Timp de aproape două secole, oamenii au studiat trecutul biologic cu ajutorul fosilelor. Recent, la arsenalul nostru a fost adăugată capacitatea de a reconstitui secvența ADN-ului. Mai mult, arborii filogenetici (structuri care definesc relațiile evolutive ale speciilor plecând de la un strămoș comun) au fost creați pentru o sumedenie de organisme, fapt care ne-a permis să le studiem relațiile evolutive complexe. Dar iată că acum începem să descoperim ”fosilele virale”, ceea ce ne permite să deducem și să urmărim istoria evoluției virusurilor de-a lungul veacurilor.
Deci, ce ne pot spune aceste ”fosile virale”? Pot ele avea implicații pentru viitorul transmiterii bolilor la oameni?
Virusuri și retrovirusuri
În timp ce marea majoritate a microbiologilor sunt de acord că virusurile nu sunt organisme vii, aceste entități sunt considerate agenți infecțioși. Virusurile sunt porțiuni mici de material genetic protejate de o capsidă (un înveliș proteic) și de un strat exterior denumit anvelopă. Materialul lor genetic poate fi ADN-ul sau ARN-ul. Capsidele și anvelopele virale prezintă o diversitate morfologică uimitoare la diferitele virusuri, inclusiv proteinele spike de la virusul SARS-CoV-2, care produce COVID-19, precum și structurile ecosaedrice mai complicate ale bacteriofagilor.
În mod unic, virusurile nu se pot replica în afara organismului-gazdă. Virusurilor nu numai că le lipsește mașinăria celulară necesară pentru producerea propriilor proteine funcționale, dar ele nu pot sintetiza nici moleculele transportatoare de energie (ATP-ul).
Virusurile sunt complet dependente de celulele-gazdă pentru reproducere și utilizează diverse metode pentru a coopta mașinăria celulară în interes propriu. De exemplu, virusurile își introduc materialul genetic în celulele-gazdă prin legarea de celulă, urmată de degradarea capsidei în vederea eliberării ADN-ului sau ARN-ului în interiorul celulei. Apoi mașinăria celulară este utilizată pentru a produce copii multiple ale materialului genetic viral, până când, în cazul anumitor tipuri de virusuri, celula explodează din cauza numeroaselor particule virale produse în interiorul ei, eliberându-le în exterior în vederea continuării ciclului.
ADN-ul retroviral, cunoscut sub denumirea de ”elemente retrovirale endogene” (ERV), este integrat în genomul gazdei și este transmis la urmași atunci când genomul gazdei se replică. | Ilustrație: XIAOMENG HAN
Chiar dacă nu sunt clasificate drept organisme vii, virusurile sunt supuse presiunii evolutive. Ele pot acumula mutații în timpul procesului de replicare desfășurat în interiorul celulelor-gazdă și pot fi supuse selecției.
Unele virusuri, în mod particular retrovirusurile, își integrează materialul genetic în genomul gazdă, lăsând urme de cod genetic pe care le putem utiliza pentru studierea istoriei evolutive a organismelor și interacțiunilor respective. Nu numai că virusurile ne-au modificat genomul prin aducerea de material genetic nou, dar și interacțiunile agent patogen – gazdă ne-au modelat trecutul într-un mod dramatic. Această ”înregistrare fosilă” a evoluției virale care poate fi extrasă din ADN-ul de astăzi conține multe indicii interesante despre trecutul nostru.
”Fosile” retrovirale în ADN-ul modern
Deoarece retrovirusurile se pot integra în ADN-ul uman și pot fi transmise la urmași, deținem o sumedenie de informații pentru a deduce istoria evoluției virale cu ajutorul metodelor filogenetice. Se estimează că la oameni aceste fragmente de ADN retroviral reprezintă până la 8% din genom, acumulându-se în ADN-ul nostru în cursul mai multor evenimente de infectare. Aceste procent este extrem de ridicat, având în vedere faptul că genele funcționale reprezintă doar 2% din genom.
Fragmentele genetice virale care sunt transmise de la părinți la urmași și sunt integrate prin intermediul celulelor reproducătoare, cum sunt spermatozoizii și ovulele, se numesc ”elemente virale endogene” (EVE). În cazul retrovirusurilor, aceste ”fosile” se numesc ”elemente retrovirale endogene” (ERV).
Căutarea unei selecții prealabile a genelor antivirale avantajoase în genomul modern ne poate ajuta să identificăm când au avut loc infecțiile virale. Acest lucru poate fi extins pentru a studia modul în care aceste infecții virale au condus la evoluția unor mecanisme de apărare noi sau îmbunătățite la alte specii, precum și modul în care virusul ar fi putut să răspundă pentru a ocoli aceste mecanisme. Genomul modern conține informații despre această cursă evolutivă a înarmărilor care se desfășoară de milenii.
Paleo-virusologii pot utiliza diferențele și asemănările din secvențele de fragmente virale de la diferite specii pentru a data când ar fi putut avea loc un eveniment de infectare și pentru a estima cât timp a rămas în circulație virusul respectiv.
Rata de evoluție și mutație a virusurilor poate fi, de asemenea, aproximată și s-a constatat că aceasta este surprinzător de lentă la nivelul scărilor de timp evolutive; de exemplu, secvențele virale moderne nu au suferit suficiente mutații pentru a fi imposibil de distins față de virusurile primitive. Acest lucru contrastează puternic cu ratele de mutație ridicate ale virusurilor actuale, cum ar fi cele cu ARN.
Studierea acestor ”fosile” ne permite, de asemenea, să descoperit gene care au fost cooptate de către gazdă din ADN-ul viral și care joacă rolul-cheie în procese biologice importante. Astfel de studii ne permit să deducem când și cum virusurile au ”sărit” de la o specie la alta, așa cum se presupune că s-ar fi întâmplat cu SARS-CoV-2.
Pandemiile virale din trecut și viitor
Oamenii de știință au utilizat aceste studii pentru a urmări pandemiile ce au avut loc în trecutul nostru, inclusiv una care a durat aproape 15 milioane de ani. Această pandemie, cauzată de ERV-Fc și despre care se crede că a început în urmă cu 30 de milioane de ani, în Oligocen, a fost foarte răspândită și se crede că a infectat cel puțin 28 de specii diferite de mamifere.
Succesul evolutiv al acestui virus s-ar fi datorat recombinării genetice – schimbul de gene cu alte virusuri ar fi adus material genetic nou suficient pentru adaptarea continuă la mecanismele de apărare ale gazdei timp de 15 milioane de ani.
Virusul ERV-Fc este activ începând din urmă cu aproximativ 30 de milioane de ani, în Oligocen. Putem urmări istoria evoluției sale aproape ca și cum am studia o fosilă. | Ilustrație: XIAOMENG HAN
Acest lucru a devenit deosebit de important în lumea noastră de astăzi, care se confruntă cu problemele schimbărilor climatice. Deși este posibil ca virusurile să nu lase urme fizice, ele pot supraviețui milioane de ani în condiții dure, inclusiv în straturile de permafrost și ghețari. Pe măsură ce acestea încep să se topească, există riscul real ca aceste virusuri să reintre în circulație.
De asemenea, există un risc crescut de apariție a zoonozelor (cum este cazul virusului SARS-CoV-2). Este posibil ca virusurile de la specii non-umane să devine patogene pentru oameni, pe măsură ce omenirea invadează habitatele speciilor de faună sălbatică nederanjate anterior.
În acest context, un lucru este foarte clar: virusurile au existat de milioane de ani și sunt aici pentru a rămâne.