Οι ιοί μπορούν να διασκορπίσουν τα γονίδιά τους ανάμεσα στα κύτταρα και να επανασυναρμολογηθούν

Για έναν ιό, ένα συμπαγές γονιδίωμα συσκευασμένο τακτοποιημένα σε ένα κάλυμμα πρωτεϊνών, η επιβίωση είναι να εισβάλει σε ένα κύτταρο, να αναλάβει τον μηχανισμό παραγωγής πρωτεϊνών για να αναπαραχθεί και στη συνέχεια να εξαπλωθεί σε άλλα κύτταρα. Για να γίνει αυτό με επιτυχία, μπορεί να φαίνεται αυτονόητο ότι το σύνολο του μικρού γονιδιώματος ενός ιού θα πρέπει να βρίσκεται μέσα σε ένα μολυσμένο κύτταρο. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο eLife , ωστόσο, ανατρέπει αυτήν την υπόθεση.

Όχι μόνο ορισμένοι ιοί χωρίζονται σε πολλαπλά τμήματα που μολύνουν τα κύτταρα ξενιστές ξεχωριστά, αλλά όπως ανακάλυψαν τώρα ερευνητές στη Γαλλία, αυτοί οι σπασμένοι ιοί μπορούν να ευδοκιμήσουν με το γονιδίωμά τους διάσπαρτο σαν κομμάτια παζλ σε ένα πλήθος κυττάρων ξενιστών. Κάτι — πιθανώς, η διάχυση μορίων μεταξύ των μολυσμένων κυττάρων — επιτρέπει σε πλήρη ιικά σωματίδια να αναπαραχθούν, να αυτοσυναρμολογηθούν και να μολύνουν εκ νέου.

«Μπορείτε να συγκεντρώσετε όλα τα απαραίτητα γονιδιακά προϊόντα μαζί για να παράγετε νέους ιούς σε ένα κύτταρο που στην πραγματικότητα δεν έχει όλα τα γονιδιακά τμήματα», εξήγησε ο Christopher Brooke, ιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign. P>

«Μια κλασική άποψη στην ιολογία υποθέτει ότι ο κύκλος αντιγραφής του ιού συμβαίνει μέσα σε μεμονωμένα κύτταρα», είπε η Anne Sicard, η επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης και φυτοπαθολόγος στο Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο Γεωργικής Έρευνας (Institut National de la Recherche Agronomique, ή INRA) στο Μονπελιέ. Αλλά στην περίπτωση αυτού του «πολυμερούς» ιού που εξέτασαν η ίδια και οι συνάδελφοί της, «φαίνεται ότι αυτό δεν είναι αλήθεια. Τα τμήματα μολύνουν τα κύτταρα ανεξάρτητα και συσσωρεύονται ανεξάρτητα στα κύτταρα-ξενιστές του φυτού». Πρόσθεσε, «Δείχνει πραγματικά ότι ο ιός δεν λειτουργεί σε μονοκύτταρο επίπεδο, αλλά σε πολυκύτταρο επίπεδο».

Οι πολυμερείς ιοί είναι γνωστοί για πάνω από μισό αιώνα, όταν οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ένας ιός θα μπορούσε να αποτελείται από δύο ή περισσότερα ανεξάρτητα κομμάτια, τα οποία ήταν όλα ζωτικής σημασίας για τη μόλυνση. Ένα κομμάτι μπορεί να είναι απαραίτητο για την παραγωγή βασικών ιικών ενζύμων, για παράδειγμα, ενώ το άλλο θα χρειαστεί για την κατασκευή της κάψουλας στην οποία συσκευάζονται τα ιικά σωματίδια (ή ιοσωμάτια) και μεταφέρονται σε άλλα κύτταρα.

Αλλά το να είσαι πολυμερής εγκυμονεί σημαντικούς κινδύνους. Μέρη του γονιδιώματος μπορούν εύκολα να χαθούν ή να μείνουν πίσω, καταδικάζοντας τα υπόλοιπα σπάζοντας τον κύκλο της μόλυνσης. Επειδή τα τμήματα βρίσκονται συχνά σε διαφορετικές αναλογίες — μερικά μπορεί να είναι κοινά, ενώ άλλα είναι σπάνια — τα σπάνια μπορούν να χαθούν ιδιαίτερα εύκολα.

Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες αναρωτήθηκαν για τους πολυμερείς ιούς από τότε που τους ανακάλυψαν. «Γιατί στο καλό ένας ιός να το κάνει αυτό; Γιατί θα διαχωρίζατε το γονιδίωμά σας; Ποια είναι τα πλεονεκτήματα από αυτά τα τμήματα που συσκευάζονται χωριστά;» ρώτησε ο Mark P. Zwart, ένας εξελικτικός ιολόγος στο Ολλανδικό Ινστιτούτο Οικολογίας.

Για να διερευνήσουν αυτά τα ερωτήματα, οι θεωρητικοί ανέπτυξαν μοντέλα για να προβλέψουν τις συνθήκες υπό τις οποίες αυτός ο πολυμερής τρόπος ζωής θα εξελισσόταν από έναν πιο τυπικό πρόγονο του ιού, όλα βασισμένα στην υπόθεση ότι το πλήρες σύνολο των ιικών τμημάτων έπρεπε να συνδυάσει ένα κύτταρο. Όμως τα αποτελέσματα ήταν περίπλοκα. Μια μελέτη του 2012 κατέληξε στο συμπέρασμα ότι, ανεξάρτητα από τα πλεονεκτήματα της πολυδιαμερίσματος, τα μειονεκτήματα ήταν τόσο μεγάλα που ένας ιός με περισσότερα από τέσσερα τμήματα θα ήταν αδύνατος. Ωστόσο, ορισμένοι πολυμερείς ιοί, όπως ο νεκρωτικός ιός κόλπο (FBNSV), ήταν γνωστό ότι είχαν έως και οκτώ τμήματα, το καθένα μεταφερόμενο σε διαφορετικό σωματίδιο. Θεωρητικά, δεν θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί. Τι θα μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξή του;

«Σκεφτήκαμε ότι ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε αυτούς τους ιούς πρέπει να είναι λάθος», δήλωσε ο Stéphane Blanc, φυτοϊολόγος στο INRA και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης. Αποφάσισαν να επαληθεύσουν τη βασική υπόθεση ότι όλα τα τμήματα πρέπει να είναι μαζί μέσα σε ένα κύτταρο για να λειτουργήσει η μόλυνση. "Δεν είχε γίνει πριν γιατί ήταν τόσο προφανές ότι έπρεπε να είναι μαζί που κανείς δεν το δοκίμασε πραγματικά", είπε.

Αυτό που βρήκαν όταν εξέτασαν τις λοιμώξεις από FBNSV τους έπληξε. Με την επισήμανση δύο ιικών τμημάτων κάθε φορά με διαφορετικού χρώματος φθορίζοντες ανιχνευτές, η ομάδα μπορούσε να δει ότι το πλήρες συμπλήρωμα των ιικών τμημάτων απουσίαζε από τη συντριπτική πλειοψηφία των μεμονωμένων φυτικών κυττάρων-ξενιστών που εξέτασαν. Επιπλέον, οι ερευνητές έδειξαν ότι μια πρωτεΐνη που απαιτείται για την αντιγραφή του ιού υπήρχε σε κύτταρα που δεν είχαν το τμήμα γονιδιώματος που την κωδικοποιεί.

Από αυτό, συμπέραναν ότι τα σωματίδια του ιού πρέπει να μοιράζονται γονιδιακά προϊόντα - είτε μόρια αγγελιαφόρου RNA είτε πρωτεΐνες - μεταξύ των κυττάρων, έτσι ώστε κάθε σωματίδιο να μπορεί να αναπαραχθεί και να συσκευαστεί σε μια κάψουλα για να εξαπλωθεί. Το πώς ακριβώς αυτά τα απαραίτητα συστατικά μοιράζονται στα φυτικά κύτταρα δεν είναι πλήρως κατανοητό, αλλά ο Blanc και η ομάδα του το εξετάζουν. Η απάντηση μπορεί να περιλαμβάνει τα πλασμοδάσματα, δίκτυα μικροσκοπικών καναλιών που εκτείνονται μέσα από τα τοιχώματα των φυτών και επιτρέπουν στα γειτονικά κύτταρα να μοιράζονται άλλες πρωτεΐνες.

Αυτή η νέα κατανόηση εξηγεί πώς ένας πολυμερής ιός μπορεί να διατηρήσει λοιμώξεις μέσα σε ένα φυτό, αλλά ανοίγει νέα μυστήρια σχετικά με τον τρόπο μετάδοσης. Το FBNSV, για παράδειγμα, εξαρτάται από αφίδες που τρώνε φυτά φασολιών για να το μεταδώσουν. Αλλά τα μικρά έντομα πρέπει να συλλάβουν συλλογικά και τα οκτώ τμήματα του FBNSV και να τα εισάγουν στο ίδιο φυτό για να μεταδώσουν με επιτυχία τη μόλυνση. Πιθανώς, ένα μεγάλο ποσοστό περιστατικών μόλυνσης δεν πετυχαίνει ποτέ επειδή οι αφίδες μαζεύουν μόνο ένα υποσύνολο από τα οκτώ σωματίδια.

Η ανακάλυψη "απαλύνει το πρόβλημα στο επίπεδο εντός του κεντρικού υπολογιστή, επειδή τα σωματίδια δεν χρειάζεται να φτάσουν σε όλα τα κύτταρα μαζί, αλλά εξακολουθούμε να έχουμε πρόβλημα για τη μετάδοση μεταξύ κεντρικού υπολογιστή", είπε ο Blanc.

Το γιατί ένας ιός θα ωφεληθεί από έναν πολυμερή τρόπο ζωής είναι επίσης αντικείμενο συζήτησης. Μια ιδέα, λέει ο Blanc, είναι ότι η κατάτμηση του γονιδιώματος επιτρέπει σε κάθε τμήμα να ποικίλλει σε συχνότητα ως ένας γρήγορος και βρώμικος τρόπος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης, επειδή το επίπεδο δραστηριότητας ενός δεδομένου γονιδίου μπορεί να εξαρτάται από τον αριθμό των αντιγράφων του σε ένα κύτταρο . Κάθε φορά που ο ιός μολύνει έναν νέο ξενιστή, η συχνότητα των τμημάτων αλλάζει — κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει στον ιό να ελέγξει πόσο γονιδιακή έκφραση λειτουργεί καλύτερα σε ένα νέο κυτταρικό περιβάλλον.

Ο Eric Freundt, ιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Τάμπα, εικάζει ότι εάν η έμφυτη άμυνα ενός φυτού ξενιστή καταστρέφει μόνο εκείνα τα κύτταρα που εκφράζουν ορισμένες ιικές πρωτεΐνες, τότε η διανομή των γονιδίων για τις πρωτεΐνες σε διαφορετικά σωματίδια μπορεί να εγγυηθεί ότι ο ιός θα παραμείνει απαρατήρητος σε ορισμένα κύτταρα. Μια άλλη πιθανότητα, προτείνει ο Freundt, είναι η κατανομή στις μύτες των ποδιών γύρω από την «ξεδιπλωμένη πρωτεϊνική απόκριση», η οποία μπορεί να σκοτώσει τα κύτταρα όταν ένας ιός τα κατακλύσει επιχειρώντας να παράγει όλες τις πρωτεΐνες του ταυτόχρονα. Διανέμοντας το γονιδίωμά του σε πολλά φυτικά κύτταρα, ο ιός μπορεί να αποφύγει να συντρίψει τον μηχανισμό οποιουδήποτε μεμονωμένου κυττάρου.

Ωστόσο, ο Blanc και ο Freundt σπεύδουν να αναγνωρίσουν ότι αυτά είναι απλώς υποθέσεις. "Ο λόγος για την εξέλιξή τους είναι ακόμα ένα μυστήριο", είπε ο Blanc.

Ο Zwart επισημαίνει ότι οι περισσότερες ιδέες σχετικά με τα πλεονεκτήματα της πολλαπλής κατανομής αφορούν πραγματικά την κατάτμηση του γονιδιώματος, όχι τη διαίρεση του ιού σε διαφορετικές μολυσματικές μονάδες. Ο διαχωρισμός του γονιδιώματος σε τμήματα επιτρέπει σε διαφορετικούς ιούς να ανασυνδυάζουν εύκολα διάφορες πλεονεκτικές μορφές των γονιδίων τους.

Ο Arvind Varsani, ιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, συμφωνεί. «Από την άποψη της σπονδυλωτικότητας, θα μπορούσατε να δείτε τα πλεονεκτήματα των ιών πολλαπλών συστατικών όπου κάθε ενότητα μπορεί να είναι ανεξάρτητη», είπε. Σε ένα εργοστάσιο με πολλαπλούς ιούς που μολύνουν ταυτόχρονα, "μπορείτε να αποκτήσετε στοιχεία πολύ πιο γρήγορα και να προσαρμοστείτε στο περιβάλλον με την ανάμειξη και την αντιστοίχιση."

Η απόδειξη της δύναμης αυτής της στρατηγικής μπορεί να βρεθεί στον ιό της γρίπης, έναν κύριο της ανακατανομής. Το γονιδίωμα της γρίπης έχει επίσης οκτώ τμήματα, αν και αυτά τα τμήματα συσκευάζονται μαζί σε μία ιική κάψουλα. Αυτό του επιτρέπει να αποκομίζει τα οφέλη της τμηματοποίησης χωρίς να πληρώνει όλο το κόστος της πολλαπλής διαμερίσματος.

Αλλά η γρίπη μπορεί να μοιάζει περισσότερο με το FBNSV από ό,τι φαίνεται αρχικά. Ο Μπρουκ ανακάλυψε ότι, ανάλογα με το στέλεχος, μόνο ένα μικροσκοπικό κλάσμα (1-10 τοις εκατό) των σωματιδίων του ιού της γρίπης περιέχει λειτουργικά αντίγραφα και των οκτώ τμημάτων γονιδιώματος. «Η συντριπτική πλειονότητα των σωματιδίων της γρίπης είναι αυτά τα ημιτελή, ή αυτό που ονομάζουμε ημι-μολυσματικά, σωματίδια που δεν είναι ικανά από μόνα τους να ξεκινήσουν παραγωγική αναπαραγωγή», εξήγησε. "Αυτό ήταν μια έκπληξη γιατί υποδηλώνει ότι αυτός ο ιός, ο οποίος είναι εξαιρετικά επιτυχημένος και εξαιρετικά μεταδοτικός, υπάρχει σε μεγάλο βαθμό ως αυτά τα σωματίδια που δεν μπορούν να αναπαραχθούν από μόνα τους."

Προέβλεψε, «Το να ρωτάμε πώς λειτουργούν οι ιοί ως πληθυσμοί και όχι ως μεμονωμένα σωματίδια ιού θα καταλήξει να είναι σημαντικό για πολλά διαφορετικά ιικά συστήματα».

Μέρος αυτής της σημασίας είναι εννοιολογική:Μπορεί να είναι πολύ περιοριστικό να σκεφτόμαστε ότι το DNA μέσα σε κάθε μεμονωμένη ιική κάψουλα καθορίζει το γονιδίωμά της. Αντίθετα, ίσως είναι καλύτερο να φανταστούμε ένα ιικό γονιδίωμα ως τη σειρά γονιδίων που αντιπροσωπεύονται σε έναν ολόκληρο ιικό πληθυσμό. Οι θεωρητικοί ερευνούν ήδη τις συνέπειες.

Ο Zwart αναμένει ότι σύντομα θα βγουν νέα θεωρητικά μοντέλα για να εξερευνήσουν αυτές τις ιδέες, όπως τρόπους διαμόρφωσης της εξέλιξης αυτών των ιών με όρους πολλαπλών επιπέδων φυσικής επιλογής. Μέσα σε ένα μεμονωμένο φυτό-ξενιστή, οι τοπικές δυνάμεις της φυσικής επιλογής θα επιτρέψουν στον ιό να εξισορροπήσει με επιτυχία τους ρυθμούς παραγωγής των τμημάτων του. Αλλά όταν ο ιός μετακινείται σε ένα νέο φυτό, πρέπει να μπορεί να προσαρμοστεί και σε αυτό το νέο περιβάλλον ξενιστή, επομένως πρέπει να διατηρήσει κάποια ευελιξία. Επομένως, ένα υψηλότερο επίπεδο επιλογής μπορεί μερικές φορές να μετριάσει το τοπικό επίπεδο και να εξισορροπήσει ξανά την αναλογία των τμημάτων πιο ομοιόμορφα.

«Υπάρχει τέτοιος πλούτος σε όλες αυτές τις δυναμικές», είπε ο Zwart. "Είναι πραγματικά συναρπαστικό."