Οι ιοί θα προτιμούσαν να μεταπηδήσουν σε νέους οικοδεσπότες παρά να εξελιχθούν μαζί τους

Όταν εξελίσσονται νέα είδη, από πού προέρχονται οι ιοί τους; Ως κάτι περισσότερο από δέσμες ελεύθερης εμβέλειας γενετικού υλικού, οι ιοί χρειάζονται απεγνωσμένα να κλέβουν τον κυτταρικό μηχανισμό και τους πόρους των ξενιστών τους για να αναπαραχθούν, ξανά και ξανά. Χωρίς τον κεντρικό υπολογιστή του, ένας ιός δεν είναι τίποτα.

Λόγω αυτής της εξάρτησης, ορισμένοι ιοί έχουν κολλήσει με τους ξενιστές τους σε όλη την εξέλιξη, μεταλλάσσονται για να κάνουν μικρές προσαρμογές κάθε φορά που ο ξενιστής διακλαδίζεται σε ένα νέο είδος - μια διαδικασία που ονομάζεται συναπόκλιση. Οι άνθρωποι και οι χιμπατζήδες, για παράδειγμα, έχουν ελαφρώς διαφορετικές εκδοχές του ιού της ηπατίτιδας Β, οι οποίες πιθανότατα μεταλλάχθηκαν από μια εκδοχή που μόλυνε τον κοινό τους πρόγονο πριν από περισσότερα από τέσσερα εκατομμύρια χρόνια.

Η άλλη επιλογή - η μετάδοση μεταξύ ειδών - συμβαίνει όταν ένας ιός μεταπηδά σε έναν εντελώς νέο τύπο ξενιστή που σε μεγάλο βαθμό δεν σχετίζεται με τον προηγούμενο. Αυτό το είδος της εξέλιξης του ιού συνδέεται διαβόητα με σοβαρές αναδυόμενες ασθένειες όπως η γρίπη των πτηνών, ο HIV, ο πυρετός Έμπολα και το SARS. Δεδομένης της εξαιρετικής μολυσματικότητας αυτών των ασθενειών, η φαινομενική σπανιότητα της μετάδοσης μεταξύ ειδών φαινόταν τυχερή.

Αλλά πρόσφατα, όταν ερευνητές στην Αυστραλία διεξήγαγαν την πρώτη μελέτη της μακροπρόθεσμης εξέλιξης χιλιάδων διαφορετικών ιών, κατέληξαν σε ένα εκπληκτικό συμπέρασμα:η μετάδοση μεταξύ ειδών ήταν πιο σημαντική και πιο συχνή από ό,τι πιστεύει κανείς. Τα άλματα μεταξύ των ειδών έχουν οδηγήσει τις περισσότερες σημαντικές εξελικτικές καινοτομίες στους ιούς. Εν τω μεταξύ, η συναπόκλιση ήταν λιγότερο συχνή από ό,τι είχε υποτεθεί και ως επί το πλείστον έχει προκαλέσει σταδιακές αλλαγές.

«Έδειξαν μάλλον πειστικά ότι η συναπόκλιση είναι η εξαίρεση και όχι ο κανόνας», είπε ο Pleuni Pennings, εξελικτικός βιολόγος και επίκουρος καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Σαν Φρανσίσκο που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Το εύρημα δεν σημαίνει απαραιτήτως ότι οι αναδυόμενες ασθένειες από τη μετάδοση μεταξύ ειδών είναι πιο σοβαρή ή επικείμενη απειλή από ό,τι έχει υποθέσει η ιατρική επιστήμη. Ωστόσο, αποκαλύπτει ότι η δυναμική της εξέλιξης του ιού μπορεί να είναι εκπληκτικά πολύπλοκη. Εάν οι επιστήμονες έχουν υποτιμήσει πόσο συχνά οι ιοί μπορούν να μετακινηθούν σε νέους ξενιστές, τότε η κατανόηση ποιοι ιοί είναι πιο έτοιμοι να το κάνουν αυτό γίνεται μεγαλύτερη προτεραιότητα.

Δεν υπάρχει έλλειψη λόγων για τους οποίους τα άλματα μεταξύ ειδών φαίνεται απίθανο να επηρεάσουν πολύ την εξέλιξη του ιού. Οι πιθανότητες ενάντια στον ιό να μεταπηδήσει με επιτυχία σε ένα νέο είδος ξενιστή είναι τρομερές. Εάν ο ιός δεν μπορεί να χειραγωγήσει το γενετικό υλικό του ξενιστή και να αναπαραχθεί, τότε αυτό είναι το τέλος της γραμμής. Ένας ιός μπορεί να χρειαστεί να κάνει πολλαπλές προσπάθειες να μολύνει έναν νέο ξενιστή για δεκαετίες ή περισσότερο, συσσωρεύοντας κατάλληλες μεταλλάξεις όλη την ώρα, προτού μπορέσει τελικά να εγκατασταθεί, να αναπαραχθεί και να εξαπλωθεί.

Την περασμένη άνοιξη, για παράδειγμα, μια ομάδα φυσιολόγων και βιοϊατρικών ερευνητών με επικεφαλής τη Susan VandeWoude, καθηγήτρια συγκριτικής ιατρικής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, ανέφερε ένα παράδειγμα μιας ατελή μετάβαση μεταξύ ειδών. Ο VandeWoude μελετά τους φακοϊούς - έναν τύπο ρετροϊού που περιλαμβάνει τον ιό HIV - σε λιοντάρια του βουνού και bobcats. Αυτή και η ομάδα της συνέχισαν να βρίσκουν έναν συγκεκριμένο λεντοϊό bobcat σε λιοντάρια του βουνού στην Καλιφόρνια και τη Φλόριντα. Αλλά κάθε φορά, γενετικά στοιχεία έδειχναν ότι ο ιός προερχόταν από την έκθεση ενός λιονταριού του βουνού σε μολυσμένο bobcat - για παράδειγμα, από την κατανάλωση ενός - και όχι από ένα άλλο μολυσμένο λιοντάρι του βουνού που τον μετέδωσε. Τα ιικά φορτία στα λιοντάρια του βουνού ήταν επίσης χαμηλά, πράγμα που σημαίνει ότι ο ιός δυσκολευόταν να αναπαραχθεί.

Εν ολίγοις, ο ιός εισχωρούσε στους νέους ξενιστές γάτας, αλλά δεν έκανε κλικ με αυτό το περιβάλλον του σώματος αρκετά καλά για να εδραιωθεί. «Σε πολλαπλά συμβάντα μετάδοσης, δεν υπήρχε καμία ένδειξη ότι ένας νέος ιός αναδιπλασιαζόταν τώρα στα λιοντάρια του βουνού», είπε ο VandeWoude. (Αντίθετα, η ομάδα του VandeWoude διαπίστωσε ότι μια μορφή του ιού bobcat είχε κάνει το άλμα σε πάνθηρες της Φλόριντα, οι οποίοι περνούσαν γύρω από μια παραλλαγή προσαρμοσμένη σε αυτούς.) Δεδομένου ότι οι μεταδόσεις μεταξύ των ειδών γάτας είναι τόσο συχνές, ο φακοϊός μπορεί τελικά να μεταλλαχθεί αρκετά για να βρείτε τα λιοντάρια του βουνού κατοικήσιμα, αλλά μέχρι στιγμής αυτό δεν έχει συμβεί παρά τις πολλές ευκαιρίες.

Επιπλέον, όταν οι ιοί πηδούν επιτυχώς από το ένα είδος στο άλλο, μπορούν να γίνουν θύματα της δικής τους επιτυχίας. Ιδιαίτερα σε μικρούς, απομονωμένους πληθυσμούς — δηλαδή πόσα νέα είδη ξεκινούν — οι εξαιρετικά λοιμογόνοι ιοί μπορούν να εξαντλήσουν γρήγορα την προσφορά των διαθέσιμων ξενιστών και να καούν τους εαυτούς τους.

Ως εκ τούτου, φαινόταν ασφαλές για τους ιολόγους να υποθέσουν ότι, ακόμη και αν τα άλματα μεταξύ ειδών συμβαίνουν συχνά μακροπρόθεσμα, η συναπόκλιση των ιών και των ξενιστών τους θα αντιπροσώπευε τον κανόνα. Αλλά τα πραγματικά δεδομένα που υποστηρίζουν αυτή τη θέση ήταν αραιά. "Η ιδέα της τέλειας συναπόκλισης είναι ένα από εκείνα τα πράγματα για τα οποία μαθαίνεις, αλλά αν προσπαθήσεις να βρεις καλά παραδείγματα, είναι πραγματικά σπάνια", είπε ο Pennings.

Ο Έντουαρντ Χολμς, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, και οι Αυστραλοί συνάδελφοί του αποφάσισαν να αντιμετωπίσουν αυτό το μυστήριο κατά μέτωπο. Χρησιμοποιώντας δεδομένα ιικού γονιδιώματος, ανακατασκεύασαν την εξελικτική ιστορία 19 μεγάλων οικογενειών ιών, καθεμία από τις οποίες περιείχε μεταξύ 23 και 142 ιούς που βρέθηκαν σε διάφορους ξενιστές, από θηλαστικά έως ψάρια και φυτά. Δημιούργησαν φυλογενετικά, ή εξελικτικά, δέντρα τόσο για τις οικογένειες των ιών όσο και για τα είδη ξενιστών τους και στη συνέχεια τα συνέκριναν. Σκέφτηκαν ότι εάν ένας ιός είχε συναποκλίνει σε μεγάλο βαθμό με τον ξενιστή του, εξελισσόμενος δίπλα του, τότε το φυλογενετικό δέντρο του ιού θα έπρεπε να μοιάζει με του ξενιστή του:οι προγονικές εκδοχές του ιού θα έπρεπε να έχουν μολύνει τους προγόνους του ξενιστή. Αλλά αν ο ιός μεταπηδά μεταξύ των ειδών, τα δέντρα των ξενιστών και οι ιοί θα φαίνονται διαφορετικά. Η διαφορά εξαρτάται από το πόσα άλματα μεταξύ ειδών γίνονται.

Η μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο PLOS Pathogens , ανέφερε ότι και για τις 19 οικογένειες ιών, οι μεταδόσεις μεταξύ ειδών ήταν συχνές. Σύμφωνα με τον Χολμς, δεν εξεπλάγη όταν είδε ότι κάθε οικογένεια ιών που εξέτασαν είχε μεταπηδήσει μεταξύ των ειδών, αλλά εξεπλάγη με τον αριθμό των φορών που το είχαν κάνει στην ιστορία τους. «Όλοι το κάνουν», είπε. "Είναι πολύ εξαιρετικό."

Όσο για το γιατί οι ερευνητές δεν είχαν αναγνωρίσει τη σημασία των μεταπηδήσεων μεταξύ των ειδών στην εξέλιξη του ιού νωρίτερα, ο Χολμς εξήγησε ότι προηγούμενες φυλογενετικές μελέτες είχαν συχνά πολύ στενή άποψη, εξετάζοντας σχετικά λίγα είδη ξενιστών και ιών σε σύντομες χρονικές κλίμακες. Πάνω από 10 ή 20 χρόνια, μπορεί να μην έχετε άλμα μεταξύ ειδών. «Πάνω από ένα εκατομμύριο, σίγουρα θα το κάνεις», είπε ο Χολμς.

Η νέα τους προσέγγιση «παρέχει ένα πλαίσιο για να αρχίσουμε να εξετάζουμε τις μακροπρόθεσμες συσχετίσεις μεταξύ ξενιστών και ιών», δήλωσε ο John Dennehy, αναπληρωτής καθηγητής βιολογίας στο Queens College, σχετικά με τη μελέτη.

Για τον Χολμς και τους συναδέλφους του, μια ιδέα για το πώς και γιατί συμβαίνει η μετάδοση μεταξύ ειδών προήλθε από την παρατήρησή τους ότι οι ιοί RNA (που χρησιμοποιούν το RNA ως γενετικό υλικό) φαίνεται να πηδούν είδη πολύ πιο συχνά από τους ιούς DNA (που χρησιμοποιούν DNA). «Αυτό πιθανώς οφείλεται στο ότι έχουν υψηλότερο ποσοστό μετάλλαξης», είπε ο VandeWoude. Για τους ιούς RNA, ο συνδυασμός ενός γενικά μικρότερου γονιδιώματος και ενός υψηλότερου ρυθμού μετάλλαξης καθιστά πιο πιθανό να προσαρμοστούν σε ένα νέο περιβάλλον ξενιστή.

Ο Χολμς εντοπίζει επίσης την τάση στις διαφορετικές ιστορικές ζωής των ιών RNA και DNA. Οι λοιμώξεις από τον ιό RNA είναι συχνά οξείες αλλά παροδικές, έρχονται και παρέρχονται σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα — όπως με τη γρίπη ή το κοινό κρυολόγημα. Αυτή η παροδικότητα σημαίνει ότι ο ιός μπορεί να χάσει την ευκαιρία του να είναι μέρος του διαφορετικού είδους ξενιστή. «Εάν είστε οξύς ιός, έχετε αποτέλεσμα μόνο για λίγες ημέρες ή εβδομάδες», είπε ο Χολμς. «Η συναπόκλιση είναι πολύ δύσκολο να γίνει κατά μέσο όρο. Δεν είστε αρκετά κοντά.»

Αντίθετα, οι λοιμώξεις από τον ιό DNA είναι συχνά χρόνιες. Όταν μέρος του πληθυσμού του ξενιστή διασπάται για να γίνει νέο είδος, είναι πιο πιθανό να φέρει τον ιό μαζί του, επειδή μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού θα μολυνθεί. Αυτό αυξάνει τις πιθανότητες να αποκλίνει ο ιός με τους νέους ξενιστές του.

Ο τρόπος ζωής του ξενιστή παίζει επίσης ρόλο στη μετάδοση του ιού και τις πιθανότητες συναπόκλισης έναντι άλματος μεταξύ ειδών. «Γνωρίζουμε ότι το μέγεθος και η πυκνότητα του πληθυσμού του ξενιστή είναι πραγματικά σημαντικά για τον καθορισμό του αριθμού των ιών που έχουν», είπε ο Χολμς. Χρησιμοποίησε τις νυχτερίδες ως παράδειγμα:Οι νυχτερίδες έχουν μια τάση να μεταφέρουν πολλούς διαφορετικούς ιούς, αλλά αυτό τουλάχιστον εν μέρει οφείλεται στο ότι «υπάρχουν πάρα πολλές νυχτερίδες». Με τόσο μεγάλους πληθυσμούς, είναι πιο πιθανό να προσβληθούν από ιούς. «Ένας πολύ απλός κανόνας της οικολογίας είναι ότι όσο περισσότεροι οικοδεσπότες υπάρχουν, τόσο πιο επιθετικά πράγματα μπορούν να μεταφέρουν», είπε ο Χολμς. "Η πιθανότητα ένας ιός να βρει έναν ευαίσθητο ξενιστή είναι απλώς μεγαλύτερη."

Μια Επιστήμη του 1975 Έγγραφο από τον Francis L. Black του Πανεπιστημίου Yale παρείχε κάποια εικόνα για το πώς επηρεάζονται οι ανθρώπινες ασθένειες από τη δυναμική του πληθυσμού ενός ξενιστή. Εξετάζοντας αρκετά απομονωμένες, μικρές κοινωνίες ιθαγενών ανθρώπων του Αμαζονίου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αν και συχνά μπορούσαν να ανιχνεύσουν χρόνιες ιογενείς λοιμώξεις, οι οξείες λοιμώξεις απουσίαζαν σε μεγάλο βαθμό. Η απομόνωση κράτησε τις φυλές προστατευμένες από νέους ιούς. Οι λίγοι ιοί που εισήλθαν, αν ήταν οξείς, γρήγορα διέσχισαν τις μικρές φυλές και εξαφανίστηκαν. Χωρίς πολλούς ξενιστές για να τους συντηρήσουν, οι ιοί εξαφανίστηκαν γρήγορα.

Ο κίνδυνος νέων ασθενειών

Η ανακάλυψη ότι η μετάδοση μεταξύ ειδών έχει συμβεί τόσο συχνά μπορεί να φαίνεται ανησυχητική, δεδομένης της συσχέτισής της με σκληρές αναδυόμενες ασθένειες. Με τόσα πολλά άλματα που έχουν συμβεί στο παρελθόν, το μέλλον έχει περισσότερο το ίδιο;

Οχι απαραίτητα. «Τα ιστορικά ποσοστά άλματος δεν προβλέπουν απαραίτητα το μέλλον, ειδικά όταν πρόκειται για τους ανθρώπους», είπε ο Pennings. Ο τρόπος που ζούμε σήμερα είναι τόσο διαφορετικός από τον τρόπο που ζούσαν οι άνθρωποι μόλις πριν από λίγους αιώνες, ο κίνδυνος εμφάνισης ασθενειών είναι επίσης πιθανός διαφορετικός.

Οι άνθρωποι φέρουν επίσης πολλούς ιούς. Έχουμε επίσης μεγάλους πληθυσμούς και είμαστε απίστευτα κινητοί, που σημαίνει ότι φέρνουμε ιούς σε νέους, ευαίσθητους ξενιστές πολύ εύκολα. «Έχουμε όλων των ειδών τις συμπεριφορές που μας θέτουν σε κίνδυνο για όλα τα είδη των πραγμάτων, επειδή μας αρέσει να πηγαίνουμε σε μέρη όπου μάλλον δεν θα έπρεπε, παίρνουμε πολλά ρίσκα, τρώμε πράγματα που πιθανώς δεν πρέπει να τρώμε». είπε ο VandeWoude. "Είμαστε πιθανώς οι χειρότεροι παραβάτες και ίσως ο μεγαλύτερος στόχος για μετάδοση μεταξύ ειδών μόνο και μόνο επειδή κάνουμε τόσα πολλά τρελά πράγματα."

Και το να κάνουμε αυτά τα τρελά πράγματα συχνά μας οδηγεί να προσκρούσουμε σε άλλα είδη. Όσο περισσότερο το κάνουμε αυτό, τόσο περισσότερο εκτιθέμεθα σε νέους ιούς και τα είδη που μας εκθέτουν σε μεγαλύτερο κίνδυνο είναι αυτά με τα οποία αλληλεπιδρούμε περισσότερο. "Είναι πιο πιθανό να πάρουμε κάτι από αρουραίους παρά από τίγρεις", είπε ο Pennings.

Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες της εξελικτικής ιστορίας του ιού μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες να καταλάβουν εάν υπάρχουν είδη στα οποία πρέπει να δώσουμε μεγαλύτερη προσοχή ως πηγές νέων λοιμώξεων. (Οι επιδημιολόγοι ήδη παρακολουθούν στενά τους ιούς που κινδυνεύουν να περάσουν από τα πουλερικά στον άνθρωπο λόγω των φόβων για τη γρίπη των πτηνών.) Ίσως οι ιοί από φυτά, ψάρια και θηλαστικά να είναι εξίσου επικίνδυνοι για τον άνθρωπο ή ίσως αυτοί οι ερευνητές που προσπαθούν να προβλέψουν την επόμενη επιδημία μπορούν να περιορίσουν την εστίασή τους σε μια επιλεγμένη ομάδα υψηλού κινδύνου.

Ο Χολμς έχει διαφορετική άποψη. «Δεν νομίζω ότι η πρόβλεψη είναι καθόλου βιώσιμη», είπε. "Καταλαβαίνω γιατί έγινε, αλλά αυτό που πιστεύω ότι λαμβάνω από αυτό και τον τεράστιο αριθμό νέων ιών που ανακαλύπτουμε είναι ότι απλά δεν είναι βιώσιμο."

Ευτυχώς, τώρα είναι πολύ πιο εύκολο να γίνει αυτό το είδος ανάλυσης με την ανάπτυξη της μεταγονιδιωματικής, τη μελέτη των γονιδιωματικών πληροφοριών που εξάγονται από το περιβάλλον. Για αυτή τη μελέτη, ο Χολμς και οι συνεργάτες του ανέσυραν ιικές γονιδιωματικές αλληλουχίες από μια σειρά από βάσεις δεδομένων που είναι προσβάσιμες στο κοινό. Δεν χρειάστηκε να έχουν φυσικά δείγματα κανενός από τους ιούς, κάτι που είναι μια σχετικά νέα κατεύθυνση για αυτό το πεδίο. "Η ιολογία περνά σε μια νέα φάση όπου, με τη μεταγονιδιωματική, μπορείτε τώρα να κάνετε αυτό το υλικό μαζικής δειγματοληψίας μόνο για να δείτε τι υπάρχει", είπε ο Χολμς.

Ο Χολμς σημείωσε επίσης ότι επειδή είναι πλέον τόσο εύκολη η πρόσβαση σε νέες πληροφορίες σχετικά με τους ιούς, τα φυλογενετικά δέντρα που δημιούργησαν ο ίδιος και οι συνάδελφοί του θα αλλάξουν πολύ στο εγγύς μέλλον. «Σε τρία χρόνια, αυτά τα δέντρα θα είναι πολύ πιο γεμάτα επειδή θα έχουμε βρει τόσα πολλά νέα δείγματα αυτών των ιών», είπε.