Основно съдържание

Курс: Биология за напреднали/колеж > Раздел 3

Урок 6: Общ произход и продължаваща еволюция

Еволюция на вирусите

Еволюция на вирусите и генетична изменчивост. ХИВ, резистентен на лекарства. Пресортиране на грипните вируси.

Ключови точки:

Вирусите са обект на еволюцията и на естествения отбор също като клетъчните форми на живот. Много от вирусите еволюират бързо.
Когато два вируса инфектират една и съща клетка едновременно, те могат да си обменят генетичен материал и така да се получат нови, "смесени" вируси с уникални свойства. По този начин могат да се появят различни щамове грип.
РНК вирусите имат високи нива на мутации, което им позволява да еволюират изключително бързо. Пример за това е ХИВ, който еволюира във форми, резистентни към лекарства.

Въведение

Някога чудиш ли се защо различни щамове грипни вируси се появяват всяка година? Или как ХИВ, вирусът, който причинява СПИН, може да стане резистентен към лекарства?

Краткият отговор на тези въпроси е, че вирусите еволюират. Това означава, че "генофонда" на дадена вирусна популация се променя с времето. В някои случаи вирусите от дадена популация, например всички грипни вируси в един географски район или всички отделни вирусни частици на ХИВ в тялото на един пациент, могат да еволюират благодарение на естествен отбор. Наследствени белези, които помагат на вируса да се възпроизведе, стават по-често срещани във вирусната популация с течение на времето. Такива белези са например висока инфекциозност за грипния вирус или резистентност към лекарства за ХИВ.

Еволюция е промяна в генетичния фонд и/или наследствените белези на дадена популация във времето.

Естествен отбор е механизъм на еволюцията, чрез който наследствените белези, които помагат на организмите да оцелеят и да се възпроизведат в настоящата им среда, стават все по-често срещани в популацията с времето. Естественият отбор позволява на популацията да се адаптира или да стане по-добре пригодена към средата си на живот.

Вирусите еволюират благодарение на естествен отбор и други механизми също като клетъчните организми. Разгледай уроците на тема еволюция, за да научиш повече за еволюцията и естествения отбор.

Вирусите не просто еволюират, те еволюират по-бързо от гостоприемниците си, например човека. Това прави еволюцията на вирусите важна тема не само за биолозите, които изучават вируси, но също и за лекарите, медицинските лица и останалите хора, които работят в здравната система, както и за всеки, който може да бъде изложен на вируси. (Жокер: това означава, че темата е важна за всички нас!)

Разнообразие при вирусите

Естественият отбор може да се осъществи само ако е налице правилният изходен материал: генетичното разнообразие. Генетично разнообразие означава, че в популацията има генетични (наследствени) различия. При вирусите има два основни източника на разнообразие

^{1}

Рекомбинация : вируси си обменят пакети генетичен материал (ДНК или РНК).

Страхотен въпрос! ДНК означава дезоксирибонуклеинова киселина, а РНК - рибонуклеинова киселина.

ДНК и РНК принадлежат към група молекули, наречени нуклеинови киселини, които са като дълги вериги от свързани помежду си молекулярни "букви".

ДНК е генетичният материал на хората и всички други клетъчни форми на живот. Вирусите могат да имат ДНК или РНК като генетичен материал. "Генетичен материал" означава молекула, която носи инструкциите или плана на един организъм. Тези инструкции се предават от родител на дете.

Можеш да научиш повече за ДНК и РНК в раздела за нуклеинови киселини.

Случайна мутация: промяна в ДНК или РНК последователността на вируса.

Можем да видим разнообразието и еволюцията на вирусите навсякъде около нас, стига да знаем къде да търсим. Пример за това са новите щамове грип, които се появяват всяка година.

Рекомбинация

Преди да разгледаме специфично грипа, нека проучим как вирусите обменят ДНК и РНК в процес, наречен рекомбинация.

Най-често рекомбинацията се случва, когато два вируса заразят едновременно една и съща клетка. Тъй като и двата вируса използват клетката, за да произведат нови вирусни частици, във вътрешността ѝ ще има много плаващи вирусни елементи по едно и също време.

Фигура: "Ресортиране на сегменти" от ViralZone/Швейцарски институт по биоинформатика, CC BY-NC 4.0.

При тези обстоятелства рекомбинацията може да протече по два начина. Първият е подобни региони от вирусните геноми да се сдвоят и и да си обменят части от тях като физически разрушат и след това свържат отново ДНК или РНК. При втория начин вируси с различни сегменти, подобно на малки хромозоми, могат да си разменят някои от тези сегменти чрез процес, наречен ресортиране.

^{2, 3}

Рекомбинация и инфлуенца (грип)

Вирусите на инфлуенцата (вирусите на грипа) са майстори на ресортирането. Те имат осем сегмента РНК, всеки от които носи по един или по няколко гена.

^{4}

Когато два вируса инфлуенца заразят една и съща клетка по едно и също време, някои от новите вирусни частици, произведени в клетката, могат да имат микс от сегменти (например сегменти 1-4 от щам А и сегменти 5-8 от щам В).

Интересно е, че прасетата са добре известни "смесителни съдове" за вирусите на инфлуенцата.

^{5}

Клетките на прасетата могат да бъдат разпознати и заразени от човешки и от птичи вируси на инфлуенца (както и от свински вируси, разбира се).

^{6}

Ако дадена клетка в прасето се инфектира от два вида вирус по едно и също време, тя може да освободи нови вируси, които съдържат смес от генетичните материали на човешкия и на птичия вирус.

Този вид обмяна е много често срещана в природата при вирусите на инфлуенцата. Спомняш ли си за щама H1N1 (свински грип), който предизвика пандемия през 2009? H1N1 съдържаше сегмент от човешки и птичи вируси, както и свински вируси от Северна Америка и Азия. Тази комбинация отразява поредица от ресортирания, които са се случили стъпка по стъпка в продължение на много години, за да се стигне до щама H1N1.

^{5, 7}

Вирусни мутации

Видяхме как рекомбинациите могат да участват в еволюцията на вирусите, но каква е ролята на мутациите? Мутация означава перманентно изменение в генетичния материал (ДНК или РНК) на даден вирус. Мутация може да се появи при грешка по време на копиране на вирусната ДНК или РНК.

Някои вируси имат много висока честота на мутации, но не всички. По принцип РНК вирусите имат голяма склонност да мутират, докато ДНК вирусите имат ниска честота мутации.

^{8}

Защо е така? Ключовата разлика се крие в начина на копиране на генетичния материал. Повечето ДНК вируси копират генетичния си материал с помощта на ензими от клетката гостоприемник, наречени ДНК полимерази. Те могат да "проверят" дали има грешки в новосинтезираната ДНК, да уловят и да поправят грешки в процеса на работа. РНК вирусите използват ензими, наречени РНК полимерази, които не проверяват новосинтезираната РНК, поради което допускат много повече грешки.

^{9}

Практическо изследване: лекарствена резистентност на ХИВ

Човешкият имунодефицитен вирус (ХИВ) е вирусът, който причинява синдрома на придобитата имунна недостатъчност (СПИН). ХИВ е РНК вирус с висока честота на мутации, който еволюира бързо, това от своя страна води до появата на щамове резистентни към лекарства.

Висока честота на мутации в ХИВ

Тъй като РНК вирусите, какъвто е ХИВ, имат висока честота на мутации, има и голямо генетично разнообразие в популацията на ХИВ в тялото на даден пациент. Много от мутациите са вредни и вирусите, които ги носят "умират" и не успяват да се възпроизведат. Но някои мутации помагат на вирусите да се размножат при определени условия. Например дадена мутация може да направи вируса резистентен към лекарства.

^{10}

Еволюция на резистентността на ХИВ към лекарства

Има лекарства, които блокират репликацията на ХИВ като инхибират ключови вирусни ензими. Употребата на някое от тези лекарства в началото намалява нивата на вирусни частици в пациента. Но след време ХИВ отвръща на удара и нивата му отново се повишават дори пациентът да продължава да взима лекарството. С други думи, появява се форма на вируса, която е резистентна към лекарството.

^{10}

За да разберем защо се появява резистентността, ще разгледаме конкретен вид антивирусно лекарство - инхибитор на обратната транскриптаза. Инхибиторите на обратната транскриптаза като молекулата невирапин, показана на диаграмата по-долу, се свързват с вирусния ензим обратна транскриптаза (червено-кафявата структура на диаграмата). Лекарството пречи на ензима да си свърши работата и да копира РНК генома на ХИВ като ДНК. Ако този ензим е неактивен, ХИВ не може да зарази клетката перманентно.

^{11}

Невирапинът спира повечето ХИВ вируси. Но на случаен принцип малка част от популацията на ХИВ може да получи мутация в гена за обратна транскриптаза, която да направи вирусите резистентни към лекарството. Например генетична мутация може да промени мястото на свързване на лекарството с ензима, така че то да не може да инхибира активността на ензима.

Вирусите с мутация за резистентност ще се възпроизведат въпреки присъствието на лекарството и в следващите си поколения ще възстановят началните нива на вируса отпреди прилагането на лекарството. Освен това вече цялата популация на вируса ще бъде резистентна към лекарството!

Резистентност към високоактивната ретровирусна терапия

Ако ХИВ може да еволюира, когато го третираме с лекарства, как можем да го спрем? Подход, който изглежда действа най-добре, е комбинация от три или повече лекарства, приемани едновременно. Този начин на лечение се нарича високоактивна ретровирусна терапия или HAART (highly active antiretroviral therapy). Лекарствата, които се дават като част от терапията, са насочени към различни части от жизнения цикъл на ХИВ.

^{12, 13}

Високоактивната ретровирусна терапия работи, защото е малко вероятно вирус от ХИВ популацията да получи едновременно всички три мутации, които да му дадат резистентност към трите лекарства. Въпреки че след време се появяват форми на вируса, които са резистентни към високоактивната ретровирусна терапия, комбинацията от лекарства значително забавя еволюцията на резистентността.

^{10}

За да научиш повече за ХИВ, прочети статията за жизнения цикъл на вирусите. За да разбереш повече за симптомите, лечението и превенцията на ХИВ, разгледай раздела по Здраве и медицина за ХИВ и СПИН.

Защо вирусите еволюират толкова бързо?

Защо вирусите еволюират по-бързо от хората?

Както видяхме в случая с ХИВ, някои вируси имат много висока честота на мутации, което им помага да еволюират бързо, осигурявайки им по-голямо генетично разнообразие. Два други фактора, които допринасят за бързата еволюция, са големият размер на популациите и краткият жизнен цикъл.

^{14}

Колкото по-голяма е популацията, толкова по-голям е шансът в нея да има вирус, които носи случайна мутация, която ще бъде селектирана от естествения отбор, например мутация, която прави вируса резистентен към лекарства или усилва инфекциозността му. Освен това вирусите се възпроизвеждат бързо, така че популациите им еволюират по-бързо от тези на гостоприемниците им. Например вирусът ХИВ завършва жизнения си цикъл само за 52 часа, което е много по-кратко време в сравнение с жизнения цикъл на човека, който е около

20

години!

^{15}

Какви инструменти използваме, за да се борим с бързо еволюиращите вируси? Някои от важните стратегии са да се опитаме да предотвратим разпространяването на вируси, да открием нови лекарства за лечението им и да разработим ваксини срещу тях.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Флайшман, В. Р. (1996) Генетика на вирусите. В С. Барон (ред.), Медицинска микробиология (4-то издание, глава 43). Галвстон, Тексас: Медицински факултет на Тексаския университет в Галвстон. Достъп от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2323_.
Швейцарски институт по биоинформатика. (няма дата). Еволюция на вирусния геном. Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/all_by_species/4136.html.
Флайшман, В. Р. (1996) Генетика на вирусите. В С. Барон (ред.), Медицинска микробиология (4-то издание, глава 43). Галвстон, Тексас: Медицински факултет на Тексаския университет в Галвстон. Достъп от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2330_.
Швейцарски институт по биоинформатика. (няма дата). Вирусът инфлуенца. Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/viralzone/all_by_species/6.html.
Центрове за контрол и превенция на болести. (25-ти ноември 2009 г.). Произход на грипа H1N1 от 2009 г. (свински грип): въпроси и отговори. В Грипът H1N1. Достъп от http://www.cdc.gov/h1n1flu/information_h1n1_virus_qa.htm.
Нюман, Г. и Каваока, И. (2006). Ограничения в диапазона на гостоприемниците и патогенност в контекста на грипна пандемия. Emerg. Infect. Dis., 12(6). http://dx.doi.org/10.3201/eid1206.051336.
Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Нови вируси. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 403). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
Санхуан, Р., Небот, М. Р., Чирико, Н., Мански, Л. М. и Белшоу, Р. (2010). Честота на вирусните мутации. Журнал по вирусология 84(19) 9733-9748. http://dx.doi.org/10.1128/JVI.00694-10.
Флайшман, В. Р. (1996) Генетика на вирусите. В С. Барон (ред.), Медицинска микробиология (4-то издание, глава 43). Галвстон, Тексас: Медицински факултет на Тексаския университет в Галвстон. Достъп от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439/#_A2324_.
ХИВ: майсторът на еволюцията. (няма дата) В Да разберем еволюцията. Достъп от http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/medicine_04.
Гудсел, Дейвид. (2002). Обратната транскриптаза на ХИВ. В RCSB PDB молекула на месеца. Достъп на 6-ти ноември 2016 г. от http://pdb101.rcsb.org/motm/33.
Колеж Оупънстакс, Биология. (23-ти март 2016 г.). Превенция и лечение на вирусни инфекции. В OpenStax CNX. Достъп от http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.8:4KffAR5W@3/Prevention-and-Treatment-of-Vi.
Терапия против ХИВ/СПИН. (17-ти април 2016 г.). Достъп на 12-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS.
Розиен, Б. (няма дата). Еволюция на вирусите. Достъп от http://public.wsu.edu/~broosien/VirusEvolution.html.
Мъри, Дж. М., Келер, Д. А. и Купър, Д. А. (2011). Компонентите на жизнения цикъл на ХИВ в инфектирани CD4+ T-клетки в популация на пациенти с ХИВ. Журнал по вирусология 85(20) 10798-10805. http://dx.doi.org/10.1128/JVI.05095-11.

Допълнителни източници:

Пандемията от 1918 г. и птичият грип. (26-ти януари 2008 г.). В CH 105 - химия и общество. http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/Chem%20aри%20Society/грип/1918%20Pandemic.htm.

Баркли, Е. (2011). Защо вирусите прескачат от един вид гостоприемник на друг? В Здравни новини от NPR. Достъп от http://www.npr.org/sections/health-shots/2011/09/26/140810584/why-does-a-virus-jump-from-one-species-to-another.

Медицинският колеж Бейлор. (2016). Вирусът инфлуенца (грип). В Нови зарази и биозащита. Достъп от https://www.bcm.edu/departments/molecular-virology-and-microbiology/emerging-infections-and-biodefense/influenza-virus-flu.

Центрове за контрол и превенция на болести. (19-ти август 2014 г.). Как може да се промени грипният вирус: антигенен "дрифт" и "шифт". В Грипни вируси. Достъп от http://www.cdc.gov/flu/about/viruses/change.htm.

Центрове за контрол и превенция на болести. (25-ти ноември 2009 г.). Произход на грипа H1N1 от 2009 г. (свински грип): въпроси и отговори. В Грипът H1N1. Достъп от http://www.cdc.gov/h1n1flu/information_h1n1_virus_qa.htm.

Чой, K. Х. (2012). Вирусни полимерази. Adv. exp. Med. Biol. , 726, 267-304. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4614-0980-9_12.

Кондит, Р. С. (2007). Мутация. В Д. М. Найп и П. М. Хоули (ред.), Вирусология на Фийлдс (5-то издание, том 1, стр. 45-46). Филаделфия, Пенсилвания: Липинкот Уилямс и Уилкинс.

Дъфи, С., Шакълтон Л. А. и Холмс, Е. C. (2008). Темп на еволюционните промени във вирусите: модели и детерминанти. Nature Reviews Genetics, 9, 267-276. http://dx.doi.org/10.1038/nrg2323.

Флайшман, В. Р. (1996) Генетика на вирусите. В С. Барон (ред.), Медицинска микробиология (4-то издание, глава 43). Галвстон, Тексас: Медицински факултет на Тексаския университет в Галвстон. Достъп от https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8439.

Flu.gov. (няма дата). Как грипният вирус се променя. В Информация за грипа. Достъп от http://www.flu.gov/about_the_flu/virus_changes/.

Гудсел, Дейвид. (2002). Обратната транскриптаза на ХИВ. В RCSB PDB молекула на месеца. Достъп на 6-ти ноември 2016 г. от http://pdb101.rcsb.org/motm/33.

ХИВ: майсторът на еволюцията. (няма дата) В Да разберем еволюцията. Достъп от http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/medicine_04.

Хъмфрис, Дж. (12-ти май 2014 г.). The jelly roll of life. В Да обърнем внимание на малките неща. Достъп от http://schaechter.asmblog.org/schaechter/2014/05/the-jelly-roll-of-life.html.

Видове грипен вирус, подвидове и щамове. (2006). В PA грипна пандемия мобилизация и планиране - 2006 г.. Достъп от http://www.clintoncountypa.com/Pandemic%20Information/Influenzavirustypes.pdf.

Юнг, М. А. и Нелсън, Д. И. (2015). Огнища на птичи грип А (H5N2), (H5N8) и (Н5N1) сред птиците — САЩ, декември 2014 г. – януари 2015 г. Заболеваемост и смъртност - седмичен репорт, 64(4) 111. Достъп от http://www.cdc.gov/mmwr/preview/mmwrhtml/mm6404a9.htm?s_cid=mm6404a9_w.

Терапия против ХИВ/СПИН. (17-ти април 2016 г.). Достъп на 12-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Management_of_HIV/AIDS.

Нюман, Г. и Каваока И. (2006). Ограничения в диапазона на гостоприемниците и патогенност в контекста на грипна пандемия. Emerg. Infect. Dis., 12(6). http://dx.doi.org/10.3201/eid1206.051336.

Колеж Оупънстакс, Биология. (23-ти март 2016 г.). Превенция и лечение на вирусни инфекции. В OpenStax CNX. Достъп от http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.8:4KffAR5W@3/Prevention-and-Treatment-of-Vi.

Паоли, Дж. (6-ти октомври 2013 г.). Мутация за резистентност към ХИВ. Във Вируси 101: Какво се размножава вътре в теб? Достъп от http://www.nature.com/scitable/blog/viruses101/hiv_resistant_mutation.

Перелсън, Алън. (2002). Моделиране на динамиката на вирусите и на имунната система. Nature Reviews Immunology, 2, 28-36. http://dx.doi.org/10.1038/nri700. Достъп от https://pdfs.semanticscholar.org/3d87/d57cad970967f56b81e7123bfeac84fd84e8.pdf.

Раканиело, В. (29-ти юни 2009 г.). Ресортиране на генома на вируса инфлуенца. В Блог за вирусология. Достъп от http://www.virology.ws/2009/06/29/reassortment-of-the-influenza-virus-genome/.

Рейвън, П. Х., Джонсън, Г. Б., Мейсън, К. А., Лосос, Дж. Б. и Сингър, С. Р. (2014). Вирусите инфлуенца причиняват грип. В Биология (10-то изд., AP изд., стр. 534). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Нови вируси. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 402-404). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Розиен, Б. (няма дата). Еволюция на вирусите. Достъп от http://public.wsu.edu/~broosien/VirusEvolution.html.

Смит, Д. Ж., Виджейкришна, Д., Бал, Дж., Лисет, С. Дж., Уоробей, М., Пибус, О. Г., Ma, С. К., Чеунг, К. Л., Рагуани, Дж., Бхат, С., Малик Пейрис, Дж. С., Гуан, И. и Рамбаут А. (2009). Генетичен произход и еволюция на епидемията от свински грип (H1N1) през 2009 г. Nature 459 1122-1125. http://dx.doi.org/10.1038/nature08182.

Швейцарски институт по биоинформатика. (няма дата). Вирусът инфлуенца. Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/viralzone/all_by_species/6.html.

Швейцарски институт по биоинформатика. (няма дата). Еволюция на вирусния геном. Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/all_by_species/4136.html.

Колегия на лекарите от Филаделфия. (2016). Вируси и еволюция. В Наука за ваксините. Достъп от http://www.historyofvaccines.org/content/articles/viruses-and-evolution.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.