Вирусите най-накрая разкриват сложния си социален живот

Ваня Милева Последна промяна на 19 април 2024 в 00:00 4630 0

Далеч от самотни частици, вирусите участват в социално поведение в клетките и гостоприемниците

Кредит Илюстрация, създадена с помощта на AI Dream от НаукаOFFNews

Далеч от самотни частици, вирусите участват в социално поведение в клетките и гостоприемниците

Ново изследване разкри социален свят на вируси, пълен с измама, сътрудничество и други интриги, което предполага, че вирусите оцеляват като членове на общност.

Вирусите далеч не са самотни частици, те участват в социално поведение в клетките и гостоприемниците.

Oткакто са открити в края на 1800 г., учените отделиха вирусите от останалата част живи същества. Вирусите са много по-малки от клетките и в протеиновите им обвивки няма нещо повече от гени. Те не могат да растат, да копират собствените си гени, изобщо да правят нещо. Изследователите приемат, че всеки вирус е самотна частица, носеща се сама из света, способна да се репликира само ако случайно се сблъска с правилната клетка, която може да я приеме.

На първо място тази простота привлича много учени към вирусите, разказва Марко Винуци (Marco Vignuzzi), вирусолог в лабораториите за инфекциозни болести на Сингапурската агенция за наука, изследвания и технологии. "Опитвахме се да бъдем редукционисти."

Сега този редукционизъм се отплаща. Изследванията върху вирусите са от решаващо значение за раждането на съвременната биология. Липсата на сложност у клетките разкриват фундаментални правила за това как работят гените. Вирусният редукционизъм обаче има своята цена, обяснява Винуци: приемайки, че вирусите са прости, оставаме слепи за възможността те да са сложни по неподозирани начини.

Например, ако си представяме вирусите като за изолирани пакети от гени, би било абсурдно да си представим, че имат социален живот. Но Винуци и нова школа от вирусолози с подобни възгледи изобщо не смятат, че това е абсурдно.

През последните десетилетия те откриват някои странни характеристики на вирусите, които нямат смисъл, ако вирусите са самотни частици. Вместо това те разкриват невероятно сложния социален свят на вирусите. Тези социовиролози, както изследователите понякога се наричат, смятат, че вирусите имат смисъл само като членове на общност.

Разбира се, социалният живот на вирусите не е съвсем като този на другите видове. Вирусите не публикуват селфита в социалните медии, не са доброволци в хранителни банки и не крадат лични данни, както правят хората. Те не се бият със съплеменниците си, за да доминират над ордата като бабуините, те не събират нектар, за да хранят своята кралица като пчелите, те дори не се втвърдяват в лигави килимчета за тяхната обща защита, както правят някои бактерии. Въпреки това, социовиролозите смятат, че вирусите мамят, сътрудничат и взаимодействат по други начини със своите събратя вируси.

Областта на социовирусологията е все още млада и малка. Първата конференция, посветена на социалния живот на вирусите, се проведе през 2022 г., а втората ще се проведе този юни. Ще присъстват общо 50 души. Все пак социовиролозите твърдят, че последиците от тяхната нова област могат да бъдат дълбоки. Болести като грипа нямат смисъл, ако мислим за вирусите изолирано един от друг. И ако успеем да дешифрираме социалния живот на вирусите, може да успеем да го използваме, за да се борим срещу болестите, които някои от тях създават.

Под носа ни

Някои от най-важните доказателства за социалния живот на вирусите са били под носа ни в продължение на почти век. След откриването на грипния вирус в началото на 30-те години на миналия век, учените измислят как да отглеждат запаси от вируса, като го инжектират в кокоше яйце и го оставят да се размножава вътре. След това изследователите могат да използват новите вируси, за да заразят лабораторни животни за изследване или да ги инжектират в нови яйца, за да продължат да отглеждат нови вируси.

В края на 40-те години датският вирусолог Пребен фон Магнус отглежда вируси, когато забелязва нещо странно. Много от вирусите, произведени в едно яйце, не са можели да се репликират, когато той ги инжектира в друго. До третия цикъл на предаване само един на 10 000 вируса все още може да се репликира. Но в следващите цикли дефектните вируси стават по-редки и репликиращите се възстановяват. Фон Магнус подозира, че вирусите, които не могат да се репликират, не са завършили развитието си и затова ги нарича "непълни".

В по-късните години вирусолозите нарекоха бума и спада на непълните вируси "ефект на фон Магнус". За тях това бе важно - но само като проблем за решаване. Тъй като никой не е виждал непълни вируси извън лабораторна култура, вирусолозите решават, че са ефектът е изкуствен и измислят начин да се отърват от тях.

"Трябва да се елиминират от лабораторните запаси, защото не трябва да пречат на експериментите", разказа Сам Диас-Муньос (Sam Díaz-Muñoz), вирусолог от Калифорнийския университет, Дейвис, припомняйки общоприетото мнение в областта. "Защото това не е "естествено"."

Изследователи през 60-те години на миналия век наблюдават, че непълните вирусни геноми са по-къси от тези на типичните вируси. Това откритие затвърждава мнението на много вирусолози, че непълните вируси са дефектни странности, лишени от гени, необходими за репликация. Но през 2010 г. евтината, мощна технология за генно секвениране показа ясно, че непълните вируси всъщност са в изобилие в собствените ни тела.

В едно проучване, публикувано през 2013 г., изследователи от университета в Питсбърг вземат тампони от носа и устата на хора, болни от грип. Те изваждат генетичния материал от грипните вируси в пробите и откриват, че при някои от вирусите липсват гени. Тези закърнели вируси се появяват, когато заразените клетки погрешно копират генома на функционален вирус, като случайно прескачат участъци от гени.

Други проучвания потвърждават това откритие. Те също така разкриват други начини, по които могат да се образуват непълни вируси. Някои видове вируси носят изкривени геноми например. В тези случаи заразена клетка започва да копира вирусен геном само за да се обърне частично и след това да копира генома обратно до началната му точка. Други непълни вируси се образуват, когато мутациите нарушат последователността на гена, така че той вече не може да произвежда функционален протеин.


Кредит: Merrill Sherman/Quanta Magazine (превод Наука OFFNews)

Тези изследвания разрушават старите представи, че непълните вируси на фон Магнус са само артефакт от лабораторни експерименти. "Те са естествена част от биологията на вируса", ​отбелязва Диас-Муньос.

Откриването на непълни вируси в собствените ни тела вдъхновява нов прилив на научен интерес към тях. Грипът не е уникален: много вируси идват в непълни форми. Те съставляват по-голямата част от вирусите, открити при хора, болни от инфекции като респираторен синцитиален вирус (RSV) и морбили.

Учените са измислили и нови имена за непълните вируси на фон Магнус. Някои ги наричат ​​"дефектни интерфериращи частици". Други ги наричат ​​"нестандартни вирусни геноми".

Диас-Муньос и колегите му имат друго име за тях: измамници.

Вируси измамници

Непълните вируси обикновено могат да проникнат в клетките, но попаднали веднъж вътре, те не могат да се репликират сами. Липсват им някои от гените, които са от съществено значение за отвличането на машината за производство на протеини на техния гостоприемник, като този за ензим за копиране на гени, известен като полимераза. За да се репликират, те трябва да прибегнат до измама. Те трябва да се възползват от свой събрат вирус.

За щастие на измамниците, клетките често се заразяват от повече от един вирусен геном. Ако функционален вирус се появи в клетка на измамник, той прави полимерази. След това измамникът може да заеме полимеразите на другия вирус, за да копира собствените си гени.

В такава клетка двата вируса се надпреварват да направят най-много копия на собствения си геном. Измамникът има голямо предимство: има по-малко генетичен материал за възпроизвеждане. Следователно полимеразата копира непълен геном по-бързо от пълен.

Тяхното преимущество става още по-голямо в хода на инфекцията, тъй като непълните вируси и функционалните вируси се преместват от клетка в клетка.

Двойно по-късата дължина не дава два пъти по-голямо предимство, обяснява Ашър Лийкс (Asher Leeks), който изучава социалната еволюция на вирусите като постдоктор в университета Йейл. Това може да означава, че ще получи хилядократно предимство и дори повече.

Други вируси измамници имат работещи полимерази, но им липсват гените за създаване на протеинови обвивки, за да затворят техния генетичен материал. Те се репликират, като чакат да се появи функционален вирус, след това промъкват своя геном в обвивките, които произвежда. Някои проучвания предполагат, че геномите на измамниците могат да влизат в обвивките по-бързо от функционалните.

Която и стратегия да използва непълен вирус за репликация, резултатът е един и същи. Тези вируси не плащат цената на сътрудничеството, дори когато използват сътрудничеството на други вируси.

"Един измамник се справя зле сам по себе си, той се справя по-добре във връзка с друг вирус и ако има много измамници, няма да има кой да се експлоатира", обяснява Диас-Муньос. "От еволюционна гледна точка, това е всичко, от което се нуждаете, за да дефинирате измама."

Последната част от това определение представлява загадка. Ако измамниците са толкова удивително успешни - а те наистина са - трябва да доведе вирусите до изчезване. Тъй като поколения вируси избухват от старите клетки и заразяват нови, измамниците трябва да стават все по-често срещани. Те трябва да продължат да се репликират, докато функционалните вируси изчезнат. Без останали функционални вируси, измамниците не могат да се репликират сами. Цялата популация от вируси трябва да загине в забвение.

Разбира се, вируси като грипните очевидно избягват това бързо изчезване и затова в социалният им живот трябва да има нещо повече от смъртоносната спирала на измами. Каролина Лопес (Carolina López), вирусолог от Медицинския факултет на Вашингтонския университет в Сейнт Луис, смята, че някои вируси, които изглеждат сякаш мамят, всъщност може да играят по-благоприятна роля във вирусните общества. Вместо да експлоатират други вируси, те си сътрудничат, помагайки на събратята си да процъфтяват.

"Мислим за тях като за част от общност", разказва Лопес, "в която всеки играе важна роля."

Превенция на изгарянето

Навлизането на Лопес в света на социовирусологията започва в началото на 2000-те години, когато тя изучава вируса Сендай, патоген, който заразява мишки. Изследователите са знаели от години, че два щама на вируса Сендай се държат по различен начин. Единият, наречен SeV-52, е добър в избягването на реакцията на имунната система, което позволява на вируса да причини масивна инфекция. Но мишките, заразени с другия щам, SeV-Cantell, си изработват бърза, мощна защита, която им помага бързо да се възстановят. Лопес и нейните колеги установяват, че разликата е, че SeV-Cantell произвежда много непълни вируси.

Как непълните вируси задействат имунната система на мишките? След поредица от експерименти, Лопес и нейните колеги установяват, че непълните вируси карат техните клетки гостоприемници да активират алармената система. Клетките произвеждат сигнал, наречен интерферон, който позволява на съседните клетки да разберат, че е пристигнал нашественик. Тези клетки могат да подготвят защита срещу вирусите и да предотвратят разпространението на инфекцията като горски пожар в околната тъкан.

Този феномен не е странност на вируса Сендай, нито на имунната система на мишките. Когато Лопес и нейните колеги насочват вниманието си към RSV), който разболява над 2 милиона души в Съединените щати всяка година и причинява хиляди смъртни случаи, те откриват, че непълните вируси, произведени при естествени инфекции, също предизвикват силен имунен отговор от заразените клетки.

Този ефект озадачава Лопес. Ако непълните вируси бяха измамници, нямаше смисъл те да провокират гостоприемника да прекъсне инфекцията. След като имунната система унищожи функционалните вируси, измамниците ще останат без никакви жертви, които да експлоатират.

Лопес установява, че нейните резултати имат смисъл, ако погледне на вирусите по нов начин. Вместо да се съсредоточи върху идеята, че непълните вируси мамят, Лопес започва да мисли за тях и функционалните вируси като работещи заедно към общата цел за дългосрочно оцеляване. Тя разбира, че ако функционалните вируси се репликират неконтролируемо, те биха могли да смажат и убият текущия си гостоприемник, преди да може да се осъществи предаването на нов гостоприемник. Това би било саморазрушително.

"Има нужда от някакво ниво на имунен отговор, за да се поддържа гостоприемника жив достатъчно дълго, за да продължат [вирусите] напред", отбелязва Лопес.

Това е мястото, където идват на помощ непълните вируси, обхяснява Лопес. Те могат да овладеят инфекцията, така че техният гостоприемник да има шанс да предаде вируси на следващия гостоприемник. По този начин функционалните и непълните вируси може да си сътрудничат. Функционалните вируси произвеждат молекулярната машина за създаване на нови вируси. Междувременно непълните вируси забавят функционалните вируси, за да избегнат изгарянето на техния гостоприемник, което би сложило край на инфекциозния цикъл на цялата общност.

През последните години Лопес и нейните колеги откриват, че непълните вируси могат да ограничат инфекциите по редица начини. Те могат да задействат клетките да реагират, сякаш са подложени на стрес от топлина или студ например. Част от реакцията на клетката на стрес спира фабриките за изграждане на протеини, за да пести енергия. В процеса той също така спира производството на повече вируси.

Кристофър Брук (Christopher Brooke), вирусолог от Университета на Илинойс Урбана-Шампейн, е съгласен с Лопес, че вирусите съществуват в общности. Нещо повече, той подозира, че непълните вируси имат други задачи в клетките, които той и неговите колеги учени все още не са разбрали.

Брук търси доказателства в грипните вируси. Пълният грипен вирус има осем генни сегмента, които обикновено произвеждат 12 или повече протеина. Но когато заразените клетки произвеждат непълни вируси, те понякога пропускат средата на гена и свързват началото с края. Въпреки тази драстична промяна, тези променени гени все още произвеждат протеини - но нови протеини, които може да имат нови функции. В проучване, публикувано през февруари, Брук и колегите му откриват стотици от тези нови протеини в заразени с грип клетки. Тъй като тези протеини са нови за науката, изследователите се опитват да разберат какво правят. Експериментите върху един от тях показват, че той се свързва с полимеразни протеини, направени от непокътнати вирусите, и блокира копирането на нови вирусни геноми.

Засега обаче учените до голяма степен не знаят какво постигат непълните вируси, произвеждайки толкова много странни протеини. "Ограниченото ми въображение не може да достигне и частица от това, което е възможно", каза Брук. "Това е суровина, с която вирусът да си играе." Но вирусологът се съмнява, че непълните вируси, произвеждащи всички тези странни протеини, са измамници.

"Ако те наистина се държаха като чисти измамници, бих предвидил, че ще има значителен еволюционен натиск за минимизиране на тяхното производство", предполага Брук. "И все пак ги виждаме навсякъде."

Размити линии

Социовиролозите сега се опитват да разберат колко измама и колко сътрудничество се случват във вирусния свят. Учените, които изучават поведението на животните, знаят колко трудно може да бъде това. Човек може да мами в някои ситуации и да сътрудничи в други. И също така е възможно поведение, което изглежда като сътрудничество, да се развие чрез егоистична измама.

Лийкс е на същото мнение - че непълните вируси може да са продуктивни части от вирусната общност. Но той смята, че винаги е важно да се обмисли възможността, че дори когато изглеждат така, сякаш си сътрудничат, те все още всъщност мамят. Еволюционната теория прогнозира, че измамата често ще възниква във вирусите, благодарение на техните малки геноми. "При вирусите конфликтът е доминиращ", каза Лийкс.

Кредит: Sherman/Quanta Magazine  (превод Наука OFFNews)

Всъщност измамата може да доведе до адаптации, които изглеждат като сътрудничество. Един от любимите примери на Лийкс за този скрит конфликт е нановирусът, който заразява растения като магданоз и боб. Нановирусите се репликират по удивителен начин. Те имат общо осем гена, но всяка вирусна частица има само един от осемте гена. Само когато всички нановирусни частици, всяка от които носи един от осемте различни гена, заразяват едно и също растение наведнъж, те могат да се репликират. Растителните клетки произвеждат протеини от всичките осем гена, заедно с нови копия на техните гени, които след това се пакетират в нови обвивки.

Може да видите в нановирусите учебникарски случай на сътрудничество. В края на краищата, вирусите трябва да работят заедно, за да може някой от тях да има шанс да се размножи. Подредбата напомня на разделението на труда в пчелен кошер, при което насекомите поделят работата по събиране на нектар, грижа за ларвите и търсене на нови места, където кошерът да се премести.

Но Лийкс и колегите му са начертали как нановирусите - и други така наречени многостранни вируси - може да са еволюирали чрез измама.

Представете си, че предшественикът на нановирусите е започнал с всичките осем гена, опаковани в един вирусен геном. След това вирусът случайно произвежда непълни измамници, които имат само един от гените. Този измамник ще процъфтява, тъй като напълно функционалните вируси копират неговия ген. И ако се появи втори измамник, носещ различен ген, той ще получи същата полза от експлоатацията на непокътнатите вируси.

Когато Лийкс и колегите му изграждат математически модел за този еволюционен сценарий, те откриват, че вирусите могат лесно да се разпаднат на повече измамници. Те ще продължат да се разпадат, докато не остане нито един от оригиналните вируси, които биха могли да се размножават сами. Сега нановирусите може да зависят един от друг за оцеляването си, но само защото техните предци са се разтоварвали един от друг. Под фасадата на сътрудничество се крие вирусна измама.

Определянето на природата на вирусните общества ще отнеме години изследвания. Но разрешаването на загадката може да донесе огромна печалба. След като учените разберат социалното поведение на вирусите, те може да са в състояние да обърнат вирусите един срещу друг.

Обрат на проблема с вирусите

През 90-те години еволюционните биолози успяха да помогнат за разработването на антивирусни лекарства. Когато хората с ХИВ приемат едно антивирусно лекарство, вирусът бързо развива способността да го избягва. Но когато вместо това лекарите предписват лекарства, които комбинират три антивирусни средства, за вирусите стана много по-трудно да избягат от трите. Шансът вирусът да получи мутации, за да устои и на трите лекарства, бе астрономически малък. В резултат на това коктейлите от лекарства за ХИВ остават ефективни дори и днес.

Социовиролозите сега проучват дали еволюционната биология може отново да помогне в борбата с вирусите. Те търсят уязвимости в начина, по който вирусите мамят и си сътрудничат, които могат да използват, за да спрат инфекциите.

"Ние го виждаме като обрат на проблема с вирусите", коментира Винуци.

Винуци и неговите колеги проверяват тази идея при мишки с вируса Зика. Те създават непълни вируси Зика, които могат безмилостно да експлоатират функционалните събратя вируси. Когато инжектират тези измамници в заразени мишки, популацията от функционални вируси вътре в животните бързо се срива. Френската компания Meletios Therapeutics е лицензирала измамните вируси на Винуци и ги разработва като потенциално антивирусно лекарство за различни вируси.

В Нюйоркския университет Бен тен Овър (Ben tenOever) и колегите му разработват нещо, което може да бъде още по-ефективен измамник от грипни вируси. Те се възползват от странност на биологията на вируса: от време на време генетичният материал от два вируса, които заразяват една и съща клетка, ще се окаже пакетиран в един нов вирус. Те се чудеха дали могат да създадат измамен вирус, който може лесно да нахлуе в генома на функционален грипен вирус.

Екипът на Нюйоркския университет събира непълни вируси от клетки, заразени с грип. От тази партида те идентифицират суперизмамник, който е забележително добър във вмъкването на гените си в напълно функционални грипни вируси. Полученият хибриден вирус не се възпроизвежда, благодарение на намесата на измамника.

За да видят как този суперизмамник ще се представи като антивирусно средство, Бен тен Овър и неговите колеги го опаковат в спрей за нос. Те заразяват мишки със смъртоносен щам на грип и след това впръскват суперизмамника в носовете на животните. Вирусът суперизмамник бе толкова добър в експлоатирането на функционалните вируси и забавянето на тяхната репликация, че мишките успяват да се възстановят от грипа в рамките на няколко седмици. Без помощ от суперизмамниците животните умират.

Изследователите постигат още по-добри резултати, когато напръсквата суперизмамниците в носовете на мишки, преди да се заразят. Суперизмамниците дебнат вътре в мишките и атакуват функционалните грипни вируси веднага щом пристигат.

След това Бен тен Овър и неговите колеги се насочват към порове за своите експерименти. Поровете изпитват грипни инфекции по-скоро като хората: По-специално, за разлика от мишките, грипните вируси лесно се разпространяват от болен пор към здрав пор в съседна клетка. Учените установяват, че назалният спрей бързо намалява броя на грипните вируси при заразени порове, точно както са видели при мишки. Учените обаче бяха изненадани, когато разгледат вирусите, които заразените порове предават на здрави животни. Те предават не само нормални вируси, но и суперизмамници, прибрани в техните протеинови обвивки.

Това откритие насочва към вълнуващата възможност суперизмамниците да могат да спрат разпространението на нов щам на грип. Ако хората прилагат спрейове с вируси суперизмамници, те могат бързо да се възстановят от инфекции. И ако предадат новия вирусен щам на други, те също ще предадат суперизмамника и могат да го спрат.

"Това е неутрализатор на пандемия", подчертава Бен тен Овър.

Това е вярно поне в концепцията. Бен тен Овърr ще трябва да проведе клинично изпитване при хора, за да види дали ще работи както при животни. Въпреки това, регулаторите имат притеснения да одобрят подобен експеримент, съобщава Бен тен Овър, тъй като това не просто би дало на хората лекарство, което би действало върху вируси в собствените им тела, но и може да се разпространи при други хора, независимо дали са се съгласили с него или не.

"Това изглежда е целувката на смъртта", коментира Бен тен Овър, за надеждите си да превърне науката за социалните вируси в медицина.

Диас-Муньос смята, че е правилно да бъдем предпазливи при използването на социовирусологията, когато все още  толкова малко знаем за нея. Едно е да създаваш лекарства от инертни молекули. Съвсем друго е да стимулираш социалния живот на вирусите. "Това е живо, развиващо се нещо", посочва Диас-Муньос.

Справка: "Open questions in the social lives of viruses"; Asher Leeks, Lisa M. Bono, Elizabeth A. Ampolini, Lucas S. Souza, Thomas Höfler, Courtney L. Mattson, Anna E. Dye, Samuel L. Díaz‐Muñoz; Journal of Evolutionary Biology, Volume 36, Issue 11, 1 November 2023, Pages 1551–1567, https://doi.org/10.1111/jeb.14203

Източник: Viruses Finally Reveal Their Complex Social Life, Quanta Magazine 

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !