Wirus – przyjaciel czy wróg?

Wirusy pojawiły się na Ziemi jeszcze przed bakteriami. Te mikroskopijne struktury wymykają się z naszych zwyczajowych ram klasyfikacji, ponieważ stoją na pograniczu tego, co żywe i martwe. Ich pochodzenie wciąż stanowi zagadkę dla naukowców. Do jej rozwiązania przyczynić się może zamieszkujący jeziora Antarktydy szczep R1S1 Halorubrum lacusprofundi. Choć mikroorganizmy te przypominają bakterie, należą do tzw. archeonów, zdolnych zasiedlać ekstremalne środowiska, w tym biegun południowy. Uważa się je za pradawnych przodków komórek roślinnych i zwierzęcych. Szczep R1S1 zwrócił na siebie uwagę ze względu na nietypowy plazmid. Plazmid to niewielka dodatkowa kolista cząsteczka DNA ulokowana poza „głównym” materiałem genetycznym i mogąca powielać się niezależnie od niego. Najczęściej koduje geny ułatwiające przetrwanie, odpowiedzialne m.in. za oporność na antybiotyki. Osobliwy plazmid R1S1 zawiera jednak „instrukcję” tworzenia lipidowych pęcherzyków, które stanowią dla niego ochronny „płaszcz”. W takich „bąbelkach” plazmid opuszcza swojego gospodarza i infekuje kolejną komórkę. Naukowcy sugerują, że podobne plazmidy były protoplastami wirusów. Najprawdopodobniej przejęły od swoich gospodarzy geny umożliwiające im tworzenie, zamiast lipidowej, znacznie trwalszej białkowej otoczki zwanej kapsydem.

Puszka Pandory

Typowe wirusy są bardzo małe (mają 10–400 nm), możliwe do zobaczenia dopiero w mikroskopie elektronowym, a do namnożenia się potrzebują obcej komórki. Ich opakowany w białkową otoczkę genom koduje niewielką liczbę białek, np. wirus zapalenia wątroby typu B posiada jedynie cztery geny. Zupełnie inny jest organizm odnaleziony kilka lat temu w ujściu rzeki Tunquen w Chile. Ten gigant w świecie wirusów ma aż mikrometr (1 µm to 1000 nm) długości i można go zobaczyć w tradycyjnym mikroskopie świetlnym! Co więcej, mieści w sobie aż 2,5 tys. genów. Ten wirusowy „spryciarz” próbuje w ten sposób upodobnić się do komórek bakterii, którymi żywi się ameba. To właśnie jej organizm jest wykorzystywany przez wirusa do tworzenia kolejnych kopii. Podobnego wirusa odkryto w stawie w okolicy Melbourne. Oba osobniki zakwalifikowano do rodzaju Pandoravirus, którego nazwa znaczy tyle co „wirusy Pandory”.

Na szczęście nowo odkryte wirusy nie zagrażają człowiekowi, ale wirusowa puszka Pandory całkiem niedawno pozyskała kolejny okaz. Odkryty w syberyjskiej zmarzlinie Pithovirus sibericum od razu okrzyknięto mianem prawdziwego giganta. Jest mniej więcej o 30% większy od odkrytych wcześniej pandorawirusów i dzieli z nimi jedynie 5 z 2,5 tys. genów. Podobnie jak one infekuje ameby. Dochodzi wtedy do fuzji otoczki wirusa z błoną wakuoli (magazyn wody) pierwotniaka. W przeciwieństwie do innych wirusów cykl życiowy P. sibericum dokonuje się w obrębie cytoplazmy (i wakuoli) gospodarza bez konieczności przejmowania jego jądra komórkowego. Białka potrzebne do powielenia materiału genetycznego wirus produkuje na bazie własnych genów, co czyni go niezależnym od DNA gospodarza. Zaledwie 12 godz. wystarcza do powstania kopii zdolnych zainfekować kolejne ameby. Kopie te są uwalniane na dwa sposoby. Ameba może pęknąć od ich nadmiaru. Wiriony obecne w wakuoli są też usuwane na drodze egzocytozy – zamknięte w pęcherzykach wędrują w kierunku błony komórkowej. Pęcherzyk łączy się potem z błoną, a zawartość wydostaje się na zewnątrz.

Co wirus robi z organizmem?

Wirus to nic innego jak cząstka kwasu nukleinowego (DNA lub RNA) upakowana w białkową otoczkę. Ciężko go nazwać żywym, bo nie wykazuje czynności życiowych ani nie może rozmnażać się poza organizmem gospodarza. Dlatego szturmuje jego komórki. Taki atak kończy się wstrzyknięciem do ich wnętrza wirusowego materiału genetycznego. Wirus zmusza potem gospodarza do produkcji białek potrzebnych do syntezy kolejnych kopii wirusa. Z czasem jest ich tak dużo, że komórka umiera – pęka – uwalniając potomne wirusy. Alternatywna wersja inwazji polega na wklejeniu kwasu nukleinowego wirusa do DNA gospodarza, gdzie pozostaje w stanie uśpienia. Ponieważ komórki się dzielą, materiał genetyczny wirusa jest powielany wraz z komórkowym DNA. W ten sposób wirus HIV atakuje komórki odpornościowe. Niestety, pod wpływem różnych czynników, np. wzmożonego stresu, wirus może wybudzić się ze snu i przejść w cykl kończący się śmiercią komórki.

Gwałtowny postęp w technikach badania genomu ułatwił wykrywanie wirusów rezydujących w ludzkim ciele. Dzięki temu w płucach, jelitach, na skórze oraz we krwi wykazano obecność kilkudziesięciu niezidentyfikowanych do tej pory wirusów. Mogą być one zupełnie nieszkodliwe lub odpowiadać za rozwój chorób o niepoznanej do tej pory etiologii. Kolejnym krokiem będzie zbadanie mechanizmu ich działania i odpowiedź na pytanie, czy powinniśmy się ich pozbywać, czy raczej wspierać ich obecność.

Okazuje się, że wirusowi rezydenci trafiają do organizmu człowieka już po jego narodzinach i jest to jak najbardziej naturalne zjawisko. Mowa o tzw. anellowirusach, obecnych we krwi prawie wszystkich dorosłych osób. To grupa bardzo zróżnicowana pod względem genetycznym, zdolna do infekcji wielu tkanek. Nadal kwestią sporną pozostaje ich wpływ na zdrowie człowieka. Brak ostrej chorobotwórczości przy tak obfitym występowaniu wskazuje raczej na długofalową koewolucję i symbiozę z ludzkim organizmem. Obecność anellowirusów wykazano także u gryzoni, co znacznie ułatwi przeprowadzanie badań pozwalających określić, w jaki sposób oddziałują one na metabolizm gospodarza. Okazuje się, że nawet w pełni zdrowy organizm człowieka zasiedlają wirusowi pasażerowie na gapę, którzy na szczęście są pokojowo nastawieni i nie wywołują śmiertelnych chorób.

Przeprogramować mózg

Choroba Parkinsona, objawiająca się m.in. drżeniem mięśni, niestabilnością postawy i spowolnieniem ruchowym, jest wynikiem obumierania neuronów odpowiedzialnych za produkcję dopaminy – neuroprzekaźnika niezbędnego do prawidłowej komunikacji komórek mózgu. Naukowcy cały czas zastanawiają się, jak przywrócić jej poziom do normy. Niedawno opracowali rewolucyjną technikę, która prowadzi do tworzenia się nowych neuronów wydzielających dopaminę. Za pomocą wirusów przeprogramowali komórki mózgu zwane astrocytami, wymuszając w nich produkcję tej substancji. Astrocyty to komórki o gwieździstym kształcie, które podtrzymują i odżywiają neurony. W eksperymencie wykorzystano mysi model parkinsona i nieszkodliwy dla organizmu gryzoni rodzaj wirusa, z zapakowanymi specjalnymi czterema genami. Po upływie 5 tyg. od wstrzyknięcia wirusów do mózgu zaobserwowano u myszy złagodzenie objawów choroby. Zwierzęta wykazywały lepszą stabilność i symetrię ruchową. Wirus efektywnie przemienił astrocyty w neurony produkujące dopaminę, nie powodując przy tym skutków ubocznych. Dodatkowo do transformacji komórek doszło tylko w miejscu zmienionym chorobowo. Wraz z pozytywnymi wynikami badań pojawiło się pytanie o możliwość zastosowania podobnej terapii u ludzi. Obecnie sprawdza się skuteczność metody in vitro na ludzkich astrocytach.

Przechytrzyć agresora

Kilka lat temu wirus Zika przywędrował z Polinezji do Ameryki Południowej, stając się olbrzymim zagrożeniem dla ciężarnych kobiet. Sam wirus szerzy się poprzez ugryzienie komara egipskiego lub tygrysiego, co znacznie utrudnia próby jego okiełznania. Dzieci zarażonych kobiet rodzą się z mikrocefalią – nieprawidłowo rozwiniętą niewielką czaszką, co w konsekwencji powoduje wystąpienie u nich szeregu zaburzeń neurologicznych. Wszystko to przez niebywałą zdolność wirusa do pokonywania bariery krew–mózg. Wskutek tego patogen zabija komórki macierzyste, uniemożliwiając prawidłowy rozwój mózgu.

Naukowcy chcą wykorzystać tę nietypową cechę wirusa do walki z nowotworami, a konkretnie do terapii glioblastomy (glejaka). Schorzenie to stanowi najczęściej występujący rodzaj nowotworu mózgu i wiąże się z bardzo wysoką śmiertelnością. Pomimo operacji i chemioterapii zdiagnozowani pacjenci rzadko żyją dłużej niż rok. Naukowcy z University of California w San Diego postanowili sprawdzić, czy wirus będzie w stanie zniszczyć komórki macierzyste nowotworu (ich nadmierne podziały skutkują postępem choroby), podobnie jak robi to w przypadku rozwijających się płodów, kiedy atakuje zdrowe komórki. Eksperyment przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych in vitro, wykorzystując komórki glejaka i kopie wirusa. Okazało się, że wirus efektywnie infekował komórki nowotworowe, doprowadzając do ich obumierania. Nie atakował za to komórek zdrowych.

Obiecujące wyniki sprawiły, że przystąpiono do testów na myszach z rozwijającym się nowotworem. W normalnych warunkach gryzonie padłyby po ok. miesiącu. Po wirusowej terapii ich przeżywalność była o wiele większa; cztery z dziewięciu żyły nawet przez dwa miesiące! Niestety, ciężko stwierdzić użyteczność, a przede wszystkim bezpieczeństwo takiej terapii u ludzi. Jeśli pacjentka zaszłaby w ciążę, wirus z pewnością zaatakowałby rozwijający się płód. Największe wyzwanie stanowić będzie ingerencja w materiał genetyczny wirusa i pozbawienie go genów odpowiedzialnych za chorobotwórczość. Bo dopiero w takiej postaci wirus mógłby być użyteczny terapeutycznie.

Całkiem niedawno za to amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) dopuściła stosowanie w terapii pacjentów z czerniakiem zmodyfikowanego wirusa opryszczki – Talimogene laherparepvec. Dzięki metodom inżynierii genetycznej pozbawiono go genów odpowiedzialnych za rozwój choroby. Zamiast tego otrzymał gen kodujący białko GM-CSF, które nie tylko bezpośrednio uśmierca komórki nowotworu, ale jest sygnałem przyciągającym w okolicę guza limfocyty T, a te pomagają go unieszkodliwić. Niestety terapia taka to koszt ok. 65 tys. dol.

Niemi lokatorzy

Ludzkie DNA nie jest tak „ludzkie”, jak niegdyś sądzono. W naszych genach rezydują bowiem fragmenty prastarych wirusów, a ich udział w naszym genomie szacowany jest nawet na 8%! Naukowcy uważają, że wdarły się one do naszych komórek około 40 mln lat temu i zostały w nich uśpione. Niestety, w konkretnych okolicznościach mogą przejść w formę aktywną i przyczynić się do rozwoju szeregu chorób.

Obce DNA pochodzi od retrowirusów – ich głównym materiałem genetycznym jest cząsteczka RNA, której kod zostaje przepisany w organizmie gospodarza na DNA, mogące się wbudować do genomu komórki. I tak wraz z kolejnymi jej podziałami wirusowy materiał genetyczny przekazywany jest do komórek potomnych. Wirus może ulokować się także w komórkach rozrodczych i zostać przekazany potomstwu zainfekowanego osobnika. W ten sposób wirusy zapewniły sobie ewolucyjną nieśmiertelność. Na szczęście przez miliony lat koegzystencji z naszym DNA ulegały uszkodzeniom i w większości pozostały niefunkcjonalne. Człowiek nie jest wyjątkiem, te pradawne wirusy można odnaleźć też w genomach innych ssaków. Największą zagadką pozostają jednak czynniki, które są w stanie przywrócić wirusy do życia razem z ich chorobotwórczymi właściwościami. Dziś wiemy, że należą do nich światło UV, promieniowanie rentgenowskie i niektóre leki.

Zajmujący się tą tematyką naukowcy z Londynu, Jonathan Stoye i George Kassiotis, zauważyli, że u myszy z osłabionym układem odpornościowym aktywowane były te rejony genomu, w których rezydowały wirusy. Bardzo często odczytywany był gen Emv2, obecny w wirusie mysiej białaczki Moloneya (MLV). Ponieważ wirusowe DNA było pełne błędów, spodziewano się, że nie powstaną żadne kompletne cząsteczki wirusa. Wynik badań okazał się zgoła inny. We krwi myszy wykryto cząsteczki MLV. Ten zdumiewający, a zarazem przerażający rezultat miał dla gryzoni nieprzyjemne konsekwencje. Dwie trzecie ze zwierząt doświadczalnych zachorowało w ciągu roku na nowotwór węzłów chłonnych. Pozostałe, zdrowe, z wystarczającą liczbą przeciwciał, nie wykazały objawów nowotworzenia. Naukowcy podejrzewają, że to właśnie niedobór przeciwciał odpowiada za wybudzenie wirusów.

Z kolei pracownicy Institut für Virologie w Monachium obserwowali zmiany u ludzi. U schizofreników przyjmujących środki antypsychotyczne (m.in. kwas walproinowy) stwierdzili aktywację w komórkach mózgu niektórych retrowirusów, a we krwi leczonych na stwardnienie rozsiane – fragmenty pradawnych wirusów wyodrębnionych z genomu lub nawet kompletne wirusy. Wyniki badań sugerują, że działanie medykamentów powinno być także testowane pod kątem wywoływanych przez nie zmian epigenetycznych (w aktywności genów, bez zmiany liter kodu) w komórkach. Należy sprawdzić, które retrowirusy zostaną wybudzone ze snu i jakie konsekwencje dla zdrowia wynikną z ich aktywności.

Działalność retrowirusów może mieć jednak także aspekty pozytywne. Udowodniono, że blokada obecnego w DNA wszystkich ssaków endowirusa enJSRVs uniemożliwia prawidłowe zagnieżdżenie zarodka w macicy, prowadząc w konsekwencji do poronienia. Okazuje się, że wirus ten bierze udział w syntezie białek łączących macicę z łożyskiem.

Niektórzy doszukują się związku między aktywnością retrowirusów a chorobą szalonych krów. Za jej rozwój odpowiadają patogenne białka – priony – gromadzące się w tkance mózgu. Najnowsze badania wykazały, że w mózgu dotkniętych tą chorobą zwierząt znajduje się również znacznie więcej aktywnych retrowirusów niż u osobników zdrowych, co może wskazywać na zgoła inne podłoże schorzenia. Badania te mogą stać się przełomem w poszukiwaniu skutecznej terapii, która obecnie nie istnieje.

Zamiast antybiotyku

Walka człowieka z bakteriami chorobotwórczymi trwa nieprzerwanie. Okazuje się jednak, że nasza broń w postaci szeregu antybiotyków jest coraz mniej skuteczna, a w przypadku niektórych szczepów – nawet bezużyteczna. Bakterie wygrywają dzięki swej liczebności, szybko się uczą, a zdobytą wiedzę wymieniają z pobratymcami. Coraz szybciej opanowują sztukę oporności na antybiotyki, dlatego zdecydowanie potrzebujemy nowej artylerii. Wyjściem alternatywnym wobec antybiotyków mogą być bakteriofagi – atakujące bakterie wirusy, które przyczepiają się do nich i następnie wstrzykują swój materiał genetyczny. W ten sposób przejmują kontrolę nad bakterią, zmuszając ją do produkcji kopii wirusa. W konsekwencji bakteria obumiera i uwalnia kolejne bakteriofagi do otoczenia. Co najważniejsze, są one zupełnie nieszkodliwe dla człowieka.

Zazwyczaj jeden rodzaj faga atakuje kilka szczepów bakterii z jednego gatunku. Terapia fagowa polega na leczeniu zakażeń zwalczającymi bakterie fagami, w tym szczepy oporne na antybiotyki. Kuracja ma nadal status eksperymentalnej, bo wciąż brakuje pełnych badań klinicznych. We Wrocławiu działa jedyny ośrodek fagoterapii w Unii Europejskiej, gdzie leczy się m.in. zakażenia po powikłaniach ortopedycznych czy nawracające anginy z gronkowcem w migdałkach. Skąd naukowcy pozyskują fagi do terapii? Występują one wszędzie tam, gdzie ich pokarm, czyli bakterie – m.in. w ściekach i wodach śródlądowych.

Z danych Światowej Organizacji Zdrowia wynika, że co roku w Unii Europejskiej około 100 tys. osób umiera z powodu infekcji wieloopornymi bakteriami. Koszty społeczne i zdrowotne tego zjawiska szacuje się na 100 mld dol. rocznie. Terapia fagami wydaje się doskonałą alternatywną metodą wobec kuracji konwencjonalnych – nie wykazuje znaczących skutków ubocznych, nie niszczy naturalnej flory bakteryjnej i nie działa toksycznie na inne narządy, m.in. wątrobę. Dodatkowo fagi ciągle aktualizują swoje receptory, aby jeszcze skuteczniej atakować bakterie.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Biologii Eksperymentalnej

***

Wirusowa elektrownia

Wraz z postępem technologicznym takie urządzenia multimedialne jak odtwarzacze muzyki, zegarki czy telefony podlegają ciągłej miniaturyzacji. Stąd potrzeba, aby również zasilające je baterie były jak najmniejsze (oczywiście powinny magazynować dużo energii). Opracowane niedawno przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology mikrobaterie mają postać metalowych dysków wielkości typowej baterii do zegarka. Skonstruowano je z użyciem genetycznie zmienionych wirusów, by pokrywały się fosforanem żelaza. Ze związkiem tym łączą się nanorurki węglowe i powstaje sieć przewodnikowa zdolna przewodzić prąd. Wirus pełni funkcję i katody, i anody. Utylizacja takiej ważącej ok. 10 g mikrobaterii będzie łatwa i tania. Ale wcześniej, według konstruktorów, zapewni ona 40 godzin pracy iPoda. Na szerokości ludzkiego włosa zmieściłoby się 10 takich mikrobaterii.