Medycyna Wet. 2007, 63 (7) 755
Artyku³ przegl¹dowy Review
Zainteresowanie wirusami ogranicza³o siê pocz¹tko-wo do poznania ich roli chorobotwórczej. Kapitalne od-krycie, dokonane w 1952 r. przez Hersheya i Chase w ba-daniach nad wirusami bakterii (bakteriofagami), wyka-za³o, ¿e ich kwasy nukleinowe s¹ nonikami informacji genetycznej dla struktury bia³ek. Tê rolê kwasów nuklei-nowych wykazano nastêpnie równie¿ przy badaniu wi-rusów rolinnych oraz zwierzêcych i w³anie te dane stwo-rzy³y podstawê wspó³czesnej biologii molekularnej.
Powszechne wystêpowanie bakteriofagów wyra¿a siê ich olbrzymi¹ rol¹ biologiczn¹, bêd¹c¹ nastêpstwem za-równo ich cyklu litycznego, jak i lizogennego (4). Ten pierwszy, wyra¿aj¹cy siê niszczeniem bakterii, znajduje zastosowanie w lecznictwie (8). Bardzo istotne s¹ skutki cyklu lizogennego bakteriofagów, to jest wtedy, gdy nie niszcz¹ one komórki bakteryjnej, lecz ich kwas nuklei-nowy zostaje wcielony do jej materia³u genetycznego i powoduje jej zmianê (konwersja lizogeniczna). Ponad-to fag mo¿e przekazywaæ bakterii biorcy chromosomal-ne i pozachromosomalchromosomal-ne elementy gechromosomal-netyczchromosomal-ne zabrachromosomal-ne z bakterii dawcy (zjawisko transdukcji). Konwersja lizo-geniczna powodowaæ mo¿e wa¿ne, szczególnie z lekar-skiego punktu widzenia, zmiany w³aciwoci bakterii, wy-ra¿aj¹ce siê wzrostem ich zjadliwoci, a transdukcja m.in. przeniesienie antybiotykoopornoci z bakterii opornej na wra¿liw¹ powstaje jej szczep oporny.
Nasza wiedza o wirusach zwierzêcych jest te¿ du¿a. Poznalimy mechanizmy ich chorobotwórczego dzia³a-nia (w tym te¿ zdolnoæ wywo³ywadzia³a-nia procesów nowo-tworowych oraz indukowania z³o¿onych i bardzo ró¿no-rodnych procesów autoimmunologicznych), zjawiska wrodzonej i nabytej odpornoci na zaka¿enia wirusowe oraz istotê zmiennoci wirusów. Szczegó³owe wyjania-nie procesów ich replikacji umo¿liwia tworzewyjania-nie nowych hamuj¹cych j¹ preparatów. Od dawna prowadzone ba-dania nad onkolitycznym dzia³aniem odpowiednio zmo-dyfikowanych wirusów stwarzaj¹ obecnie nadziejê na opracowanie metody wirusoterapii nowotworów.
Zagadnienie o¿ywionego czy nieo¿ywionego charak-teru wirusów pozostaje nadal w sferze rozwa¿añ, a
zale-¿y od ustalenia kryterium zale-¿ycia zdolnoæ do rozmna¿a-nia siê i zmiennoæ czy posiadanie w³asnej przemiany materii. Omawia to w piêknym artykule L. Villarreal (7). Sprawa pochodzenia wirusów i dróg ich ewolucji jest niejasna, a rozwa¿ania na ten temat uwzglêdniaj¹ trzy teorie. Wed³ug pierwszej, endogenicznej, wirusy powsta-wa³y i powstawaæ mog¹ w pewnych warunkach z ele-mentów komórkowych, gdy przeniesione do innych ko-mórek wyka¿¹ zdolnoæ przestawienia ich metabolizmu w kierunku odtworzenia w³asnych cz¹stek, albo wtedy, gdy na skutek mutacji w³asne elementy genetyczne za-czynaj¹ wykazywaæ dzia³anie destruktywne wobec w³as-nej komórki (bunt genów) i po reprodukcji oka¿¹ siê zdolne do atakowania innych komórek. Wed³ug drugiej teorii, ewolucji wstecznej, wirusy s¹ produktami dege-neracji wy¿szych form paso¿ytniczych na skutek stop-niowego upraszczania ich struktury i metabolicznego wy-posa¿enia. Zgodnie z trzeci¹ teori¹, ewolucji postêpuj¹-cej, wirusy uwa¿a siê za formê powsta³¹ z protobiontów, czyli przedkomórkowych form ¿ycia.
Do wyjanienia tych spraw zbli¿aj¹ nas liczne prace wielu grup badaczy, dotycz¹ce wirusów, szczególnie bak-teriofagów, omówione w artykule G. Hamiltona (2), z którego tu tylko wa¿niejsze fragmenty. Autor pisze na wstêpie, ¿e gdy w 2001 r. do laboratorium Grahama Hat-fulla w University of Pittsburgh, zg³osili siê dwaj stu-denci, Joe Gross i Jake Falbo, ten zaproponowa³ im udzia³ w badaniach, które mog³yby wzbudziæ zainteresowanie Linneusza lub Darwina. Poleci³ im bowiem znalezienie kilku nowych wirusów i doda³, ¿e na pewno siê im to uda wystarczy wyjæ i poszukaæ pod krzakiem ró¿y, a znajd¹ tam faga niepodobnego do ¿adnego dot¹d wy-krytego. I to nie by³ ¿art. Grupa Hatfulla izolowa³a i usta-li³a sekwencjê ponad 40 fagów ze rodowisk tak ró¿nych, jak pod³oga w klinice grulicy w Indiach, klatka dla ma³p w nowojorskim ogrodzie zoologicznym, a nawet ziemia pod krzakiem ró¿y w Latrobe, 55 km od Pittsburga, i wszystkie te fagi ca³kowicie ró¿ni³y siê od siebie.
Obecnie ocenia siê, ¿e wirusów jest znacznie wiêcej i s¹ bardziej zró¿nicowane ni¿ kiedy s¹dzono. Ostatnie
Rola wirusów w ewolucji ¿ycia
ZDZIS£AW LARSKIOlsztyn
Larski Z.
Role of viruses in the evolution of life
Summary
Vast presence and diversity of viruses is the driving force in the evolution of higher organisms. The bulk of natures genetic information resides in viral genomes. Viruses are the most creative genetic entities. Forterre believes that viruses were immediate agents in evolution of RNA-based life into DNA-based life, and they may have helped shape all three major domains of life.
Medycyna Wet. 2007, 63 (7) 756
wyliczenia sugeruj¹, ¿e mo¿e byæ wiêcej nie odkrytych genów w wiecie wirusów w wiêkszoci nale¿¹cych do fagów ni¿ u wszystkich innych form ¿ycia ³¹cznie. Przez wcielanie i wy³¹czanie genów z komórek swych gospodarzy wirusy mo¿na uwa¿aæ za napêdow¹ si³ê w ewolucji wy¿szych organizmów, tak¿e naszego. Ha-milton podaje, ¿e wzmianki o tak szerokim nie pozna-nym wiecie wirusów pojawi³y siê ju¿ w latach 1980., kiedy badacze norwescy przy u¿yciu nowej techniki elek-tronomikroskopowej wykazali, ¿e stê¿enie wirusów w niektórych akwenach jest 10 mln razy wiêksze ni¿ po-przednio oceniano. Liczba cz¹stek wirusowych w jed-nym ml waha³a siê od 60 000 g³êboko w Morzu Barent-sa, do 254 mln w powierzchniowych wodach niemiec-kiego jeziora Plussee. Nastêpnie badacze wykrywali ol-brzymie liczby wirusów gdziekolwiek ich szukali od 2000 m poni¿ej powierzchni ziemi do piasków Sahary, od gor¹cych róde³ do polarnych jezior. Uwa¿a siê obec-nie, ¿e na naszej planecie jest oko³o 1031 cz¹steczek
wi-rusowych, astronomiczna liczba. Stwierdzono równie¿ niewyobra¿aln¹ ró¿norodnoæ w tej wirusowej mnogo-ci. Miêdzy jednym a nastêpnym metrem szeciennym morskiej wody genetyczne zró¿nicowanie wirusów jest wiêksze ni¿ stwierdzone w jakiejkolwiek innej znanej grupie organizmów. Jeden kilogram osadu morskiego zawiera do jednego miliona ró¿nych genotypów wiruso-wych, a w samych jelitach cz³owieka rezyduje oko³o 1200 ró¿nych wirusów. Stwierdzono te¿ wysoki odsetek uni-katowych genów w wielu sekwencjonowanych genomach wirusowych.
Artyku³ zawiera zaskakuj¹ce dane dotycz¹ce niezna-nej dot¹d roli wirusów. Fagi zaka¿aj¹ce masowo bakte-rie nie tylko ograniczaj¹ ich populacjê, lecz odgrywaj¹ wa¿n¹ rolê w globalnych geochemicznych procesach, ta-kich jak cykl wêglowy; wirusy atakuj¹ce kwiaty mor-skich glonów powoduj¹, ¿e iloæ uwalnianego siarczku dwumetylu jest wystarczaj¹ca, aby wp³yn¹æ na tworze-nie siê chmur; wirusy wykazuj¹ jeszcze inne tajemnicze zdolnoci. Niektóre zawieraj¹ i u¿ywaj¹ d³ugiej listy ge-nów uwa¿anych dawniej za przydatne tylko w komór-kach, jak np. te potrzebne do fotosyntezy; wyhodowano te¿ wirus zaka¿aj¹cy glony, zawieraj¹cy gen dla kwasu hialuronowego, zwi¹zku stanowi¹cego u krêgowców ma stawow¹, a tak¿e wirusy koduj¹ce chitynê bêd¹c¹ budul-cem zewnêtrznego szkieletu owadów.
Te wszystkie dane prowadz¹ do wniosku, ¿e olbrzy-mia wiêkszoæ informacji genetycznej przyrody mieci siê w genomach wirusów. Zdaniem Hatfulla, stanowi to jej najwiêkszy eksperyment, a wirusy s¹ naprawdê uta-lentowanymi eksperymentatorami. Od dawna wiadomo, ¿e fagi mog¹ ci¹æ i ³¹czyæ swe geny z ró¿nych róde³, a teraz wykazano, jak niepohamowane jest takie przeta-sowanie. W odró¿nieniu od komórek fagi mog¹ ³¹czyæ fragmenty DNA nie wiêksze ni¿ d³ugoci jednego genu, nawet mimo braku podobieñstwa miêdzy sekwencjami ró¿nych odcinków DNA. W komórkach zachodzi sta³a i losowa rekombinacja tu wirusy bezustannie siê od-twarzaj¹, a dziêki temu lepemu, lecz wysoce kreatyw-nemu procesowi, powstaj¹ nie tylko nowe kombinacje genów, ale te¿ dochodzi do utworzenia zupe³nie nowych genów, byæ mo¿e nigdy przedtem nie istniej¹cych w
przy-rodzie. Wskutek tego powstaje olbrzymia liczba nowych wirusów w wiecie. Wszystkie one by³yby bezu¿ytecz-nym dziwol¹giem mówi Hendrix, lecz dostatecznie czêsto mo¿e siê zdarzyæ, ¿e te nieliczne, które przetrwa-j¹, to i tak jeszcze znaczna liczba. To jest darwinowska ewolucja na wielk¹ skalê. Hamilton omawia dalej dane wskazuj¹ce na znaczne i szybkie rozprzestrzenianie siê wirusowego DNA. Stwierdzono wykrycie tej samej jego sekwencji w 49 z 61 z bardzo ró¿nych rodowisk obej-muj¹cych: ¿wacz krowy z Idaho, gor¹ce ród³a w Kali-fornii, Ocean Antarktyczny i luz z rafy koralowej ros-n¹cej w Morzu Karaibskim. Analiza 18 tych próbek wy-kaza³a, ¿e sekwencja 533 par zasad ró¿ni³a siê nie wiêcej ni¿ o trzy nukleotydy.
Zdaniem C. Suttlea, grupa wirusów jest jak superor-ganizm masywna pula informacji genetycznej do roz-dzia³u miêdzy te wszystkie ró¿ne wirusy. Wa¿n¹ kwestiê stanowi, w jakim stopniu ten superorganizm wysuwa swe macki do genomów gospodarza. Wiadomo od dawna, ¿e fagi mog¹ wcielaæ czêæ w³asnego materia³u genetycz-nego do komórki bakteryjnej, która dziêki temu zyskuje nowe w³aciwoci (4). To zjawisko konwersji lizogenicz-nej stwierdzono ju¿ w 1951 r. u maczugowca b³onicy (Corynebacterium diphteriae), u którego pojawi³a siê zdolnoæ produkcji toksyny; taki udzia³ fagów wykaza-no te¿ u pewnych szczepów Clostridium wykaza-novyi przy-czyny zgorzeli gazowej u cz³owieka i zwierz¹t, martwi-cowego zapalenia w¹troby u zwierz¹t oraz laseczek jadu kie³basianego (Clostridium botulinum). Hamilton wymie-ni³ w tym kontekcie jeszcze paciorkowca ropotwórcze-go (Streptococcus pyogenes) i przecinkowca cholery (Vibrio cholerae). Przytoczy³ te¿ wyniki badañ sekwen-cji ca³ego genomu bakterii, z których wynika, ¿e wiêk-szoæ ich zawiera przeciêtnie dwa do trzech profagów i ¿e te fagowe geny s¹ g³ówn¹ przyczyn¹ ró¿nic miêdzy cile ze sob¹ spokrewnionymi szczepami bakterii. Jako przyk³ad wymienia niechorobotwórczy laboratoryjny szczep E. coli i szczep 0157:H7, który pojawi³ siê w ostat-nich dekadach jako globalne zagro¿enie zdrowia, oraz patogenne i niepatogenne izolaty dwoinki zapalenia opon mózgowych (Neisseria maningitidis). W odniesieniu do Streptococcus pyogenes wykazano, ¿e trzy jego szczepy wywo³uj¹ce trzy ró¿ne procesy chorobowe p³onicê, gor¹czkê reumatyczn¹ i syndrom szoku toksycznego, posiadaj¹ w³asny, odrêbny zestaw toksyn kodowanych przez fagi. Badacze zaczynaj¹ znajdowaæ dane wskazu-j¹ce, ¿e wirusowy wp³yw na ewolucjê ¿ycia mo¿e byæ bardziej ogólnym zjawiskiem. Na przyk³ad, pa³eczka ropy b³êkitnej, Pseudomonas aeruginosa zabija swych kon-kurentów przy u¿yciu substancji kodowanej przez dwa zmodyfikowane geny fagowe. Nie potrzeba du¿ych po-szukiwañ, aby znaleæ nowy wirusowy DNA, tak¿e cz³o-wiek jest jego pe³en. Oko³o 8% naszego genomu sk³ada siê z kopii DNA retrowirusów, które uleg³y inkorporacji do naszej struktury genetycznej. Przyk³ad stanowi bia³-ko u¿ywane przez wirusy, gdy ³¹cz¹ siê z bia³-komórk¹ gos-podarza, inicjuj¹c zaka¿enie; okazuje siê, ¿e odgrywa ono czynn¹ rolê w wi¹zaniu ze sob¹ komórek w czasie roz-woju ³o¿yska.
W rozwa¿aniach ewolucyjnych Hamilton przytacza wyniki badañ wspieraj¹ce pogl¹d, ¿e gen przeby³ sw¹
Medycyna Wet. 2007, 63 (7) 757
drogê od wirusa do bakterii i do j¹dra komórkowego, gdzie odgrywa teraz kluczow¹ rolê w molekularnym obie-gu, napêdzaj¹cym wszystkie wielokomórkowe organiz-my. Niektórzy badacze s¹dz¹ obecnie, ¿e wirusy przy-czyni³y siê do nagromadzenia ró¿nych molekularnych komponentów, okrelaj¹cych typy komórek wystêpuj¹-cych u wszystkich trzech domen ¿ycia: bakterie, archea (archebakterie) i eukariota. Zdaniem L. Villarreala, dy-rektora Center for Virus Research Uniwersytetu Kalifor-nijskiego, staje siê ju¿ czym oczywistym, ¿e wszech-obecne wirusy s¹ najbardziej kreatywnymi genetyczny-mi jednostkagenetyczny-mi jakie znamy.
Uzupe³nieniem danych wskazuj¹cych na olbrzymie liczby wirusów w rodowisku morskim, s¹ wyniki badañ jakociowych wód przybrze¿nych wykonanych przez Culleya i wsp. (1). Dotyczy³y one RNA-wirusów, które zaka¿aj¹ morskie organizmy od bakterii do wielorybów. Autorzy izolowali te zarazki nale¿¹ce do 10 rodzin, wród nich du¿¹ grupê morskich pikornapodobnych wirusów i dalekich pokrewnych, zaka¿aj¹cych stawonogi i wy¿-sze roliny, oraz dotychczas nieznane. Szczególnie du¿e zainteresowanie budzi izolowany olbrzymi wirus o red-nicy 400 nm posiadaj¹cy dwu³añcuchowy DNA (5, 6), namna¿aj¹cy siê w amebach, oznaczony jako mimiwirus (mimicking naladuj¹cy bakteriê); wielkoæ i z³o¿onoæ jego genomu kwestionuj¹ ustalon¹ granicê miêdzy wi-rusami a paso¿ytniczymi komórkowymi organizmami. Raoult i wsp. (6) s¹dz¹, ¿e te ich badania mog¹ pomóc rzuciæ nowe wiat³o na pochodzenie DNA-wirusów i ich rolê we wczesnej ewolucji organizmów eukariotycznych. Aktualny stan wiedzy na ten temat zawiera artyku³ Czy DNA pochodzi od wirusów? C. Zimmera (9) tu tylko niektóre fragmenty. Autor pisze, ¿e naukowcy zajmuj¹-cy siê histori¹ ¿ycia nigdy nie byli ca³kiem pewni, co po-cz¹æ z wirusami, teraz jednak wzrasta powszechne prze-konanie, ¿e pe³ne wyt³umaczenie ewolucji ¿ycia musi obj¹æ poznanie ich roli. Nie tylko dlatego, ¿e wystêpuj¹ w niewyobra¿alnie du¿ych ilociach, lecz s¹ niezwykle bogato zró¿nicowane. Mog¹ zabieraæ geny swoich gos-podarzy, a nastêpnie wcielaæ je do innych i kierowaæ na nowe drogi ewolucyjne. Patrick Forterre, biolog ewo-lucyjny z University of Paris-Sud, s¹dzi, ¿e wirusy s¹ w samym sercu ewolucji one przekaza³y DNA wszyst-kim formom ¿ycia. Artyku³ zawiera omówienie szcze-gó³ów tej hipotezy oraz opinie polemiczne, jak i przema-wiaj¹ce za jej s³usznoci¹. P. Villarreal wskaza³ na mo¿-liwe ewolucyjne powi¹zania miêdzy genami replikacji u pewnych wirusów a tymi u eukariontów i ¿e wirusy zast¹pi³y u nich pierwotne geny.
W ostatnich kilku latach Forterre rozwin¹³ swoje pier-wotne koncepcje w pewien rodzaj zunifikowanej teorii wirusów i komórkowego ¿ycia. Podobnie jak wielu ba-daczy, jest zwolennikiem pogl¹du, ¿e organizmy oparte na DNA pochodz¹ od prostszych organizmów opartych na RNA. Wykazano, ¿e RNA by³o w stanie podtrzymy-waæ prymitywne ¿ycie, przenosiæ informacjê genetycz-n¹, dzia³aæ jako enzym, absorbowaæ substancje od¿yw-cze, namna¿aæ siê i rozwijaæ. Wed³ug tej teorii wiata RNA, organizmy te ewoluowa³y póniej w samoregu-luj¹ce siê komórki mog¹ce wytwarzaæ w³asne bia³ka. W tym momencie powstawa³y pierwsze RNA-wirusy,
które sta³y siê paso¿ytami RNA-organizmów i zmusi³y je do wytwarzania nowych w³asnych kopii. Koncepcjê wiata RNA wspieraj¹ liczne dane, ale trudno by³o wy-janiæ, jak ewoluowa³ on w wiat DNA. Forterre suge-ruje, ¿e wirusy by³y porednimi czynnikami tej zmiany. DNA móg³ zapewniæ wirusom du¿e bezporednie korzy-ci, chroni¹c je przed atakiem w³asnych gospodarzy. Wia-domo, ¿e komórki u¿ywaj¹ ró¿nych broni przeciw RNA--wirusom mog¹ np. wyciszaæ wirusowy RNA przy u¿y-ciu specjalnych w³asnych drobin RNA. RNA-wirusy zna-laz³y sposób unikniêcia tego przez chemiczn¹ modyfika-cjê swych genów. Forterre uwa¿a, ¿e niektóre wczesne RNA-wirusy zmieni³y swe geny w szczególnie skutecz-ny sposób po³¹czy³y pary jedno³añcuchowego RNA w dwu³añcuchowy DNA i to w ten sposób, ¿e wra¿liwe nukleotydy bêd¹ce nonikami informacji genetycznej wirusa mieci³y siê wewn¹trz podwójnej helisy, a mocne zewn¹trz. A wiêc starszy RNA-wirus móg³ w ten sposób zmodyfikowaæ strukturê swego RNA, czyli DNA jest zmodyfikowanym RNA. I w³anie wtedy wiat RNA zmieni³ siê w wiat DNA. Naturalna selekcja sprzyja³a bardziej organizmom zawieraj¹cym wa¿ne geny w DNA ni¿ w RNA. Z czasem nastêpowa³ zanik chromosomu RNA, który w koñcu przesta³ istnieæ, a rozwój chromo-somu DNA. Sugerowane przez Forterrea przejcie od wiata RNA do wiata DNA i udzia³ w tym wirusów przedstawia siê w skrócie nastêpuj¹co: wszystkie ¿ywe organizmy maj¹ wspólnego przodka, który przechowy-wa³ sw¹ genetyczn¹ informacjê w postaci RNA. Niektó-re jego geny rozwinê³y siê w RNA-wirusy; póniej nie-które z nich wytworzy³y DNA jako sposób obrony swych genów przed atakiem, a wirusy oparte na DNA uleg³y wcieleniu do gospodarzy. Geny gospodarza zosta³y na-stêpnie przeniesione do chromosomów wirusowych i rozdzielone. W tym procesie wy³oni³y siê trzy g³ówne domeny ¿ycia oparte na DNA: bakterie, archebakterie i eukarionty.
Archebakterie, których istnienie wykazano dopiero w 1980 r., ró¿ni¹ siê od bakterii replikacj¹ DNA, ich ko-mórki wykazuj¹ wiêksze molekularne podobieñstwo do komórek ludzkich ni¿ do wspó³czesnych bakterii. Omó-wi³em je szczegó³owo w innym artykule (3).
Pimiennictwo
1.Culley A. I., Lang A. S., Suttle C. A.: Metagenomic analysis of coastal RNA virus communities. Science 2006, 312, 1795-1798.
2.Hamilton G.: The gene weavers. Nature 2006, 441, 683-685.
3.Larski Z.: Niektóre nowe dane dotycz¹ce mikrobiologii i chorób zakanych. Medycyna Wet. 1996, 52, 8-13.
4.Larski Z., Truszczyñski M.: Zarys mikrobiologii weterynaryjnej. Wyd. ART., Olsztyn 1992, s. 494.
5.La Scola B., Audic S., Robert C., Jungang L., de Lamballerie X., Drancourt M., Britles R., Claverie J.-M., Raoult D.: A giant virus in amoebae. Science 2003, 299, 2033.
6.Raoult G., Audic S., Bobert C., Abergel C., Renesto P., Ogata H., La Scola B., Suzan M., Claverie J.-M.: The 1.2-megabase genome sequence of mimivirus. Science 2004, 306, 1344-1350.
7.Villarreal L. P.: Czy wirusy s¹ ¿ywe? wiat Nauki 2005, nr 1, 57-61. 8.Weber-D¹browska B., Górski A., Zimecki M., £usiak-Szelachowska M.,
Grzêda M., Lis M., Miêdzybrodzki R., Fortuna W., Dubiel A., wita³a-Jeleñ K., Boratyñski J.: Potencjalne mo¿liwoci wykorzystania bakteriofagów w lecze-niu zaka¿eñ bakteryjnych zwierz¹t. Medycyna Wet. 2006, 62, 1219-1221. 9.Zimmer C.: Did DNA come from viruses? Science 2006, 312, 870-872.
Adres autora: prof. dr hab. Zdzis³aw Larski, ul. Puszkina 8/10, 10-294 Olsztyn