Το ρολόι του σώματος προσφέρει ρυθμικό στόχο στους ιούς

Για τουλάχιστον 3.000 χρόνια, οι άνθρωποι γνώριζαν ότι η ελονοσία τρέχει σαν ρολόι, με έναν καταστροφικό πυρετό που κορυφώνεται, εξασθενεί και επιστρέφει σε ένα προβλέψιμο πρόγραμμα. Ο Έλληνας γιατρός Ιπποκράτης παρατήρησε ότι έπαιρνε μορφές 24, 48 και 72 ωρών, και ότι η καθημερινή ποικιλία ήταν πιο θανατηφόρα από τον τριτογενή πυρετό (της δεύτερης ημέρας) και τον πυρετό της τρίτης ημέρας, αν και όλοι μπορούσαν να σκοτώσουν. Αργότερα οι ιατρικές αρχές είχαν τις δικές τους θεωρίες σχετικά με αυτήν την περιοδικότητα: Οι αρχαίοι Ρωμαίοι υποτίθεται πίστευαν ότι οι δαίμονες του αέρα, του νερού και της γης έλεγχαν τους ξεχωριστούς πυρετούς και ότι έδιναν κυκλικές μάχες με τον δαίμονα του ψυχρού. Ακόμη και μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, οι γιατροί προσπαθούσαν να εξηγήσουν την ποδηλασία της ελονοσίας με την ατμοσφαιρική θερμοκρασία.

Αφού οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι διαφορετικά είδη πρωτοζώων ελονοσίας κρύβονταν πίσω από τους πυρετούς, έγιναν περισσότερα:Οι πυρετοί ήρθαν στο αποκορύφωμα της φάσης ασεξουαλικής αναπαραγωγής της ελονοσίας, όταν τα κύτταρα του αίματος του ξενιστή μετατρέπονται σε σάκους που εκρήγνυνται από παράσιτα. Το 2018, ωστόσο, η εξελικτική παρασιτολόγος Sarah Reece στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και οι συνάδελφοί της ανέφεραν μια ενδιαφέρουσα νέα λεπτομέρεια που απουσίαζε από αιώνες προηγούμενων λογαριασμών:Ο χρόνος αυτής της φάσης του κύκλου ζωής του παρασίτου της ελονοσίας φαινόταν να συνδέεται με τους κιρκάδιους ρυθμούς του οικοδεσπότη.

«Αυτό που μάθαμε είναι ότι αυτοί οι κύκλοι οργανώνονται για να επιτρέψουν στο παράσιτο να αποκτήσει πόρους από το φαγητό του οικοδεσπότη», είπε ο Reece. "Πιστεύουμε ότι τα παράσιτα οργανώνονται μόνα τους."

Ο Reece και άλλοι επιστήμονες διερευνούν μια ιδέα που προκαλεί κύματα στη βιολογία:Εάν το σώμα είναι σε κιρκάδιο ρολόι, τότε η εισβολή στο σώμα —είτε από παράσιτο, ιό ή βακτήριο— μπορεί επίσης να διέπεται από ένα ρολόι, είτε σε τον οικοδεσπότη ή στον εισβολέα. Η υιοθέτηση αυτού μπορεί να οδηγήσει σε μια εκ νέου αντίληψη της βασικής βιολογίας της λοίμωξης και της ανοσίας ως μια δυναμική ευαίσθητη στο χρόνο που ποικίλλει ανάλογα με την ώρα της ημέρας.

Ο κύκλος ύπνου είναι μόνο το πιο προφανές παράδειγμα των καθημερινών ρυθμών που έχουν οι οργανισμοί. Σε μοριακό επίπεδο, η μία ώρα της ημέρας δεν μοιάζει με την άλλη:ούτε για τα ηπατικά ένζυμα (τα οποία τακτικά αυξάνονται και μειώνονται σε συγκέντρωση), ούτε για τα διαιρούμενα κύτταρα του δέρματος (τα οποία ποικίλλουν τον ρυθμό αντιγραφής τους) ούτε για κανέναν αριθμό άλλων βιολογικών υποσυστημάτων. Στα θηλαστικά, ένα μήνυμα από μια ευαίσθητη στο φως περιοχή του εγκεφάλου θέτει τρισεκατομμύρια μικροσκοπικά ρολόγια, ένα σχεδόν σε κάθε κύτταρο του σώματος, που σημειώνουν τον 24ωρο κύκλο τους. Τα ρολόγια αποτελούνται από πρωτεΐνες που λειτουργούν ως χρονόμετρα για την έκφραση χιλιάδων γονιδίων. Σε μια πρόσφατη εκτίμηση, περισσότερο από το 80 τοις εκατό των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες στα θηλαστικά μπορεί να εκφράζονται κυκλικά, με υψηλά επίπεδα σε ορισμένες ώρες της ημέρας και χαμηλά σε άλλες.

Μερικά από αυτά τα γονίδια σχετίζονται με το ανοσοποιητικό σύστημα. Για παράδειγμα, ένα ζεύγος πρωτεϊνών που εμπλέκονται στο ρολόι, οι REV-ERBα και REV-ERBβ, ελέγχουν αυστηρά την έκφραση των γονιδίων που είναι κλειδί για τη λειτουργία των μακροφάγων, των επιθετικών κυττάρων του σώματος. Ένα άλλο σύνολο πρωτεϊνών ρολογιού, οι CRY, ρυθμίζουν τα γονίδια που εμπλέκονται στη φλεγμονή, μια πρώιμη γραμμή άμυνας ενάντια σε μια μόλυνση. Το CRY1, το οποίο κάνει κύκλους σε αφθονία κατά τη διάρκεια της ημέρας, κρατά υπό έλεγχο την ενεργοποίηση των φλεγμονωδών παραγόντων. Η απουσία του οδηγεί σε ένα μοριακό σύστημα που ενισχύει την παραγωγή αυτών των ουσιών.

Η παραγωγή λευκών αιμοσφαιρίων, ή λευκοκυττάρων, φαίνεται επίσης να ρυθμίζεται από το ρολόι. Ο αριθμός αυτών των κυττάρων που κυκλοφορούν ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας:Μελέτες έχουν δείξει ότι είναι πιο άφθονα στην αρχή της περιόδου ανάπαυσης ενός οργανισμού - τη νύχτα για τον άνθρωπο, για παράδειγμα, και το πρωί για τα νυκτόβια ποντίκια και τα χάμστερ. Επιπλέον, τα λευκοκύτταρα κινούνται γύρω από το σώμα σε καθορισμένα, προφανώς καλά χρονικά διαστήματα.

«Έχετε λευκοκύτταρα που πηγαίνουν σε συγκεκριμένα όργανα, για παράδειγμα στους λεμφαδένες, με ρυθμικό τρόπο», είπε ο Christoph Scheiermann από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης, ο οποίος μελετά την κιρκαδική δυναμική των λευκών αιμοσφαιρίων. Τα λευκοκύτταρα δεν είναι παντού ταυτόχρονα. φαίνεται να παίρνουν ενδείξεις για να βγουν έξω σε συγκεκριμένες στιγμές.

Ίσως το ανοσοποιητικό σύστημα να λειτουργεί σύμφωνα με ένα ρολόι επειδή ένα ζώο είναι πιο πιθανό να αντιμετωπίσει μια πρόκληση ενώ βρίσκεται στο εξωτερικό στον κόσμο παρά όταν κοιμάται. Μπορεί επίσης να είναι ότι η διατήρηση του ανοσοποιητικού συστήματος σε υψηλή εγρήγορση ανά πάσα στιγμή έχει μειονεκτήματα που το σώμα αποφεύγει αφήνοντας τις άμυνές του να χαλαρώνουν τακτικά.

Η κατάλληλη στιγμή για μια μόλυνση

Επομένως, οι εισβολείς μπορεί να σηκωθούν ή να καταρριφθούν από χαμηλά και υψηλά κατά την ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος, από τη διαθεσιμότητα εκμεταλλεύσιμων πόρων κεντρικού υπολογιστή ή από μυριάδες άλλους παράγοντες που ελέγχει το ρολόι. «Το κυτταρικό περιβάλλον αλλάζει τόσο δραματικά κατά τη διάρκεια 24 ωρών… [τα παθογόνα] θα συναντούσαν κυτταρικά περιβάλλοντα που είτε ήταν περισσότερο ή λιγότερο ευνοϊκά για την αναπαραγωγή και τη διάδοση του ιού», δήλωσε η Rachel Edgar του Imperial College του Λονδίνου, η οποία μελέτησε την επίδραση του ώρα της ημέρας με ιογενή μόλυνση.

Για τη διερεύνηση αυτής της υπόθεσης, η Edgar και οι συνεργάτες της εξέθεσαν ποντίκια σε ερπητοϊό σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Διαπίστωσαν ότι το μέγιστο ιικό φορτίο -δηλαδή πόσο αναδιπλασιάζονταν οι ιοί- ήταν 10 φορές μεγαλύτερο σε ποντίκια που εκτέθηκαν στην αρχή της περιόδου ανάπαυσης σε σχέση με αυτά που εκτέθηκαν στην αρχή της ενεργού περιόδου τους. Ωστόσο, όταν επανέλαβαν το πείραμα με ποντίκια που είχαν κατασκευαστεί με έλλειψη BMAL1, μιας από τις βασικές πρωτεΐνες του ρολογιού, το προστατευτικό αποτέλεσμα της ενεργού περιόδου εξαφανίστηκε:Σε κύτταρα χωρίς ρολόι εργασίας, και οι δύο χρόνοι ήταν εξίσου καλοί για τον ιό.

Περίεργη για το αν αυτή η διαφορά προκλήθηκε από το ποδήλατο στο ανοσοποιητικό σύστημα ή από κάποια άλλη εκδήλωση του ρολογιού σε ένα ολόκληρο ζώο, η ομάδα του Έντγκαρ μόλυνσε κύτταρα ποντικού που απομονώθηκαν σε ένα πιάτο. Αυτά τα κύτταρα παρουσίασαν το ίδιο μοτίβο, με τη μία ώρα της ημέρας να είναι καλύτερη από την άλλη για την ανάπτυξη του ιού, γεγονός που υποδηλώνει ότι κάποια κυκλικά επαναλαμβανόμενη κατάσταση του κυττάρου ξενιστή ήταν σημαντική.

Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι ο ιός παρενέβαινε στην έκφραση του BMAL1 του ξενιστή. Περίπου έξι ώρες μετά τη μόλυνση, ανεξάρτητα από την ώρα που ήταν, ο ιός προκάλεσε αύξηση στα επίπεδα BMAL1 του κυττάρου ξενιστή. Είναι δύσκολο να είμαστε σίγουροι γιατί συμβαίνει αυτό, αλλά δυνητικά, μια διακοπή του ρολογιού του κυττάρου ξενιστή μπορεί να είναι προς όφελος του ιού.

Έχουν εξελιχθεί ιοί για να χειρίζονται το κιρκάδιο ρολόι του ξενιστή; Θα ήταν σίγουρα μια δελεαστική προοπτική:«Αν στοχεύσετε το ρολόι, μπορείτε να αλλάξετε μια ολόκληρη σειρά ενδοκυττάριων συστημάτων με μια πτώση. Μπορείτε να αλλάξετε τη δραστηριότητα της μετάφρασης, της μεταγραφής, του μεταβολισμού — μπορείτε να επαναπρογραμματίσετε το κύτταρο πολύ αποτελεσματικά», συλλογίστηκε ο Edgar.

Διαφορετικές στρατηγικές με βάση το ρολόι

Η τυχαιότητα έχει οδηγήσει πολλούς ερευνητές σε μελέτες για το ρολόι του σώματος. Μερικές φορές, αφού έλαβαν απογοητευτικά ακανόνιστα αποτελέσματα από ένα πείραμα, μπορεί να έχουν ανακαλύψει ότι είχε σημασία ποια ώρα της ημέρας ξεκίνησαν μια διαδικασία. Αυτό είναι που έφερε την Jane McKeating του Τμήματος Ιατρικών Επιστημών του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης σε αυτό το θέμα:αυτή και οι συνάδελφοί της παρατήρησαν περίεργες διαφορές σε μια κλινική δοκιμή ασθενών με ηπατίτιδα C. Όταν οι ασθενείς λάμβαναν μεταμόσχευση ήπατος, ο ιός πάντα επαναμόλυνε το νέο όργανο, αλλά ο ρυθμός αυτής της μόλυνσης ήταν ασυνεπής. Τελικά, προέκυψε ένας υποδηλωτικός συσχετισμός:«Ο χρόνος της μεταμόσχευσης φαινόταν συνδεδεμένος με αυτό που συνέβαινε», είπε.

Πράγματι, σε μια πρόσφατη εργασία, η McKeating και οι συνεργάτες της επιβεβαίωσαν ότι ήταν ευκολότερο για τον ιό της ηπατίτιδας C να εισέλθει στα κύτταρα ορισμένες ώρες της ημέρας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μόλυνσης, βρήκαν, ο ιός χρησιμοποιεί πρωτεΐνες στα ηπατικά κύτταρα που εκφράζονται μόνο σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. Όταν οι ερευνητές απέκλεισαν γενετικά την ικανότητα των κυττάρων να παράγουν BMAL1 και ενίσχυσαν το REV-ERBα, μείωσαν επίσης τα επίπεδα των επιφανειακών πρωτεϊνών και προστάτευσαν τα κύτταρα από μόλυνση.

Στη συνέχεια, όταν οι ερευνητές εξέθεσαν τα κύτταρα νοκ-άουτ στον δάγκειο πυρετό και τον Ζίκα, η έλλειψη BMAL1 εμπόδισε επίσης σοβαρά την ικανότητα αναπαραγωγής αυτών των ιών. Αυτό υποδηλώνει ότι το BMAL1 μπορεί κάποια μέρα να είναι ένας θεραπευτικός στόχος για την αποφυγή ορισμένων ειδών ιών.

Ο ίδιος χειρισμός του ρολογιού μπορεί να έχει διαφορετικά αποτελέσματα, ωστόσο, ανάλογα με τον ιό που εμπλέκεται. Η έλλειψη BMAL1 λειτούργησε καλά για τον ιό του έρπητα, αλλά δεν ήταν τόσο καλή για τους ιούς στη μελέτη του McKeating. Μια τέτοια παραλλαγή μπορεί να είναι ο κανόνας και όχι η εξαίρεση. Κάθε ιός —ή βακτήριο, ή παράσιτο— έχει τη δική του βιολογία, τους δικούς του τρόπους για την επίτευξη των στόχων του. Εάν υπάρχουν καθολικά μεταξύ των τακτικών τους, πιθανότατα  συνδέονται με την κοινή εξελικτική ιστορία ή κοινές στρατηγικές για την πειρατεία ενός κεντρικού υπολογιστή.

Ένας προσωρινός άτλαντας των ιών

Όταν πρόκειται για τα παράσιτα που μελετούν η Reece και οι συνεργάτες της, οι στρατηγικές για μια επιτυχημένη εισβολή περιλαμβάνουν τον συγχρονισμό των αναγκών του παθογόνου στην καθημερινή συμπεριφορά του ξενιστή. Στην ελονοσία, η πρώτη φάση της μόλυνσης βλέπει το παράσιτο να βολεύεται μέσα στα κύτταρα του αίματος του ξενιστή. Συλλέγει τις πρώτες ύλες που χρειάζονται για να ξεκινήσει η αναπαραγωγή. Αλλά πριν μπορέσει να αναπαραχθεί και αφήσει τους απογόνους του να εκραγούν για να μολύνουν νέα κύτταρα, το παράσιτο της ελονοσίας πρέπει να τραφεί. Εδώ μπαίνει ο κιρκάδιος ρυθμός.

Σε πειράματα, όταν τα ποντίκια ήταν ενεργά και τρέφονταν κατά τη διάρκεια της νύχτας ως συνήθως, τα παράσιτα που δημιουργήθηκαν πρόσφατα έσκασαν και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Αλλά αν η Reece και οι συνάδελφοί της τάισαν τα ποντίκια κατά τη διάρκεια της ημέρας, το παράσιτο ολοκλήρωσε τον κύκλο του στη μέση της ημέρας.

«Τα παράσιτα οργανώνουν την ανάπτυξή τους μέσω του κύκλου», είπε ο Reece, έτσι ώστε όταν πεινάνε περισσότερο να συμπίπτει με το πότε η περισσότερη τροφή εισέρχεται στην κυκλοφορία του αίματος από τη σίτιση του οικοδεσπότη. Εάν ο κύκλος του παρασίτου μετατοπιστεί και εκραγεί σε λιγότερο βέλτιστο χρόνο,  το παράσιτο δεν αναπαράγεται ούτε μεταδίδεται επίσης, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο συνηθισμένος χρόνος έχει όφελος επιβίωσης.

Η Reece και οι συνεργάτες της αναρωτιούνται αν αυτό το φαινόμενο υπερβαίνει την ελονοσία — πράγματι, πέρα ​​από το φαινόμενο της ασθένειας. Όταν ένα παράσιτο, είτε πρόκειται για σφήκα, σκουλήκι ή οποιονδήποτε άλλο ωτοστόπ, σκαρφαλώνει σε έναν οικοδεσπότη, θα κάνει ό,τι μπορεί για να κερδίσει ένα πλεονέκτημα, συμπεριλαμβανομένου του χειρισμού της συμπεριφοράς του ξενιστή. Ο συγχρονισμός του κύκλου ζωής του για να βδέλλει αποτελεσματικά έναν οικοδεσπότη, η αξιοποίηση αδύναμων στιγμών στον κύκλο του ανοσοποιητικού συστήματος και ίσως ακόμη και η αλλαγή του κιρκάδιου ρολογιού του οικοδεσπότη θα μπορούσαν να αποτελούν στρατηγικές σε κάθε παράσιτο.

Το κόλπο θα είναι να δούμε αν αυτές οι πληροφορίες μπορούν να αντιστραφούν εναντίον των εισβολέων. Ήδη, μερικές μελέτες έχουν προτείνει ότι τα εμβόλια που χορηγούνται τη σωστή ώρα της ημέρας παράγουν μια πιο ισχυρή ανοσολογική απόκριση. Ίσως οι επιστήμονες θα μπορέσουν τελικά να χρησιμοποιήσουν την κατανόηση του κιρκάδιου ρολογιού για να βελτιστοποιήσουν τη χρήση των φαρμακευτικών προϊόντων — διασφαλίζοντας ότι ορισμένα εμβόλια δεν χρειάζονται συμπληρωματικά ενισχυτικά για να γίνουν πλήρως προστατευτικά, για παράδειγμα, ή καθοδηγώντας τους χρόνους δοσολογίας των φαρμάκων για το καλύτερο αποτέλεσμα.

Ο Έντγκαρ παρουσιάζει ένα μεγάλο όραμα ενός χρονικού άτλαντα ιών, που διασταυρώνεται ανάλογα με το τι κάνουν και πότε. Σε αυτή τη χαρτογράφηση, οι ιοί που χρησιμοποιούν μια κυκλικά εκφρασμένη πρωτεΐνη για να εισέλθουν σε ένα κύτταρο θα είναι μαζί. Αυτά που ευδοκιμούν τη νύχτα και είναι υποτονικά το πρωί θα αναγνωριστούν ως τέτοια, όπως αυτά που χρησιμοποιούν μια δεδομένη μεταβολική οδό ξενιστή για να ξεκινήσουν την ανάπτυξή τους.

Κάποια μέρα, μπορεί να είναι δυνατό να δούμε ένα νέο παθογόνο και να κατανοήσουμε από μια ανάλυση των χαρακτηριστικών του πώς θα ανταποκριθεί στην ώρα της ημέρας.

«Αλλά», σημείωσε, «θα πάρει λίγο χρόνο».