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