• Virologi: Læren om virus

    Vira (flertal af virus) har eksisteret lige så længe, der har eksisteret cellulært liv på jorden – måske endda før, og de vil sandsynligvis blive ved med at eksistere, så længe der findes liv, som de kan udnytte til deres reproduktion. Diversiteten blandt vira er enorm, og deres måde at leve på er lige så. En virus er en fascinerende pseudoorganisme, som på trods af dens mikroskopiske størrelse og simple udformning kan overtage selv de mest avancerede cellulære organismer. Alligevel er de flestes viden om vira begrænset til dem, som kan skade os enten fysisk eller økonomisk.

    Det vil dette undervisningsmateriale forsøge at ændre på. Gennem artiklerne vil viden om vira udvides: deres morfologi, genetiske diversitet og livscyklus. Vira er obligate intracellulære parasitter, som er afhængige af en vært for reproduktion. Læren om den virale livscyklus er dermed også læren om værten og dens cellulære processer.

    Formålet med dette undervisningsmateriale er ligeledes også at give et mere nuanceret billede af vira. Der findesvira, som kan skade os både fysisk og økonomisk, men der findes også viras om slet ikke gør os noget. Der findes sågar også vira, som vi kan udnytte til vores egen fordel f.eks. inden for sygdomsbekæmpelse.

    Vira er nogle af naturens mest effektive jægere, som i de sidste par årtier har fået udvidet deres jagtmarker. Den øgede globalisering af verden, har medført, at antallet af mulige værter, som en enkelt virus kan komme i kontakt med, er blevet betydelig forøget. Dette faktum kan medføre, at lokale epidemier hurtigt kan forvandles til verdensomspændende pandemier. Undervisningsmaterialet vil præsentere konsekvenserne af en viral epidemi og løsningen til at forhindre at en lokal epidemi spreder sig og bliver til en pandemi.

  • Teori

    Resumé: Morfologisk er en virus en simpel organisme. Den er utrolig lille og meget simpel i opbygning. I artiklen gennemgås de to basale virale strukturer: helical og icosahedral, samt opbygningen af vira. Genetisk udviser vira en enorm diversitet som slet ikke ses i samme grad hos andre organismer på jorden. Ud fra Baltimore skemaet inddeles vira genetisk i 7 grupper, som alle gennemgås i artiklen.

    Du har sikkert hørt om vira før: Influenza, Ebola og Zika har alle fyldt meget i medierne de sidste par år. Vira er unikke, idet de ikke hører til nogen af de tre af livets domæner: archaea, eukaryoter eller prokaryoter. I stedet tilhører vira gråzonen af hvad vi definerer som at værende liv, idet de ikke opfylder mange af de krav, som definerer liv f.eks. at kunne reproducere sig selv. Derfor bruger man ofte betegnelsen pseudoorganisme.

    Vira ser ikke ud som nogen andre organismer. De er langt mindre og langt simplere idet de kun bærer rundt på det allermest nødvendige, som er deres genom (se faktaboks 1).

     

    Baltimore skemaet

    En mere kendt taksonomisk klassificering af vira er på baggrund af deres genom, hvilket er tilfældet for Baltimore klassificeringen. For at en virus kan få dannet virale proteiner, så må dens genom oversættes til mRNA. Det er baseret på dette princip, at David Baltimore udviklet Baltimore klassificeringen, som du kan se på figur 1. Baltimore klassificeringen er en måde at gruppere vira baseret på type af genom. Der eksisterer syv grupper som alle er vist på skemaet nedenfor.

    Gruppe I: Vira med dobbeltstrenget DNA som genom, hvilket de har til fælles med alle andre organismer på jorden.

    Eksempel: Herpesvirus er en gruppe af virus med dobbelt strenget DNA genom. Der findes i alt ni forskellige humane herpesvirus, hvor de mest kendte er HSV-1 og HSV-2 som giver hhv. forkølelsessår og sår på kønsdelene. Undersøgelser viser at ca. 67% af verdensbefolkning under 50 år er smittet med HSV-1. Heldigvis smitter virussen kun når den er i udbrud, dvs. når der dannes små væskefyldte blærer på læber eller slimhinder.

    Gruppe II: Vira med enkeltstrenget DNA som genom.

    Eksempel: Chlamydiamicrovirus. Den mest almindelige seksuelt overførte sygdom i Danmark er klamydia. Klamydia skyldes en gruppe af patogene bakterier, hvis slægtsnavn meget apropos er Chlamydia. Chlamydia bakterierne er vært for en gruppe af virus med enkeltstrenget DNA genom, som meget passende hedder Chlamydiamicrovirus. Så ikke nok med, at du kan blive inficeret med Chlamydia bakterier, så kan din infektion af Chlamydia bakterier faktisk blive inficeret med Chlamydiamicrovirus.

    Gruppe III: Vira med dobbeltstrenget RNA genom.

    Eksempel: Rotavirus er en virus med et dobbeltstrenget RNA genom, virussen er desuden den mest almindelige årsag til alvorlig diarre blandt småbørn. WHO estimerer, at hvert år dør på verdensplan omkring 200.000 børn pga. infektion med rotavirus. Dette tal er heldigvis faldende, hvilket skyldes udbredelsen af en rotavirus vaccination.

     

    Faktaboks 1: DNA, RNA og genom – hvad er egentlig forskellen?

    • DNA er et molekyle der består af vilkårlig række af de fire nukleotider: adenin, thymin, cytosin og guanin. Oftest forekommer DNA som en dobbeltstrenget helix, hvor to strenge er bundet sammen via baseparringsprincippet: guanin binder med cytosin og adenin binder med thymin.
    • RNA er molekyle næsten magen til DNA, den vigtigste forskel er, at nukleotidet thymin er udskiftet med nukleotidet uracil.
    • Genomet er alle de gener som koder for alle de proteiner som en organisme har brug for.

     

    Figur 1 - Baltimore klassificeringen er en måde at gruppere virus baseret på type af genom. Der eksisterer syv grupper.

    Figur 1 – Baltimore klassificeringen er en måde at gruppere virus baseret på type af genom. De 7 grupper har følgende genomer; Gruppe I virus med dobbeltstrenget DNA (dsDNA), gruppe II virus med enkelstrenget DNA (ssDNA), gruppe III virus med dobbelstrenget RNA (dsRNA), gruppe IV virus med positivt enkeltstrenget RNA (+ssRNA), gruppe V virus med negativt enkeltstrenget RNA (-ssRNA), gruppe VI virus med et positivt enkelstrenget RNA (+ssRNA), der inde i en værtscelle bliver omdannet til et dobbelstrenget DNA genom (dsDNA), gruppe VII virus har et dobbeltstrenget DNA (dsDNA) genom med huller i.

    Gruppe IV: Vira med et enkeltstrenget positivt RNA genom. At en RNA streng (dette gælder også for DNA strenge) er positivt, betyder at strengen er den kodende streng (se figur 2). Når man omtaler en DNA streng som at værende kodende, betyder det, at DNA strengens basesekvens er magen til mRNA strengens basesekvens (blot med uracil i stedet for thymin).

    Eksempel: Zikavirus som skabte stor bekymring mht. 2016 OL i Brasilien.

    Gruppe V:  Vira med et negativt enkeltstrenget RNA genom, hvilket ikke er den kodende streng (template strengen) [figur 2]. Den ikke kodende streng kaldes ofte for template strengen, idet denne streng kan bruges som skabelon for at skabe den kodende streng (template er engelsk for skabelon). Blandt denne type af vira findes flere af de meget kendte virus såsom: Influenzavirus, Ebolavirus og Rabiesvirus.

    Figur 2 – DNA læses fra 5’ enden mod 3’ enden. Idet de to strenge i DNA er anti parallele, så kan de to strenge læses fra hver sin retning.  Hvis du forestiller dig, at du trækker de to strenge fra hinanden omkring et gen (ligesom på figuren øverst). Så vil den streng hvorpå gensekvenser er kaldes den kodende streng. Den modsatte streng er så den ikke kodende også kaldt template strengen. Under transkription binder RNA polymerasen til template strengen. Når RNA polymerasen læser hen ad template strengen i retningen 5’ – 3’ ende, så vil den samtidig danne en komplementær streng til template strengen – altså den kodende streng. Denne nye streng som RNA polymerasen har dannet er mRNA til den kodende streng. Det er denne mRNA streng som ribosomerne vil aflæse og ud fra den danne en aminosyrekæde som vil blive foldet til et færdigt protein.

     

    Figur 3 – Det centrale dogme dækker over de processer, hvorved DNA omdannes til proteiner. De tre processor kaldes replikation, transkription og translation. Replikation er processen hvormed DNA bliver kopieret til mere DNA af enzymet DNA polymerase. Ved transkription oversættes DNA strengen til RNA af enzymet RNA polymerase. Derefter bliver RNA strengen bearbejdet til mRNA (ikke vist på figuren). Translation er den sidste proces, her bliver mRNA strengen oversat til en aminosyrekæde. Tre baser i træk, også kaldet et codon eller triplet bliver oversat til en aminosyre via den genetiske kode. Aminosyrekæden foldes derefter til et færdigt funktionelt protein. Det centrale dogme foregår kun i en retning fra DNA til mRNA til protein og ikke den anden vej, altså fra protein til mRNA til DNA

    Gruppe VI: De såkaldte retrovirusser. Det er disse vira som modstrider det centrale dogme, som er illustreret på figur 3. Når en retrovirus har inficeret en celle, så omdannes den positive RNA enkeltstreng til en DNA dobbeltstreng via enzymet revers transkriptase. Denne DNA streng bliver så inkorporeret i værtens DNA og derfra bliver der dannet mRNA til produktion af nye vira. HIV, som både er en seksuelt overført sygdom og en meget kendt virus, tilhører denne gruppe.

    Gruppe VII: Vira med dobbeltstrenget DNA genom med huller, dvs. steder hvor der mangler stykker af DNA strengen. Hepatitis B er en virus, der tilhører denne gruppe. Man ved indtil videre ikke særlig meget om andre vira i denne gruppe, så der er stadig meget at blive opdaget.

     

    En virus’ udseende

    De fleste vira er utroligt små i forhold til prokaryote celler. Det er derfor ikke muligt for en virus at bære rundt på meget andet end det allervigtigste, hvilket er dens genom. I nogle tilfælde pakkes der også vigtige proteiner, som er nødvendige for virussens livscyklus bl.a. til at komme ind i værten eller til at overtage værtens replikationsmaskineri.

    Opbygningen af en virus er utrolig simpel. Du har måske set billeder af en virus, som ligner et månelandingsfartøj, som vist på figur 4. Disse typer af vira er bakteriofager og deres opbygning vil blive gennemgået i et senere kapitel. Basalt set består vira af et genom indkapslet i en proteinskal, der tilsammen kaldes et nukleokapsid. Det er her, at eventuelle virale proteiner opbevares. Proteinskallen kaldes et kapsid og er opbygget af strukturelle enheder. Disse strukturelle enheder kan bestå af en enkelt type af protein eller flere typer af proteiner samlet.

    I modsætningen til varieteten af genom, så findes der overordnet kun to typer af kapsider: icosahedral eller helical, som kan ses på figur 5. Den icosahedrale form kan bedst sammenlignes med en fodbold, hvor de strukturelle enheder udgør de hvide og sorte femkanter på fodbolden. Det helicale kapsid er opbygget som en alfa-helix, der danner en rørformet beholder, hvori genom og eventuelle proteiner opbevares – lidt ligesom en tønde. Nogle vira har udover kapsidet også en lipidmembran – ligesom celler. Denne lipidmembran stammer fra værten og det er især humane eller mammalske vira, som besidder denne lipidmembran.

    På overfladen af kapsidet eller lipidmembranen befinder der sig overfladeproteiner (VOP). Det er via interaktioner mellem disse virale proteiner og receptorer på værtens overflade, at en virus kan genkende den korrekte vært. Alle celler har receptorer på overfladen. Så når en virus kan genkende specifikke receptorer, så fungerer det ligesom, at en nøgle kun kan åbne en specifik lås. Nøglen er VOP’et og låsen er receptoren på værten. Hvis en nøgle prøver at åbne den forkerte lås, så sker der ingenting.

     

    Vil du vide mere?

    Hvad er liv?

    https://www.khanacademy.org/science/biology/intro-to-biology/what-is-biology/a/what-is-life

    RNA world

    http://exploringorigins.org/ribozymes.html

    https://www.information.dk/indland/2009/05/livets-oprindelse-maaske-fundet

    Virus struktur generelt

    https://www.youtube.com/channel/UCyFgCoP4ovsHbt92vM4zN2A

    http://viperdb.scripps.edu/

    Klassificering af virus

    http://viralzone.expasy.org/

    http://www.virology.ws/2009/08/12/simplifying-virus-classification-the-baltimore-system/

     

    virus_udseende

    Figur 4 En bakteriofag kan være langt mere kompleks end vira der kan inficere mennesker og dyr.  På figuren ses en bakteriofag i den mest komplekse form, med hale, ben, baseplate og andre detaljer udpeget. 

    Figur 5 – På figuren er vist de to mest almindelige strukturer en virus kan have.Til venstre ses den icosahedrale struktur som bedst kan sammenlignes med en fodbold. En trekantede flade er formet af et protein eller flere sat sammen, de ens flader er så bundet sammen således at de danner en beholder hvor genomet kan opbevares i. Til højre ses den helicale struktur, som bedst kan sammenlignes med et hult rør. Strukturen er dannet ved at en proteinkæde er foldet rundt som alfa-helix. Inden i røret opbevares genomet.

    Resumé: Det bliver ofte påpeget, at en vira ikke kan defineres som ”rigtigt” liv, da de ikke har en selvstændig replikation. Så hvordan replikerer en virus sig så? I dette kapitel vil den virale livscyklus blive gennemgået, dermed vil det blive gjort klart i hvor høj grad, en virus egentlig er afhængig af en vært til reproduktion.

    En virus’ livscyklus kan inddeles i følgende trin: påhægtning, inficering, replikation, transkription og translation, pakning og frigivelse. I alle trin af dens livscyklus er virussen afhængig af værten og mange vira benytter sig af flere af værtens proteiner, enzymer og andre bestanddele under livscyklussen.

     

    Om en virus kan gennemføre sin livscyklus i en celle bestemmes af de to faktorer: susceptibility og permissivity. Susceptibility af en celle overfor en virus afgøres ud fra værtens overfladeproteiner, som kan fungere som receptorer for virussen. Om en celle er permissive over for en virus er lidt mere kompliceret at afgøre. Det afhænger af, om hvorvidt virussen kan overtage cellens replikations maskineri (faktaboks 3) og bruge det til produktion af nye vira. Det kræver, at virussen kan interagere med cellens proteiner og undgå at blive udsat for cellens forsvarsmekanismer.

    Binding

    Det første trin i en virus’ livscyklus kaldes for binding, idet virussen binder til sin værtscelle. Hvorvidt en virus støder på en mulig vært eller ej er helt tilfældigt, idet den ikke selv er i stand til at bevæge sig omkring uden for sin vært. Chancerne for at mødet sker er større, hvis der er mange virus og mange værtsceller sammen. Modsat hvis der er få vira og få værtsceller, så er chancen for at de møder hinanden mindre. Skabes der kontakt mellem en VOP’er og dens specifikke virusreceptor på en værtscelle, så binder flere VOP’er sig til værten for at bevare påhægtningen, idet det ellers kan ske at kontakten brydes.

    Faktaboks 2 – Replikationsmaskineri, vira og kræft

    En celles replikationsmaskiner er alle de proteiner, enzymer, RNA molekyler og andet, som er involveret i hele celledelingsprocessen, hvormed en celle bliver til to identiske datterceller. Replikationsmaskineriet er ofte kun aktivt under celledelingsprocessen. Ofte er vira afhængige af, at værtens replikationsmaskineri er aktivt, idet de har brug for det til at producere nye vira. Nogle vira er i stand til at aktivere værtens replikationsmaskineri via nogle virale proteiner, som virussen koder for i sit genom. Disse vira er især farlige for mennesker, da de kan føre til kræft.

    Optagelse

    Når bindingen har fundet sted gælder det for virussen om at blive optaget i cellen. Optagelsen kan finde sted via sammensmeltning mellem virus og værtscellens membraner, eller ved at virussen bliver optaget i cellen via endocytose. Begge processer kan ses på figur 6. Sammensmeltning er kun muligt, hvis virussen er i besiddelse af en lipidmembran. Vira der bliver optaget via sammensmeltning, benytter sig af et fusionsprotein til at facilitere sammensmeltning.

    Ved binding mellem VOP’en (virussens overfladeproteiner) og den specifikke receptor hos værtscellen skabes en konformationsændring i VOP’en, der frigiver fusionsproteinet fra dets gemmested. Fusionsproteinet indlejres i værtens membran, hvor det trækker deværtens og virussens membraner tættere på hinanden, indtil de smelter sammen. Ved sammensmeltningen føres virussens kapsid, genom og evt. virale proteiner ind i værten.

    virus_inficere

    Figur 6 – En virus kan inficere en værtscelle enten via sammensmeltning mellem virussens membran og cellemembranen (til venstre), eller ved at blive optaget via endocytose (til højre). Venstre: Proteiner på overfladen af virussen trækker de to cellemembraner så tæt på hinanden, at de smelter sammen, hvormed virussens genom og eventuelle proteiner føres ind i værtscellen. Højre: Ved endocytose bliver virussen ”spist” af værtscellen. En del af cellemembranen hos værtscellen trækker sig ind i selve cellen, hvormed virussen også bliver trukket med. Til sidst afsnøres cellemembranen, og virussen er blevet optaget i cellen. 

     

    Endocytose er den proces, hvormed celler normalt optager makromolekyler og væske fra omgivelserne. Hvilket virus udnytter til at trænge ind i dens vært. Ved endocytose bevirker bindingen mellem VOP’en og receptoren på værtscellen, at virussen bliver optaget i cellen via en vesikel kaldet et endosom.  Fra endosomet frigives virussens genom og evt. virale proteiner til cytoplasmaet.

    Først inde i værten kan virussen begynde på det næste trin i dens livscyklus. For nogle vira foregår dette i værtens cellekerne – dette er ofte DNA vira. Transport fra cellemembranen til cellekernen foregår på cellens “motorveje”, såkaldte mikrotubuli, der strækker sig over hele cellen. Via motorproteiner transporteres virussen til cellekernen, hvorfra den kan trænge ind i cellekernen.

     

    Produktion af virale proteiner

    Produktion af virale proteiner er oftest den første biosyntetiske proces, der finder sted efter virussen er trængt ind i sin værtscelle. Der kendes ikke til nogen vira der selv koder for et ribosom, derfor må alle vira først omdanne deres genom til mRNA, idet mRNA er ribosomers skabelon for syntese af proteiner.

    De tre grupper af DNA virus (I, II, VII) danner mRNA ved transkription af deres negative streng – altså template strengen.  Virus i gruppe II og til dels også nogle af dem i gruppe VII bliver nødt til først at syntetisere en minus streng, før de kan danne mRNA I værtscellen.

    Virus i gruppe IV kan benytte deres genom direkte som mRNA, idet deres genom er positivt, det er altså den kodende streng.

    De to andre grupper af RNA virus (III, V) danner også mRNA ved transkription af deres negative streng. Både i eukaryoter og prokaryoter findes der ingen polymerase, som kan danne RNA ud fra en RNA template. Derfor koder alle RNA virus for en polymerase, der kan danne RNA ud fra en RNA template.

    Dannelse af mRNA foregår markant anderledes hos vira i gruppe VI. Disse vira har et positivt enkeltstrenget RNA genom, som via polymerasen revers transkriptase først omdannes til en DNA negativ enkeltstreng og dernæst til dobbeltstrenget DNA. Via et andet enzym kaldet integrase, bliver denne DNA dobbeltstreng inkorporeret i værtens genom. Først når det virale genom er inkorporeret i værtens genom, bliver det omdannet til mRNA via transkription af den negative streng. Når virussen har fået dannet mRNA, kan den bruge værtens ribosomer til at danne virale proteiner.

    Replikation af genomet

    Replikation af det virale genom er vigtigt for en virus’ evne til at replikere sig, da en virus uden et genom ikke har nogen funktion. Uden replikation af dens genom, ville en virus’ afkom ikke kunne inficere nye celler.

    DNA vira (gruppe I og II – VII er ikke medregnet her) benytter sig af den klassiske semikonservative replikationsmetode, hvor de to DNA strenge adskilles og bruges som template af DNA polymerasen til at danne den komplementære streng ud fra baseparringsprincippet. Igen benytter mange vira sig af værtens egen DNA polymerase til replikation af deres genom. De to nye DNA dobbeltstrenge vil bestå af en oprindelig DNA streng og en nydannet DNA streng. Gruppe II vira danner først en negativ komplementær streng til dens positive enkeltstrengede genom. Før en gruppe II virus pakker sit genom ind i nydannede vira kasseres den negative streng.

    Replikation af alle fire grupper af RNA vira er en smule mere kompliceret, idet der blandt nogle kræves et mellemtrin. Det er den samme RNA polymerase, som dannede mRNA til produktion af virale proteiner, der også replikerer genomet.

    Gruppe III virus benytter sig af en replikationsmetode lig den for DNA vira, hvor begge strenge fungerer som en template til at danne den komplementære streng ud fra baseparringsprincippet.

    Gruppe IV og V virus benytter sig af komplementærstrengen til deres genom for at kunne få replikeret dette, denne proces kan ses på Figur 7. Begge grupper af virus syntetiserer derfor først komplementærstrengen til deres genom via RNA polymerase. Denne komplementærstreng benyttes så som template til at kunne få dannet flere kopier af deres genom.

    Figur 7 – Replikation af genomet for vira i gruppe V og VI foregår via et mellemtrin. Vira i disse to grupper danner som det første den komplementære streng til deres genom, for så derefter at bruge denne streng som template til at danne mere af deres genom.

    Replikation af genomet for vira i gruppe VI finder først sted efter af deres genom er omdannet til dobbeltstrenget DNA og integreret i værtens kromosom. Via transkription af template strengen dannes flere kopier af det oprindelige positive enkeltstrengede RNA genom.

     

    Pakning af nye vira og frigivelse

    Foldning af kapsidet og pakning af genomet er komplekse processer, som ikke vil blive gennemgået her, men hvis du er nysgerrig, så kan du checke de vedlagte links ud.

    Sidste trin i livscyklussen er nået, og de nydannede vira skal nu frigives til det omkringliggende miljø. Hvis virussen har en lipidmembran, forlader den oftest værten via budding, som kan ses på figur 8. Ved budding transporteres de nydannede vira til cellemembranen, hvor de bliver indkapslet i en del af cellemembranen, som så afsnøres fra selve membranen. De fleste vira som ikke er besiddelse af en lipidmembran forlader værten via lysis (se figur 8). Ved lysis sprænges værten i stykker grundet presset fra alle de nydannede vira, hvormed de og alt indholdet i cellen frigives til det omkringliggende miljø. Den virus som i første omgang inficerede værten har nu afsluttet sin livscyklus, hvormed alle de nydannede vira kan påbegynde deres egen livscyklus i en ny værtscelle. Afhængig af om værtscellen er en del af en større organisme som et menneske eller er en enkelt celle, så kan der være kortere eller længere til den næste potentielle vært.

     

    Vil du vide mere?

    HIV optagelse og livscyklus

    https://www.youtube.com/watch?v=odRyv7V8LAE&t=92s

    https://www.youtube.com/watch?v=FDVNdn0CvKI

    Virus livscyklus generelt

    https://www.youtube.com/playlist?list=PLGhmZX2NKiNmxhyLGzdGOO_lpp7VSi2SO (Virologi kursus youtube)

    Onkogene vira

    http://politiken.dk/forbrugogliv/sundhedogmotion/sygdom/art5393571/Vira-og-bakterier-er-skyld-i-16-procent-af-alle-kr%C3%A6fttilf%C3%A6lde

    https://www.b.dk/viden/kyssesyge-kan-give-lymfekraeft

    http://nyheder.ku.dk/alle_nyheder/2011/2011.8/forskere_paa_sporet_af_middel_mod_cancer_i_immunsystemet/

    Figur 8 – Nydannede vira forlader værtscellen via budding (venstre) eller lysis (højre). Ved budding foldes en del af værtscellens membran omkring den nydannede virus. Denne udposning afsnøres fra resten af cellemembranen, hvormed den bliver til virussens lipidmembran. Ved lysis forlader de nydannede virus ikke værtscellen en ad gangen som ved budding. I stedet forbliver alle de nydannede virus inde i værtscellen, indtil denne er så udfyldt at cellemembranen sprænges, og al cellematerialet, inklusiv nydannede vira, fordeles ud i omgivelserne. 

    Resumé: Evolution foregår hos mennesker så langsomt, at det til tider kan være svært at forstå. Hos en virus går det dog så hurtigt, at det til tider kan være skræmmende. I denne artikel gennemgås viral evolution med udgangspunkt i fager og bakteriers indbyrdes krig. Fager er vira der udelukkende inficerer bakterier. I denne artikel gennemgås også de mest basale aspekter omkring fager såsom struktur og livscyklus.

    Evolution og bakteriofager

    Darwins meget berømte evolutionsteori bygger på tanken om en fælles stamfader, hvorfra alle organismer i dag nedstammer fra. Evolution foregår både langsomt og hurtigt, for mennesker foregår den meget langsomt, men for små organismer som bakterier foregår den hurtigere og for vira foregår den til tider alt for hurtig.

    Dette kapitel handler om evolution hos vira med fokus på bakteriofager (forkortet fager), som er vira der udelukkende inficerer bakterier. Imellem fager og bakterier foregår evolution hurtigere end vi kan forestille os, hvilket gør begge til optimale undersøgelsesobjekter for evolution.

    På figur 10 ses fire forskellige bakteriofager der hver inficerer en forskellig bakterie. Under mikroskop er også bakteriofager meget forskellige (ligesom bakterier er) og kan variere meget i grad af kompleksitet. For at kunne se bakteriofager under et mikroskop skal man have fat i et mere avanceret mikroskop – såkaldte elektronmikroskoper.

    Fagers livscyklusser – den lysogene og lytiske

    Fager har egenskaben til at gennemgå to forskellige former for livscyklus, kaldet henholdsvis den lytiske livscyklus og den lysogene livscyklus, som du kan se en oversigt over på figur 11. Ikke alle fager har denne egenskab, de som har den kaldes for temperate fager. Den lytiske livscyklus foregår som livscyklussen gennemgået i kapitel to. En fag inficerer sin vært, der bliver produceret nye vira som i slutningen af livscyklussen sprænger værten og frigives til det omkringliggende miljø, hvor de kan inficere nye værter.

    Nogle gange sker det, at fagen i stedet for at danne nye fager går i dvale. Efter fagens genom er trængt ind i værten, så integreres det i værtens genom, hvor det bliver slukket. Dette kaldes den lysogene livscyklus. I denne livscyklus ligger fagens genom gemt i sin vært. Når værten deler sig, så vil fagens genom blive videreført til værtens afkom. Fagens genom kan ligge gemt i værten i lang tid, indtil intracellulære omstændigheder aktiverer fagens genom. Idet fagens genom bliver aktiveret afsluttes den lysogene livscyklus og den lytiske livscyklus begynder. En lysogen livscyklus vil som regel ende ud i en lytisk livscyklus, hvormed der dannes nye fager. Det omvendte ses ikke, at en lytisk livscyklus går over til en lysogen livscyklus.

    Fagers og bakteriers evolutionskamp

    Evolution er udviklingen af organismer. En organisme er ikke statisk, den er i konstant forandring. Alle organismer på jorden stammer fra den samme stamfader LUCA (Last Universal Common Ancestor), der levede for cirka 3,8 – 3,5 milliarder år siden. Derfra og til i dag har evolution formet alle de organismer, vi ser i dag.

    Evolution er drevet frem af mutationer og selektion. Mutationer ændrer organismer, ved at ændre i dets genom. Selektion sørger for, at de ændringer som mutationer skaber vedbliver, idet mutationer der giver organismen fordele, sikrer at organismen kan videreføre dens gener.

    Der findes bakterier alle steder, selv i de mest ekstreme miljøer lige fra Antarktis til varme kilder som f.eks. dem på Island. Hvor der er bakterier er der også fager, som er afhængige af disse bakterier. Bakterier og fager er i en evig kamp mod hinanden, hvor fager inficerer bakterier, og bakterier forsøger at undgå at blive inficeret.

    Forestil dig, at du har en type fag kaldet F, som udelukkende inficerer en bestemt bakterie kaldet type B.  F inficerer B og i processen bliver der dannet mange nye F’er, men populationen af B’er bliver mindre, da B dør i processen. Hvis dette fortsatte så ville B til sidst uddø og dermed vil F også uddø (se figur 12, scenarie I). Dette er en evolutionær blindgyde, da det ville resultere i både bakterien og fagens udryddelse.

    Fager er afhængige af den værtsreceptor, som de genkender deres vært på. Ændres denne kan de ikke længere genkende deres vært. Sker der en mutation i B’s genom som skaber en ændring i den receptor, som F genkender, så er B pludselig blevet immun over for F, da F ikke længere kan genkende denne muterede B.

    Denne muterede B har nu bedre muligheder for at overleve end den ikke muterede B. Den nye B vil kunne danne flere B’er som alle har denne mutation, fordi den er fordelagtig for den. Dette er selektion, idet den ændrede B har bedre chancer for at formere sig, da den ikke længere kan blive inficeret og dræbt af fagen F. Fagen F vil blive med at inficere de B’er som ikke har mutationen, mens den muterede B vil leve videre. Dette er illustreret på figur 12, scenarie II).

    Mutationer opstår i alt genetisk materiale, og der kan også opstå mutationer i F’s genom, hvoraf det er muligt, at F kan opnå evnen til at genkende den ændrede receptor hos B. Der vil nu eksistere to forskellige typer af fagen F og to forskellige typer af bakterien B. De vil være tæt beslægtede, men ikke længere samme art (figur 12, scenarie III).

    Figur 9 – En bakteriofag kan være langt mere kompleks end virus som kan inficere mennesker og dyr. Figuren viser en bakteriofag i den mest komplekse form. Alle bakteriofager består af et kapsid – et såkaldt hoved, hvori genomet og andre proteiner opbevares. Hovedet er fæstnet til en nakkeplade også kaldet kraven. Til nakkepladen kan være fæstnet arme, der på engelsk omtales ”whiskers”. Nakkepladen er fæstnet til toppen af halen, som bedst kan betegnes som en cylinder. For enden af halen, modsat hovedet, findes den såkaldte  baseplate. Det er igennem baseplaten og benene, som er hægtet på baseplatem, at en bakteriofag binder sig til en værtsbakterie.

    Figur 10 – På figuren ses fire forskellige bakteriofager der hver inficerer en forskellig bakteriofag. Under mikroskop er også bakteriofager meget forskellige (ligesom bakterier er) og kan variere meget i grad af kompleksitet. For at kunne se bakteriofager under et mikroskop skal man have fat i et mere avanceret mikroskop – såkaldte elektronmikroskoper, idet bakteriofager så små.

    Figur 11 – På figuren er vist de to livscyklusser som en bakteriofag kan gennemgå: den lytiske livscyklus og den lysogene livscyklus. Den lytiske livscyklus foregår som den ”normale” livscyklus for en virus. Efter at have inficeret en værtscelle bliver denne brugt til at producere et stort antal nye virus. Værtscellen vil så gå til grunde og de nydannede virus vil forlade værtscellen og påbegynde en ny livscyklus i en ny vært. I den lysogene livscyklus sker der ingen produktion af nye virus. I stedet ligger virussen genom i dvale enten i cytoplasmaet eller inkorporeret i værtens genom. Af forskellige årsager kan den lysogene livscyklus afsluttes og gå over i den lytiske livscyklus hvormed der dannes nye virus.

     

    virus_evolution

    Figur 12 – På figuren er vist tre forskellige evolutionære scenarier for en bestemt type bakterie kalde B og en bestemt type bakteriofag kaldet F.

    Scenarie I: Bakteriofagen F inficerer bakterien B, hvormed der over tid dannes flere bakteriofager F, men færre bakterier B. Dette er ikke en holdbar situation og derfor vil bakterien B uddø, hvormed fagen F uddør.

    Scenarie II: På et tidspunkt opstår der en mutation i en enkelt bakterie B, denne er nu blevet immun over for bakteriofagen F. Bakteriofagen F vil fortsat inficere bakterien B, men lige denne ene muterede bakterie B har fået forbedret dens levevilkår. Grundet de forbedret levevilkår har den bedre mulighed for at formere sig og dermed dannes der mange flere af den muterede bakterie B. Bakteriofagen F vil igen fortsætte med at inficere bakterien B indtil der ikke er flere tilbage.

    Scenarie III:  På et tidspunkt opstår der en mutation i en enkelt fag F, denne kan nu også inficere den muterede bakterie B. Den muterede bakteriofag F har altså hele to værter nu den originale bakterie B og den muterede bakterie B, hvorimod den originale fag F kun har en vært. Den muterede bakteriofag F har nu en fordel, som kan gøre den i stand til at få dannet mere afkom end den originale bakteriofag F.

     

    Viral evolution

    Hvis man vil studere evolution hos mennesker, må man på jagt efter fossiler. Viral evolution kan man studere i laboratoriet. På den tid det tager et menneske at formere sig, har en virus for længst skabt utænkeligt mange efterkommere. To mennesker skaber sammen i gennemsnit 2-3 børn, afhængigt af hvor i verden man bor. En virus skaber hundrede til tusindvis af nye virus ved en inficering.

    Mutationer er drivkraften bag evolution. De kan opstå spontant eller være forårsaget af mutagene stoffer, UV stråling eller radioaktive stråling. Mutationer kan også opstå som fejl under replikation af genomet, hvis DNA polymerasen kommer til at sætte en forkert nukleotid ind. Vores DNA polymerase har evnen til læse korrektur, dette kalder man på engelsk proof-reading ability. Retrovirus er den gruppe af virus der muterer oftest, hvilket skyldes at polymerasen Revers Transkriptase er utrolig fejlagtigt. Man estimerer, at Revers Transskriptase laver en fejl ved hver 104 – 106 nukleotid, som den kopierer. HIV’s genom er på 9719 bp, så næsten 10000 bp. Det betyder, at omtrent hver anden HIV virus, der forlader sin vært, har en forkert nukleotid sat ind i dens genom. Revers Transkriptase har ikke evnen til at læse korrektur, så hvis den laver en fejl, kan den ikke rette det.

    Viras små genomer bivirker også til deres høje mutationsrate, idet der findes en omvendt korrelation imellem størrelsen af et genom og antallet af mutationer, der opstår i det. Desto større genom, desto færre mutationer – hvilket er positivt for mennesker. Teorien blev fremlagt i 1991 af John W. Drake. Man ved dog stadig ikke, hvad årsagen til dette er.

    Den høje mutationsrate blandt vira er et stort problem, idet det vanskelliggør behandlingen virale infektioner. Heldigvis er det langtfra alle vira, der muterer lige så ofte som HIV. Der findes vira, som er nogenlunde stabile og som man derfor bedre kan behandle. Hvis de rette omstændigheder er gældende, så er det faktisk muligt helt at udrydde en virus. Forklaringen på dette, får du i den næste artikel.

     

    Vil du vide mere?

    Viral evolution

    https://www.khanacademy.org/science/biology/biology-of-viruses/virus-biology/a/evolution-of-viruses

    http://www.virology.ws/2009/05/11/the-quasispecies-concept/

    Resumé: Normalt hører vi kun om de vira som kan skade os, men faktisk er de fleste vira harmløse for os. Nogle kan vi endda bruge til vores egen fordel. I denne artikel gennemgås to eksempler på brugen af vira til at forbedre levevilkårene for mennesker: vacciner og fagterapi.

    Den første vaccination fandt sted i 1796 og var imod Variola virussen, der forårsagede sygdommen kopper. Mindre end 200 år efter kunne WHO erklære at kopper var udryddet. Vacciner har reddet mange mennesker fra at dø af virale infektioner, men her i det 21. århundrede er fremskridtet ved at vende. Vira som førhen har været sjældne i den vestlige verden, begynder at bryde ud igen.

    Fagterapi er en behandlingsmetode imod bakterielle infektioner, der benytter bakteriofager. I de seneste år er antallet af antibiotikaresistente bakterier steget, hvorimod antallet af nye typer antibiotika er stagneret. Dette stiller os i en sårbar situation, da førhen harmløse bakterieinfektioner ikke længere kan behandles, hvis bakterien er blevet antibiotikaresistent. Her kan fagterapi være en alternativ behandlingsform. 

     

    Vira der beskytter os

    Nu hvor basal virologi er gennemgået, er det på tide at lære om, hvad vi kan bruge vira til. Inden for forskning bruges vira bl.a. som vektorer til genmodificering, hvor man indsætter et gen i virussen i stedet for dens eget genom. Når virussen så inficerer en celle bliver genet sat ind i cellen. Vira er også blevet brugt inden for grundforskning. Det er f.eks. forsøg med fager, der viste at DNA (og ikke proteiner, som man før troede) er arvematerialet i celler.

    I dette kapitel vil du blive præsenteret for to eksempler, hvor vira bliver brugt som medicin.

     

    Vacciner

    Når du første gang bliver inficeret med en virus, så har dit immunforsvar ikke noget decideret forsvar imod virussen. Immunforsvaret har aldrig mødt denne virus før, men siden det er noget fremmed, så vil immunforsvaret destruere det. I processen hvor denne fremmede virus bliver fjernet, så “lagrer” specifikke celler i immunforsvaret “viden” om denne virus. Når immunforsvaret har gemt “viden” om en specifik virus, så kan immunforsvaret hurtigere og mere effektivt reagere i tilfælde af en ny infektion af den samme virus. Immunforsvaret er super effektivt og beskytter dig hver dag mod mange fremmede organismer heriblandt virus, som kunne havde gjort dig syg.

    Faktaboks 5: Diagnostigseringsmetoder

    Metoder der bruges til at give en diagnose til en patient. Ofte benytter man ikke kun en metode, men flere forskellige metoder, hvor man så sammenfatter resultatet fra de forskellige metoder for at kunne give den korrekte diagnose. Disse metoder kan bl.a. være undersøgelse af patientens symptomer, mikroskopering af prøver fra patienten, ELISA test.

    Når du bliver vaccineret imod vira får du faktisk sprøjtet vira ind i dig, dermed kan immunforsvaret lære at genkende disse vira. Vacciner udnytter det, at immunforsvaret genkender virus på overfladeproteiner (VOP), så den viden der bliver gemt om en virus vil også gøre immunforsvaret i stand til at reagere på andre virus, som har samme eller lignende VOP’er. Den virus som er i vaccinen er ofte en uskadeliggjort virus som minder om den virus som vaccinen er tiltænkt at beskytte imod. Fordi den uskadelige virus ligner den farlige, så vil immunforsvaret også kunne genkende den farlige virus i tilfælde af en inficering, og hurtigt kunne destruere denne.

    Nogle skadelige vira har ikke en uskadelig slægtning, der minder nok om dem, således at immunforsvaret ikke opfatter dem som samme vira. I stedet vil man uskadeliggøre den farlige virus enten ved at mutere den, så den ikke længere kan skade en menneskevært, eller ved at kemisk inaktivere den. Noget helt nyt på markedet er DNA vacciner, hvor man bruger den skadelige virus’ DNA til at skabe det første immunrespons imod virussen.

    I senere tid har der været stor debat omkring, hvorvidt vaccinationer fører til autisme, og her er der især fokus på vaccinen imod mæslinger. Denne kontrovers har ført til, at et stigende antal forældre frabeder sig, at deres børn bliver vaccineret. Hele kontroversen opstod i 1998, da en forsker udgav en artikel, hvori han påviste en sammenhæng imellem mæslingevaccinen og autisme hos børn. Artiklen er senere blevet trukket tilbage, da det viste sig, at der var tale om forskningssnyd. Siden hen er der blevet foretaget mange studier, som har vist at der ingen sammenhæng er. Artiklen blev blæst op i medierne og derfor florerer påstanden stadig den dag i dag. Langt de fleste vacciner er harmløse og de har været med til at revolutionere sygdomsbehandling, så vi i dag ikke skal frygte en lang række sygdomme længere. Hvis færre og færre bliver vaccineret kan vi risikere at miste vores flokimmunitet.

    Flokimmunitet er en tilstand, hvor 95% af en population eller mere er vaccineret imod en specifik virus (eller bakterie). Idet så mange er vaccineret, så vil en epidemi ikke kunne opstå og opretholdes, idet antallet af værter er for lavt (se figur 13).

     

    Figur 13 – Til højre er vist et scenarie, hvor der ikke er flokimmunitet i en befolkning, mens der i scenariet til venstre er flokimmunitet. Flokimmunitet opnås når 95% af en befolkning eller mere er vaccineret imod en bestemt virus (eller anden patogen mikroorganisme) og derfor er immun over for denne virus. Når en befolkning har opnået flokimmunitet, så vil ikke vaccinerede personer i befolkningen opnå en hvis form for sikkerhed, idet virussen ikke kan spredes. 

     

    Det betyder altså, at når 95% eller derover er vaccineret, så vil det yde en sikkerhed overfor ikke-vaccinerede individer i en befolkning, som af forskellige grunde ikke er i stand til at modtage vaccinen. Der har været flere tilfælde i de senere år af små lokale epidemier af vira, som egentlig er dækket af børnevaccinationsprogrammer, men fordi mere end 5% af befolkningen ikke er vaccineret, har disse epidemier kunne opstå. Vi har også i Danmark set udbrud af bl.a. mæslinger inden for de sidste par år, hvilket også skyldes et faldende antal vacciner. Ifølge tal fra WHO var antallet af personer vaccineret imod mæslinger i Danmark nede på omkring 85% i slutningen af 00’erne. I 2011 havde vi det største udbrud af mæslinger med lidt over 80 smittede. Mæslinger er en smitsom sygdom, der kan give svære komplikationer og i værste fald resultere i død.

     

    Fagterapi

    Antibiotikaresistente bakterier er resistente overfor antibiotika, dvs. at de kan formere sig til trods for behandling med antibiotika. Nu til dags er forekomsten af antibiotikaresistente bakterier så markant, både i landbrug og blandt infektioner hos mennesker, at WHO har erklæret antibiotikaresistens en af de største trusler imod verdenssundheden.

    I det tidligere Sovietunionen benytter man sig faktisk af fager til behandling af bakterielle infektioner. Denne behandlingsform kaldes for fagterapi, og den er næsten kun udbredt i det tidligere Sovietunionen. Forskere i vesten er nu, hvor vi ser en stigning i antallet af antibiotikaresistente bakterier, begyndt at undersøge om fagterapi kunne bruges i vesten.

    Faktaboks 6: Fagtyping

    Fagtyping er en metode til at artsbestemme bakterier på. I fagtyping udnytter man at fager er utroligt specifikke. Man plader den ukendte bakterie ud på agarplader i et tykt tæppe og drypper med opløsninger af kendte fager. På de plader hvor der opstår plaques, som er huller i tæppet af bakterier, har den pågældende fag kunne inficere bakterien. Ud fra de steder, hvor der er opstået plaques, kan man artsbestemme bakterien.

    Så hvordan foregår fagterapi helt præcist? Det første trin indenfor fagterapi er at identificere hvilken bakterie som patienten er blevet inficeret med. Der findes mange forskellige metoder til at identificere en bakterie. I en af metoderne kan man faktisk benytte fager (faktaboks 7), men som regel starter man med at kigge i et mikroskop. Baseret på de symptomer som patienten udviser, så vil lægen som regel allerede have en mistanke om hvilken bakterie, som patienten er inficeret med. På en agarplade vil de fleste bakterier se forholdsvis ens ud – små hvide klatter, men i et mikroskop kan man se forskel på dem. Som regel er det ikke nok kun at kigge i et mikroskop, så ofte bliver bakterierne sendt til sekventering (faktaboks 7).

    Faktaboks 7: Genomsekventering

    Når man sekventerer et genom, så bestemmer man den præcise rækkefølge af nuckleotider A, C, T og G i genomet.

    Når det er blevet fastslået hvilken bakterie, som patienten er inficeret med, så skal den fag som inficerer lige netop denne bakterie findes. På de hospitaler eller klinikker hvor man udfører fagterapi, vil stedet ofte have en samling af fager som de benytter sig af til terapi – dette kaldes en bakteriofagbank.

    Når fagerne er blevet udvalgt så skal de administreres til patienten, dette kan være et af de svære trin. Fager, i modsætning til humane vira, kan ikke krydse kroppens barriere særlig nemt, da de ikke har udviklet evnen til trænge ind i humane celler. Du kan se en oversigt over administrationsveje for fagterapi på (figur 14).

    Denne type af fagterapi kaldes for den personlige fagterapi, den er rimelig omstændelig og tager forholdsvis lang tid. Af den grund bruges den sjældent. Når du går til lægen, fordi du er blevet inficeret af en bakterie, så skal du jo ikke vente særlig længe, førend du får udleveret antibiotika, en mere hurtigtvirkende behandlingsform.

    Den anden tilgang mht. fagterapi kaldes for vestlig fagterapi. I denne tilgang har man udviklet nogle færdige fagpræparater, såkaldte fagcocktails, som man kan få udleveret med det samme. Det er ofte de samme slags bakterier som inficerer et bestemt område af kroppen, fx når du har maveonde, så det er ofte de samme slags bakterier som står bag. I tilfælde af maveonde så vil den tilsvarende fagcocktail indeholde fager som alle inficerer bakterier, der normalt forårsager maveonde.

     

    Fordele og ulemper ved fagterapi

    Der er flere egenskaber ved fagterapi som er fordelagtige i forhold til brugen af antibiotika.

    • Man kan benytte sig af relativt lave doser, idet fagerne, når de inficerer deres værtsbakterier producerer flere fager. Teoretisk set burde en enkelt fag være nok.
    • Fager er ligesom andre vira meget specifikke, det er derfor muligt at designe fagterapi således, at der udøves mindst mulig skade på de gavnlige bakterier som lever i vores tarme. Antibiotika virker hæmmende eller dræbende på langt de fleste bakterier (bortset fra de resistente), så når vi tager antibiotika påvirker vi også vores mikrobiom.

    Der er dog også ulemper ved fagterapi, som muligvis kan hindre at fagterapi kan implementeres i vesten.

    • Fager findes alle steder i naturen og er nemme at finde, men at finde den helt rigtige fag kan være problematisk. Der er et par kriterier som en fag skal leve op til, før den kan bruges til fagterapi. Den skal være obligat lytisk, da der ellers er chance for, at fagen går ind i den lysogene livscyklus efter infektion. Fagen skal heller ikke bære nogle toksiske gener med sig, da det kan skade patienten. Derudover skal fagen have høj virulens, den skal altså have et højt ”killing potentiale”. Dette sikrer at der ikke er bakterier som kan overleve et fagangreb og fortsat skade patienten.
    • Der er en hvis modstand blandt medicinalvirksomheder i vesten imod fagterapi, hvilket til dels skyldes, at fagterapi ikke er kendt i vesten og firmaerne derfor ikke ved hvordan de skal gribe det an. Fager er desuden ”levende” organismer og er derfor svære at patentere, hvilket gør det svært for medicinalvirksomheder at sikre en indtjening på fagterapi. Den anden grund er, at der er en hvis mistænksomhed rettet imod forskning som kommer fra Sovietunionen og det er med god grund, idet mange af de forsøg som er lavet omkring fagterapi i Sovietunionen ikke lever op til vestlige standarder.

    Forskere i vesten er nu så småt ved selv at teste fagterapi, for at undersøge hvor virkningsfuldt det er og om det muligvis kan implementeres i vesten.

     

    Vil du vide mere?

    Vira som vektorer (ikke dem fra matematikken)

    http://videnskab.dk/krop-sundhed/forklaedt-virus-skal-vaere-medicinkurer

    Blenderforsøget: Hvordan man påviste DNA som arvematerialet

    https://www.khanacademy.org/science/biology/dna-as-the-genetic-material/dna-discovery-and-structure/a/classic-experiments-dna-as-the-genetic-material

    Vacciner og immunforsvaret

    De vaccinerede piger – dokumentar TV2

    https://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/gymnasiale-projekter/ibk

    http://laegemiddelstyrelsen.dk/da/nyheder/2016/saadan-virker-hpv-vaccinen/

    http://www.who.int/biologicals/areas/vaccines/dna/en/

    http://www.who.int/features/qa/84/en/

    http://www.who.int/csr/disease/smallpox/en/

    Fagterapi

    https://www.biotechacademy.dk/undervisningsprojekter/grundskoleprojekter/bakterier-vira-og-antibiotikaresistens

    http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/44785/title/Viral-Soldiers/

    Eliava Institute, Facebook

    Figur 14 – Idet bakteriofager ikke kan passere kroppens barriere lige så godt som humane virus, så bliver man nødt til at administrere dem ligesom medicin. Hvis der er tale om infektioner i indre organer eller i halsen, så kan bakteriofagerne enten sluges som en pille eller inhaleres. Hvis der er gået infektion i et overfladisk så kan de enten smøres på eller sprayes på. Den sidste metode til at administrere bakteriofagerne på er ved at sprøjte dem direkte ind i blodbanen.

    Figur 15 – Tidslinje over markedsføring af antibiotika (højre side) og første observation af resistent bakterie (venstre side).

    Ideer til SRP

    HPV vaccinen og de syge piger (bioteknologi og dansk)

    – Hvad er HPV?

    – Hvordan virker HPV vaccinen og vacciner generelt?

    – Analyse af dokumentaren ” de vaccinerede piger”

     

    Fagterapi – en mulig løsning på antibiotikaresistens (bioteknologi)

    – Hvordan fungerer fagterapi?

    – Hvad er fordele og ulemper?

    – Hvad er problemet ved resistente bakterier og hvordan er det opstået?

    Resumé: Virale epidemier udgør en af de største trusler mod verdenssundheden. I takt med globaliseringen har vira fået større jagtmarker. Det er efterhånden forholdsvis ofte, at virale epidemier bliver omtalt i medierne, tænk bare på Zika virus, Ebola virus og Influenza virus.

    I dette kapitel gennemgås virale epidemier: hvordan opstår de? hvordan spredes de? og vigtigst af alt, hvordan stopper vi dem?

     

    Virale epidemier

    En epidemi er kendetegnet ved en markant højere udbredelse af en virus iblandt en population. Modsat hvad de fleste tror, så har epidemier ikke helt noget at gøre med dødeligheden af en virus. Det fortæller i højere grad noget om hvor hurtigt virussen spredes.

    Inden for virologi taler man om, at en virus har en vært eller flere værter og i nogle tilfælde også et reservoir, som du læste kort om i artikel fire. En vært er den celle eller organisme, hvori virussen gennemfører sin livscyklus. Et reservoir er en vært, hvori virussen ligger “gemt”. Et reservoir vil som oftest ikke opleve de samme symptomer som værten oplever – ofte er de langt mildere, hvis der overhovedet er nogle. Helt almindelige ænder, som man kan se ved næsten alle søer i Danmark er faktisk et reservoir for influenza virus.

    Faktaboks 8: Rabies

    Rabies er en del af Rhabdovirus familien, som består af vira med en karakteristisk projektil form og et negativt enkeltstrenget RNA genom.

    Smitte sker oftest via bid fra et inficeret dyr – ofte en hund eller en flagermus, men det kan også ske gennem kontakt med åbne sår og spyt fra et inficeret dyr. Fra inficeringsstedet bevæger virussen sig til hjernen gennem nerverne. De første symptomer minder meget om symptomerne på en almindelig influenza, men derefter udvikler symptomerne sig til også at inkludere hallucinationer, aggressiv adfærd og søvnløshed. Dødeligheden af rabies ligger på omkring 100%.

    Det er muligt at vaccinere imod rabies, samt inden for 24-72 timer efter smitte kan man post vaccinere. Er der gået mere end 72 timer fra smitte, så er det ikke længere muligt at behandle rabies.


    En virus er langt fra ofte på farten – uden for en epidemi, ligger den “gemt” i dens reservoir eller florerer blandt nogle få individer. En gang imellem sker det så, at en virus blusser op og forårsager en epidemi.

    Spredning

    Fra at nogle få individer er smittet med en virus til at der er tale om en epidemi, så må virussen først spredes til flere individer. Du har helt sikker hørt, at du kan blive smittet af influenza, hvis nogen i nærheden af dig med influenza nyser eller hoster. Dette skyldes, at influenza smitter gennem såkaldte aerosols, som er bitte små vanddråber der indeholder virus. Derudover kan vira sprede igennem seksuel kontakt, via amning, ved blodkontakt eller via vektorer, som er organismer der spreder vira rundt til dens værter. Zika virus bliver f.eks. spredt via myggen af arten aedes aegypti.

    Det er ikke kun os mennesker, som har fået forbedrede levevilkår i det 21. århundrede. Mange vira har også fået forbedrede levevilkår. Vira, der smitter gennem blodkontakt, har fået nemmere ved at spredes grundet medicinske fremskridt såsom organtransplantation og bloddonation. For et par tusind år siden levede vi i små samfund med få individer, der var langt mellem disse få samfund. En virus ville derfor hurtigt brænde igennem alle individer i et samfund for derefter at efterlade enten døde eller immuniserede individer. Derefter ville virussen dø ud, fordi den ikke længere havde nogen værter.

    I dag er næsten hele verden forbundet via trafikruter, hvad enten det er via fly, tog, bus eller bil. Dette betyder også, at afstand ikke længere er en hindring for at virus kan spredes. Som person kan du den ene dag stå med din fod solidt plantet i ødemarken i Afrika, for blot et par dage senere at stå midt på Times Square i New York. Undervejs på din rejse har du tilbagelagt et par tusinde kilometer, og bevæget dig forbi et par tusinde menesker. Dette medfører at en virus, som den ene dag bevæger sig rundt mellem et par få individer i Afrika, i løbet af blot få dage kan befinde sig i midten af New York, med et par millioner flere individer, den kan inficere.

    SARS (faktaboks 11) epidemien i 2003 er et eksempel på en viral epidemi som blev spredt hurtigt via flyruter. Første gang SARS dukkede op var det i Guangdong provinsen i det sydlige Kina i februar 2002. På bare seks måneder blev virussen spredt fra Guangdong til både nord og syd Amerika, Europa og resten af Asien, hvorefter epidemien heldigvis blussede ned grundet effektive indgreb fra sundhedsmyndigheder.

    Faktaboks 9: H1N1 – Svineinfluenzaen

    H1N1 er en subtype af influenza A. Der findes 3 forskellige slags influenza: A, B og C. Derudover så subtyper man dem baseret på hvilken type haemagglutinin (H) og neuraminidase (N) overfladereceptorer de har.

    H1N1 virussen står bag 2009 pandemien og menes også at være virussen som var skyld i den spanske syge i 1918. Forskere er ikke helt sikre på hvorfor, at udbruddet i 1918 var så meget mere dødeligt end det i 2009. Nogle mener at H1N1 virussen fra 1918 var mere aggressiv, mens andre mener at det skyldes den hærgede tilstand i Europa efter 1. verdenskrig, hvor mange mennesker sultede.

    Alle influenza typer smitter igennem aerosols.

    Faktaboks 10: Severe Acute Respiratory Syndrome – SARS

    En virus med et enkeltstrenget positivt RNA genom indkapslet i et icosahedral kapsid omsluttet af en lipidmembran.

    SARS er en del af Coronavirus familien, der næsten udelukkende består af relativt harmløse vira. SARS en af de mest aggressive Coronavira, der giver influenzalignende symptomer som kan udvikle sig til lungebetændelse.

     

    Hvor kommer vira fra?

     

    Siden en virus er afhængig af en vært for at kunne reproducere sig, mener mange forskere, at vira må være opstået enten samtidig med, eller efter det første cellulære liv på jorden. Nogle mener, at RNA vira må være opstået før det første cellulære liv, og de dermed er et levn fra det allertidligste ikke-cellulære liv, den tid man kalder The RNA World.

    Igennem tiden har der eksisteret vira, som vi ikke længere ser i dag, da de enten er muterede til ukendelighed eller uddøde. De eneste fossiler man har om uddøde vira, er de rester af virale gener der ligger gemt i mange organismers genom.

    Der er også tilfælde af vira, som på et tidspunkt ændrer vært grundet en mutation. Disse vira som ændrer værter kan ende med at være fatale for mennesker, da vores immunforsvar er sårbar over for dem, da det aldrig har mødt dem før. Den sidste fatale virus, som via en mutation opnåede evnen til at inficere mennesker var HIV (faktaboks 11). HIV menes på et tidspunkt at være opstået i chimpanser, som en krydsning mellem to virus arter der normalt inficerer to forskellige mindre abearter. På et tidspunkt i starten af det 20.århundrede har HIV via en mutation opnået evnen til at inficere mennesker. På trods af en meget udbredt myte om, at HIV er krydset fra chimpanser over til mennesker, fordi nogen har haft usømmelig omgang med en chimpanse, så er tilfældet snarere, at springet er sket fordi nogen har spist inficeret chimpansekød. Chimpansekød hører under betegnelsen Bush meat, hvilket er udbredt spise i central Afrika.

    Det er vira som HIV, vi skal frygte i fremtiden. Dem som pludselig ændrer vært grundet mutationer. Vores immunforsvar er nemlig ikke udrustet til at beskytte os mod disse vira. De vira som lever på husdyr har for længst taget springet fra dem, og over på os, da vi har levet tæt op ad dem i tusindvis af år. I dag er husdyr et mellemled, som tillader virus fra vilde dyr at hoppe over på os mennesker. Områder med mange mennesker, store landbrug og vild natur er ”hot spots” hvor vira kan springe fra vilde dyr og over på mennesker.

    Hvordan bekæmper man en epidemi?

    For at bekæmpe en virus epidemi arbejder man med de tre I’er: Isoler, Identificer og Informer.

    Det første trin i er at isolere smittede. Ved at sikre at smittede mennesker ikke kommer i kontakt med raske, så hindrer man virussen adgang til flere værter, dermed hindrer man også at epidemien spredes yderligere. Det er problematisk med virus, der smitter førend de første symptomer på en infektion viser sig. Da personer som er smittede ikke tager de nødvendige forholdsregler for at sikre, at de ikke smitter andre.

    For at kunne vide hvordan man bedst beskytter sig imod at blive smittet, så må man identificere virussen bag epidemien. At identificere en virus baseret på symptomer hos smittede er ikke en optimal måde at gøre dette på. Ingen mennesker er fuldkommen ens og vil derfor ikke altid udvise de helt samme symptomer. Man må helt på genetisk niveau bestemme virussen, idet der også er forskelle på vira inden for samme art. Første trin er derfor at isolere virussen. Virus er bitte små og dette kan man udnytte til at isolere dem.

    Faktaboks 11: HIV – Human immunodefiency virus

    HIV hører til retrovirus familien, helt specifikt i en undergruppe kaldet lentivirus. Forskere mener, at HIV har taget springet fra chimpanser til mennesker en gang i starten af det 20. århundrede, så det er en relativ ny virus iblandt mennesker.

    HIV består af en lipidmembran der omkranser et nærmest kegleformet kapsid, hvori genomet opbevares. Genomet består af to positive strenge af RNA. I kapsidet opbevares også enzymerne revers transkriptase og integrase.

    Mennesker er ikke de eneste som kan blive inficeret med HIV. Både aber og katte kan også blive inficeret med HIV, det er dog en anden type kaldet hhv. SIV – simian immunodefiency virus og FIV – feline immunodefiency virus.

    HIV smitter gennem direkte blodkontakt, ubeskyttet seksuelt samleje og fra mor til foster.

     

    Ved at filtrere prøver fra smittede igennem meget fine filtre kan man filtrere alt andet end vira fra. Ofte kan man få en ide omkring hvilken virus, det er synderen, ved at kigge på den i et mikroskop. Vira er dog så små, at man ikke kan se dem i et almindeligt mikroskop, men man skal bruge et elektron mikroskop. Vira der er tæt beslægtede ligner ofte hinanden. Da man første gang så Ebola igennem et mikroskop troede man fejlagtigt, at det var Marburg virus – idet de begge har den karakteristiske ormelignende struktur. Ebola og Marburg ligner hinanden både på udseende og symptomer, men de kan ikke behandles på samme måde.

    Findes en virus hos en syg patient, betyder det ikke nødvendigvis, at netop den virus er skyld i patientens sygdom. På os og i os lever der tusindvis af mikroorganismer og vira. For at være sikker på, at den virus man har fundet måske er synderen, så skal man også kunne finde den på alle andre smittede, dette er et af kriterierne i Koch’s postulat (faktaboks 12). Man kan også forsøge at isolere en større mængde af denne virus og give den til forsøgsdyr for at se, om de udvikler lignende symptomer – her vil man bruge forsøgsdyr, som enten ligner os mennesker meget, eller er genetisk modificerede til at ligne os.

    Faktaboks 12: Koch’s postulat

    Koch’s postulat er udviklet af Robert Koch. Det var ment som en guideline for at kunne etablere en sammenhæng mellem en mikrobe og en sygdom. For at etablere denne sammenhæng skal fire kriterier være opfyldt.

     

    1. Mikroorganismen skal findes i alle syge individer, men ikke i raske individer.
    2. Mikroorganismen skal kunne isoleres fra et sygt individ og oprenses til renkultur
    3. Mikroorganismen skal, når den bliver givet til raske individer, give de samme symptomer som hos allerede syge individer.
    4. Mikroorganismen skal kunne isoleres fra forsøgs individet i kriterie 3 og oprenses til renkultur. Denne skal så være identisk til den originalt isolerede mikroorganisme.

    For at artsbestemme virussen, vil man isolere dens genom for at kunne sende dette til sekventering. Det kræver dog, at man har meget genetisk materiale enten i form af mange isolerede vira. Ellers kan man opformere genomet via PCR. Når man har fået nok genetisk materiale, så kan man sende det til sekventering for at få kortlagt genomet – man får altså bestemt rækkefølgen af baser i genomet. Ved at sammenligne genomet fra den ukendte virus med andre virus genomer, kan man nemt identificere hvilken virus, der er skyld i epidemien. Man benytter sig af computerprogrammer til at sammenligne det sekventerede genom med andre virus genomer, som er blevet sekventeret tidligere og lagt op i databaser.

    Når man har identificeret virussen, så kan man bedre informere befolkningen om, hvordan de beskytter sig imod at blive inficeret. Desuden kan man begynde at vaccinere hele befolkningen eller kun udsatte grupper, såsom ældre og børn. Når virussen er kendt, så vil læger og andet sundhedspersonale også bedre vide hvordan de skal håndtere smittede – altså hvilken medicin disse skal have og hvordan de skal behandles.

     

    Hvad er fremtiden for virale epidemier?

    Mange store epidemier og pandemier har igennem tidernes løb skåret betragteligt i verdensbefolkningen. Den spanske syge i 1918, som skyldes en særligt dødelig type af influenza H1N1 (den som senere er blevet kendt som svine-influenzaen), dræbte omkring 50 millioner mennesker, det var omkring 3% af jordens befolkning på det tidspunkt og langt mere end antallet af dræbte soldater i begge verdenskrige tilsammen. Siden 1918 er verden kun blevet tættere befolkede og tættere forbundet. Begge er faktorer som fremmer epidemier. Det er ikke længere nok at kunne modarbejde epidemier, når de opstår. Vi må være på forkant med epidemierne og stoppe dem før de opstår. Ligesom meteorologer holder øje med vejret for at kunne forudsige det, så må vi også holde øje med vira for at kunne forudsige deres færden. Indtilvidere er der kun én virus som er under streng global overvågning, denne virus er influenza. Influenza muterer meget hyppigt, derfor holder man ekstra øje med influenza, for løbende at kunne opdatere vaccinen imod influenza. Det er WHO som står for det globale influenza overvågningsprogram.

    Mange forskere mener at bedre kommunikation imellem hospitaler og sundhedsmyndigheder, både nationale og internationale, er vejen frem, for at kunne forbedre respons på virale epidemier. Dette er til dels problematisk, da virale epidermier ofte begynder i de såkaldte ”hot spots”, områder hvor hospitaler og sundhedsmyndigheder sjældent er ressourcestærke.

    Der er mange ideer derude til, hvordan vi bedre kan overvåge vira og dermed forbedre os bedre imod kommende virus epidemier. En global overvågning af alle vira er endnu kun en drøm, men det kan blive en realitet i fremtiden.

    Ideer til SRP/AT emner

    Store virus epidemier (bioteknologi m. historie, samfundsfag, engelsk)

    – Den spanske syge (1918)

    – SARS epidemien (2003)

    – Zika (2016)

    – Ebola (2014)

     

    Områder der kunne undersøges

    – Historisk perspektiv: hvordan så verdenssituationen ud på den tid?

    – Samfundsmæssigt perspektiv: hvilke konsekvenser har epidemien haft?

    – Engelsk: Analyse af virus epidemier i film

  • Caseopgaver

    Opgavesættet består af fem opgaver, der bygger på teorien gennemgået i artiklerne, samt pensum for bioteknologi A.

    Vælg en gruppe fra Baltimore skemaet som du syntes kunne være interessant at undersøge i dybden.

    1. Undersøg hvilke kendte vira befinder sig i denne gruppe (hint: benyt links teoriafsnittet).
    2. Beskriv de processer hvormed virussen får dannet virale proteiner ud fra det virale genom. Ud fra din viden omkring det centrale dogme, inkluder hvilke polymeraser, enzymer, proteiner og/eller RNA molekyler kan være brugt i processen og om disse stammer fra værten eller virussen.
    1. Beskriv strukturen af virussen og gør rede for dens livscyklus.
    2. På baggrund af din redegørelse for virussens livscyklus, giv et bud på hvilken virus (navn eller gruppe) der er vist.

     

    • Beskriv hvordan du vil artsbestemme bakterien, hvilke test vil du foretage?

     

    Du har nu fået patientens testresultater retur, de viser at patienten er inficeret med bakterien Pseudomonas Aeruginosa.

    • Foretag en websøgning, og giv en kort beskrivelse af bakterien. Fokuser på de informationer som du mener vil være relevante for din patient og for dig, når du skal planlægge et fagterapi forløb (Hvor findes den i naturen? Hvordan opfører den sig i patientens lunger?).

     

    Du skal nu til at indlede patientens fagterapiforløb, men før du kan komme i gang, så må du finde en eller flere fager som kan inficere P. aeruginosa.

    • Ud fra din viden om aeruginosa, hvor ville du så lede efter pseudomonasfager (altså fager som kan inficere og dræbe P. aeruginosa)?

     

    Du er nu kommet i besiddelse af forskellige pseudomonasfager, som alle kan inficere og dræbe lige netop Pseudomonas aerginosa, som din patient er inficeret med. Du kan nu påbegynde et behandlingsforløb for din patient.

    • Design et behandlingsforløb for din patient. Hvordan vil du administrere fagerne til patienten og hvordan vil du løbende kontrollere om behandlingen virker efter hensigten?

     

    Opgave 4 – Vira der beskytter os

    Du er ude for at gå en tur i Hareskoven med din ven. Det er tidlig forår, vejret er lunt og solen skinner. Under gåturen bider I mærke i et stort antal døde fugle af forskellig arter som ligger rundt omkring i skovbunden. I undrer jer over mængden af døde fugle og diskuterer hvad de mon er døde af.

    • Nævn årsager til hvad der kan være skyld i de mange døde fugle.

     

    Det ligner ikke, at der er nogen umiddelbar forklaring på, hvorfor fuglene er døde. Du frygter, at det måske skyldes fugleinfluenza og at denne type måske kan spredes til andre dyr eller mennesker.

    • Hvilken styrelse eller organisation i Danmark skal du kontakte for at gøre opmærksom på jeres fund af døde fugle? Vedlæg gerne et link til, hvor du fandt denne information henne.

     

    Forestil dig, at du nu arbejder som dyrelæge med speciale i infektionssygdomme. Du har fået et opkald vedrørende et fund af en stort antal døde fugle i Hareskoven og er blevet spurgt, om du kan assistere i arbejdet med at bestemme dødsårsagen for disse fugle. Mistanken ligger på fugleinfluenza.

    • Hvordan vil du bekræfte denne hypotese? Hvilke undersøgelser vil du foretage for at kunne bekræfte, at det er fugleinfluenza.

     

    Du har fået dine testresultater hjem, hvilket bekræfter, at fuglene er døde af fugleinfluenza.

    • Hvilke konsekvenser kan en fugleinfluenza epidemi have på Danmark og hvilke forholdsregler kan man tage for at begrænse en fugleinfluenza epidemi i at udbrede sig?

    Opgave 5 – Virusepidemier

    I 1998 udgav Andrew Wakefield og 12 andre kollegaer en artikel, hvori de påviste en sammenhæng mellem MMR vaccinen (mæslinger, fåresyge og råde hunde – forkortelsen er engelsk) og autisme. På trods af en lille forsøgsgruppe og tvivlsom forsøgsopstilling fik artiklen stor opmærksomhed i medierne, hvilket ledte til et fald i antallet af børn der modtog MMR vaccinen. Artiklen blev senere trukket tilbage pga. forskningssnyd, da man opdagede at Andrew Wakefield og hans gruppe ingen evidens havde for deres påstand. Sidenhen har flere forskellige studier bekræftet, at der ingen sammenhæng er mellem MMR vaccinen og autisme.

    I løbet af de seneste par år er antallet af folk der bliver smittet med mæslinger steget, grundet det stigende antal af ikke-vaccinerede individer. Denne stigning har fået flere lande til at tage alternative metoder i brug for at sikre, at forældre vaccinerer deres børn. I Italien er man ved at gennemføre en lov, der gør det obligatorisk for forældre at skulle vaccinere deres børn imod visse sygdomme. Hvis de nægter, kan børnene ikke gå i de statsstyrede skoler, og forældrene kan risikere at få bøder. Andre lande som Frankrig, Australien og Tyskland har alle planer om at gennemføre lignende love.

    1. Mener du, at Danmark bør implementere lignende love som dem i Italien vedrørende børnevaccination? Eller mener du, at det er uetisk at tvinge forældre til at vaccinere deres børn?

     

    MMR vaccinen er ikke den eneste vaccine som har mødt en del kritik. Senest har HPV vaccinen været beskyldt for at give slemme bivirkninger i form at kronisk træthed og langvarig hovedpine. En grundig sikkerhedsgennemgang af HPV vaccinen udført i 2015 med særlig fokus på en mulig sammenhæng mellem vaccinen og de foromtalte bivirkninger viste, at der fortsat ikke kunne påvises en sammenhæng. Den negative debat omkring HPV vaccinen har ført til et drastisk fald i Danmark i antallet af HPV vaccinerede.

    1. Hvad mener du, er den bedste måde at få tilslutningen til det danske børnevaccinationsprogram og vacciner i al almindelighed til at stige. Mener du derudover, at der er nogle positive konsekvenser af negativ debat omkring vaccination?
  • Forsøg

    Fagtyping er en metode, der tidligere i høj grad blev brugt til at artsbestemme bakterier. Den kan også benyttes den anden vej til at isolere bakteriofager, der inficerer en specifik bakterie. Formålet med forsøget er at isolere bakteriofager, der kan inficere E.coli bakterier.

    Øvelsen er forholdsvis simpel og ikke specielt tidskrævende at udføre, dog kræver det en vis erfaring med laboratoriearbejde.

    Hent forsøgsvejledningen her.

     

  • Lærervejledning

    Lærerinformation

    Lærervejledningen til projektet kan hentes her.

     

    En øvelsesvejledning til læreren, samt svar på caseopgaverne, kan findes her.

    Adgang til siden kræver et password, der tilsendes efter henvendelse til biotech@bio.dtu.dk

     

Kildehenvisning:
Dette projekt blev udgivet i marts 2018. Det er udarbejdet af Biotech Academy og er blevet opdateret løbende.

null

Projektet er udarbejdet af Clara Ekebjærg

Clara Ekebjerg