Πώς μεταλλάσσονται οι ιοί;

Οι ιοί μεταλλάσσονται μέσω διαφόρων βιολογικών διεργασιών, όπως το σφάλμα αντιγραφής, η αλληλεπίδραση του ιού με τον ξενιστή και εξωτερικοί μεταλλαξιογόνοι παράγοντες όπως οι ακτίνες UV.

Άλφα, Δέλτα, Έψιλον, Λάμδα, Όμικρον… και τόσα άλλα έρχονται! Το να ακούω μόνο αυτά τα ονόματα μου δημιουργεί εφιάλτες. Τα τελευταία δύο χρόνια, ένα νέο όνομα για μια νέα παραλλαγή του COVID-19 εμφανίζεται στην τηλεόραση κάθε λίγους μήνες.

Αυτό συμβαίνει επειδή ο κορωνοϊός συνεχίζει να εξελίσσεται. Ωστόσο, δεν αλλάζει μόνο ο κορωνοϊός. Όλοι οι ιοί αλλάζουν, ακόμη και ο παλιός καλός ιός της γρίπης, γι' αυτό το CDC συνιστά να λαμβάνετε εμβόλιο γρίπης κάθε 6 μήνες.

Αυτές οι ιογενείς αλλαγές προέρχονται από μεταλλάξεις. Είναι φυσιολογικά και δεν μπορούμε να τα αποφύγουμε, επομένως είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς συμβαίνουν.

Τι είναι οι μεταλλάξεις;

Εάν έχετε γράψει ποτέ κώδικα υπολογιστή, γνωρίζετε ότι ακόμη και οι πιο μικρές αλλαγές στον κώδικα μπορούν να αλλάξουν το πρόγραμμα με σημαντικούς τρόπους. Ομοίως, οι μεταλλάξεις του DNA είναι αλλαγές στον βιολογικό μας κώδικα.

Οι μεταλλάξεις είναι βασικά γενετικές αλλαγές. Το γενετικό μας σχέδιο, το DNA, αποτελείται από τέσσερις αζωτούχες βάσεις. Αδενίνη (Α), Θυμίνη (Τ), Γουανίνη (G) και Κυτοσίνη (C). Υπάρχει επίσης το Uracil (U), το οποίο χρησιμοποιείται στο RNA αντί για τη Θυμίνη.

Οι βάσεις Α, Τ, C και G συναρμολογούνται σε συγκεκριμένες αλληλουχίες για να φτιάξουν DNA/RNA. Οποιαδήποτε ανεπιθύμητη αλλαγή στην αλληλουχία αναφέρεται ως μετάλλαξη. Εάν το σχέδιο είναι διαφορετικό, το τελικό προϊόν θα είναι επίσης διαφορετικό. Μια αλλαγή στην αλληλουχία του DNA που περιέχει πληροφορίες - ένα γονίδιο - θα επηρεάσει τον φαινότυπο, δηλαδή τα χαρακτηριστικά που δείχνουμε φυσικά, για παράδειγμα. Μια αλλαγή στο γονίδιο για το χρώμα των ματιών μπορεί να οδηγήσει σε μπλε μάτια αντί για καστανά.

Γενετικές διαταραχές, όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία, μια διαταραχή του αίματος που προκαλείται από ακατάλληλα διαμορφωμένα ερυθρά αιμοσφαίρια, οφείλονται σε αλλαγή σε μία μόνο βάση.

Η μετάλλαξη στη β-σφαιρίνη που προκαλεί δρεπανοκυτταρική αναιμία. (Φωτογραφία :Ody_Stocker/Shutterstock)

Ωστόσο, δεν μας καθιστούν όλες οι μεταλλάξεις άχρηστους, σε κίνδυνο ή νεκρούς. Κάποια μπορεί πραγματικά να είναι ευεργετικά, αλλά τα περισσότερα δεν έχουν ούτε θετικό ούτε αρνητικό αποτέλεσμα. Ορισμένες μεταλλάξεις δεν προκαλούν καν αλλαγές, π.χ. σιωπηλές μεταλλάξεις.

Διαφορετικές μεταλλάξεις DNA. (Φωτογραφία:Soleil Nordic/Shutterstock)

Γενετικές μεταλλάξεις είναι δυνατές σε κάθε οργανισμό που έχει DNA/RNA. Τώρα, επιστρέψτε στην κύρια ερώτηση.

Πώς μεταλλάσσονται οι ιοί;

Πολλά φυσικά συμβάντα μπορούν να αλλάξουν το γενετικό υλικό ενός ιού.

Σφάλματα αναπαραγωγής

Το γονιδίωμα ενός ιού αποτελείται από όλο το γενετικό υλικό που διαθέτει με τη μορφή ζευγών βάσεων. Ουσιαστικά, αυτή είναι ολόκληρη η βιβλιοθήκη για όλα τα γονίδια και οι οδηγίες τους για τα ζωντανά όντα.

Το γονιδίωμα ενός ιού δεν είναι τίποτα σε σύγκριση με αυτό ενός ανθρώπινου κυττάρου (3,2 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων), αλλά μπορεί να έχει μήκος χιλιάδων ζευγών βάσεων. Το γονιδιωματικό υλικό του ιού, είτε είναι DNA είτε RNA, αντιγράφεται και επικολλάται από ένζυμα αντιγραφής, κυρίως ιικές πολυμεράσες.

Οι ιοί στερούνται κάποια από τα εργαλεία που χρειάζονται για την αναπαραγωγή του γενετικού τους υλικού. Έτσι, μολύνουν τα κύτταρα-ξενιστές, καταλαμβάνουν τον μηχανισμό αντιγραφής τους και τα χρησιμοποιούν για να αναπαράγουν το γονιδίωμά τους. Κάθε φορά που ένας ιός μολύνει ένα κύτταρο και αντιγράφεται, αυτός είναι ένας κύκλος αντιγραφής. Έτσι, κάθε φορά που ένας ιός μολύνει περισσότερα κύτταρα και δημιουργεί περισσότερα αντίγραφα του εαυτού του, αναπαράγει το γενετικό του υλικό.

Πώς ένας ιός μολύνει ένα ανθρώπινο κύτταρο. (Φωτογραφία:Naeblys/Shutterstock)

Αν και αυτό είναι το σχέδιο, τίποτα δεν είναι πραγματικά χωρίς σφάλματα. Κάθε φορά που ένας ιός προσπαθεί να δημιουργήσει αντίγραφα του γενετικού του κώδικα, υπάρχουν μεγαλύτερες πιθανότητες για σφάλμα. Είναι παρόμοιο με τη δημιουργία φωτοτυπιών ενός εγγράφου. Εάν δημιουργήσετε τρία αντίγραφα ενός εγγράφου, η πιθανότητα τα αντίγραφα να είναι άψογα είναι μεγάλη. Από την άλλη πλευρά, δημιουργήστε χιλιάδες φωτοτυπίες και θα βρείτε κάποιες σελίδες με γραμμές που λείπουν ή με το μελάνι μουτζουρωμένο, επειδή το μηχάνημα Xerox θερμαίνεται και σταματά να λειτουργεί με κορυφαία απόδοση.

Ομοίως, τα ένζυμα αντιγραφής μπορούν να προσθέσουν λανθασμένα ζεύγη βάσεων στην αλληλουχία DNA/RNA. Με κάθε αυξανόμενο κύκλο αναπαραγωγής, αυξάνονται οι πιθανότητες σφάλματος. Οι ιοί μολύνουν τα κύτταρα και δημιουργούν χιλιάδες αντίγραφα, επομένως οι πιθανότητες για ενδεχόμενες μεταλλάξεις είναι υψηλές. Το ποσοστό μετάλλαξης ποικίλλει επίσης ανάλογα με το γενετικό υλικό.

Ορισμένοι ιοί DNA φέρουν πρωτεΐνες επιδιόρθωσης DNA, ενώ οι ιοί RNA είναι συνήθως μικρότεροι και δεν διαθέτουν τέτοια εργαλεία επιδιόρθωσης. Ένας άλλος παράγοντας είναι ότι οι ιοί RNA έχουν πολυμεράσες επιρρεπείς σε σφάλματα, σε σύγκριση με τους ιούς DNA. Οι πολύ μεγάλοι ιοί RNA έχουν ικανότητα διόρθωσης. Αυτά τα ένζυμα διόρθωσης μπορούν να διασταυρώσουν την αλληλουχία RNA για να δουν εάν έχουν προστεθεί λανθασμένα ζεύγη βάσεων. Αυτό είναι το γενετικό ισοδύναμο του ελέγχου για τυπογραφικά λάθη. Ωστόσο, αυτά τα μόρια διόρθωσης μπορούν επίσης να διορθώσουν εσφαλμένα σφάλματα.

Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, οι ιοί RNA είναι πιο πιθανό να μεταλλαχθούν από τους ιούς DNA.

Αλληλεπιδράσεις ιού-κεντρικού υπολογιστή

Όταν ένας ιός μολύνει έναν ξενιστή, το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή αντεπιτίθεται για να προστατευτεί. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι με την παραγωγή αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS). Είναι εξαιρετικά αντιδραστικά και τοξικά μόρια ικανά να καταστρέψουν το ιικό γενετικό υλικό και να προκαλέσουν μεταλλάξεις.

Μερικοί ξενιστές, όπως οι άνθρωποι, έχουν ορισμένα ένζυμα που ονομάζονται δεαμινάσες. Αυτά τα ένζυμα διατηρούν τη δεξαμενή των αζωτούχων βάσεων (A, T/U, G και C). Μπορούν να μειώσουν τη διαθεσιμότητά τους, επομένως όταν ένας ιός τα μολύνει, δεν έχει τις πρώτες ύλες που απαιτούνται για την αναπαραγωγή του γονιδιώματος.

Για παράδειγμα, φανταστείτε ότι ένας ιός μολύνει ένα ανθρώπινο κύτταρο. Το κύτταρο έχει απαμινάση κυτιδίνης, η οποία διατηρεί τη δεξαμενή των βάσεων DNA, Τ και C. Εάν ο ιός χρειαστεί να προσθέσει T ή C στη γονιδιακή του αλληλουχία όταν προσπαθεί να δημιουργήσει νέα αντίγραφα, δεν θα είναι αρκετά. Η πολυμεράση δεν θα έχει άλλη επιλογή παρά να προσθέσει ένα διαφορετικό ζεύγος βάσεων. Αυτό αναγκάζει εσφαλμένες προσθήκες νουκλεοτιδίων στην αλληλουχία του γονιδιώματος, προκαλώντας μεταλλάξεις. Είναι παρόμοιο με έναν εκτυπωτή που λειτουργεί χωρίς έγχρωμο μελάνι. Θα εξακολουθεί να εκτυπώνεται, αλλά το χρώμα δεν θα είναι το επιθυμητό.

Μερικές φορές, εάν ο οικοδεσπότης είναι πραγματικά άτυχος, δύο ή περισσότεροι ιοί μπορούν να τον μολύνουν ταυτόχρονα. Όταν μολύνουν τον ξενιστή και προσπαθούν να δημιουργήσουν περισσότερα αντίγραφα DNA/RNA, οι ιοί συνδυάζονται και μοιράζονται γενετικές πληροφορίες, προκαλώντας περαιτέρω μεταλλάξεις.

Υπεριώδεις ακτίνες

Οι ιοί που επιπλέουν στο περιβάλλον εκτίθενται στις υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου (UV). Οι ακτίνες UV είναι γνωστό ότι βλάπτουν το γενετικό υλικό. Καθώς οι ιοί εκτίθενται στις ακτίνες UV, ο ρυθμός μετάλλαξής τους αυξάνεται.

Δεν είναι όλοι οι ιοί το ίδιο ευαίσθητοι σε μεταλλάξεις από τις ακτίνες UV. Εξαρτάται από το γενετικό τους υλικό (DNA ή RNA) και το προστατευτικό πρωτεϊνικό περίβλημα που τα περιβάλλει.

Θα σταματήσουν ποτέ να μεταλλάσσονται οι ιοί;

Όχι, οι ιοί δεν θα σταματήσουν να μεταλλάσσονται. Ωστόσο, δεν πρόκειται μόνο για ιούς… η ζωή στο σύνολό της δεν θα σταματήσει να μεταλλάσσεται, καθώς οι μεταλλάξεις είναι ένας σημαντικός τρόπος εξέλιξης της ζωής.

Οι μεταλλάξεις είναι ένα σύστημα λοταρίας για το γονιδίωμα, γιατί δεν ξέρεις αν η μετάλλαξη θα είναι ωφέλιμη ή όχι. Εάν μια μετάλλαξη είναι επιβλαβής, ο οργανισμός πεθαίνει και το γενετικό του υλικό δεν μεταφέρεται. Αυτό μειώνει τις πιθανότητες να μεταδοθεί αυτή η μετάλλαξη σε επόμενες γενιές.

Εάν η μετάλλαξη είναι ευεργετική, ο οργανισμός πιθανότατα τα καταφέρνει καλύτερα στο περιβάλλον του ως αποτέλεσμα. Ο κύριος στόχος ενός ιού είναι να επιβιώσει, πράγμα που το κάνει μολύνοντας τους ξενιστές και αναπτύσσοντας. Οι ισχυρότεροι, πιο αποτελεσματικοί ιοί μολύνουν τους ξενιστές χωρίς να πιαστούν καλύτερα από τους πιο αδύναμους.

Εάν ένας ιός μπορεί να μολύνει διαφορετικά είδη ξενιστή, αυξάνει μόνο τις πιθανότητες επιβίωσής του. Ένα παράδειγμα είναι η μετάλλαξη του κορωνοϊού που της επέτρεψε να περάσει από τη μόλυνση των νυχτερίδων στη μόλυνση των ανθρώπων.

Μην ανησυχείτε, δεν θα διαρκέσει για πάντα.

Μη φοβάσαι. Οι μεταλλάξεις συμβαίνουν κάθε μέρα και δεν είναι όλες κακές. Σε τελική ανάλυση, το omicron κατέληξε να είναι λιγότερο σοβαρός μεταλλαγμένος κορονοϊός, παρά το πόσο εύκολα θα μπορούσε να εξαπλωθεί.

Συμπέρασμα

Οι γενετικές μεταλλάξεις δημιουργούν νέα είδη. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί θα μεταλλάσσονται από καιρό σε καιρό. Το ανθρώπινο DNA μεταλλάσσεται επίσης, αλλά ο πιο εξοπλισμένος μηχανισμός αντιγραφής του DNA μας ξεχωρίζει από τους ιούς. Διαθέτουμε καλύτερους μηχανισμούς επιδιόρθωσης DNA που διορθώνουν τις βλαβερές μεταλλάξεις προτού να έχουν αρνητικό αποτέλεσμα.

Μπορούμε να εντοπίσουμε τη γενεαλογία των ιών και να κατανοήσουμε καλύτερα τα μοτίβα μόλυνσης τους μελετώντας τις ιικές μεταλλάξεις. Μπορούμε να παρακολουθούμε από πού προέρχονται οι ιοί και πώς εξαπλώνονται σε όλο τον κόσμο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τόσα πολλά εργαστήρια παγκοσμίως συνεχίζουν να αναλύουν την αλληλουχία του κορωνοϊού σε ασθενείς προκειμένου να παρακολουθήσουν την εξέλιξή του.