Οι ιοί που μας βοήθησαν να γίνουμε άνθρωποι
Παρόλο που συνήθως συνδέονται με την πρόκληση ασθενειών και, κατά καιρούς, καταστροφικών πανδημιών, οι ιοί έχουν επίσης διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ανθρώπινη εξέλιξη – και χωρίς αυτούς δεν θα ήσασταν εδώ.
Οι σαύρες Mabuya που ζουν στα βουνά των Άνδεων της Κολομβίας δεν μοιάζουν με τα άλλα ερπετά. Ενώ η πλειονότητα των ερπετών γεννά αυγά με σκληρό κέλυφος, ορισμένα είδη Mabuya γεννούν ζωντανά μικρά. Το κρίσιμο είναι ότι οι μητέρες διαθέτουν πλακούντα: εξειδικευμένα όργανα για τη διατροφή των αναπτυσσόμενων νεογνών μέσα στο σώμα τους.
Ο πλακούντας συνδέεται πιο συχνά με θηλαστικά όπως τα ποντίκια και οι άνθρωποι: είμαστε πλακουντιακά θηλαστικά. Αλλά και άλλα είδη ζώων έχουν αναπτύξει πλακούντες. Και το 2001 οι ζωολόγοι Martha Patricia Ramírez-Pinilla και Adriana Jerez του Βιομηχανικού Πανεπιστημίου του Santander στην Bucaramanga της Κολομβίας, αποκάλυψαν ότι οι σαύρες Mabuya έχουν εξαιρετικά εξελιγμένους πλακούντες, όχι πολύ διαφορετικούς από τους δικούς μας.
Ενώ αυτό ήταν αρκετά εκπληκτικό για ένα ερπετό, το οποίο συνήθως γεννά δερμάτινα αυγά, η πραγματική αποκάλυψη ήρθε 16 χρόνια αργότερα, όταν ο Ramírez-Pinilla συνεργάστηκε με τον γενετιστή Thierry Heidmann του Gustave Roussy στο Παρίσι της Γαλλίας και τους συναδέλφους του. Διαπίστωσαν ότι οι σαύρες διαθέτουν ένα γονίδιο που είναι απαραίτητο για τον σχηματισμό του πλακούντα, και το γονίδιο αυτό προήλθε από έναν ιό.
Μέσα στα τελευταία 25 εκατομμύρια χρόνια, οι πρόγονοι των σαυρών μολύνθηκαν από έναν ιό που ενσωμάτωσε μέρος του δικού του DNA στο γονιδίωμά τους. Αλλά αντί να πάθουν ζημιά, οι σαύρες με κάποιο τρόπο συνυπήρξαν στο DNA του ιού και το χρησιμοποίησαν για να αναπτύξουν τον πρώτο τους πλακούντα. Χάρη στον ιό, οι σαύρες ανέπτυξαν ένα νέο όργανο.
“Η γονιδιωματική απόκτηση συνέπεσε με τη μετάβαση από τη μη πλακουντιακή στην πλακουντιακή σαύρα”, λέει ο Heidmann.
Το ασυνήθιστο σε αυτή την ιστορία, ωστόσο, είναι ότι δεν είναι ασυνήθιστη. Περίπου το ένα δέκατο του ανθρώπινου γονιδιώματος προέρχεται από ιούς και αυτό το ιικό DNA έχει διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην εξέλιξή μας. Κάποιο από αυτό ήταν η πηγή του πλακούντα των θηλαστικών. Άλλα κομμάτια εμπλέκονται στην ανοσολογική μας αντίδραση κατά των ασθενειών και στο σχηματισμό νέων γονιδίων. Χωρίς τους ιούς, οι άνθρωποι δεν θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί.
Οι ιοί είναι τόσο απλοί που πολλοί βιολόγοι δεν τους θεωρούν πλήρως ζωντανούς. Κάθε ιός είναι ουσιαστικά ένα μικροσκοπικό πακέτο γενετικού υλικού. Μπορούν να αναπαραχθούν μόνο μολύνοντας ζωντανά κύτταρα: ανατρέπουν τους μηχανισμούς του κυττάρου για να δημιουργήσουν αντίγραφα του εαυτού τους. Με τον τρόπο αυτό συχνά αρρωσταίνουν τους ξενιστές τους.
Οι ιοί που εισάγουν το δικό τους γενετικό υλικό στο γονιδίωμα του ξενιστή ονομάζονται ρετροϊοί. Η φύση τους έγινε για πρώτη φορά κατανοητή στις δεκαετίες του 1960 και 1970, αν και ορισμένοι είχαν απομονωθεί δεκαετίες πριν. Μετά από μια πρόταση το 1964 ότι ορισμένοι ιοί μπορεί να αντιγράφουν το δικό τους γενετικό υλικό στο DNA του ξενιστή τους, οι ερευνητές εντόπισαν DNA ιικής προέλευσης στα γονιδιώματα κοτόπουλων.
Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μια μεγάλη και ποικιλόμορφη ομάδα ιών, μόνο τέσσερις ρετροϊοί είναι σήμερα γνωστό ότι μολύνουν τον άνθρωπο. Όλοι ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του 1980: ο ανθρώπινος Τ-λεμφοτροπικός ιός 1 (HTLV-1), ο οποίος προκαλεί μια μορφή καρκίνου, μαζί με τον στενά συνδεδεμένο HTLV-2, και οι τύποι 1 και 2 του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV), οι οποίοι προκαλούν το AIDS.
Εάν ένας ρετροϊός μολύνει ένα κύτταρο στους πνεύμονες ή στο δέρμα ενός ατόμου, αυτό μπορεί να είναι άσχημα νέα για το άτομο, αλλά έχει περιορισμένες συνέπειες για την εξέλιξη του είδους μας, καθώς αυτό το DNA δεν μεταβιβάζεται στην επόμενη γενιά. Ωστόσο, μερικές φορές ένας ρετροϊός εισέρχεται στη γεννητική γραμμή: τα κύτταρα που γεννούν τα ωάρια και το σπέρμα, όπου το DNA του ιού μπορεί να μεταδοθεί στους απογόνους μας. Αυτά τα κομμάτια ιικού DNA ονομάζονται ενδογενείς ρετροϊοί ή ERV. Είναι αυτά τα κληρονομικά κομμάτια ιικού DNA που μπορούν να αλλάξουν την πορεία της εξέλιξης.
ERVs παντού
Το τεράστιο μέγεθος των ανθρώπινων ERVs αποκαλύφθηκε όταν δημοσιεύθηκε το πρώτο προσχέδιο του ανθρώπινου γονιδιώματος το 2001. “Αποδείχθηκε ότι υπήρχε μια τεράστια ποσότητα ιικής αλληλουχίας”, λέει ο Heidmann. Περίπου το 8% του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελείται από ERVs.
Ορισμένοι από αυτούς είναι πραγματικά αρχαίοι. Μια μελέτη του 2013 εντόπισε έναν ERV στο ανθρώπινο χρωμόσωμα 17 που είναι τουλάχιστον 104 εκατομμυρίων ετών και πιθανώς παλαιότερος. Αυτό σημαίνει ότι είναι το αποτέλεσμα ενός ιού που μόλυνε ένα θηλαστικό βαθιά στην εποχή που οι δεινόσαυροι κυριαρχούσαν στη Γη. Ο ERV εντοπίζεται μόνο σε θηλαστικά με πλακούντα, οπότε μπορεί να ενσωματώθηκε αμέσως μετά τη διάσπαση των πλακούντων θηλαστικών από τα μαρσιποφόρα ξαδέλφια τους.
Τα ERV δεν περιορίζονται μόνο στα θηλαστικά και τα ερπετά. “Όλα τα σπονδυλωτά έχουν ενδογενείς ρετροϊούς”, λέει η μοριακή ιολόγος Nicole Grandi του Πανεπιστημίου του Κάλιαρι στην Ιταλία.
Οι περισσότεροι ανθρώπινοι ERVs δεν είναι μοναδικοί στο είδος μας, αλλά μπορούν επίσης να βρεθούν σε ορισμένα τουλάχιστον άλλα πρωτεύοντα θηλαστικά, όπως οι χιμπατζήδες. Αυτό σημαίνει ότι μπήκαν στα γονιδιώματα των πρωτευόντων πριν από εκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν εξελιχθεί το δικό μας είδος, και στη συνέχεια τους κληρονομήσαμε από τους πιθηκοειδείς προγόνους μας.
Περιέργως, δεν υπάρχουν ενδείξεις για την είσοδο νέων ERVs στο ανθρώπινο γονιδίωμα τα τελευταία χιλιάδες χρόνια. Οι μόνοι ρετροϊοί με τους οποίους έχει να αντιμετωπίσει το είδος μας σήμερα είναι ο HTLV και ο HIV, λέει ο Grandi, και κανένας από τους δύο δεν έχει αναφερθεί ότι μολύνει κύτταρα της γεννητικής γραμμής. “Προς το παρόν δεν μπορούμε να δούμε ενεργό ενδογενετικό έλεγχο στον άνθρωπο”, λέει ο Grandi.
Αυτό έρχεται σε πλήρη αντίθεση με ορισμένα άλλα είδη. Τα κοάλα δέχονται επί του παρόντος εισβολή από τον ρετροϊό των κοάλα (KoRV), το DNA του οποίου εντοπίζεται σε ορισμένους πληθυσμούς κοάλα αλλά όχι σε άλλους. Οι γενετιστές των κοάλα είναι επομένως σε θέση να παρακολουθήσουν “μια εισβολή γονιδιώματος σε πραγματικό χρόνο”.
Προέλευση του πλακούντα
Οι ανθρώπινοι ERV θεωρούνταν αρχικά ως ανενεργές “απολιθωμένες αλληλουχίες” ή μέρος του “άχρηστου DNA” του γονιδιώματος. Ωστόσο, όπως συμβαίνει με πολλά υποτιθέμενα άχρηστα DNA, αποδεικνύεται ότι πολλοί ανθρώπινοι ERV είναι ενεργοί. (Μάθετε για τον κρίσιμο ρόλο που μπορεί να διαδραματίζει το άχρηστο DNA σε αυτό το άρθρο του David Cox).
Οι πιο μελετημένοι ERVs στο ανθρώπινο γονιδίωμα ονομάζονται HERV-W και περιγράφηκαν για πρώτη φορά το 1999. Κωδικοποιούν πρωτεΐνες που ονομάζονται συγκυτίνες, οι οποίες βρίσκονται στον πλακούντα. Ακριβώς όπως και στις σαύρες Mabuya, αυτά τα ιικά γονίδια είναι απαραίτητα για το σχηματισμό του πλακούντα.
Αυτή η σύνδεση μεταξύ των ιών και του πλακούντα είναι λογική αν αναλογιστεί κανείς τι ακριβώς κάνουν οι συγκυτίνες. Αυτές οι πρωτεΐνες έχουν την ικανότητα να συγχωνεύουν δύο ή περισσότερα κύτταρα σε ένα. Όταν ήταν ιικές πρωτεΐνες, χρησιμοποιούνταν από τον ιό για να συγχωνευθεί με την εξωτερική μεμβράνη ενός κυττάρου και έτσι να το μολύνει. Αυτή η ικανότητα σύντηξης έχει υιοθετηθεί από τον πλακούντα. Με τη σύντηξη κυττάρων από τη μητέρα και κυττάρων από το έμβρυο, ο πλακούντας μπορεί να μεταφέρει θρεπτικά συστατικά στο έμβρυο και να εξάγει απόβλητα.
Και δεν είναι μόνο οι άνθρωποι. Παρόμοιες πρωτεΐνες συγκυτίνης βρίσκονται και σε άλλους πιθήκους, όπως οι γορίλες. Πιο πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι οι ρετροϊοί έχουν μολύνει τα θηλαστικά επανειλημμένα σε όλη την εξελικτική τους ιστορία, οπότε διαφορετικές ομάδες θηλαστικών έχουν συχνά διαφορετικές συγκυτίνες που προέρχονται από διαφορετικούς ρετροϊούς.
“Υποθέτουμε ότι στην πραγματικότητα υπήρξε μια ιδρυτική σύλληψη του ERV πριν από 150 εκατομμύρια χρόνια, η οποία οδήγησε στην εμφάνιση των πλακούντων θηλαστικών”, λέει ο Heidmann. Έκτοτε, οι επαναλαμβανόμενες λοιμώξεις φαίνεται να έχουν αντικαταστήσει αυτόν τον αρχικό ERV, οπότε δεν μπορεί να βρεθεί σε κανένα ζωντανό θηλαστικό. Η μελέτη της σαύρας Mabuya ήταν σημαντική επειδή έδειξε ότι οι σαύρες απέκτησαν πλακούντα μόνο αφού πρώτα απέκτησαν τον ERV από έναν ιό – γεγονός που υποδηλώνει ότι το ίδιο συνέβη και στον πρόγονο όλων των πλακούντων θηλαστικών. “Έδωσε την απόδειξη της σύνδεσης μεταξύ της απόκτησης ενός πλακούντα και της απόκτησης μιας συγκυτίνης”, λέει ο Heidmann.
Η ιστορία των συγκυτινών και του πλακούντα είναι ένα από τα πιο δραματικά παραδείγματα του ιικού DNA που επηρεάζει την εξέλιξη. Είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη επειδή ένα πλήρες ιικό γονίδιο έχει επιβιώσει στο ανθρώπινο γονιδίωμα και κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη. Πολλοί άλλοι ERV δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες, αλλά εξακολουθούν να έχουν λειτουργίες.
Ορισμένοι παίζουν ρόλο στα βλαστικά κύτταρα: τα κύτταρα πολλαπλών χρήσεων που βρίσκονται στα αναπτυσσόμενα έμβρυα. Ορισμένα βλαστικά κύτταρα είναι πολυδύναμα, που σημαίνει ότι μπορούν να εξελιχθούν σε οποιονδήποτε τύπο κυττάρου στο σώμα, από νευρώνες έως μυϊκές ίνες.
Μια οικογένεια ρετροϊών που ονομάζεται HERV-H είναι απαραίτητη για την πολυδυναμία. Ωστόσο, δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Αντ’ αυτού, οι αλληλουχίες HERV-H αντιγράφονται σε μόρια που ονομάζονται RNAs, και αυτά διατηρούν το κύτταρο πολυδύναμο. “Αν κατασταλούν, τότε η μορφολογία του κυττάρου αλλάζει και χάνει την ικανότητα να διατηρεί την αδιαφοροποίητη κατάστασή του”, λέει η ιολόγος Christine Kozak του Εθνικού Ινστιτούτου Αλλεργιών και Λοιμωδών Νοσημάτων στη Bethesda του Maryland.
Άλλοι ERVs ρυθμίζουν τη δραστηριότητα γονιδίων, και ως εκ τούτου ελέγχουν σωματικές διεργασίες. Για παράδειγμα, το σώμα μας χρησιμοποιεί ένα ένζυμο που ονομάζεται αμυλάση για να διασπάσει υδατάνθρακες όπως το άμυλο στην τροφή μας. “Έχουμε αμυλάση στο πάγκρεας και έχουμε αμυλάση στο στόμα στο σάλιο”, λέει ο Grandi. Το γονίδιο της αμυλάσης ενεργοποιείται στον σιελογόνο αδένα από μια αλληλουχία DNA που ονομάζεται υποκινητής – η οποία προέρχεται από έναν ERV.
Οι ιοί που μας κρατούν υγιείς
Όπως είναι φυσικό, δεδομένου ότι οι ERV προέρχονται από ιούς, πολλοί επιστήμονες ενδιαφέρονται για το ρόλο τους στην υγεία και τις ασθένειες. Ένα τέτοιο παράδειγμα περιγράφηκε το 2022 από ερευνητές με επικεφαλής τον Cédric Feschotte, μοριακό βιολόγο και γενετιστή στο Πανεπιστήμιο Cornell στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης. Η ομάδα προσπαθούσε να βρει μια περίπτωση στον άνθρωπο ενός φαινομένου που είναι ήδη γνωστό σε άλλα ζώα – μερικές φορές, τα γονίδια ERV κωδικοποιούν πρωτεΐνες που μπορούν να συνεταιριστούν από το ανοσοποιητικό σύστημα και να χρησιμοποιηθούν για την καταπολέμηση άλλων ιών. Οι ιοί-στόχοι μπορεί να είναι στενά συγγενείς με τον ιό που γέννησε τον ERV αρχικά, ή μόνο απομακρυσμένα συγγενείς. Ο Feschotte λέει ότι οι αντι-ιικές πρωτεΐνες από τους ERV έχουν μελετηθεί σε ποντίκια, κοτόπουλα και γάτες. “Αλλά απ’ όσο γνωρίζω δεν υπήρχαν τέτοια παραδείγματα στο ανθρώπινο γονιδίωμα”, λέει.
Η ομάδα σάρωσε τους γνωστούς ERVs στο ανθρώπινο γονιδίωμα και εντόπισε εκατοντάδες αλληλουχίες που θα μπορούσαν δυνητικά να κωδικοποιούν αντι-ιικές πρωτεΐνες. Στη συνέχεια επικεντρώθηκαν σε ένα γονίδιο που ονομάζεται Suppressyn, το οποίο κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη παρόμοια με εκείνες που συνθέτουν τα εξωτερικά περιβλήματα των ιών. Η πρωτεΐνη Suppressyn εμποδίζει τους ρετροϊούς να εισέλθουν στα κύτταρα, επειδή συνδέεται με υποδοχείς στην εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου που οι ίδιοι οι ιοί θα χρησιμοποιούσαν για να εισέλθουν στο κύτταρο. Ο Feschotte το συγκρίνει με την εισαγωγή ενός σπασμένου κλειδιού σε μια κλειδαριά, που εμποδίζει οποιονδήποτε να ξεκλειδώσει την πόρτα.
Το Suppressyn βρίσκεται κυρίως στον πλακούντα και στο αναπτυσσόμενο έμβρυο. Αυτό υποδηλώνει ότι η αρχική του χρήση ήταν να εμποδίζει τους ρετροϊούς να μολύνουν τα έμβρυα, τα οποία έχουν πολύ αδύναμο ανοσοποιητικό σύστημα. “Προστατεύει τη γεννητική γραμμή και όχι τον οργανισμό στο σύνολό του”, λέει ο Feschotte.
Αλλά πιστεύει ότι οι ERVs πιθανώς κάνουν πολύ περισσότερα στο ανοσοποιητικό μας σύστημα. “Έχουμε 1.500 υποψηφίους”, λέει. “Αυτά είναι πολλά γονίδια”. Ενώ πολλοί γενετιστές εξακολουθούν να θεωρούν τους ERVs αδρανείς ή ελαττωματικούς, αυτό είναι παραπλανητικό. “Αποσυντίθενται, αλλά εξακολουθούν να παράγουν RNA και εξακολουθούν να παράγουν πολλές πρωτεΐνες”, λέει ο Feschotte. “Πρέπει να το εξετάσουμε καλά αυτό”. Και η εικόνα εξακολουθεί να διαμορφώνεται – μια μελέτη που δημοσιεύθηκε τον Απρίλιο του 2023 διαπίστωσε ότι ορισμένοι ERVs βοηθούν το ανοσοποιητικό σύστημα να στοχεύει τα καρκινικά κύτταρα.
Μας αρρωσταίνουν οι ERVs;
Αλλά ενώ μπορούν να μας προστατεύουν από ασθένειες, δεν θα ήταν έκπληξη αν ορισμένοι ERVs μπορεί επίσης να είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή αρνητικών επιπτώσεων στην υγεία και στους ανθρώπους. “Υπάρχει πραγματικά μεγάλο ενδιαφέρον αυτή τη στιγμή για την πιθανότητα οι ανθρώπινοι ERVs να σχετίζονται με ασθένειες”, λέει ο Kozak. “Σε αυτό το σημείο υπάρχουν πολλά ενδεικτικά στοιχεία, αλλά δεν υπάρχει κανένα όπλο που να καπνίζει”.
Για τον Feschotte, είναι βασικό να σκεφτούμε τι ακριβώς κάνουν οι ERV – και δεν το έχουμε κάνει πάντα σωστά. “Από τότε που ανακαλύφθηκαν οι ενδογενείς ρετροϊοί, οι άνθρωποι προσπαθούσαν να τους συνδέσουν με τον καρκίνο”, λέει. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι πρώτοι που ανακαλύφθηκαν στα ζώα προκαλούσαν καρκίνο. Οι χρηματοδότες “έριξαν τόνους χρημάτων” στην έρευνα για τους ERV με την ελπίδα ότι θα αποκάλυπταν μηχανισμούς του καρκίνου και συνεπώς πιθανές θεραπείες. “Πολλοί άνθρωποι επέστρεψαν με άδεια χέρια”.
Το βασικό σημείο είναι ότι οι ανθρώπινοι ERV δεν είναι ικανοί να σχηματίσουν ιούς, οι οποίοι θα μπορούσαν στη συνέχεια να μολύνουν άλλα κύτταρα. “Στο ποντίκι υπάρχουν πολλοί, και στο κοτόπουλο υπάρχουν πολλοί”, λέει ο Feschotte. “Προκαλούν όλα τα είδη ασθενειών”. Αλλά οι ανθρώπινοι ERVs έχουν τεθεί υπό μεγάλο έλεγχο από το υπόλοιπο γονιδίωμα, οπότε δεν προκαλούν ιογενείς λοιμώξεις.
“Είναι πολύ πιο λεπτό και μάλλον πρόκειται για γονιδιακή ρύθμιση ή απορρύθμιση, νομίζω”, λέει ο Feschotte. Επειδή οι ERVs είναι τόσο ευρέως κατανεμημένοι στο ανθρώπινο γονιδίωμα, μπορούν να συντονίζουν τις δραστηριότητες πολλών γονιδίων που χωρίζονται από τεράστιες εκτάσεις αλληλουχίας. Πολλές σωματικές διεργασίες χρειάζονται γονίδια να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται σε ακριβείς αλληλουχίες, και οι ERVs παίζουν μεγάλο ρόλο στον έλεγχο αυτό. “Τώρα επανεξετάζουμε τον ρόλο τους στις ασθένειες, αλλά μέσω διαφορετικών μηχανισμών”.
Ο ρόλος των ERVs στις ασθένειες είναι προς το παρόν συγκεκαλυμμένος. Αυτό όμως που είναι σαφές είναι ότι αποτελούν μοχλό εξέλιξης. Εισάγοντας νέα κομμάτια DNA σε όλο το γονιδίωμά μας, οι ιοί έχουν ωθήσει σε μαζικές αλλαγές στη γενετική μας σύνθεση. Όταν οι ERVs είναι στη θέση τους, μπορούν να προκαλέσουν τον διπλασιασμό ή τη διαγραφή ολόκληρων τμημάτων DNA – και αν οι αλλαγές είναι ευεργετικές, εξαπλώνονται. Κανένα ζώο, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου, δεν θα υπήρχε στη σημερινή του μορφή χωρίς αυτούς.
Το τελικό μάθημα είναι ότι ο άνθρωπος είναι πραγματικά ένα είδος μωσαϊκού. Πολλοί από εμάς έχουν κάποιο DNA, περίπου το 2% του γονιδιώματός μας, από τους Νεάντερταλ. Ορισμένοι πληθυσμοί έχουν επίσης κάποιο DNA από μια άλλη εξαφανισμένη ομάδα ανθρωποειδών, τους Ντενίσοβαν. Και όλοι μας λαμβάνουμε περίπου 8% του γονιδιώματός μας από ιούς.
“Αν σκεφτείτε τον κατάλογο των ανθρώπινων γονιδίων, πρόκειται για ένα σχεδόν υπαρξιακό ερώτημα”, λέει ο Feschotte. Είναι γνωστά περίπου 20.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και μια ανάλογη ποσότητα του DNA μας προέρχεται από ιούς. “Είναι κάπως εντυπωσιακό”.