Πώς μεταδίδουν την ασθένεια τα μεταλλαγμένα σμήνη από ιούς

Κάπου στα τέλη του 2013, ένας ιός που μεταδίδεται από τα κουνούπια, ονόματι chikungunya, εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο δυτικό ημισφαίριο. Το Chikungunya, ή "chik", όπως λέγεται, σπάνια σκοτώνει τους ανθρώπους του ξενιστές. Αλλά μπορεί να προκαλέσει πυρετό, εξάνθημα και εξουθενωτικό πόνο στις αρθρώσεις. Στα δύο χρόνια από τότε που έφτασε για πρώτη φορά στην Καραϊβική, το chik εξαπλώθηκε άγρια ​​σε ολόκληρη την Αμερική. Τώρα υπάρχουν υποψίες ότι έχει μολύνει πάνω από 1 εκατομμύριο ανθρώπους σε 44 χώρες και περιοχές, δημιουργώντας μια ορδή κουνουπιών σε όλο το ημισφαίριο.

Οι ίδιες βιολογικές ιδιορρυθμίες που συνέβαλαν στην επιτυχία του chik δείχνουν στους ερευνητές πώς να το καταπολεμήσουν — και άλλους ιούς σαν αυτόν. Το Chik είναι ένας ιός RNA, όπως η γρίπη, ο ιός του Δυτικού Νείλου, η ηπατίτιδα και ο Έμπολα, μεταξύ άλλων. Σε αντίθεση με τους ιούς DNA, που περιέχουν δύο αντίγραφα των γενετικών τους πληροφοριών, οι ιοί RNA είναι μονόκλωνοι. Όταν αναπαράγονται, τυχόν σφάλματα στο μονό σκέλος μεταβιβάζονται. Ως αποτέλεσμα, η αντιγραφή είναι ατημέλητη, και έτσι κάθε νέα γενιά ιών RNA τείνει να έχει πολλά σφάλματα. Σε λίγες μόνο γενιές, ένας μεμονωμένος ιός μπορεί να γίνει ένα μεταλλαγμένο σμήνος από στενά συγγενείς ιούς.

Αυτό το ιικό γενετικό συνονθύλευμα έδωσε στον Marco Vignuzzi, έναν ιολόγο στο Ινστιτούτο Παστέρ στο Παρίσι, έναν τρόπο να προβλέψει τη μελλοντική εξέλιξη των ιών RNA όπως το chik. Ο Vignuzzi δημιούργησε ξανά μια μόνο μετάλλαξη στο chik που συνέβη νωρίς στην περιπέτεια του ιού σε όλο τον κόσμο, έργο που φώτισε πώς ο ιός μπόρεσε να εξαπλωθεί τόσο ευρέως σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα. Τώρα ο Vignuzzi προσπαθεί να προβλέψει το μέλλον του chik. Τον περασμένο Ιούνιο, στην ετήσια συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Μικροβιολογίας στη Νέα Ορλεάνη, ο Vignuzzi παρουσίασε τις δύο μεταλλάξεις στο chik που είναι πιο πιθανό να αναπτυχθούν στη συνέχεια.

Οι ιοί είναι δύσκολα και πολύπλοκα θηρία. κανείς δεν μπορεί να προβλέψει τι ακριβώς θα κάνουν. Αλλά εάν οι ερευνητές θέλουν να κάνουν ποτέ ένα βήμα μπροστά από τον ταχέως μεταβαλλόμενο κόσμο των ιών γύρω μας, θα χρειαστεί να αποδομήσουν το ιικό σμήνος.

Μια ιογενής νεφρική τύχη

Για σχεδόν 40 χρόνια, οι επιστήμονες εργάστηκαν για να κατανοήσουν πώς οι ιοί RNA μπορούν να έχουν τόσες πολλές μεταλλάξεις και να εξακολουθούν να είναι τόσο επιτυχημένοι.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ο ιολόγος Esteban Domingo του Αυτόνομου Πανεπιστημίου της Μαδρίτης προσπαθούσε να μετρήσει την προχειρότητα της αναπαραγωγής χρησιμοποιώντας έναν ιό RNA που μολύνει βακτήρια. Βρήκε ότι μια μετάλλαξη συνέβαινε κάθε φορά που ο ιός αντέγραφε το γονιδίωμά του, κατά μέσο όρο. Ως αποτέλεσμα, ένας μεμονωμένος ιός παράγει μια σειρά θυγατρικών ιών που είναι σχεδόν, αλλά όχι εντελώς, πανομοιότυποι. Κάθε γενιά γεννά μια άλλη σειρά ιών, οδηγώντας σε αυτό που ο Domingo αποκάλεσε «μεταλλαγμένο σύννεφο» ιών.

Ωστόσο, οι περισσότερες από τις μεταλλάξεις στα ιικά σύννεφα δημιουργούν προβλήματα στον ιό. Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι οποιαδήποτε μεμονωμένη μεταλλαγμένη εκδοχή ενός υγιούς ιού πιθανότατα προοριζόταν για εξαφάνιση. Στη συνέχεια, όμως, το 2006, οι επιστήμονες δημοσίευσαν έναν απολογισμό ενός ακμάζοντος ιού του δάγκειου πυρετού στη Μιανμάρ με αυτό που θα έπρεπε να ήταν ένα καταστροφικό σφάλμα στη μέση ενός ζωτικού γονιδίου.

Όταν ένας ιός μολύνει ένα κύτταρο, αρχίζει να αντιγράφει το γονιδίωμα του κυττάρου, προκαλώντας μεταλλάξεις καθώς το κάνει. Όταν οι θυγατρικοί ιοί συγκεντρώνονται στην κυτταροπλασματική σούπα γονιδίων και πρωτεϊνών, ο συνολικός ιός που προκύπτει είναι συχνά ένας συνδυασμός αυτών των μεταλλαγμένων αντιγράφων. Εάν μια μετάλλαξη δημιουργήσει μια πρωτεΐνη λάσπης, όπως συνέβη με τον δάγκειο πυρετό, ο ιός μπορεί να επιβιώσει λόγω άλλων ιών στο σμήνος που έχουν ένα καλό αντίγραφο. Σκεφτείτε το σαν μια ατυχία, είπε ο Domingo. Ο οικοδεσπότης ζητά από τους ανθρώπους να φέρουν πολλά είδη πιάτων. Με αυτόν τον τρόπο, αν κάποιο άτομο φτάσει αργά ή κάψει μια πίτα, ένα μόνο στοιχείο που λείπει δεν θα καταστρέψει το δείπνο.

Για έναν ιό, μια ποικιλία επιλογών του επιτρέπει όχι μόνο να μολύνει διαφορετικούς ξενιστές, όπως το τσικ και ο δάγγειος πυρετός με τους ανθρώπους και τα κουνούπια, αλλά και να μολύνει διαφορετικούς ιστούς στον ίδιο ξενιστή. "Αυτό το σύννεφο μεταλλάξεων διευκολύνει τους ιούς να εξερευνήσουν νέους ιστούς και νέους ξενιστές", είπε ο Domingo.

Το 2005, ο Vignuzzi μελετούσε την πολιομυελίτιδα, έναν άλλο ιό RNA, ως ερευνητής στο εργαστήριο του ιολόγου Raul Andino στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. Οι λοιμώξεις από πολιομυελίτιδα τείνουν να ξεκινούν από το έντερο και να μετακινούνται στον εγκέφαλο. Ο Vignuzzi ήθελε να μελετήσει τον ρόλο που παίζει η ιογενής ποικιλομορφία στο άλμα. Ξεκίνησε κατασκευάζοντας έναν ιό της πολιομυελίτιδας που αντέγραψε το γονιδίωμά του με λιγότερα σφάλματα από το συνηθισμένο. Ο ιός θα μπορούσε να μολύνει τον εγκέφαλο μια χαρά - αρκεί να του είχε γίνει απευθείας ένεση και δεν χρειαζόταν να ταξιδέψει για να φτάσει εκεί. Αλλά χωρίς ένα σμήνος ποικιλομορφίας, ο ιός δεν θα μπορούσε να μετακινηθεί από το έντερο στον εγκέφαλο.

Στη συνέχεια, ο Vignuzzi και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν χημικές ουσίες για να προκαλέσουν μεταλλάξεις σε αυτόν τον ιό της πολιομυελίτιδας, διευρύνοντας το μέγεθος του μεταλλαγμένου νέφους. Η πολιομυελίτιδα ταξίδεψε από το έντερο και στον εγκέφαλο, τον οποίο στη συνέχεια μόλυναν αρκετά καλά. Ο ιός χρειαζόταν ένα μεγάλο σμήνος για να κάνει τη δουλειά του.

«Αυτή ήταν η πρώτη φορά που μπορούσαμε να ελέγξουμε τον αριθμό των μεταλλάξεων και να δούμε αν το σμήνος μεταλλαγμένων ήταν βιολογικά σχετικό ή απλώς ένα ατύχημα», είπε ο Vignuzzi. "Και ανακαλύψαμε ότι όταν έχεις ένα πιο περιορισμένο σμήνος, δεν μπορείς να προσαρμοστείς επίσης."

Από την άλλη πλευρά, πάρα πολλά μεταλλαγμένα δεν είναι καλά ούτε για ένα ιογενές σμήνος. Οι Domingo και Vignuzzi επεσήμαναν ότι το δημοφιλές αντιιικό φάρμακο ριμπαβιρίνη ωθεί τους ιούς να αναπτύξουν ένα σμήνος τόσο μεγάλο και τόσο γεμάτο μεταλλάξεις που από την προκύπτουσα ιική μόλυνση λείπουν ζωτικά συστατικά. "Οι ιοί πρέπει να βελτιστοποιήσουν το μέγεθος του σμήνους για να έχουν αρκετά μεταλλαγμένα που να μπορείτε να προσαρμοστείτε στις νέες συνθήκες, αλλά χωρίς να κάνετε πολλά λάθη, τα οποία στη συνέχεια θα σκότωναν τον πληθυσμό σας", είπε ο Vignuzzi.

Οι ιογενείς παραλλαγές επιτρέπουν επίσης στους ιούς να εξελιχθούν και να εξαπλωθούν σε νέα είδη. Το 2009, ένα ξέσπασμα λύσσας σε γκρίζες αλεπούδες στην κομητεία Humboldt, βόρεια του Σαν Φρανσίσκο, εντοπίστηκε στον ιό skunk που είχε μεταπηδήσει σε αλεπούδες. Για να δει πότε μπορεί να έχει συμβεί αυτό το άλμα, η Monica Borucki, ιολόγος στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, χρησιμοποίησε προηγμένη γενετική αλληλουχία επόμενης γενιάς για να εξετάσει τα ιικά σμήνη ζώων που είχαν μολυνθεί από λύσσα μέχρι το 1995. Αυτός ο τύπος Η βαθιά αλληλουχία επιτρέπει στους ερευνητές να αναζητήσουν δευτερεύουσες παραλλαγές σε έναν ιό που μπορεί να αποκτήσει μεταλλάξεις και τελικά να αναλάβει. Και πράγματι, ο Borucki βρήκε γενετικά ίχνη του ιού της επιδημίας ακόμη και στα πρώτα δείγματα.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο PLOS Neglected Tropical Diseases το 2013, έδειξε ότι οι σπάνιες παραλλαγές του ιού σε ένα άτομο παρέχουν κρίσιμες δεξαμενές γενετικής ποικιλότητας που μπορούν να βοηθήσουν έναν ιό να αναπηδήσει το είδος και να εξελιχθεί. Προσέφερε επίσης μερικές από τις πρώτες ενδείξεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να αρχίσουν να προβλέπουν τι θα μπορούσε να συμβεί στο μέλλον, εάν μπορούσαν μόνο να αποδομήσουν το σμήνος του ιού.

Μια μετάλλαξη και ένα τεράστιο άλμα

Μισό κόσμο μακριά από το εργαστήριο του Borucki στην Καλιφόρνια, ο Vignuzzi είχε στρέψει την προσοχή του στην chikungunya, η οποία είχε κερδίσει δημοφιλές και επιστημονικό ενδιαφέρον μετά από ένα ξέσπασμα στο Reunion, ένα γαλλικό νησί στα ανοικτά της ανατολικής ακτής της Μαδαγασκάρης, που αρρώστησε περισσότερο από το ένα τρίτο του πληθυσμού. Το Chikungunya βρίσκεται συχνά στην ανατολική ακτή της Αφρικής, όπου μεταδίδεται από το Aedes aegypti κουνούπια, αλλά η Ρεϋνιόν είχε πολύ λίγα από αυτά τα κουνούπια. Αντίθετα, το νησί είχε ένα στενά συγγενικό είδος γνωστό ως ασιατικό κουνούπι τίγρης (Aedes albopictus ). Ο Chik συνήθως δεν τα πήγαινε πολύ καλά στα ασιατικά κουνούπια τίγρης, αλλά στη Ρεϋνιόν, ο ιός φαινόταν να ευδοκιμεί. Οι ερευνητές τελικά συνειδητοποίησαν ότι μια μόνο μετάλλαξη σε μία από τις πρωτεΐνες που επικαλύπτουν τον ιό επέτρεψε στο chik να μαζέψει την κλειδαριά των ασιατικών κυττάρων των κουνουπιών τίγρης και να εισέλθει πολύ πιο εύκολα.

Όταν οι ερευνητές συνέκριναν το αρχικό στέλεχος, από την Κένυα, με το Reunion, διαπίστωσαν ότι το στέλεχος Reunion ήταν 40 έως 100 φορές πιο κατάλληλο για το ασιατικό κουνούπι τίγρης - ένα εκπληκτικό άλμα για μία μόνο μετάλλαξη. Μεταγενέστερες εργασίες αποκάλυψαν ότι παρόμοιες μεταλλάξεις είχαν συμβεί τουλάχιστον άλλες τρεις φορές καθώς η επιδημία του chik εξαπλώθηκε σε χώρες κατά μήκος του Ινδικού Ωκεανού.

Δεδομένου ότι αυτή η μετάλλαξη ήταν τόσο απλή και τόσο συμφέρουσα, ο Vignuzzi αποφάσισε να δει αν θα συνέβαινε ξανά στο εργαστήριο ενώ παρακολουθούσε. Αν το έκανε, θα παρείχε μερικές από τις πρώτες αποδείξεις ότι οι ερευνητές θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν ένα ιικό σμήνος καθώς προσαρμόστηκε και ίσως ακόμη και να προβλέψουν το μέλλον του. Πήρε το αρχικό στέλεχος chikungunya που κυκλοφορούσε στην Κένυα και μόλυνα με αυτό μια ομάδα ασιατικών κουνουπιών τίγρης.

Όπως η πολιομυελίτιδα, το chik μετακινείται από το ένα μέρος στο άλλο στο σώμα. Αρχίζει να αναπαράγεται στο μεσαίο έντερο του κουνουπιού πριν φτάσει στους σιελογόνους αδένες και στη συνέχεια στο σάλιο, μια διαδικασία που διαρκεί περίπου μία εβδομάδα.

Την έβδομη ημέρα αυτής της διαδικασίας, ο Vignuzzi και ο μεταδιδακτορικός του Κένεθ Στέιπλφορντ ανατέμνουν τα κουνούπια, εξάγοντας τον ιό από το μέσο έντερο, τους σιελογόνους αδένες και το σάλιο και προσδιορίζοντας την αλληλουχία των ιών που βρέθηκαν σε κάθε δείγμα. Στο μέσο έντερο, βρήκαν πολλές τυχαίες μεταλλάξεις, αλλά καμία μετάλλαξη δεν εμφανίστηκε σε περισσότερα από ένα κουνούπια. Το σάλιο, όμως, είπε μια διαφορετική ιστορία. Το σάλιο σε τρία από τα τέσσερα κουνούπια περιείχε το μεταλλαγμένο Reunion. Σε ένα από αυτά, το μεταλλαγμένο Reunion αποτελούσε το 99 τοις εκατό του συνολικού πληθυσμού του ιού.

«Καταφέραμε να δημιουργήσουμε, μέσα σε επτά ημέρες, την εμφάνιση στο σμήνος ενός επιδημικού στελέχους που χρειάστηκε τουλάχιστον αρκετά χρόνια για να εμφανιστεί στη φύση», είπε ο Vignuzzi.

Ο ιός δεν σταμάτησε να εξελίσσεται στο Reunion. Ένα συνεχές ξέσπασμα σήμαινε συνεχείς ευκαιρίες για περαιτέρω εξέλιξη. Η πρώτη μετάλλαξη είχε εμφανιστεί τόσο γρήγορα στο εργαστήριο που ο Vignuzzi και ο Stapleford άρχισαν να αναρωτιούνται αν μπορούσαν να προβλέψουν περαιτέρω αλλαγές στον ιό. Επανέλαβαν λοιπόν τα πειράματά τους, αλλά αυτή τη φορά ξεκίνησαν μολύνοντας τα κουνούπια με το στέλεχος Reunion. Άφησαν τον ιό να διεισδύσει στα κουνούπια για 10 ημέρες, για να του δώσουν περισσότερο χρόνο να αποκτήσει νέες μεταλλάξεις. Και πάλι ανακάλυψαν την αλληλουχία των ιών που βρήκαν στους διάφορους ιστούς κουνουπιών και εντόπισαν δύο νέους μεταλλάκτες, αμφότερους με μεταλλάξεις στην ίδια πρωτεΐνη περιβλήματος όπως το αρχικό μεταλλαγμένο Reunion, αποτελέσματα που δημοσίευσαν πέρυσι στο Cell Host and Microbe . Η συνεχιζόμενη εργασία, την οποία παρουσίασε ο Vignuzzi στη συνάντηση μικροβιολογίας τον Ιούνιο, περιελάμβανε την παρακολούθηση του τρόπου με τον οποίο επιλέχθηκαν αυτές οι μεταλλάξεις σε ποντίκια, μια βάση για ανθρώπους που έχουν μολυνθεί από chik.

Ένα νέο μέτρο φυσικής κατάστασης

Η έννοια του σμήνους αναγκάζει ορισμένους επιστήμονες να επανεξετάσουν μερικές από τις βασικές αρχές της γενετικής πληθυσμού. Συνήθως, η καταλληλότητα ενός ιού μετριέται από το πόσα αντίγραφα του εαυτού του μπορεί να κάνει σε σύγκριση με έναν άλλο ιό, σύμφωνα με τον Andino. Αλλά, είπε, αυτό δεν αποτυπώνει την πλήρη εικόνα. Ιολόγοι όπως ο Andino και ο Domingo υποστηρίζουν ότι η εξελικτική ικανότητα ενός ιού πρέπει να περιλαμβάνει την ικανότητά του να μεταλλάσσεται. "Αν μια μόλυνση είναι μια διαδικασία προσαρμογής, ένας πιο κατάλληλος ιός μπορεί να προσαρμοστεί καλύτερα", είπε ο Andino.

Επιπλέον, δεν μπορείτε να μετρήσετε την ικανότητα ενός μόνο ιού. Δεδομένου ότι μεμονωμένες παραλλαγές ιών μπορούν να συνεργάζονται και να αλληλεπιδρούν, ανταλλάσσοντας εύκολα πρωτεΐνες στο τελικό τους προϊόν, η μικρότερη μονάδα εξέλιξης που μπορεί να επιλέξει είναι το ίδιο το σμήνος. Μόνο λαμβάνοντας υπόψη ολόκληρο το μεταλλαγμένο σύννεφο των ιών μπορούν οι επιστήμονες να ελπίζουν να καταλάβουν πώς συμπεριφέρονται και τι θα μπορούσαν να κάνουν στο μέλλον.

"Αν κοιτάξετε πίσω σε όλους τους ιούς σε ιστορικά δείγματα, μπορείτε να δείτε πώς άλλαξε για να φτάσει εκεί που είναι σήμερα, το οποίο μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε για, ας πούμε, να προβλέψετε έναν νέο ξενιστή", είπε ο Borucki.

Καθώς ο Vignuzzi συνεχίζει να εργάζεται για τον εντοπισμό των επόμενων μεταλλάξεων του chik, η εγγενής απρόβλεπτη συμπεριφορά του ιού έχει γίνει σαφής. Κανείς δεν εξεπλάγη όταν ο chik έφτασε στην Αμερική. Αυτό που ήταν απροσδόκητο ήταν το ιικό στέλεχος που έφτασε. «Όλοι πίστευαν ότι επρόκειτο να ήταν το στέλεχος Reunion που έφτασε στην Αμερική», δήλωσε ο Scott Weaver, ιολόγος στο Ιατρικό Παράρτημα του Πανεπιστημίου του Τέξας.

Αντίθετα, ήταν ένα ασιατικό στέλεχος chik που κυκλοφορούσε σε χαμηλά επίπεδα για δεκαετίες, παράγοντας τα δικά του μεταλλαγμένα σμήνη. Το στέλεχος Reunion συνεχίζει να κυκλοφορεί, αλλά με ένα εκατομμύριο μολυσμένα στην Αμερική και εκατομμύρια ακόμη σε κίνδυνο, η επείγουσα ανάγκη να κατανοήσουμε το chik έχει μετατοπιστεί στο ασιατικό στέλεχος. Ο Vignuzzi και ο Stapleford ξεκίνησαν εκ νέου τα πειράματά τους στα κουνούπια για να προσπαθήσουν να προβλέψουν τι θα μπορούσε να κάνει το chik στην Κεντρική και Νότια Αμερική, καθώς το σμήνος συνεχίζει την αδυσώπητη εξέλιξή του.