W jaki sposób wirusy przejmują kontrolę nad maszynerią molekularną komórek organizmu?Czas czytania: 8 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Wirusy, choć wykazują aktywność biologiczną, nie są organizmami żywymi. Są one bowiem wyłącznie niewielkimi cząstkami zakaźnymi (skrawkami materiału genetycznego otoczonymi białkiem), które potrafią infekować różne formy życia. Ich przetrwanie jest zależne od gospodarza (np. człowieka), gdyż nie posiadają zdolności namnażania się poza komórkami organizmów żywych przez nie zainfekowanych. Choć budowa wirionów (pojedynczych cząstek wirusa) jest dość złożona jak na biochemiczną cząstkę – składają się bowiem z nukleokapsydu (RNA lub DNA będącego nośnikiem informacji genetycznej wirusa) oraz kapsydu (proteinowego płaszcza otaczającego nukleokapsyd)¹ – to jednak nadal daleko im do złożoności komórki. Wiriony nie mogą więc samoistnie ulegać podziałom komórkowym, dlatego też do ich namnażania się potrzebna jest skomplikowana maszyneria molekularna znajdująca się w żywych komórkach, m.in. rybosomy umożliwiające translację mRNA na białko. Interakcja wirionów z komórkami gospodarza sprawia, że wirus obficie się namnaża, aby jeszcze intensywniej dokonywać ekspansji na pozostałych komórkach i siać spustoszenie w organizmie.

Naturalna ochrona

Samo spotkanie człowieka z wirusem nie musi jeszcze oznaczać infekcji, bowiem człowiek posiada układ immunologiczny (odpornościowy), który jest w nieustannej gotowości do walki z wirusami oraz innymi patogenami, aby chronić organizm przed groźną infekcją. Nasza naturalna ochrona opiera się bowiem na setkach interakcji biochemicznych, miliardach białych krwinek oraz licznych kaskadach enzymatycznych, a wszystkie te procesy wydają się wysoce przemyślane i zaplanowane². Geoffrey Simmons porównuje białe krwinki (limfocyty B i T, granulocyty, makrofagi oraz komórki dendrytyczne i plazmatyczne) stojące na straży całego organizmu do wartowników z bronią w rękach, gotowych do konfrontacji z obcym białkiem lub materiałem genetycznym w postaci kwasu nukleinowego. Białe krwinki bardzo szybko określają, czy mają do czynienia z intruzem, czy z materiałem neutralnym lub przyjaznym i pomocnym. Identyfikacja szkodliwego patogenu natychmiast uruchamia kaskadę procesów biochemicznych opartych na kilkudziesięciu białkach i powiązanych z nimi receptorach i regulatorach. Simmons omawia również dalsze procesy, kiedy to dopełniacz fragmentuje patogen, aby następnie został on poddany analizie i aby odpowiedź immunologiczna w przypadku kolejnej podobnej infekcji była znacznie szybsza i skuteczniejsza dzięki wytworzeniu specyficznych przeciwciał. Geoffrey Simmons nazywa to bankiem pamięci organizmu, dzięki któremu układ odpornościowy jest znacznie lepiej przygotowany na ewentualną kolejną infekcję³.

Kiedy ochrona zawodzi

Mimo niesamowitych zdolności układu odpornościowego zdarza się, że organizm przegrywa walkę z wirusem, a infekcja może się rozprzestrzeniać i uszkadzać kolejne komórki gospodarza. Przegrana walka z wirusem najczęściej jest skutkiem osłabienia organizmu, przemęczenia, stresu, czynników epigenetycznych czy wyjątkowej oporności patogenu. Kiedy układ immunologiczny nie potrafi zwalczyć wirusa w początkowej fazie, białka wirionów zaczynają się wiązać ze specyficznymi białkami wystającymi z powierzchni komórki. Michael J. Behe porównuje to do włamywania się do domu za pomocą kluczy wytrychów, które mogą otwierać wiele rodzajów zamków⁴. Kiedy więc wirus posiada odpowiedni wytrych, może zainfekować organizm i namnażać się w nim dopóki układ odpornościowy nie znajdzie sposobu na stłumienie i wygaszenie infekcji. Współczesna medycyna nieustannie stara się opracowywać metody wspomagania układu odpornościowego za pomocą dobrze opracowanych szczepionek oraz wyspecjalizowanych leków, aby organizm jak najlepiej i jak najskuteczniej radził sobie z infekcją⁵.

Wirusowe strategie ataku

Sposób, w jaki wirus atakuje komórkę, jest w znacznej mierze zależny od rodzaju kwasu nukleinowego, który wchodzi w skład jego nukleokapsydu. Wirusy oparte na kwasie DNA z reguły włączają swoje geny do materiału genetycznego gospodarza, aby w ten sposób wpływać na procesy komórkowe i metaboliczne w organizmie, zaś RNA–wirusy preferencyjnie oddziałują z określonymi białkami charakterystycznymi dla wybranych procesów komórkowych lub dla transportu międzykomórkowego. W ten sposób DNA–wirusy wywołują najczęściej infekcje przewlekłe (wbudowane DNA wirusa w DNA gospodarza trudno usunąć), zaś wirusy oparte na RNA wywołują infekcje ostre (działają szybko i intensywnie, wpływając na różne szlaki metaboliczne, w których bierze udział zainfekowane białko)⁶.

Należy również dodać, że wirusy sprawiają wrażenie bardzo „sprytnych” cząstek, ponieważ np. koronawirus SARS-CoV-2 odpowiedzialny za wywoływanie choroby COVID-19 potrafi tłumić interferencję RNA, czyli wyciszanie albo wyłączanie ekspresji genu przez degradację mRNA, blokowanie translacji mRNA lub indukowanie epigenetycznego wyciszenia określonego genu. Tłumienie interferencji RNA przez wspomnianego wirusa ma na celu przezwyciężenie mechanizmów obronnych osoby zarażonej⁷. Inną strategią wirusów jest ich blokowanie degradacji RNA, dzięki czemu w znaczny sposób wpływają na ekspresję genów u gospodarza, jednocześnie unikając jego obrony⁸.

W listopadzie 2021 roku na łamach „Science” ukazał się artykuł zatytułowany A Viral RNA Hijacks Host Machinery Using Dynamic Conformational Changes of a tRNA-like Structure [Wirusowe RNA przejmuje kontrolę nad maszynerią gospodarza, wykorzystując dynamiczne zmiany konformacyjne struktury podobnej do tRNA], w którym badacze dzielą się informacjami na temat najnowszych obserwacji dotyczących strategii działania wirusów. Naukowcy bowiem zlokalizowali tajemniczą strukturę, która swoim kształtem przypomina tRNA i która wpływa na replikację (powielenie materiału genetycznego), translację (biosyntezę białek) oraz enkapsydację (zamknięcie materiału genetycznego w otoczce białkowej). Materiał genetyczny wirusa naśladuje tRNA i przechodzi znaczne rearanżacje konformacyjne, aby wiązać syntetazę tyrozylo-tRNA. W ten sposób wirusowy RNA może wykorzystywać kombinację statycznych i dynamicznych struktur RNA do przejmowania kontroli nad maszynerią molekularną gospodarza wskutek specyficznych interakcji⁹. Możliwe jest to dzięki funkcjonalnej wszechstronności RNA, gdyż kwas ten posiada nie tylko zdolność kodowania informacji genetycznej, ale również dzięki swojej jednoniciowości może tworzyć złożone trójwymiarowe struktury.

Znacznie właściwości RNA było wielokrotnie rozpatrywane w kontekście biotechnologii, biologii molekularnej czy praktyki klinicznej¹⁰. Badanie opublikowane w „Science” wskazuje, że niesamowite właściwości RNA są z powodzeniem wykorzystywane, aby naśladować tRNA i przejąć kontrolę nad ekspresją genów, aby w ten sposób stopniowo opanowywać struktury komórkowe gospodarza. W kontekście tego odkrycia metafora „Wirusy są najwyraźniej bardzo sprytnymi małymi maszynami”¹¹ nabiera jeszcze większego sensu, choć z pewnością potrzeba dalszych badań, aby dokładniej zbadać mechanizmy molekularne stojące za przejmowaniem przez wirusy kontroli nad maszynerią gospodarza.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 05.12.2021

Literatura: