Den vetenskapliga upptäckten att virus rör sig ofta och oväntat från art till art förändrar vår förståelse för deras utvecklingshistoria och kan ha oroande konsekvenser i form av nya sjukdomar.
När nya arter bildas, var kommer deras virus härifrån? Virus, som är lite mer än en besättning av fritt betande genetiskt material, behöver desperat sina värdar cellulära strukturer och resurser för att reproducera om och om igen. Ett virus utan en värd är ingenting.
På grund av detta beroende förblir vissa virus lojala mot sina värdar under hela evolutionen, muterar och förändras något varje gång värden förvandlas till en ny art. Denna process kallas samdivergens. Människor och schimpanser har till exempel något olika hepatit B-virus, som båda troligen muterades från den version som infekterade den gemensamma förfäder till människor och apor för mer än fyra miljoner år sedan.
Ett annat alternativ, kallad interspecies-övergång, inträffar när ett virus migrerar till en helt ny typ av värd som inte har något att göra med den föregående. Denna typ av virusutveckling är förknippad med allvarliga nya sjukdomar som fågelinfluensa, HIV, ebola och SARS. Och eftersom sådana sjukdomar är extremt farliga, är vi tur att övergången mellan varandra är en ganska sällsynt förekomst.
Men nyligen, när forskare i Australien genomförde den första studien av den långsiktiga utvecklingen av tusentals olika virus, kom de till den häpnadsväckande slutsatsen att övergången mellan olika arter är mycket viktigare och inträffar mycket oftare än vi föreställde oss. Arteförändring är drivkraften bakom de flesta större evolutionära neoplasmer i virus. Samtidigt är samdivergens mindre utbredd än vi förväntat oss och det orsakar främst gradvisa förändringar.
"De visade mycket övertygande att samdivergens är undantaget snarare än regeln," sa evolutionsbiologen Pleuni Pennings, biträdande professor vid University of San Francisco och inte involverad i den australiska studien.
Dessa fynd betyder inte att nya sjukdomar som härrör från övergång mellan växter är ett allvarligare och överhängande hot än vad medicinen antog. De visar emellertid att virusens evolutionära dynamik kan vara förvånansvärt komplex. Om forskare underskattade frekvensen av övergången av virus till nya värdar, blir det i detta fall en mycket viktig prioritering att studera vilka virus som är mest benägna till detta.
Det finns många orsaker till att mellanstegssprång inte troligtvis har någon betydande inverkan på utvecklingen av virus. Hinder som förhindrar att ett virus lyckas passera till en värd från en annan art är mycket allvarliga och formidabla. Om viruset inte kan manipulera värdens genetiska material och reproducera är detta en återvändsgränd, slutet på en gren. Viruset kan behöva många försök att infektera en ny värd, som den har gjort i årtionden eller ännu mer, för att samla motsvarande mutationer just nu. Han gör detta tills han hävdar sig och börjar föröka sig och sprida sig.
Kampanjvideo:
Förra våren, till exempel, gav en grupp biologer och biomedicinska forskare under ledning av Susan VandeWoude, professor i jämförande medicin vid University of Colorado, ett exempel på vad som kan kallas ofullständig övergång mellan interspecies. Vandewood undersöker lentivirus. Detta är den typ av retrovirus som HIV tillhör. Dess bärare är cougars och röda nordamerikanska lodjur. Professor, tillsammans med sitt forskarteam, hittade ständigt ett visst lentivirus av den röda gaupen i en cougar i Kalifornien och Florida. Men varje gång indikerade genetiska data att detta virus dök upp som ett resultat av kontakt med en cougar med en infekterad lodjur, säger när cougaren åt en lodjur, och inte från en annan infekterad cougar som sprider den. Koncentrationen av viruset i cougars var också låg, vilket indikerar detatt viruset är svårt att reproducera.
Kort sagt, viruset kom in i en ny kattvärd, men den värdens organismer var inte särskilt lämplig för parasiten, och den kunde inte sätta sig på den ordentligt. "I många av övergångarna fanns det inga bevis för att det nya viruset multiplicerade i cougars," konstaterar Vandewood. (Däremot fann Vandewoods team att en viss form av lynxviruset migrerade till Florida panthers, som överförde den variant de hade anpassat.) Eftersom lentivirusövergångar från en kattart till en annan inträffar så ofta kan det mutera ganska starkt över tiden, varefter cougaren kommer att bli en lämplig livsmiljö för honom. Men hittills har detta inte hänt, även om det fanns många sådana möjligheter.
Dessutom, när virus framgångsrikt hoppar från en art till en annan, kan de bli ett offer för sin egen framgång. Detta gäller främst små isolerade populationer (det är så många nya arter som föddes). Farliga virus kan mycket snabbt förstöra tillgängliga värdar, varefter de försvinner på egen hand.
Av denna anledning kan virologer med hög grad av förtroende säga att även om mellanrum hoppar över en stor tidsram ofta inträffar kan samdivergens av virus och deras värdar vara normen. Men det finns lite experimentella bevis som stöder detta antagande.”Idealisk samdivergens är ett av dessa fenomen som du kan lära dig om. Men om du försöker hitta bra exempel på denna typ av samdivergens visar det sig att de är väldigt, mycket sällsynta, säger Pennings.
Biologiprofessor vid University of Sydney, Edward Holmes och hans australiska kollegor beslutade att lösa detta mysterium. Med hjälp av data om det virala genomet rekonstruerade de utvecklingshistorien för 19 stora virala familjer, som var och en innehåller från 23 till 142 virus som bor i en mängd olika värdar, från däggdjur till fisk och växter. De skapade fylogenetiska (evolutionära) scheman för virusfamiljer och för deras värdarter och jämförde dem sedan. Forskare resonerade på följande sätt: om ett virus i grund och botten avviker med sin värd, utvecklas med det, då i detta fall skulle det fylogenetiska schemat för viruset likna systemet för värden, eftersom förfäderna till viruset måste ha infekterat värdens förfäder. Men om viruset hoppar från värd till värd,de evolutionära mönstren hos värdar och virus kommer att se annorlunda ut. Hur annorlunda är det? Det beror på antalet övergångar mellan varandra.
I sitt arbete, som publicerades i tidskriften PLOS Pathogens, rapporterade de att i alla 19 virusfamiljer var övergångar mellan olika arter utbredda. Holmes sa att det inte kom som någon överraskning för honom att varje viral familj de studerade såg ut som om det gjorde mellanrumssprång. Men han blev förvånad över hur ofta de gjorde sådana hopp genom sin historia. "De gör det alla," sade Holmes. "Och detta är något ovanligt."
Med hänvisning till frågan om varför forskare inte tidigare insåg hur viktiga interspecifika övergångar är för virusutvecklingen, förklarade Holmes att tidigare har författare till fylogenetiska studier ofta betraktat problemet för snävt, studerat ett ganska litet antal värdarter och virus och gjort det i en liten tidsram … Om 10 eller 20 år kanske du inte får ett mellanrumssprång. "Och på en miljon år har detta definitivt hänt," sade Holmes.
Hans banbrytande tillvägagångssätt "ger en inblick i den långsiktiga relationen mellan värdar och virus," sade John Denn, docent i biologi vid Queens College, från studien.
Att förstå hur och varför övergångsövergångar inträffade hjälpte Holmes och hans kollegas observation av RNA-virus (som använder RNA som genetiskt material). De drog slutsatsen att sådana virus korsar arter mycket oftare än DNA-virus (som använder DNA). "Det beror antagligen på att de har en högre mutationsgrad," sade Vandewood. Med en kombination av ett mindre genom och en högre mutationsgrad har RNA-viruset en bättre chans att anpassa sig till den nya värdens miljö.
Dessutom förklarar Holmes denna trend med de olika livscyklerna för RNA- och DNA-virus. Infektioner med deltagande av RNA-virus är ofta svåra, men de är kortlivade, det vill säga sjukdomen kommer och går ganska snabbt, som är fallet med influensa eller förkylning. Denna övergående leder till att viruset kan missa möjligheten att bli en del av de växande värdarterna. "I ett farligt virus varar den skadliga effekten i dagar eller veckor", säger Holmes.”Och i genomsnitt är co-divergens i sådana fall sällsynt. Det är bara så att viruset försvinner ganska snabbt."
Men infektioner som involverar DNA-viruset är ofta kroniska. När en del av värdpopulationen avviker från sin typiska form för att skapa en ny art, är det mer troligt att det tar med sig viruset eftersom många fler värdar är infekterade. Sålunda ökar sannolikheten för samdivergens mellan viruset och dess nya värd.
Värdens livsstil spelar också en roll i övergången till virus och i samspänningen mellan dessa mellanrumssprång. "Vi vet att värdpopulationens storlek och densitet är mycket viktig, och den faktorn avgör hur många virus de bär," säger Holmes. Han citerar fladdermöss som ett exempel. Fladdermöss brukar bära ett stort antal olika virus, men det beror delvis på att det finns ett stort antal fladdermöss. Sådana stora populationer är mer benägna att få viruset. "Det finns en mycket enkel ekologisk regel: ju fler värdar, desto farligare virus kan de ha," konstaterar Holmes. "Det är bara så att viruset har en bättre chans att hitta en sårbar värd."
1975 skrev Francis L. Black från Yale University ett forskningsdokument som gav en fördjupad förståelse för hur värdpopulationens dynamik påverkar människors sjukdom. Efter att ha studerat de ganska isolerade och små samhällena i de amasoniska aboriginerna har forskare funnit att kroniska virusinfektioner hos dessa människor förekommer ganska ofta, men akuta infektioner är mestadels frånvarande. Isolering skyddar dessa stammar från nya virus. De få farliga virusen som ändå kom in i ursprungsbefolkningen dog snart ut. De hade få värdar att överleva, och därför försvann virusen ganska snabbt.
Upptäckten att interspecifika övergångar ofta inträffar kan orsaka betydande oro eftersom de är förknippade med farliga nya sjukdomar. Tidigare var det många hopp och de hände ofta. Så vad har framtiden för oss - samma, men i stora mängder?
Inte nödvändigt. "Statistik över övergångar från mellanrum förutspår inte alltid exakt framtiden, särskilt när det gäller människor," säger Pennings. Vår livsstil idag skiljer sig också från hur människor levde för bara några hundra år sedan, och därför verkar risken för att drabbas av nya sjukdomar vara annorlunda för oss.
En person är också en bärare av ett stort antal virus. Våra populationer är för stora och vi är otroligt mobila, vilket innebär att vi ganska enkelt och enkelt överför virus till nya mottagliga värdar.”Vi gör många saker som ökar chansen för virusöverföring. Vi älskar att sticka näsan på platser där vi inte borde gå, vi tar risker för ofta, vi äter det vi inte borde äta, säger Vandewood. "Vi är förmodligen de värsta förövarna mot reglerna, och därför blir vi ofta föremål för mellanstegssprång - helt enkelt för att vi ibland begår vansinne."
Sådana galna handlingar leder ofta till kollisioner med andra arter. Ju oftare vi gör detta, desto mer utsätts vi för nya virus. De arter som vi kommer i kontakt med är ofta i fara för oss. "Vi är mer benägna att bli smittade med något från möss än från tigrar," säger Pennings.
Ytterligare forskning om utvecklingen av virus kommer dock att hjälpa forskare att förstå om det finns arter som vi borde vara mer uppmärksamma på som källor till nya infektioner. (Epidemiologer övervakar redan noggrant virusen som överförs från fjäderfä till människor, eftersom de fruktar fågelinfluensa.) Virus från växter, fisk och däggdjur är förmodligen lika farliga för människor. Det är lika möjligt att forskare för att förutsäga nästa epidemi kommer att begränsa sitt fokus till några högriskgrupper.
Holmes har en annan synvinkel. "Jag tror inte att prognoser i det här fallet kan vara effektiva," säger han. "Jag förstår varför detta görs, men antalet nya virus som vi upptäcker är stort och därför är prognoser i detta fall helt enkelt olämpliga."
Lyckligtvis har denna typ av analys blivit enklare med tillkomsten och utvecklingen av metagenomik, som grenen av genomik kallas, som inte studerar genomet för en enskild organism, utan helheten av genomisk information erhållen från miljön. Som en del av sådan forskning väljer Holmes och kollegor genomiska sekvenser från en mängd tillgängliga databaser. De behöver inte fysiska prover av virus, och det är i sig en innovation inom forskningsområdet. "Virology flyttar till ett nytt stadium där metagenomics kan användas för att prova massivt för att se vad som finns där," säger Holmes.
Han noterar också att ny information om virus är mer tillgänglig idag, och därför kommer de fylogenetiska system som skapats av honom och hans kollegor under en snar framtid att genomgå stora förändringar. "Om tre år kommer dessa system att bli mycket mer fullständiga, eftersom vi hittar så många nya prover av dessa virus," lovar Holmes.
Mallory Locklear
