukowej o tym, czym jest wirus,  czym się różni np. od bakterii i dlaczego chorób wirusowych nie leczy się antybiotykami. Nadal jednak zainteresowanie wirusami ogranicza się przeważnie do kwestii zdrowotnych, jako że zarówno nasz układ odpornościowy, jak i medycyna prowadzą z nimi nieustanną walkę i wyścig zbrojeń. Pierwsze skojarzenia ze słowem wirus to szczepionki, odporność, zachorowania i hospitalizacje. Tymczasem świat wirusów to coś więcej niż choroby. W miniserii, której pierwszym odcinkiem jest niniejszy wpis, przyjrzymy się mało znanym aspektom biologicznego znaczenia wirusów. Zobaczymy też, że wirusy nie zawsze są naszymi wrogami.

Notka historyczno-językowa

W klasycznej łacinie słowo vīrus (o bardzo szacownym rodowodzie indoeuropejskim) oznaczało jad, truciznę, smród lub mętną, śluzowatą ciecz. Było ono (mimo końcówki -us) rodzaju nijakiego i odznaczało się niepoliczalnością (nie miało liczby mnogiej, a w przypadkach innych niż mianownik i biernik (o identycznej formie) używane było rzadko. Od XVIII w. adoptował je język naukowy jako określenie czynników infekcyjnych, o których naturze jeszcze niewiele wiedziano. Pionierzy wakcynologii, od średniowiecznych lekarzy chińskich przez Edwarda Jennera i Ludwika Pasteura, walczyli z chorobami wirusowymi, nie mając pojęcia, kim jest ich przeciwnik – niewidoczny nawet pod mikroskopem optycznym. Dopiero dzięki badaniom Dymitra Iwanowskiego i Martinusa Beijerincka pod koniec XIX w. zrozumiano, że mamy do czynienia z czymś innym niż bakterie chorobotwórcze i zaczęto używać słowa virus w sensie zbliżonym do współczesnego. Po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowano wirusy pod mikroskopem elektronowym w 1938 r. Aż trudno w to uwierzyć, ale w pełni współczesną koncepcję „wirusa” (wraz z zarysem klasyfikacji znanych wirusów) sformułował dopiero w 1957 r. francuski biolog molekularny André Lwoff (Nobel 1965).

W języku polskim wirus ze względu na końcówkę został uznany za rzeczownik rodzaju męskiego. Ściśle rzecz biorąc, waha się, jeśli chodzi o odmianę, między rodzajem męskim ożywionym nieosobowym a męskim nieożywionym. Oznacza to, że jego biernik może przybierać tę samą formę co dopełniacz (wirusa) lub mianownik (wirus). Puryści językowi często nalegają na stosowanie formy biernika wirus w języku formalnym i w mediach, jednak w faktycznym użyciu zdecydowanie (nawet w stylu naukowym) dominuje forma wirusa. Jest to także moja osobista preferencja.

Lektura dodatkowa

Hipotezy na temat pochodzenia wirusów: https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origins-of-viruses-14398218/
Koncepcja wirocelu: https://www.nature.com/articles/ismej2012110
Wirusy a główne grupy organizmów: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2014.00194/full
Historia pojęcia – André Lwoff (1957) o wirusach: https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/micro/10.1099/00221287-17-2-239

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Schemat budowy wirusa Ebola (ZEBOV) wywołującego gorączkę krwotoczną – najgroźniejszego z pięciu znanych gatunków rodzaju Ebolavirus. Autor: David Goodsell – RCSB PDB Molecule of the Month. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 3.0).
Ryc. 2. Bakteriofag T-4, zakażający bakterie Escherichia coli. Jest to jeden z najlepiej poznanych wirusów, służący badaczom jako „gatunek modelowy”. Autor: Victor Padilla-Sanchez. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 3. Szczegółowa rekonstrukcja skomplikowanej, pięciowarstwowej budowy wirusa afrykańskiego pomoru świń (ASFV). Należy on do wirusów olbrzymich (jego genom koduje prawie 200 białek, w tym co najmniej 68 strukturalnych i ponad 100 niestrukturalnych, zaangażowanych w replikację wirusa wewnątrz komórki żywicielskiej). Źródło: Chińska Akademia Nauk (fair use).