Как мутируют вирусы?
Вирусы мутируют в результате различных биологических процессов, таких как ошибка репликации, взаимодействие вируса с организмом носителя и внешние мутагены, такие как ультрафиолетовые лучи.
Альфа, Дельта, Эпсилон, Лямбда, Омикрон и многие другие! В течение последних двух лет каждые несколько месяцев на телевидении всплывало новое название нового варианта вируса COVID-19.
Это происходит потому, что коронавирус постоянно эволюционирует или изменяется. Однако меняется не только коронавирус, меняются все вирусы, даже наш старый добрый вирус гриппа. Вот почему Роспотребнадзор рекомендует делать прививку от гриппа каждые 6 месяцев.
Эти вирусные изменения происходят в результате мутаций. Они нормальны, и мы не можем их избежать, поэтому нам лучше понять, как они происходят.
Что такое мутации?
Если вы писали компьютерный код, то знаете, что даже мельчайшие изменения в коде могут изменить программу. Точно так же мутации ДНК - это изменения в биологическом коде.
Мутации – это генетические изменения. Наша генетическая программа, ДНК, состоит из четырех азотистых оснований; аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). В РНК вместо тимина также используется урацил (U).
A, T, C, G собираются в определенные последовательности, чтобы получить ДНК/РНК. Любое изменение в последовательности является мутацией. Если схема другая, конечный продукт тоже будет другим. Изменение последовательности ДНК, которая содержит информацию — ген — повлияет на фенотип, то есть на признаки, которые мы проявляем, например. Изменение гена цвета глаз может привести к голубым глазам вместо карих.
Генетические нарушения, такие как серповидноклеточная анемия, заболевание крови, вызванное неправильной формой эритроцитов, связаны с изменением одного основания.
Однако не все мутации делают нас бесполезными. Очень редкие мутации смертельны. Некоторые могут быть даже полезными, но большинство не имеют ни положительного, ни отрицательного эффекта. Некоторые мутации даже не вызывают никаких изменений, то есть "молчащие" мутации.
Генетические мутации возможны в любом организме, имеющем ДНК/РНК. Теперь вернемся к главному вопросу.
Как мутируют вирусы?
Генетический материал вируса изменяется многими естественными способами.
Ошибки репликации
Геном вируса состоит из всего генетического материала, которым он обладает в виде пар оснований. По сути, это вся библиотека всех генов и их инструкций для живых существ.
Геном вируса не идет ни в какое сравнение с геномом человеческой клетки (3,2 миллиарда пар оснований). Однако его длина может составлять тысячи пар оснований. Геномный материал вируса, будь то ДНК или РНК, копируется ферментами репликации, в основном вирусными полимеразами.
Вирусам не хватает некоторых инструментов для репликации своего генетического материала. Они заражают клетки-хозяева, захватывают их механизмы репликации и используют их для репликации своего генома. Каждый раз, когда вирус заражает клетку и размножается, это один цикл репликации. Таким образом, каждый раз, когда вирус заражает больше клеток и создает больше своих копий, он одинаково воспроизводит свой генетический материал.
Ничто не может быть по-настоящему безошибочным. Каждый раз, когда вирус пытается сделать копии своего генетического кода, вероятность ошибки возрастает. Это похоже на создание фотокопий документа. Если вы сделаете три копии документа, вероятность того, что копии будут безупречными, невелика. С другой стороны, если сделать тысячи ксерокопий, то на некоторых страницах будут пропущены строки или размазаны чернила из-за нагрева ксероксной машины.
Точно так же ферменты репликации могут добавить неправильные пары оснований в последовательность ДНК/РНК. С каждым растущим циклом репликации вероятность ошибок увеличивается. Вирусы заражают клетки и создают тысячи копий, поэтому вероятность мутаций высока. Частота мутаций также зависит от генетического материала.
Некоторые ДНК-вирусы содержат белки для восстановления ДНК, тогда как РНК-вирусы обычно меньше и не имеют таких инструментов восстановления. Еще одним фактором является то, что РНК-вирусы имеют полимеразы, подверженные ошибкам, по сравнению с ДНК-вирусами. Очень крупные РНК-вирусы обладают корректорскими способностями. Эти корректорские ферменты могут перепроверять последовательность РНК, чтобы увидеть, не добавлены ли неправильные пары оснований. Это эквивалентно проверке опечаток. Однако эти корректорские молекулы могут также неправильно исправлять ошибки.
Благодаря этим свойствам РНК-вирусы более склонны к мутации, чем ДНК-вирусы.
Взаимодействие вируса и хозяина
Когда вирус заражает хозяина, иммунная система хозяина борется с ним, чтобы защитить себя. Одним из способов такой защиты является выработка реактивных форм кислорода (ROS). Это высокореактивные и токсичные молекулы, способные повреждать генетический материал вируса и вызывать мутации.
У некоторых носителей, например, у человека, есть определенные ферменты, называемые деаминазами. Эти ферменты поддерживают пул азотистых оснований (A, T/U, G и C). Они могут снижать их доступность, поэтому, когда вирус заражает их, ему не хватает сырья, необходимого для репликации генома.
Например, вирус поражает клетку человека. В клетке есть цитидиндезаминаза, которая поддерживает пул оснований ДНК, T и C. Если вирусу нужно добавить T или C в последовательность своего гена, когда он пытается создать новые копии, их будет недостаточно. У полимеразы не будет другого выбора, кроме как добавить другую пару оснований. Это вызывает неправильные добавления нуклеотидов в последовательность генома, вызывая мутации. Это похоже на принтер, работающий без цветных чернил. Он по-прежнему будет печатать, но цвет будет не тот, который предполагался.
Иногда, если хозяину не повезло, им могут заразиться два или более вирусов. Когда они заражают хозяина и пытаются сделать больше копий ДНК/РНК, вирусы объединяются и обмениваются генетической информацией, вызывая мутации.
Ультрафиолетовые лучи
Вирусы, обитающие в окружающей среде, подвергаются воздействию солнечных ультрафиолетовых (УФ) лучей. Хорошо известно, что ультрафиолетовые лучи повреждают генетический материал. Поскольку вирусы подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей, это увеличивает скорость мутации.
Не все вирусы одинаково восприимчивы к мутациям под воздействием УФ-лучей. Все зависит от их генетического материала (ДНК или РНК) и защитной белковой оболочки, которая его окружает.
Перестанут ли вирусы когда-нибудь мутировать?
Нет, вирусы не перестанут мутировать. Не только вирусы, но и все живое не перестанет мутировать. Мутации - это один из способов эволюции жизни.
Мутации - это система лотереи для генома. Вы не знаете, будет ли мутация полезной или нет. Если мутация вредна, организм погибает, и его генетический материал не переносится дальше. Это снижает вероятность того, что мутация будет передана последующим поколениям.
Если мутация полезна, то организм, вероятно, лучше себя чувствует в окружающей среде. Главная цель вируса - выжить. Для этого он заражает хозяев и растет. Сильные, более эффективные вирусы лучше заражают хозяев, не попадая при этом в ловушку, чем слабые.
Если вирус может заражать различные виды носителей, это только увеличивает его шансы на выживание. Примером может служить мутация коронавируса, которая позволила ему перейти от заражения летучих мышей к заражению людей.
Не бойтесь. Мутации происходят каждый день, и не все они плохие. В конце концов, омикрон оказался менее серьезным мутантом коронавируса.
Генетические мутации приводят к появлению новых видов. Все живые организмы время от времени мутируют. Человеческая ДНК также мутирует. Но наш более оснащенный механизм репликации ДНК отличает нас от вирусов. У нас есть лучшие механизмы репарации ДНК, которые исправляют повреждающие мутации.
Изучая вирусные мутации, мы можем проследить их родословную и лучше понять характер их заражения. Мы можем проследить, откуда появились вирусы и как они распространились по всему миру. Вот почему так много лабораторий по всему миру продолжают изучать последовательность коронавируса у пациентов, чтобы проследить его развитие.