Genetika virů

Genetika virů je úzce spojena s typem nukleové kyseliny, kterou virus vlastní. Na této nukleové kyselině závisí replikace virů. Tedy to, kolik potřebuje virus kroků k tomu, aby masivně namnožil nukleovou kyselinu, jež se bude vkládat do kapsidy a aby vyrobil potřebné proteiny, z nichž se kapsida skládá. Enzymy zajišťující tyto kroky jsou zpravidla velmi chybové, přičemž své chyby u většiny virů neopravují. Těmto chybám v zápisu říkáme mutace. RNA polymeráza (RdRp) má chybovost cca 10-3, což znamená, že v genomu SARS-CoV-2 dlouhém cca 30 000 nukleotidů je vždy asi 30 mutací. (Nenechme si tento příklad pokazit faktem, že zrovna SARS-Cov-2 má reparační enzym opravující některé jeho mutace. I tak mutační rychlost zůstává úctyhodná.) Pro málokoho na Zemi jsou mutace tak významný jev jako pro viry.

Velice obecně se dá říct, že RNA viry jsou k mutacím mnohem náchylnější než DNA viry. Proto se také každoročně potýkáme s chřipkovou nákazou, a proto také člověk očkovaný proti chřipce, touto chorobou může znovu onemocnět. Než se však rozhovoříme o jednotlivých virech, musíme si povědět, co to vůbec mutace jsou, jak vznikají a jak se tyto mutace promítají do dynamiky virových nákaz. 

Velikost genomů

Genom každého organizmu zahrnuje všechny geny potřebné k životu. Například genom člověka se skládá z 23 párů chromozomů, přičemž jedna sada (23 chromozomů) obsahuje cca 3 000 000 000 párů bází. Bakterie jsou o něco úspornější. Zpravidla si vystačí s jedinou molekulou DNA o 3 000 000 párů bází. Jak je to však u virů?

Budeme-li mezi viry počítat i méně známé viroidy (kapitola Subvirové částice), pohybuje se velikost virových genomů od 300 RNA nukleotidů po 1 500 000 párů bází u obřích DNA virů. Rozmezí je velmi široké a také počty genů uložených ve virových genomech kolísá od 0 do 2 500 genů. 0 v předešlé větě není chybou, ačkoli by se mohlo zdát, že je to naprostý nesmysl. Viroidy jsou složeny z krátkých RNA molekul s enzymatickou funkcí, jsou to vlastně ribozymy. To znamená, že nepotřebují kódovat žádné další bílkovinné enzymy. Vystačí si s těmi co vlastní hostitelská buňka, a pak spoléhají na vlastní schopnosti.

Běžné viry samozřejmě geny mají. Jejich počet se pohybuje v jednotkách – ebola vlastní 7 genů (kódují 8 proteinů), po desítky – chřipkový virus.

U virů však často nehovoříme o genech, ale o otevřených čtecích rámcích. Jedná se o úsek, podle kterého se vyrobí jedna molekula mRNA a podle této mRNA vznikne tak zvaný polypeptid. Polypeptid se skládá z několika spojených peptidů, přičemž polypeptid je posléze rozstřihán na jednotlivé peptidy pomocí enzymu - virová proteáza. Podle jednoho čtecího rámce tedy vzniká více bílkovin.

Mutace

Mutace je jakákoli změna v pořadí nukleotidů v molekule DNA či RNA. Aby došlo ke správnému pochopení následujících řádků, bude nutné malé repetitorium z proteosyntézy.

Za prvé si musíme zopakovat, co je to gen. Gen je úsek na nukleové kyselině (sekvence nukleotidů), který kóduje nějakou bílkovinu. Pořadí nukleotidů v genu určuje pořadí aminokyselin v proteinu, který je patřičným úsekem kódován. A jak je kódována jedna aminokyselina? Jedna aminokyselina je kódována trojicí za sebou následujících nukleotidů – tzv. tripletem. Tento genetický kód překládá ribozom. Přečte triplet a přiřadí aminokyselinu.

Dojde-li k mutaci, při které se změní jeden nukleotid, může zároveň dojít k zabudování jiné aminokyseliny do vznikajícího proteinu. Tato mutace může mít různé projevy. Protein se může stát nefunkčním, což povede k zániku viru nesoucího tuto mutaci, ale také se nemusí stát vůbec nic. To se stane v případě, proběhne-li mutace v nekódující oblasti, popřípadě proběhne-li záměna nukleotidů, která nepovede ke změně aminokyseliny (zopakujte si tabulku „Genetický kód“).

V neposlední řadě se při změně aminokyseliny v některých virových proteinech může změnit virulence viru, popřípadě náš imunitní systém může tento virus vyhodnotit jako naprosto nový virus, proti kterému zatím nemáme účinné zbraně a není vyvinuta imunologická paměť (obojí funguje proti původní formě tohoto viru). 

Typy mutací

Pozor! Následující text se týká pouze virů. U eukaryotních organizmů rozeznáváme i další typy mutací jako například chromozomové mutace. U virů se však chromozomy nevyskytují!

Z hlediska rozsahu rozlišujeme u virů mutace genové a mutace genomové.

1) Genové mutace

Jedná se o mutace, které ovlivní jediný gen, potažmo jediný protein z tohoto genu vzniklý. Nejčastěji se jedná o bodové mutace týkající se jednoho nukleotidu, které nicméně mohou způsobit zničení celého genu. Rozeznáváme následující typy bodových mutací.

• O záměnové (substituční) mutaci hovoříme v případě, že došlo k záměně jednoho nukleotidu nukleotidem jiným. V tomto případě se může, popřípadě nemusí, změnit vyznění daného tripletu. Vzpomeňte si, že většina aminokyselin je kódována větším počtem různých tripletů. Trefí-li se mutace do nějakého dalšího tripletu kódujícího tu samou kyselinu, mutace se vůbec neprojeví. Dojde-li však k záměně aminokyseliny, tak nesmírně záleží na pozici této aminokyseliny v proteinu a na typu této aminokyseliny. Některé aminokyseliny vůbec výsledný protein nezmění, při vložení jiné aminokyseliny může však dojít k dramatické změně prostorového uspořádání proteinu. Nyní závisí případ od případu, zda to nositeli této mutace pomůže, nebo ho to zabije.

• Dalším typem je deleční mutace. Při tomto typu mutace dojde k odstranění jednoho (či více) nukleotidu. Člověk by očekával, že se nic tragického nestane, opak je však pravdou. Opět si musíme uvědomit, že ribozom čte nukleotidy po trojicích, takže od místa mutace jsou všechny triplety posunuty o jednu pozici a tím pádem kódují naprosto nesmyslné aminokyseliny. Došlo k tak zvanému posunu čtecího rámce, který je vždy problematický. Proteiny, ve kterých došlo k tomuto typu mutace, jsou také zpravidla kratší, protože v nějakém místě spontánně vznikl jeden ze stop kodónů a byla zde ukončena translace.

• Trochu podobně je na tom inzerční mutace. V tomto případě nedojde k odstranění nukleotidu, ale naopak k vložení jednoho (či více) nukleotidu. Když se podíváte na přiložený obrázek, zjistíte, že opět dochází k posunu čtecího rámce, takže tento typ mutace vede ke stejným problémům, kterými trpí mutace deleční.

Všechny výše zmíněné mutace mohou vést k antigennímu driftu. Podívejme se na tuto problematiku z hlediska imunitního systému napadeného organizmu. Imunitní systém se naučil rozpoznávat virus podle jeho povrchových proteinů. Nyní však v jednom z nich došlo k mutaci a protein například změnil tvar. Pro imunitní systém se nyní virus může jevit jako nový patogen a musí proběhnout celá imunitní odpověď, aby byl člověk opět imunní. Nákazy driftovaným virem zpravidla probíhají s mírnějšími příznaky. Imunitní systém většinou dokáže rozpoznat ostatní povrchové struktury.

2) Genomové mutace

Jak název napovídá, u tohoto typu mutací není postižen pouze jeden gen. Dojde ke změně mnoha genů, tj. změní se genom viru.

Jedním příkladem je antigenní shift chřipkového viru. Virus chřipky je RNA virus a má svůj genom segmentován. Podle typu chřipky najdeme v kapsidě 7 nebo 8 molekul RNA. Chřipka se však množí i v jiných obratlovcích. Pro člověka je nejnebezpečnější drůbež a prasata. Tato zvířata mohou hostit příbuzné chřipkové viry a v případě, že prasečí buňka hostí více typů chřipkových virů, může dojít k seskládání virových RNA do kapsidy z různých zdrojů. Takto vznikne nový chřipkový virus, který může být mnohem virulentnější, může mít vyšší smrtnost, nicméně se také může stát, že pro lidi nebude nebezpečný. To se bohužel nedá předem odhadnout.

3) Rekombinace

Jako poslední příklad mutací si uvedeme rekombinaci. Při této mutaci dojde k propojení dvou příbuzných virových genomů. Vznikne jedna virová nukleová kyselina. Také rekombinací mohou vznikat nové kmeny virů, které mohou být pro lidstvo nebezpečné.

Evoluce virů v reálném čase

Vzhledem k tomu, že viry neustále mutují, působí na různé varianty jednoho viru různé selekční tlaky. Virová nákaza ovlivňuje chování hostitele i chování ještě nenakažených lidí k nakaženým osobám. Uvedeme si pár příkladů na koronavirové nákaze.

Z lidského pohledu byl asi nejvýznamnější antigenní drift vedoucí k nové hostitelské specifitě. Původně netopýří virus se naučil vstoupit do lidské buňky. Lidská populace se doposud s tímto typem viru nepotkala a její imunitní systém na něj nebyl připraven. Takovou populaci označujeme jako imunologicky naivní. Následoval bouřlivý vývoj viru.

Představte si, dva kmeny s různým průběhem onemocnění. Jedna varianta má těžký průběh a svého hostitele rychle upoutá na lůžko. Druhá varianta má mírnější průběh a člověk s touto variantou může pracovat. I kdyby mírnější virus produkoval menší množství nových virů, bude v lidské populaci pravděpodobně úspěšnější. Má totiž mobilního hostitele, který může nevědomky roznášet nákazu mezi zdravé lidi, kteří si nemoci nepovšimnou.

Těžce nemocný pacient je evidentně nemocen a ostatní lidé se budou při styku s tímto člověkem chovat obezřetně. V tomto případě i přes to, že pacient produkuje velké množství nebezpečného viru, má virus menší potenciál nakazit dalšího pacienta. Přesto tento potenciál zde je a nejspíš se nakazí někdo z personálu či příbuzných. Nicméně nakažených osob touto prudkou variantou nebude tolik. Mezi jednotlivými variantami vznikne evoluční kompromis.

V průběhu času se mohou vyskytovat velmi úspěšné varianty viru, které postupně vytlačí varianty méně úspěšné. Choroba se v lidské populaci drží stále, nicméně v jiných variantách, které jsou zapříčiněny mutacemi.

Co si mnoho lidí neuvědomuje je fakt, že v jednom dlouhodobě nemocném pacientovi vzniká velké množství mutovaných variant viru, na které působí různé selekční tlaky. Asi nejvýraznějším selekčním tlakem je náš imunitní systém, který se naučí rozpoznávat nejrozšířenější, zpravidla divokou (původní), variantu viru. Původní viry jsou na tom špatně, protože je pacientův imunitní systém brzy odhalí a zlikviduje. Nově vzniklé varianty, například antigenním driftem, mohou tomuto imunitnímu systému unikat a rozšířit se i na další osoby. Můžeme tedy říci, že viry reagují na okolní podmínky a dokáží se jim přizpůsobovat. Toto je zároveň základ evolučních dějů – nadbytek variabilních potomků, přičemž přežívají ty varianty, které jsou lépe přizpůsobené, popřípadě mají lepší životní strategii.

Ať budeme dělat co budeme dělat, viry tu s námi budou navždy. A mezi naším imunitním systémem a viry bude probíhat nepřetržitá válka bez vítězů. (přečtěte si něco o „Červené královně“).

Shrnutí

Genetika virů je úzce spojena s typem nukleové kyseliny, kterou virus vlastní. Mutace jsou běžným jevem u virů a mohou vést k změnám v genetickém materiálu viru. Existují různé typy mutací, jako jsou bodové mutace (substituce, delece, inzerce) a genomové mutace (antigenní shift, rekombinace). Tyto mutace mohou ovlivnit vlastnosti viru, jako je jeho virulence a schopnost uniknout imunitnímu systému hostitele. Virové mutace jsou důležité pro evoluci virů a jejich schopnost přizpůsobit se různým podmínkám.