Nasze wewnętrzne wirusy: obecne od 40 milionów lat

Przez większość czasu retrowirusy zachowują się jak inne wirusy, przeskakując od jednego gospodarza do drugiego. Czasami jednak retrowirus może znaleźć się w jajeczku lub plemniku. Następnie znajduje się w nowym zarodku, który ma kopie tego wirusa w każdej ze swoich komórek – włącznie z własnymi jajeczkami lub plemnikami. I w ten sposób przechodzi to z pokolenia na pokolenie.

Jeśli DNA wirusa pozostaje nienaruszony, wirus nadal może się mnożyć. Może tworzyć nowe wirusy, które wyłamują się z komórki, a nawet przeskakują do nowego gospodarza. Przechodząc jednak przez kolejne pokolenia, DNA wirusa może mutować i ulegać degradacji. Może nie być już zdolny do ucieczki z komórki. Nieco życia może jednak pozostawać w takim wirusie: może tworzyć nowe wirusy, które wstawiają się ponownie do genomu w nowym miejscu. Tutaj jest uproszczony obraz tego, jak to działa…

Ten proces stworzył olbrzymie ilości wirusowego DNA w genomie człowieka. Mamy około 100 tysięcy odcinków DNA, które pochodzą od retrowirusów – znanych jako retrowirusy endogenne. W sumie stanowią od 5 do 8 procent całego genomu człowieka. Jest to kilkakrotnie więcej niż DNA, który składa się na nasze kodujące białka geny.

Kiedy biolodzy zaczęli sekwencjonować genomy innych gatunków, odkryli, że nagromadzenie całego tego wirusowego DNA zabrało miliony lat. Na przykład, znaleźli część tych samych wirusów endogennych w genomie szympansów. Ponieważ nasi przodkowie oddzielili się od szympansów około siedem milionów lat temu, ten wspólny DNA wirusowy musi pochodzić od wspólnego przodka.

Gkikas Magiorkinis, wirusolog z University of Oxford, i jego koledzy przeprowadzili teraz szeroko zakrojone badanie retrowirusów endogennych u ludzi, małp człekokształtnych i małp zwierzokształtnych – grupy gatunków, która pochodzi od wspólnego przodka naczelnego, który żył około 40 milionów lat temu. Skatalogowali wirusy w każdym z tych gatunków i porównali je do wersji u innych naczelnych. Byli w stanie zrekonstruować historię naszego wirusowego DNA w bezprecedensowych szczegółach, dostarczając nawet oszacowania tempa, w jakim wirusy wstawiały nowe kopie w nasz genom.

Naukowcom udało się prześledzić nasz wirusowy DNA od 30 do 35 odrębnych inwazji. Kiedy każdy z tych wirusów usadowił się w DNA naszych przodków, wytwarzał kopie samego siebie rozrzucone po całym genomie. Tempo, w jakim nowe kopie były wstawiane, rosło i opadało w czasie i było inne dla różnych gałęzi naszego drzewa rodowego naczelnych. Tutaj jest ogólne spojrzenie na historię wirusów. („Loci” odnosi się do nowych kopii wirusów wstawionych w genom w danym przedziale czasowym.)

Nasi przypominający małpy przodkowie 40 milionów lat temu nabywali nowe kopie wirusów w szybkim tempie – znacznie szybciej niż nasza linia rodowa w ciągu ostatnich paru milionów lat. Za większość nowych kopii odpowiedzialny był jeden wirus, znany jako HERV-H. Mógł on wyewoluować adaptacje, które zrobiły z niego super-rozprzestrzeniacza wewnątrz genomu.

U małp zwierzokształtnych – reprezentowanych w tym nowym badaniu przez pawiany i makaki – tempo gromadzenia nowych kopii wirusów było mniej więcej takie samo przez ostatnie 30 milionów lat. Małpy człekokształtne mają jednak zupełnie inną historię do opowiedzenia. Tempo to spadło we wszystkich gałęziach małp człekokształtnych. Ta sama zmiana zaszła u przodków ludzi, szympansów, goryli, orangutanów i gibonów.

Jest możliwe, że część tego spadku ma coś wspólnego z faktem, że przez miliony lat walczyliśmy przeciwko naszym wewnętrznym wirusom. Nowowstawiony wirus może zakłócić działanie ważnego genu i w wyniku komórka może stać się rakowata. Naukowcy udokumentowali to zagrożenie przez badanie myszy, które często są ofiarami raka spowodowanego przez retrowirusy. Odkryli także, że komórki ssaków potrafią na różne sposoby minimalizować to zagrożenie. Jednym sposobem jest zwinięcie DNA wirusa, żeby nie mógł się kopiować. Innym sposobem jest wytwarzanie specjalnych białek, które uszkadzają nowoutworzone geny wirusa.

Cechą wspólną małp człekokształtnych jest to, że są duże. Jeśli jesteś dużym zwierzęciem, znaczy to, że masz więcej komórek, a więcej komórek znaczy, że ponosisz większe ryzyko zachorowania na raka. Ale tego nie robimy. Ryzyko raka u człowieka nie jest większe niż ryzyko raka u myszy. Jest możliwe, że zwiększenie rozmiaru ciała napędza ewolucję nowych mechanizmów obronnych przeciwko rakowi. Te zaś mechanizmy obronne mogą wykonywać lepszą robotę przy trzymaniu wirusów pod kontrolą.

Magiorkinis i jego koledzy podejrzewali jednak, że większy rozmiar może wyjaśnić tylko część tego spadku. Szczególnie w linii rodowej człowieka wirusy radykalnie zwolniły tempo rozprzestrzeniania się. Tutaj jest wykres z ich nowego badania, który przedstawia częstotliwość nowych kopi wirusów na przestrzeni milionów lat:  

W ciągu ostatniego miliona lat tylko jeden wirus nadal mnożył się – znany jako HERV-K. Dzisiaj można znaleźć kopie HERV-K u niektórych ludzi, a u innych nie. Wzór tych kopii wskazuje, że jeszcze 250 tysięcy lat temu HERV-K nadal tworzył nowe kopie.

Jest możliwe, że HERV-K jest obecnie zupełnie martwy. Nie ma dowodów, że HERV-K lub jakikolwiek inny retrowirus endogenny aktywnie szerzy się lub powoduje raka. W chwili obecnej trudno powiedzieć, dlaczego ludzie zahamowali retrowirusy endogenne. Magiorkinis ma jednak hipotezę: nasi przodkowie mogli zredukować możliwości infekcji przez nowe wirusy.

Retrowirusy takie jak HIV mogą być szerzone przez krew. Inne naczelne używają zębów jako broni, albo do zabijania zwierzyny, albo do walki z innymi naczelnymi. Jeśli ich ofiara ma infekcję, same mogą się zarazić. Pradawni ludzie zaczęli zdobywać żywność używając  narzędzi zamiast zabijania zębami. Samce przestały gryźć inne samce, którą to zmianę odzwierciedlają malejące kły naszych przodków. Przez mniejsze narażenie na przenoszone przez krew wirusy, powstrzymaliśmy napływ retrowirusów do naszych genomów.

Nie ma sposobu stwierdzenia, czy mamy już spokój z retrowirusami endogennymi, czy też HIV lub jakiś nowy retrowirus potrafi znaleźć drogę do naszych genów. Historia naszych wewnętrznych wirusów jest jednak ważna dla naszego zdrowia. Naukowcy odkryli białka HERV-K wytwarzane w guzach nowotworowych, co sugeruje, że komórki rakowe używają biochemicznych mocy tych pradawnych pasożytów. Znajomość ich przeszłości może pomóc nam zrozumieć, jak wpłyną na nas w przyszłości.

(Więcej informacji można znaleźć w mojej książce A Planet of Viruses.)

Odnośnik: Magiorkinis et al, “The decline of human endogenous retroviruses: extinction and survival.” Retrovirology.

Our inner viruses forty million years in the making

The Loom, 1 lutego 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska