Czy wirusowi rezydenci przynoszą nam korzyści?

Od zarania rozwoju mikrobiologii naukowcy skupiali się na patogenach i ich właściwościach chorobotwórczych. Wystąpienie konkretnych objawów było jedynym kryterium rozpoznania danego schorzenia, w związku z czym najlepiej przeanalizowanymi wirusami są te przyczyniające się do chorób. Jednak wiele z nich może zarażać organizm człowieka bez wywoływania choroby (wyjątkiem są tutaj bardzo małe dzieci, osoby starsze lub z osłabionym układem odpornościowych).

W ostatnich latach gwałtowny postęp w genomice i technikach badania genomu umożliwił nam wykrywanie wirusów obecnych na i w ludzkim ciele – razem tworzących wirom. Najnowsze analizy próbek pobranych od ludzi wykazały obecność kilkudziesięciu (niepoznanych do tej pory) wirusowych „rezydentów” w jelitach, płucach, skórze i krwi. Niektóre z nich mogą być odpowiedzialne za dolegliwości o niewyjaśnionej do tej pory etiologii, ale równie prawdopodobne, że są dla nas nieszkodliwe. Dzięki poznaniu mechanizmów odpowiedzialnych za ich wpływ na organizm, będziemy mogli ustalić jak mamy je traktować – czy powinniśmy bronić się przed nimi, pozbyć się ich, ignorować czy raczej wspierać ich obecność.

Wirusowe widmo

Obecnie do identyfikacji wirusów wykorzystuje się analizę metagenomu; za pomocą sekwencjonowania nowej generacji (ang. next-generation sequencing) porównuje się informację genetyczną pochodzącą z materiału klinicznego, z genomami wszystkich poznanych do tej pory wirusów (infekujących ludzi, zwierzęta, rośliny i bakterie). Jeśli wirus wykryty w materiale klinicznym okaże się znany, jego genetyczne sekwencje nukleotydowe mogą wykazać ponad 80% podobieństwa do sekwencji przechowywanych w publicznej bazie danych tj. National Center for Biotechnology Information i European Nucleotide Archive.

O wiele większe wyzwanie stanowią nowe wirusy, których DNA lub RNA nie można dopasować do żadnych zidentyfikowanych do tej pory genomów. W takich przypadkach można komputerowo tłumaczyć wirusowe geny na białka i wyszukiwać powiązane z wirusami sekwencje białkowe. Ze względu na degenerację kodu genetycznego (więcej niż jeden kodon odpowiada jednemu aminokwasowi) oraz presji ewolucyjnej na utrzymywania podstawowych elementów strukturalnych w białkach (np. struktury drugorzędowe) i ich miejsc aktywnych, sekwencje białkowe ewoluują w wolniejszym tempie, niż odpowiadające im geny – stąd są identyfikowalne przez dłuższy czas ewolucyjny.

Dzięki opracowaniu nowej, szybkiej metody opisywania wirusowych genomów, zbieranie danych na ich temat wyprzedziło nasze rozumienie roli wirusów w zdrowiu i chorobie. Kilka lat temu znaliśmy jedynie dwa poliomawirusy zdolne do zarażenia ludzkiego organizmu. Wykorzystując metagenomikę, badacze zidentyfikowali 13 ludzkich szczepów tego wirusa i powiązali niektóre z nich z chorobami neurologicznymi lub uszkodzeniem nerek u osób w stanie immunosupresji, po przeszczepie, chorych na AIDS czy nowotwór skóry.¹ Infekcje tymi poliomawirusami dotykają większości ludzi w okresie dzieciństwa; później wirus pozostaje w uśpieniu, do czasu aż osłabiony układ odpornościowy nie jest w stanie dłużej utrzymać go w ryzach – spuszczony ze smyczy wirus sieje spustoszenie w organizmie. Taka tymczasowa zjadliwość jest typowa dla rodzin wirusów wykrywanych u ludzi, np. niektóre typy wirusa brodawczaka ludzkiego (HPV, ang. human papillomaviruses) występujące na skórze większości zdrowych osób pozostają niezauważone,² podczas gdy inne mogą inicjować rozwój raka szyjki macicy i odbytu. Herpeswirusy, powszechnie infekujące dorosłych, zagnieżdżając się w neuronach lub komórkach immunologicznych mogą utrzymywać się w organizmie przez całe życie nie dając żadnych objawów. W późniejszych latach lub w okresie osłabionej odporności utajony wirus reaktywuje się i wywołuje różne schorzenia, od opryszczki po zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, chłoniaki czy mięsak Kaposiego.

SPORADYCZNY PATOGEN: Wirusy brodawczaka ludzkiego (HPV, Human Papilloma Virus) mogą wywołać infekcje skóry oraz przyczynić się do rozwoju raka szyjki macicy, jednak wiele szczepów wykrywa się powszechnie na skórze zdrowych osób. Średnica wirusa ok. 55 nm.

© JAMES CAVALLINI/SCIENCE SOURCE

Anellowirusy (rzadko badana grupa), które nabywamy naturalnie zaraz po urodzeniu, mogłyby ubiegać się o nagrodę najbardziej rozpowszechnionych wirusowych sprawców zakażeń – można je wykryć we krwi prawie wszystkich dorosłych, a u niektórych osób obserwuje się stałą wiremię.³ Ze względu na bardzo duże zróżnicowanie genetyczne (najwyższe ze wszystkich rodzin wirusów), anellowirusy są w stanie infekować rożne tkanki, co może wiązać się z różnymi konsekwencjami. I tak jak w przypadku papillomawirusów, tylko niektóre z nich mogą okazać się patogenne.

Kwestia, czy te powszechne i przetrwałe wirusy mają wpływ na zdrowie człowieka, jest nadal rozważana. Częstym skutkiem przewlekłego i ostrego zakażenia wirusowego jest nadmierne pobudzenie układu immunologicznego. Podwyższone stężenie anellowirusów u osób z obniżoną odpornością wskazuje, że pozostają one pod kontrolą immunologiczną, co może skutkować przewlekłym stanem zapalnym o niskim nasileniu, znanym z powodowania wielu problemów zdrowotnych.

Pomimo tego potencjalnego wpływu na stan zdrowia, nie ma jak na razie bezpośrednich dowodów na to, że infekcje anellowirusowe są szkodliwe. Ich wszechobecność oraz brak ostrej chorobotwórczości wskazuje na fakt długiej i skutecznej koewolucji z naszym gatunkiem. Ponieważ niemal każdy jest zainfekowany anellowirusami, ich wpływ na naszą kondycję jest bardzo trudny do ustalenia. Szczęśliwie, niedawne odkrycie anellowirusów u małp i gryzoni umożliwiło naukowcom studiowanie chorobotwórczości tych wirusów na modelach zwierzęcych, zarówno w warunkach izolowanych jak i w obecności innych powszechnych infekcji.

Poza opisanymi powyżej wirusami powszechnie przenoszonymi drogą krwiopochodną, inne niedawno wykryte tj. astrowirusy, parwowirusy, pikornawirusy, pikobirnowirusy i inne, których znaczenie dla naszego zdrowia nie jest jeszcze poznane, wykrywano w próbkach pochodzących z dróg oddechowych i kału zdrowych osób, w szczególności dzieci.

Tak duży napływ nowych informacji na temat naszego wiromu wskazuje, że nawet będąc w pełni zdrowymi, jesteśmy przejściowo jak i przewlekle infekowani kilkoma rodzajami wirusów. Przeświadczenie, że każdy ludzki wirus przyczynia się do rozwoju choroby prowadzi nas zatem do o wiele bardziej skomplikowanej biologicznej rzeczywistości.

KTO JEST PATOGENEM?

Finansowanie badań wynika przede wszystkim z z aktualnego lub przewidywanego wskaźnika obciążenia chorobami, za które odpowiadają jednoznacznie chorobotwórcze wirusy tj. HIV, HCV czy Zika. Ze względu na dużą ilość wirusów wykrywanych u zdrowych nosicieli, jest wielce prawdopodobne, że niektóre z nich początkowo obecne u chorych, są po prostu niegroźnymi przypadkowymi infekcjami. W związku z tym, zanim nowo opisane wirusy zostaną uznane za patogenne, a tym samym godne inwestowania w nie zasobów publicznych lub komercyjnych, ich właściwości chorobotwórcze muszą być dokładnie zweryfikowane.

Do oceny właściwości chorobotwórczych nadal wykorzystuje się m.in. postulaty opracowane przez niemieckiego lekarza i mikrobiologa, Roberta Kocha na początku XIX wieku: 1) czynnik chorobotwórczy musi być obecny u wszystkich osób mających daną chorobę 2) czynnik chorobotwórczy musi być wyizolowany od osoby chorej 3) czynnik chorobotwórczy wyosobniony od chorej osoby, po wprowadzeniu do ludzi lub zwierząt musi wywołać tę samą chorobę 4) czynnik chorobotwórczy należy ponownie wyosobnić od zakażonego człowieka lub zwierzęcia.

Jednak spełnienie tych postulatów w odniesieniu do ludzkich wirusów jest trudnym zadaniem. Po pierwsze, wiele z nich nie można poddać procesowi oczyszczania i hodować w kulturach. Ponadto, biorąc pod uwagę nieetyczny aspekt celowego zarażania ludzi, badacze mogą wykorzystywać jedynie modele zwierzęce tj. makaki czy myszy, podczas gdy wiele rodzajów wirusów jest w stanie infekować jedynie człowieka.

Naukowcy mogą próbować wykazać, że wykryty wirus replikuje się w miejscu zmienionym patologicznie np. HBV w wątrobie, czy wirus wywołujący zakażenie ośrodkowego układu nerwowego w mózgu. Wykrycie pojedynczego wirusa w tkankach zmienionych chorobowo — osiągnięcie możliwe dzięki technologii głębokiego sekwencjonowania DNA — może dostarczyć dowodów potwierdzających związek przyczynowo-skutkowy. Ale i to podejście ma swoje ograniczenia, podobnie jak oględziny zwłok są kosztowne i rzadko wykonywane, często dostarczając krew jako jedyną dostępną tkankę do badania. W takich przypadkach, pomiar odpowiedzi ze strony układu odpornościowego (w postaci stężenia poziomu przeciwciał) na obecność nowego wirusa, w celu wykazania, że czas zakażenia jest zgodny z początkiem reakcji immunologicznej, może pomóc w zidentyfikowaniu prawdopodobnej przyczyny.

Badania kliniczno-kontrolne (porównujące współczynniki wykrywania wirusów u pacjentów lub zwierząt mających podobne objawy, z grupą zdrowych osobników), mogą dostarczyć mocnych dowodów na wirusową przyczynę chorób. Takie badania kontrolujące dane pod względem wieku, pochodzenia geograficznego, płci, statusu socjoekonomicznego a nawet pory roku, w której pobrano próbki, pozwalają jedynie różnicować stan chorobowy na dwie grupy. Większość wirusów nie jest ani stale chorobotwórcza ani zawsze nieszkodliwa – ich wpływ pociąga za sobą różne skutki, zależnie od stanu zdrowia i odporności gospodarza. Niższa patogeniczność wirusa oznacza niższy odsetek zakażonych ludzi, którzy zachorują, tym samym potrzebna jest większa liczba badań kliniczno-kontrolnych do wykrycia różnic pomiędzy grupami.

Wirusowe korzyści

Zakażenia wirusowe w dzieciństwie wspierają prawidłowe dojrzewanie układu odpornościowego, zapewniając ochronę przed późniejszymi infekcjami i zapobiegając nadreaktywności immunologicznej, która może prowadzić do rozwoju alergii. Wirusowe zakażenia dróg oddechowych i przewodu pokarmowego u zdrowych niemowląt są uważane obecnie za częste i bezobjawowe, najprawdopodobniej dzięki ochronie płynącej ze strony przeciwciał matczynych przekazanych w trakcie życia płodowego oraz wraz z pokarmem kobiecym. Kontakt z tak osłabionymi (atenuowanymi) wirusami może stanowić pewną formę naturalnej szczepionki skierowanej przeciwko późniejszym infekcjom wywołanym bardziej zjadliwymi wirusami. Podobnie jak prawidłowy rozwój jelit i układu immunologicznego u niemowląt jest zależny od obecności i działania flory fizjologicznej, ostatnie badania na gryzoniach dowiodły, że infekcje jelitowe we wczesnym okresie życia mogą wywoływać podobny efekt.⁴W szczególności mysi norowirus, komensalny krewny powszechnie występującego ludzkiego patogenu, pomaga w przywróceniu struktury jelit oraz funkcji immunologicznej u mysich noworodków, które zostały pierwotnie zaburzone (w wyniku utraty mikrobiomu lub antybiotykoterapii).⁵

Komensalne wirusy mogą również zwiększać ochronę przed patogennymi zakażeniami. Co zaskakujące, odnotowano, że wirus należący do tej samej rodziny, co wirus zapalenia wątroby typu C (HCV), wirus Zika oraz wirus dengi (DENV), łagodzi skutki zakażenia wirusem HIV. Wirus ten, znany jako wirus GBV-C (dawniej wirus zapalenia wątroby typu G, HGV), pierwotnie wykryto u pacjenta z niewyjaśnionym ostrym zapaleniem wątroby,⁶ jednak później wykazano, że była to powszechna infekcja niezwiązana z chorobą. Szacuje się, że 3/4 miliona ludzi jest trwale zakażonych HGV, a jeszcze więcej posiada przeciwciała z przebytych infekcji.⁷ Liczne badania wykazały, że pacjenci z HIV zainfekowanie również HGV żyją dłużej w porównaniu z osobami bez koinfekcji.⁸ Mechanizm odpowiedzialny za to zjawisko nie jest jeszcze poznany, ale możliwe, że wiąże się z hamowaniem receptorów powierzchniowych lub struktur wewnątrzkomórkowych niezbędnych do replikacji HIV.

Inna potencjalna wirusowa korzyść związana jest z preferencją wirusów do szybko dzielących się komórek. Obserwacje przypadków spontanicznych regresji nowotworów zbieżnych z infekcjami wirusowymi, sugerują że wirusy mogą przede wszystkim (w sposób uprzywilejowany) infekować komórki nowotworowe, a szereg obiecujących wirusowych terapii onkologicznych prężnie się rozwija.^9,10 Pytanie czy infekcje wirusowe oraz liza komórek nowotworowych jest powszechnie występującym naturalnym zjawiskiem, pozostaje na razie otwarte.¹¹

Wirusy w naszym DNA

Prócz wirusów zdolnych wywołać infekcje, ludzie (jak i inne kręgowce) posiadają ślady wirusowej przeszłości, która zintegrowana jest z ich własnym genomem. Około 8% ludzkiego genomu stanowią sekwencje pochodzenia retrowirusowego, które wniknęły do ludzkiej linii zarodkowej – niektóre z ich funkcji zostały zaadaptowane do wykonywania funkcji niezbędnych dla przetrwania i rozwoju organizmu gospodarza.¹²

WIROM CZŁOWIEKA:

Różnorodne wirusy mogą być wykrywane zarówno w ludzkich jak i bakteryjnych komórkach w i na ciele człowieka. Nauka dopiero zaczyna rozumieć w jaki sposób wirusy te są pomocne, a kiedy stają się chorobotwórcze.

ISTOCK.COM/ILBUSCA. VIRUSES, CLOCKWISE FROM TOP: OPHABINIA REGALIS; CHAPMAN, M.S., ROSSMANN, M.G.; MANUEL ALMAGRO RIVAS; BRUCEBLAUS; VOSSMAN; ALL WIKIMEDIA COMMONS

Białka powstałe w wyniku ekspresji genów endogennych retrowirusów (HERV – ang. Human Endogenous RetroVirus), mogą wiązać się i blokować receptory komórkowe – te same, które patogenne egzogenne retrowirusy wykorzystują aby wniknąć do komórki gospodarza.¹³ Równie kluczowa dla pełnienia różnych funkcji komórkowych jest aktywność białek fuzyjnych niektórych HERV. Przykładowo, białka otoczki pochodzące od endogennych wirusów odpowiadają za fuzję komórek trofoblastu – są niezbędne w powstawaniu prawidłowego łożyska.¹⁴ Niedawno naukowcy odkryli, że jedno z tych wirusowych białek – syncytyna, zwiększa także fuzję (połączenie) mioblastów (komórek mięśni) w czasie formowania się włókien mięśniowych: męskie osobniki myszy pozbawione genu dla syncytyny charakteryzowały się o 20% mniejszą masą mięśniową.¹⁵ Ten sam wirusowy gen zaangażowany w tworzenie się łożyska jest również zaangażowany w dymorfizm płciowy (większa masa mięśniowa u samców) typowy dla zwierząt łożyskowych.

Również kręgowce posiadają szereg wbudowanych retrowirusowych promotorów, które zapewniają im elementy niezbędne do ścisłej, skoordynowanej kontroli ekspresji wielu genów na wczesnym etapie rozwoju embrionalnego.¹⁶ Bardzo długa historia ewolucyjna w otoczeniu obfitującym w bakterie i wirusy doprowadziła do adaptacji na wiele takich infekcji, od poziomu komórkowego — udomowienia genów retrowirusowych i nadreaktywność systemu immunologicznego — do kulturowego: adaptacja mająca na celu zmniejszenie obciążenia chorobami zakaźnymi.

Przyszłość ludzkiej wiromiki*

Wykrywanie zakażeń wirusowych stanie się szybsze i bardziej czułe kiedy metody sekwencjonowanie i obliczeniowe będą dalej udoskonalane, oraz kiedy naukowcy stworzą bardziej kompletny katalog genomów człowieka z sekwencjami wirusowymi. Możliwość analizowania kropli krwi, wymazu z dróg oddechowych czy próbki kału i wykrycia kompletnej informacji wirusowej w ciągu kilku godzin a nawet minut, umożliwiłoby pracownikom ochrony zdrowia publicznego szybkie rozpoznanie oraz lepszą kontrolę ognisk zakaźnych, a pewnego dnia być może stałoby się standardową praktyką w diagnostyce laboratoryjnej lub nawet wykorzystywaną bezpośrednio przez konsumentów. Szybka identyfikacja znanych patogenów wirusowych może ograniczyć niepotrzebne stosowanie antybiotyków i zapobiec szerzeniu się oporności wśród bakterii.

WIRUSY W GENOMIE

Endogenne białka retrowirusowe są niezbędne dla fuzji komórek, mających miejsce w czasie rozwoju łożyska u ssaków. Niedawno przeprowadzone badania wykazały, że białko zwane syncytyną przyczynia się do wzrostu fuzji mioblastów u mysich samców, pomagając w ten sposób zbudować masę mięśniową.

Podejście genomiczne pozwoli dużym molekularnym badaniom epidemiologicznym na przeanalizowanie, które dokładnie wirusy związane są daną chorobą w zależności od obszaru geograficznego. Uzyskana dzięki temu informacja rozstrzygnie, które wirusy są odpowiedzialne za największe obciążenie chorobami oraz pomoże określić jakie szczepionki oraz kroki ograniczające transmisję czynnika chorobotwórczego, będą najbardziej skuteczne. Ambitne plany zmierzają również w kierunku zsekwencjonowania wszystkich wirusów obecnych u wszystkich gatunków ssaków oraz przewidywań, które z nich mogą przenosić się na ludzi. Istnieje również możliwość aby ludzkie wirusy stały się bardziej zjadliwe w wyniku mutacji lub rekombinacji z wirusami zwierzęcymi. Lepsze zrozumienie tego, co wpływa na większą chorobotwórczość wirusów, obok stałego monitorowania ludzkiego wiromu w stanie zdrowia i choroby, dostarczy informacji o sygnałach ostrzegawczych świadczących o początku kolejnej pandemii wirusowej.

Eric Delwart jest starszym badaczem w Blood Systems Research Institute oraz wykładowcą na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, gdzie zajmuje się badaniami nad wiromem ludzi i zwierząt.

* wiromika – nauka zajmująca się badaniem całych genomów wirusowych oraz analizą funkcjonowania zawartych w nich genów.

Przypisy

J.A. DeCaprio, R.L. Garcea, “A cornucopia of human polyomaviruses,” Nat Rev Microbiol, 11:264-76, 2013.
V. Foulongne et al., “Human skin microbiota: High diversity of DNA viruses identified on the human skin by high throughput sequencing,” PLOS ONE, 7:e38499, 2012.
S. Spandole et al., “Human anelloviruses: An update of molecular, epidemiological and clinical aspects,” Arch Virol, 160(4):893-908, 2015.
K. Cadwell, “Expanding the role of the virome: Commensalism in the gut,” J Virol, 89:1951-53, 2015.
E. Kernbauer et al., “An enteric virus can replace the beneficial function of commensal bacteria,” Nature, 516:94-98, 2014.
J. Linnen et al., “Molecular cloning and disease association of hepatitis G virus: A transfusion-transmissible agent,” Science, 271:505-08, 1996.
E.T. Chivero, J.T. Stapleton, “Tropism of human pegivirus (formerly known as GB virus C/hepatitis G virus) and host immunomodulation: Insights into a highly successful viral infection,” J Gen Virol, 96:1521-32, 2015.
C. Schwarze-Zander et al., “Role of GB virus C in modulating HIV disease,” Expert Rev Anti Infect Ther, 10:563-72, 2012.
M.C. Brown, M. Gromeier, “Oncolytic immunotherapy through tumor-specific translation and cytotoxicity of poliovirus,” Discov Med, 19:359-65, 2015.
A. Marchini et al., “Oncolytic parvoviruses: From basic virology to clinical applications,” Virol J, 12:6, 2015.
T.G. Phan et al., “A new protoparvovirus in human fecal samples and cutaneous T cell lymphomas (mycosis fungoides),” Virology, 496:299-305, 2016.
D.J. Griffiths, “Endogenous retroviruses in the human genome sequence,” Genome Biol, 2:reviews1017.1, 2001.
R. Malfavon-Borja, C. Feschotte, “Fighting fire with fire: Endogenous retrovirus envelopes as restriction factors,” J Virol, 89: 4047-50, 2015.
S. Mi et al., “Syncytin is a captive retroviral envelope protein involved in human placental morphogenesis,” Nature, 403:785-89, 2000.
F. Redelsperger et al., “Genetic evidence that captured retroviral envelope syncytins contribute to myoblast fusion and muscle sexual dimorphism in mice,” PLOS Genet, 12:e1006289, 2016.
S. Schlesinger, S.P. Goff, “Retroviral transcriptional regulation and embryonic stem cells: War and peace,” Mol Cell Biol, 35:770-77, 2015.

Źródło: