Ορισμένες μολύνσεις αξίζουν να θυμηθούμε: Απλά ρωτήστε το DNA σας.
Περίπου το 8% του ανθρώπινου γονιδιώματος είναι στην πραγματικότητα ιικό της προέλευσης - ένα απολιθωμένο αρχείο παλαιότερων ασθενειών. Αλλά η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των ιικών κειμηλίων έχει υποβαθμιστεί πέρα από το σημείο να κάνει οποιαδήποτε ζημιά: Κάποια στιγμή, κατά τη διάρκεια των χιλιετιών, οι πρώην παθογόνοι έχουν αποσυντεθεί σε μόνιμη παύση, αφήνοντας μόνο γενετικές ουλές στο πέρασμά τους. Σήμερα, στο περιοδικό PNAS, οι επιστήμονες αποκαλύπτουν μερικά από τα μυστικά πίσω από αυτή τη μυστηριώδη μετάβαση, με τη βοήθεια ενός από τα πιο αγαπημένα βακκίνια της Αυστραλίας.
Οι κοντινές συναντήσεις του ιογενούς είδους είναι συνήθως προσωρινές. Οι ιοί εισέρχονται στο σώμα ως μισθωτές, όχι ιδιοκτήτες σπιτιού, που σκοπεύουν απλώς να αναπαράγουν και να εξαπλωθούν σε άλλους οικοδεσπότες. Αλλά για μια συγκεκριμένη κατηγορία ιών που ονομάζονται ρετροϊοί, μια προσωρινή μίσθωση μπορεί συχνά να μετατραπεί σε μόνιμη συμβίωση. Όταν οι ρετροϊοί εισβάλλουν σε κύτταρα, εισάγουν το DNA τους στη δική μας, επιτρέποντας τη διεξαγωγή των νέων παραγγελιών για την πορεία των ρετροϊών παράλληλα με το ρεπερτόριο του εργαστηρίου. Αν ένας ρετροϊός συμβαίνει σε σπερματοζωάριο ή ωάριο, οι γενετικές οδηγίες του μπορούν να συνεχίσουν να διεισδύουν σε ένα έμβρυο που θα μεταφέρει τους ιούς λαθρεμπορίας σε κάθε κύτταρο του. Αυτό επιτρέπει στον μεταγενέστερο "ενδογενή" ρετροϊό να μεταδοθεί, δημιουργώντας μια γενετική γενεά που είναι λίγο πιο ιογενής από πριν.
Στις πρώτες γενεές, ο ιός μπορεί να παραμείνει άθικτος αρκετά για να ξυπνήσει από την αδράνεια και να μολύνει εκ νέου. Αλλά ενώ οι ρετροϊοί έχουν παραβιάσει το ανθρώπινο γονιδίωμα τουλάχιστον 30 ή 40 φορές, οι περισσότεροι από αυτούς τους ιογενείς παραλήπτες γλίστρησαν στα γονίδιά μας τουλάχιστον πριν από 5 εκατομμύρια χρόνια - και οι μεταλλάξεις που υπέστησαν από τότε τους έχουν καταστήσει αβλαβείς.
Εφόσον έχει περάσει τόσο πολύ από τότε που αντιμετωπίσαμε μια νέα εισβολή ρετροϊού, δεν υπάρχει τρόπος για τους επιστήμονες να παρατηρούν πώς τα γονιδιώματά μας συμβιβάζονται με νέες επιδρομές.
Το κλειδί για να ξεδιπλώσει μέρος του αινίγματος, αποδεικνύεται, είναι ασαφές, γκρι και κοιμάται μέχρι και 18 ώρες την ημέρα. Όλα τα γονιδιώματα των σπονδυλωτών που έχουν μελετηθεί μέχρι στιγμής είναι γεμάτα από υπολείμματα ρετροϊών, και το koala δεν αποτελεί εξαίρεση. Η μόνη διαφορά; Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα ζώα, τα κοάλα εμπλέκονται επί του παρόντος σε πόλεμο με έναν από αυτούς τους καταπατητές - το εύστοχα κατονομαζόμενο ρετροϊό της κοάλας που δίνει στους επιστήμονες μια σπάνια ευκαιρία να παρακολουθήσουν την ρετροϊική αφομοίωση σε πραγματικό χρόνο.
"Αυτή είναι η πρώτη μας μοναδική ευκαιρία να αντιμετωπίσουμε αυτή τη διαδικασία ... καθώς ένας ρετροϊός εξακολουθεί να [μετακινείται] στον οικοδεσπότη", εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Ulrike Löber, ερευνητής στο Ινστιτούτο Leibniz για το ζωολογικό κήπο και την έρευνα για την άγρια φύση στο Βερολίνο.
Ο ρετροϊός Koala φαίνεται να είναι ένας σχετικά νέος ιός - κάτι που εισήλθε στον πληθυσμό τα τελευταία 50.000 χρόνια - και παραμένει ένας σημαντικός αντίπαλος αυτών των μαρσιπολιτών. Όπως και ο μακρινός σχετικός του ιός HIV, ο ρετροϊός koala φαίνεται να μειώνει την ικανότητα του ξενιστή του να καταπολεμά τις λοιμώξεις, συμβάλλοντας πιθανώς στην εξαιρετική ευπάθεια του κοάλα σε σεξουαλικά μεταδιδόμενες ασθένειες όπως τα χλαμύδια. Για να χειροτερέψουν τα πράγματα, ο ρετροϊός Koala έχει συνδεθεί με την ανάπτυξη αρκετών καρκίνων, μια σχέση που μπορεί να ισχύει και για τους ενδογενείς ρετροϊούς στους ανθρώπους.
Παρά αυτά τα μειονεκτήματα, τα κοάλα ζουν με αυτόν τον ρετροϊό για χιλιάδες χρόνια. Κάτι έπρεπε να εξουδετερώσει τις επιθέσεις - αλλά για να καταλάβει αυτή τη διαδικασία, οι επιστήμονες έπρεπε να μάθουν πού προσγειώνονται αυτοί οι ιοί και πώς άλλαζαν με την πάροδο του χρόνου.
Με τη βοήθεια των επιστημόνων που δημοσίευσαν την πλήρη ακολουθία του γονιδιώματος koala τον Ιούλιο, μια ομάδα με επικεφαλής τον Alex Greenwood, καθηγητή ασθενειών άγριων ζώων που επιβλέπει το έργο του Löber στο Ινστιτούτο Leibniz, και Alfred Roca, καθηγητής γενετικής και μελέτης για άγρια πανίδα στο Πανεπιστήμιο του Illinois, ήταν τελικά σε θέση να χαρτογραφήσει τα σημεία εισόδου των ρετροϊών koala. Το γονιδίωμα koala επέτρεψε την κατασκευή μιας περιεκτικής χαρτογραφίας ρετροϊού, δίνοντας στους ερευνητές ένα σημείο αναφοράς με το οποίο θα εντοπίσαμε τον ρετροϊό koala στο γονιδίωμα.
"Η ύπαρξη της αλληλουχίας του πλήρους γονιδιώματος του κοάλα μας έδωσε μια εντελώς διαφορετική εικόνα του τόπου όπου είναι οι ρετροϊοί", λέει η Jenny Graves, καθηγήτρια που μελετά τη γενετική, την οικολογία και την εξέλιξη στο πανεπιστήμιο La Trobe που δεν είναι συνδεδεμένο με το έργο. "Δεν είναι δυνατόν να το κάνουμε με οποιονδήποτε άλλο τρόπο".
Οι ερευνητές διερεύνησαν πρώτα τα γονιδιώματα δύο άσχετων κοάλα για αποδείξεις ιικών υπολειμμάτων -συμπεριλαμβανομένων των παραμένουν ενεργών παραλλαγών του ρετροϊού koala και των αντιγράφων που είχαν ήδη εξημερωθεί σε εφησυχασμό. Ήταν έκπληκτος να βρουν θραύσματα του ρεταϊού κοάλα, τοποθετημένα σε κομμάτια ενός άλλου ρετροϊού που ονομάζεται PhER-ένας βετεράνος κάτοικος του γονιδιώματος koala που είχε βάλει τις ρίζες πριν από πολύ καιρό. Το PhER ήταν πιθανό μάλλον ένας ίδιος ο αναστολέας των ρετροϊών, αλλά από μακρού έπεσε σε κατάσταση ανατροπής. Όταν η ομάδα εξέτασε τις υβριδικές αλληλουχίες ρετροϊού PhER-koala-ουσιαστικά σπασμένες εκδοχές του ρεταϊού koala-συνειδητοποίησαν ότι το PhER είχε εισβάλει και απενεργοποίησε τον ρετροϊό koala με την εναλλαγή των λοιμογόνων γονιδίων ρετροϊού koala για τη δική του ακολουθία κροσσών, σε μια διαδικασία που ονομάζεται ανασυνδυασμός.
Αν και δεν σχετίζεται με τον ρετροϊό koala, το PhER έφερε μόνο μια ομοιότητα για να επιτρέψει αυτό το φαινόμενο. Ο γενετικός μετασχηματιστής αντικατέστησε κρίσιμα τμήματα του ρετροϊού koala με αδρανή σωματικά διπλασιασμό, εξουδετερώνοντας αποτελεσματικά το οπλοστάσιο ρετροϊού koala και το κλειδώνοντας στη θέση του. Όλος ο ανασυνδυασμός απαιτεί δύο ταυτόσημες "πλευρές" από τις δύο πλευρές ενός τμήματος DNA: Εφόσον το νέο τμήμα έχει τα σωστά βιβλία, ένα θανατηφόρο εγχειρίδιο οδηγιών μπορεί να αντικατασταθεί από ένα μανιφέστο ανοησίας.
Η ακολουθία του πλήρους γονιδιώματος koala επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς ο ρετροϊός της κοάλας εισβάλλει σε αυτό το είδος σε πραγματικό χρόνο. (PublicDomainPictures) Στην πραγματικότητα, το PhER, ένα αρχαίο ρετροϊικό στοιχείο, λειτουργούσε ως γονιδιωματικός φρουρός εναντίον νέων εισβολέων όπως ο ρετροϊός koala. Όταν το ίδιο το PhER είχε εισέβαλε στο γονιδίωμα koala πριν από εκατομμύρια χρόνια, είχε κολλήσει - κάτι που έδινε αυτό που κρατούσε τώρα τον ιό ένα συμφέρον να προστατεύσει τον οικοδεσπότη του από ασθένεια: Αν ο κοάλα πέθανε,
Έτσι, υιοθετώντας ένα "αν δεν μπορείτε να νικήσετε", να ενταχθούν "em" στάση, το PhER πήγε από το κακό κακό στο πιστό footsoldier. "Όταν το γονιδίωμα του ξενιστή και το γονιδίωμα του ιού γίνονται μια ενιαία οντότητα, πρέπει να μάθουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους", εξηγεί η Roca. "Είναι σαν να λένε αυτοί οι παλιοί ιοί σε νέους ιούς:" Αυτή είναι η επικράτειά μας, μην το χρεώνεις ".
Αλλά αυτή η μεγάλη πράξη αμνηστίας από το PhER μπορεί επίσης να έχει και άλλα κίνητρα. Η επανασύνδεση με τον ρετροϊό koala δεν είναι απλώς ένας τρόπος για την εξάλειψη του ανταγωνισμού - είναι μια ευκαιρία για το PhER να καταλάβει κάποια ιδιαίτερα επιθυμητά μηχανήματα. Όταν το PhER αντικαθιστά τα όπλα ρετροϊού koala με τα δικά του αβλαβή κειμήλια, το PhER έχει την ευκαιρία να τσακίσει τα ίδια τα εργαλεία που θα μπορούσαν να τα σπάσουν από τη γενωμική φυλακή και να αφήσουν ένα χαλασμένο ρεταϊό κοάλε να σαπίσουν στη θέση του.
"Αυτή η διαδικασία είναι κακή για τον ρετροϊό του koala επειδή γίνεται λιγότερο ιός, αλλά είναι καλό για τον αρχικό ενδογενή ρετροϊό PhER, διότι το επιτρέπει να πολλαπλασιαστεί", λέει ο Greenwood.
Είναι απίθανο ότι το PhER θα βγει από τη διασταυρούμενη πυρκαγιά ως πλήρης μολυσματικός ιός: ξοδεύεται πολύ μακρυά το γονιδίωμα. Η συρρίκνωση ενός νέου ρετροϊού μπορεί να δώσει στο PhER την ευκαιρία να ξεφορτωθεί τα δεσμά του - αλλά οι πιο σοβαρές συνέπειες επιμένουν στον ίδιο τον ρετροϊό koala. Ο Löber υποπτεύεται ότι παρακολουθούμε την αργή εξημέρωση αυτού του παθογόνου παράγοντα.
Στην πραγματικότητα, ο ανασυνδυασμός φαίνεται να είναι κρίσιμος για την απενεργοποίηση του ρετροϊού koala. Όταν οι ερευνητές έψαξαν τα γονιδιώματα των 166 κοάλα που διανεμήθηκαν σε ολόκληρη την Αυστραλία, διαπίστωσαν ότι τα επιμέρους κοάλα φιλοξενούσαν σπασμένα αντίγραφα του ρετροϊού koala σε πολλά διαφορετικά σημεία των γονιδιωμάτων τους. Ο ρετροϊός Koala εξαπλώθηκε ενεργά μέσω του πληθυσμού των κοάλα - αλλά ξανά και ξανά, ο PhER είχε αυξήσει τα χαστούκια μέχρι να χάσει τα πόδια του ο αντίπαλός του. Ο απλός επιπολασμός του αφοπλισμού των ρετροϊών koala έδειξε ότι ο ανασυνδυασμός με PhER υπήρξε καθαρό θετικό για τα είδη koala.
Ωστόσο, δεν δημιουργούνται ίσες όλες οι ενσωματώσεις. Σύμφωνα με τη Μαρία Τόκουγιαμα, μεταδιδακτορικός ερευνητής που μελετά ενδογενείς ρετροϊούς στο Πανεπιστήμιο Yale, επειδή ο ρετροϊός της κοάλας βρίσκεται σε τόσα πολλά φυλάκια στο γονιδίωμα, μερικοί πιθανόν να είναι πιο συμφέρουσα από άλλους. «Κάτω από τη γραμμή, αυτό μπορεί να έχει επιπτώσεις στην επιβίωση ορισμένων ομάδων έναντι άλλων», εξηγεί ο Tokuyama, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.
Σύμφωνα με τον Greenwood και τη Roca, μετά από εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, οι μολυσματικές εκδοχές του ρετροϊού koala θα εξαφανιστούν πιθανότατα από τον πληθυσμό, μέχρι να απομείνουν μόνο τα μηνύματα του μολυσματικού παρελθόντος. Όταν συμβεί αυτό, οι κακοποιοί μεραρχίες που παραμένουν - αυτοί που βρίσκονται σε σημεία λιγότερο επιβλαβείς για τους οικοδεσπότες τους - θα είναι οι ίδιοι σε όλα τα κοάλα, όπως οι αρχαίοι ενδογενείς ρετροϊοί στους ανθρώπους.
Φυσικά, ο ανασυνδυασμός δεν μπορεί να είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι ρετροϊοί αποικίζουν ένα γονιδίωμα. Οι πρώτες εισβολές, για παράδειγμα, δεν θα μπορούσαν να βασίζονται σε προηγούμενους κατοίκους. Το κυψελοειδές μηχάνημα του ξενιστή μπορεί να κλείσει άμεσα ιικό DNA. ή, αν ένας ιός κάνει ένα λάθος κατά τη δική του αναπαραγωγή, θα μπορούσε να τυλιχτεί τυχαία στη θέση του. Τα γονιδιώματα των σπονδυλωτών καλύπτονται με δεκάδες από αυτούς τους γονιδιωματικούς τάφους, κάθε ένα από τους οποίους μνημονεύει μια διαφορετική αρχαία εισβολή ενός ιού που ήταν κάποτε μολυσματικός.
Στο μελλοντικό τους έργο, οι επιστήμονες θα παρακολουθήσουν πώς ο ρετροϊός της koala συνεχίζει να ενσωματώνεται στο γονιδίωμα, ακολουθώντας τα γονιδιώματα των απογόνων koala που έχουν κληρονομήσει σπασμένα αντίγραφα του ιού. Επιπλέον, η ομάδα σχεδιάζει να συνεχίσει να ελέγχει τους δεσμούς μεταξύ του ρετροϊού koala, του καρκίνου και της καταστολής του ανοσοποιητικού συστήματος, με την ελπίδα ότι θα διατηρήσει τις φθίνουσες κοινότητες του ευάλωτου koala.
Η Willa Huston, καθηγητής μικροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Σίδνεϊ, που δεν ήταν συνδεδεμένη με τη μελέτη, επαίνεσε το έργο ως «συναρπαστικό» και «υψηλής ποιότητας» - την παρατήρηση ενός «πραγματικά ωραίου πειράματος επιστήμης» που εκτυλίσσεται φυσικά στο φυσικό περιβάλλον. Ο Huston, ο οποίος μελετά τα χλαμύδια στα κοάλα, τονίζει επίσης τη σημασία αυτών των ευρημάτων για το μέλλον των κοάλα συνολικά. "Το επόμενο στάδιο [σε αυτήν την έρευνα] είναι να καταλάβουμε τι σημαίνει για τη διατήρηση αυτού του είδους", λέει.
Ενώ ο ρετροϊός της κοάλας έχει κάνει αρκετούς αριθμούς για τα μαρούλια του Ευκαλύπτου που βόσκουν την Αυστραλία, μπορεί να υπάρχει ακόμα ένα φως στο τέλος της σήραγγας: Η ένωση των ιών και των σπονδυλωτών μπορεί μερικές φορές να αποφέρει απρόσμενα οφέλη. Όταν οι ιοί σκάβουν τα τακούνια τους, το γονιδίωμα του ξενιστή μπορεί να εκμεταλλευτεί περιστασιακά τα κομψά τεχνάσματα των εχθρών του εμπορίου. Για παράδειγμα, σε άλλα θηλαστικά, ο σχηματισμός του πλακούντα συν-επιλέγει μια ρετροϊική πρωτεΐνη. Χωρίς αυτό, οι άνθρωποι όπως τους γνωρίζουμε σήμερα απλά δεν θα υπήρχαν. Ίσως η αμυντική στρατηγική του PhER να είναι προάγγελος των εποχών, όταν ο ρετροϊός της koala μπορεί επίσης να απολαμβάνει μια λιγότερο ανταγωνιστική (ή και ωφέλιμη) σχέση με τους ιδιοκτήτες koala. Στις επόμενες επόμενες γενιές, οι κοάλες μπορούν ακόμα να γυρίσουν τα τραπέζια σε έναν από τους πιο εντυπωσιακούς τους εχθρούς.
