Czy wirusy pomogły uczynić z nas ludzi?
Jeśli właśnie teraz masz grypę lub przeziębienie, zakażające cię wirusy są tylko chwilowe. Najeżdżają twoje komórki i robią nowe kopie samych siebie, które lecą dalej i zakażają dalsze komórki. Z czasem twój układ odpornościowy zlikwiduje je, ale istnieje spora szansa, że niektóre uciekną i zakażą kogoś innego.
Te tak zwane wirusy endogenne są czasami niebezpieczne. Na przykład, koala cierpią z powodu dewastującej infekcji nimi. Wirusy szerzą się zarówno samodzielnie od koali do koali oraz od rodziców do potomstwa. Kiedy wirusy najeżdżają nowe komórki koali, czasami sieją zniszczenie w DNA swoich gospodarzy. Jeśli wirus wstawia się w złe miejsce w komórce koali, może zakłócić geny gospodarza. Zainfekowana komórka zaczyna rosnąć jak szalona i daje początek rakowi.
Jeśli koalom uda się przeżyć wybuch epidemii, istnieją szanse, że wirus stanie się nieszkodliwy. Ich układ odpornościowy zatrzyma szerzenie się od jednego gospodarza do drugiego, pozostawiając tylko wirusy we własnym genomie. Po wielu pokoleniach mutacje spowodują erozję ich DNA. Utracą zdolność wyłamywania się z komórki gospodarza. Nadal będą robić kopie swoich genów, ale te kopie tylko będą z powrotem wstawiane w genom gospodarza. Z czasem utracą nawet tę marną zdolność replikacji.
Wiemy, że taka jest prawdopodobna przyszłość retrowirusów koali, ponieważ widzimy to u siebie. Wirusy najeżdżały genomy naszych przodków wiele razy przez ostatnich 50 milionów lat i ich wirusowy podpis nadal widać w naszym DNA. W istocie, podzielamy te same odcinki wirusowego DNA z małpami człeko- i zwierzokształtnymi. Dzisiaj mamy pół miliona tych wirusowych skamieniałości, które stanowią osiem procent genomu człowieka. (Tutaj jest kilka postów, jakie napisałem o retrowirusach endogennych.)
Większość wirusowego DNA jest tylko bagażem, jaki przekazujemy z pokolenia na pokolenie. Czasami jednak mutacje potrafią przekształcić wirusowy DNA w coś użytecznego. Na przykład, dziesięć milionów lat temu nasi przodkowie zaczęli używać białka wirusowego do budowy łożyska.
Białka nie są jednak jedynymi potencjalnie użytecznymi częściami, jakie możemy zebrać od naszych wirusów.
Wielu ludzkim genom towarzyszą malutkie odcinki DNA zwane wzmacniaczami transkrypcji. Kiedy pewne białka przyczepiają się do wzmacniacza, zaczynają przyspieszać wytwarzanie z niego białek. Wirusy, które zakażają nas, też mają wzmacniacze. Zamiast jednak powodować, że nasze komórki wytwarzają więcej własnych białek, wzmacniacze wirusowe powodują, że nasze komórki wytwarzają więcej wirusów.
Co jednak dzieje się, kiedy wzmacniacz wirusa staje się trwałą częścią ludzkiego genomu? Niedawno zespół naukowców przeprowadził badanie, żeby to odkryć. Zeskanowali ludzki genom w poszukiwaniu wzmacniaczy najmłodszych retrowirusów endogennych w naszym DNA. Te wirusy, zwane ludzkimi retrowirusami endogennymi zainfekowały naszych przodków kiedyś po oddzieleniu się od szympansów około siedem milionów lat temu. Wiemy to, ponieważ te retrowirusy znajdują się w DNA wszystkich żyjących ludzi, ale nie ma ich u innych naczelnych.
Kiedy już naukowcy skatalogowali te wzmacniacze wirusowe zaczęli zastanawiać się, czy któreś z nich wzmacniają obecnie ludzkie geny zamiast genów wirusów. Jeśli tak, to te ujarzmione wzmacniacze muszą być blisko genów ludzkich. Znaleźli sześć takich wzmacniaczy.
Z tych sześciu wzmacniaczy jednak tylko jeden pokazywał oznaki rzeczywistego zwiększania produkcji pobliskiego genu. Znany jako PRODH koduje on enzym, który bierze udział w tworzeniu cząsteczek sygnalizujących w mózgu. A jeśli ten enzym nie pracuje poprawnie, mózg może zawodzić.
W 1999 r. naukowcy wyłączyli gen PRODH u myszy i odkryli uderzające zmiany w ich zachowaniu. Eksperymentowali z odgrywaniem myszom głośnego dźwięku w losowo wybranych momentach. Następnie zaczęli odgrywać cichy ton tuż przed wielkim hałasem. Normalne myszy nauczyły się kojarzyć te dwa dźwięki i głośny hałas mniej je zaskakiwał. Ale myszy bez PRODH głośny hałas zaskakiwał tak samo, jak zawsze.
Inni badacze także znaleźli dowody na znaczenie PRODH w mózgu człowieka. W kilku badaniach mutację tego genu wiązano na przykład ze schizofrenią. (W jednym badaniu nie znaleziono jednak tego związku.) Mutacja, która wymazuje gen PRODH i otaczający go DNA jest wiązana z rzadkim zaburzeniem psychicznym o nazwie zespół DiGeorge’a.
Kiedy naukowcy znaleźli wzmacniacz wirusowy w pobliżu PRODH, przyjrzeli się bliżej temu, jak działa on w komórce człowieka. Jak informowali w “Proceedings of the National Academy of Sciences”, szukali aktywności PRODH w tkankach z autopsji ludzi. PRODH jest najbardziej aktywny w mózgu – najbardziej aktywny w kilku obszarach mózgu, takich jak hipokamp, który porządkuje naszą pamięć.
Nowe badanie sugeruje, że wzmacniacz wirusowy jest częściowo odpowiedzialny za uaktywnianie PRODH w tych właśnie miejscach. Większość wzmacniaczy wirusowych w naszym genomie zostaje wyciszona przez nasz DNA. Prawdopodobnie jest to obrona przed dowolnym tworzeniem białek przez nasze komórki. Ale w hipokampie i innych obszarach mózgu, gdzie poziomy PRODH są najwyższe, wzmacniacze nie są wyciszone. Pozostawiono im swobodę wzmacniania genu PRODH tylko w kilku miejscach w mózgu.
Naukowcy znaleźli także jedno białko, które wiąże się z wzmacniaczem wirusowym, napędzając produkcję białek PRODH. I w uderzającym zbiegu okoliczności to białko, o nazwie SOX2 jest także wytwarzane w dużych ilościach w hipokampie.
Tym, co czyni, że te badania są bardziej prowokujące, jest fakt, że jest to unikatowe dla naszego gatunku. Szympansy mają gen PRODH, ale brakuje im wzmacniacza wirusowego. Wytwarzają w mózgu niskie poziomy PRODH bez intensywnej produkcji w hipokampie.
W oparciu o te badania naukowcy proponują scenariusz. Miliony lat temu naszych przodków zainfekował wirus. Z czasem usadowił się w naszym genomie. W którymś momencie mutacja umieściła wzmacniacza wirusowego tuż obok genu PRODH. Dalsze mutacje pozwoliły mu na zwiększenie aktywności genu w pewnych obszarach mózgu, takich jak hipokamp.
Naukowcy nie potrafią powiedzieć, jak ta zmiana zmieniła mózg ludzki, ale biorąc pod uwagę to, co wiemy o zaburzeniach pracy mózgu związanych z genem PRODH, mogło to być ważne.
Zawsze należy podchodzić z pewnym sceptycyzmem do badań nad naszymi wewnętrznymi wirusami. Aby pokazać przekonująco, że krótki odcinek DNA ma ważną funkcję, nie wystarcza jeden eksperyment, ale potrzeba całej ich serii. A nawet jeśli ten wzmacniacz istotnie okaże się jednym z ważnych kroków w ewolucji mózgu człowieka, nasze mózgi są także wynikiem innych mutacji znacznie bardziej konwencjonalnego rodzaju.
Niemniej pozostaje intrygująca możliwość. Być może nasze mózgi są częściowo takie, jakie są dzisiaj, dzięki infekcji, jaką nasi przodkowie przeżyli kilka milionów lat temu.
The Loom, 13 listopada 2013
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Carl Zimmer
Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic”.