Οι ιοί έχουν μια μυστική, αλτρουιστική κοινωνική ζωή
Οι κοινωνικοί οργανισμοί έρχονται σε όλα τα σχήματα και μεγέθη, από τους προφανώς ασυνήθιστους όπως τα θηλαστικά και τα πουλιά μέχρι τους πιο κρυπτικούς κοινωνικοποιητές όπως τα βακτήρια. Οι εξελικτικοί βιολόγοι συχνά προβληματίζονται σχετικά με τις αλτρουιστικές συμπεριφορές μεταξύ τους, επειδή τα άτομα που θυσιάζονται στην αρχή φαίνεται να βρίσκονται σε σοβαρή μειονεκτική θέση στη φυσική επιλογή. Ο William D. Hamilton, ένας από τους πιο εξέχοντες θεωρητικούς της εξέλιξης του 20ου αιώνα, ανέπτυξε μια μαθηματική θεωρία για να εξηγήσει την εξέλιξη του αλτρουισμού μέσω της επιλογής συγγενών — για παράδειγμα, γιατί τα περισσότερα μυρμήγκια, μέλισσες και σφήκες παραιτούνται από την ικανότητα αναπαραγωγής και αντ' αυτού χύνουν όλα τους προσπάθειες για την ανατροφή των αδερφών τους. Οι βακτηριολόγοι ανέπτυξαν μοντέλα θεωρίας παιγνίων για να εξηγήσουν γιατί τα βακτήρια σε ομάδες παράγουν μεταβολίτες για τους γείτονές τους, παρόλο που ορισμένοι απατεώνες εκμεταλλεύονται την κατάσταση.
Αλλά μέχρι πρόσφατα, κανείς δεν είχε σκεφτεί ότι και οι απλοί ιοί έχουν κοινωνικές ζωές που επηρεάζουν τη φυσική τους κατάσταση και την εξέλιξή τους. «Από θεωρητική άποψη, υπάρχει σαφώς τεράστιες δυνατότητες για τους ιούς να αλληλεπιδρούν κοινωνικά, οδηγώντας σε πιθανότητες συνεργασίας και σύγκρουσης», έγραψε ο Stuart West, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που μελετά την εξέλιξη των κοινωνικών συμπεριφορών, σε ένα email στο Quanta . "Ωστόσο, έχει γίνει σχετικά μικρή προσπάθεια να αντιμετωπιστεί αυτό εμπειρικά."
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Microbiology , ο Rafael Sanjuán, ένας εξελικτικός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Βαλένθια στην Ισπανία, και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό θεωρίας και πειραμάτων για να εξερευνήσουν τη συνεργασία και τη σύγκρουση με ιούς. Διαπίστωσαν ότι η χωρική δομή μιας ιογενούς λοίμωξης - ο τρόπος με τον οποίο μπορούν να απομονωθούν διαφορετικά σύνολα ιών σε ξεχωριστά διαμερίσματα του μολυσμένου σώματος - έχει τεράστια σημασία. Σε ένα ομοιόμορφα μικτό σύστημα, οι αλτρουιστικοί ιοί πέφτουν θύματα «απατεώνων» που εκμεταλλεύονται τις θυσίες τους, αλλά εάν οι τσέπες στο σώμα μπορούν να απομονώσουν και να προστατέψουν τους αλτρουιστές, έχουν μια ευκαιρία να επιβιώσουν.
Σκεφτείτε τον ιό της φυσαλιδώδους στοματίτιδας (VSV), ένα λιγότερο επικίνδυνο μέλος της ίδιας οικογένειας ιών με τη λύσσα. Οι ιογενείς λοιμώξεις συνήθως διεγείρουν τα κύτταρα των θηλαστικών ξενιστών τους να παράγουν ιντερφερόνες, τις πρωτεΐνες σηματοδότησης που αυξάνουν την αντιική άμυνα των γειτονικών κυττάρων και παρεμποδίζουν την ιική αντιγραφή. Το άγριου τύπου VSV έχει εξελίξει τρόπους για να καταστείλει το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή του, αλλά με το κόστος της πιο αργής αναπαραγωγής. Ωστόσο, αυτή η ικανότητα επιτρέπει στον πληθυσμό των κατασταλτικών ιών να ευδοκιμήσει — εκτός εάν εμφανιστεί μια παραλλαγή «απατεώνων».
Ο απατεώνας δεν έχει την ικανότητα να καταστείλει τις άμυνες του οικοδεσπότη του. στην πραγματικότητα, η παρουσία του διεγείρει την απελευθέρωση ιντερφερονών. Ωστόσο, εξακολουθεί να καρπώνεται το όφελος μιας μειωμένης ανοσολογικής απόκρισης λόγω των κοντινών VSV που καταστέλλουν την απελευθέρωση ιντερφερόνης. Επειδή οι απατεώνες δεν πληρώνουν το αναπαραγωγικό κόστος της καταστολής της ιντερφερόνης, μπορούν βραχυπρόθεσμα να ξεπεράσουν τον ιό άγριου τύπου. Από άποψη κοινωνικής συμπεριφοράς, όπως επεσήμαναν ο Sanjuán και οι συνάδελφοί του στην εργασία τους, η καταστολή της ιντερφερόνης από τον άγριο τύπο VSV χαρακτηρίζεται ως αλτρουιστική πράξη επειδή στην πραγματικότητα ο άγριος τύπος θυσιάζει τον εαυτό του για τον απατεώνα.
Τελικά, η απόκριση ιντερφερόνης του ξενιστή κατακλύζει και τους δύο τύπους ιών και τους σκοτώνει. Μπορεί να φαίνεται ότι η φυσική επιλογή θα εξαφάνιζε πάντα την ικανότητα καταστολής της ιντερφερόνης επειδή ο αλτρουισμός της θα άφηνε τους ιούς που την είχαν σε μειονεκτική θέση.
Η μελέτη μοντελοποίησης του Sanjuán δείχνει, ωστόσο, ότι αυτό δεν ισχύει απαραίτητα:Ο αλτρουιστικός ιός που καταστέλλει την ιντερφερόνη μπορεί ακόμα να εξελιχθεί και να ευδοκιμήσει εάν αυτός και ο απατεώνας είναι σωματικά διαχωρισμένοι. Οι δομές και τα εμπόδια στο σώμα μπορούν να δημιουργήσουν καταφύγια όπου οι ιοί που καταστέλλουν την ιντερφερόνη μπορούν να επιβιώσουν, ασφαλείς από τη ζημιά που διαφορετικά θα προκαλούσαν οι απατεώνες.
Για να μοντελοποιήσουν τις συγκεκριμένες συνθήκες στις οποίες μπορεί να συμβεί έμφυτη καταστολή του ανοσοποιητικού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το θεωρητικό πλαίσιο που ανέπτυξε ο Hamilton. Σύμφωνα με τον κανόνα του Hamilton, ο αλτρουισμός εξελίσσεται όταν $latex r~×~B~>~C $, όπου B είναι το όφελος για τον αποδέκτη, r είναι η συγγένεια του παραλήπτη με τον δότη και C είναι το κόστος για τον δότη.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης μια παράμετρο για να υποδείξουν ότι το όφελος, B , εξαρτάται από το αν ένας ιός περιβάλλεται από άγριου τύπου ή απατεώνες γείτονες. Εφαρμόζοντας τον κανόνα του Hamilton σε καλά αναμεμειγμένους και χωρικά διαχωρισμένους συνδυασμούς των δύο παραλλαγών VSV, θα μπορούσαν να εκτιμήσουν εμπειρικά τις παραμέτρους στην εξίσωση του Hamilton.
«Για να εξελιχθεί η έμφυτη καταστολή του ανοσοποιητικού, χρειάζεστε χωρική δομή», είπε ο Sanjuán. Επειδή τόσο ο ιός όσο και η απόκριση ιντερφερόνης του ξενιστή εξαπλώνονται από κύτταρο σε κύτταρο, είναι στην πραγματικότητα αρκετά δύσκολο να αποφευχθεί η εμφάνιση χωρικών δομών κατά τη διάρκεια της μόλυνσης. Οι περιορισμοί στον ρυθμό διάχυσης των ιικών σωματιδίων και των μορίων ιντερφερόνης, καθώς και φυσικοί φραγμοί στους ιστούς του σώματος, δημιουργούν εύκολα χωρική ετερογένεια, επιτρέποντας έτσι την εξέλιξη της έμφυτης ανοσοκαταστολής.
Σε ζώα με σύνθετες συμπεριφορές και σε βακτήρια με σχετικά πολύπλοκα συστήματα επικοινωνίας, τα αποτελέσματα των εξελικτικών σεναρίων επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες. Στην περίπτωση των ιών, «είναι πολύ πιο απλό», είπε ο Sanjuán. «Τα πάντα υπαγορεύονται από τη χωρική δομή. Δεν υπάρχει άλλη γνωστή διαδικασία που μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα του συστήματος. Εάν οι ιοί είναι ανάμεικτοι, τότε αυτός ο αλτρουισμός δεν μπορεί να εξελιχθεί, και εάν είναι διαχωρισμένοι, τότε ο αλτρουισμός μπορεί να εξελιχθεί.»
Μια άλλη πτυχή της κοινωνικής εξέλιξης των ιών που διερευνά ο Sanjuán είναι γιατί μερικές φορές συγκεντρώνονται πολλαπλά ιικά σωματίδια και μολύνουν ένα κύτταρο μαζί. Η αντιστάθμιση είναι ότι, εάν τα ιικά σωματίδια συγκεντρωθούν, υπάρχουν λιγότερες μονάδες για να μολύνουν διαφορετικά κύτταρα. Έτσι, «κατ' αρχήν, αυτό είναι δαπανηρό επειδή περιορίζει την ικανότητα διάχυσης», είπε ο Sanjuán. Αλλά η ομάδα του διαπίστωσε, προς έκπληξή της, ότι οι συγκεντρωμένοι ιοί αναπτύσσονται πιο γρήγορα και παράγουν περισσότερους απογόνους. Αυτό το αποτέλεσμα εξαρτιόταν από τον κυτταρικό τύπο:Σε καρκινικά κύτταρα που δεν έχουν έμφυτη ανοσία, η άθροιση ήταν δαπανηρή. Αλλά σε φυσιολογικά κύτταρα, τα οποία δημιουργούν μια έμφυτη ανοσολογική απόκριση, η συσσώρευση ήταν ευεργετική για τους ιούς επειδή επιτρέπει στους ιούς να κατακλύσουν την έμφυτη ανοσολογική απόκριση, πρότεινε ο Sanjuán.
Αν και η στρατηγική της συσσώρευσης για μόλυνση φαίνεται ωφέλιμη για τον ιό, μπορεί επίσης να οδηγήσει στην εξέλιξη των απατεώνων. Για παράδειγμα, εάν ένας ιός στο σύνολο χάσει μερικά γονίδια, τότε μπορεί να αναπαραχθεί πιο γρήγορα, και με αυτό το πλεονέκτημα μπορεί να ξεπεράσει τους άλλους ιούς στο σύνολο. Αυτοί οι ιοί με έλλειψη γονιδίων είναι γνωστοί ως ελαττωματικά παρεμβαλλόμενα σωματίδια (DIPs):Πολλοί από αυτούς στερούνται περίπου το 90 τοις εκατό του ιικού γονιδιώματος και επιβιώνουν ως απλώς ένα μικρό κομμάτι RNA που μπορεί να αναπαραχθεί πολύ γρήγορα μέσα σε έναν ξενιστή (συνήθως δεν μπορούν να μολύνουν έναν νέο φιλοξενεί επειδή είναι τόσο ελλιπείς). Σε καλλιέργειες κυττάρων με υψηλή πυκνότητα ιογενών λοιμώξεων, τα DIPs αναλαμβάνουν και σύντομα αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 99 τοις εκατό του ιικού πληθυσμού, είπε ο Sanjuán.
Η ύπαρξη των DIP μπορεί να αγγίξει ένα άλλο παζλ:Προσαρμόζουν οι ιοί τους χειρισμούς μεταξύ τους σύμφωνα με τις ανάγκες του κύκλου ζωής τους; Ο Ραούλ Αντίνο, ιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, επισημαίνει ότι νωρίς στην εισβολή ενός ιού, ένας ιός μπορεί να θέλει πολλή παρέα επειδή πολλαπλές ταυτόχρονες μολύνσεις θα αύξαναν τις πιθανότητες επιτυχίας του. «Αλλά στη συνέχεια θέλουν να μειώσουν την πιθανότητα μεγάλης πολλαπλότητας μόλυνσης σε μεταγενέστερο στάδιο, για να μειωθεί η πιθανότητα παραγωγής αυτών των ελαττωματικών σωματιδίων», είπε. "Αυτό είναι κάτι που δεν καταλαβαίνουμε πλήρως, αλλά είναι ένα πραγματικά ενδιαφέρον πρόβλημα."
