Virus gripa (gripa) stalno prolazi kroz proces evolucije i adaptacije kroz sticanje novih mutacija. Naučnici u Dečjoj istraživačkoj bolnici St. Jude dodali su novi nivo razumevanja da objasne zašto i kako se virusi gripa menjaju. Model „preživljavanja pristupačnih“ pruža komplementaran pogled na opštepriznati način evolucije „opstanak najsposobnijih“. Rad je objavljen danas u časopisu Science Advances.
Virusi prolaze kroz brzi evolutivni tok usled stalnih genetskih mutacija. Ovaj brzi tok je razlog zašto ljudi dobijaju vakcinu protiv gripa svake godine, jer moramo da se pozabavimo najnovijom varijantom gripa koja se pojavila kao dominantna vrsta. Često vidimo ove mutacije u kontekstu tradicionalnog evolucionog razmišljanja, gde varijantna sposobnost određuje koji mutirani virus se pojavljuje kao dominantni soj u populaciji. Tim St. Jude je istražio ovu teoriju i definisao alternativni evolucioni princip, za koji oni predlažu da je ključni pokretač evolucije, nazvan „pristupačnost varijanti“.
Istraživanje, koje su vodili Aleksandar Gunarson, dr. i M. Madan Babu, dr., Odeljenje za strukturnu biologiju St. Jude i Centar izvrsnosti za otkrivanje zasnovano na podacima, uključivalo je kreiranje modela mutacione pristupačnosti za pomoć predvide kako i zašto se specifične mutacije pojavljuju u populaciji tokom evolucije virusa.
Genomska abeceda ima samo četiri slova koja predstavljaju nukleotide: (A)denozin, (T)himin, (G)uanin i (C)itozin. Grupe od tri nukleotida unutar gena koji kodira protein naziva se kodon. Kodoni deluju kao recept za sastavljanje proteina, kodirajući za određenu aminokiselinu. Mutacije se javljaju kada se nukleotidi menjaju, na primer, tokom replikacije. Ova promena dovodi do toga da se za proizvodnju proteina koristi druga amino kiselina. Ali nisu sve mutacije podjednako verovatno da će se pojaviti, kao što su Babu i Gunarson otkrili.
„Proces genetske replikacije ima ugrađene inherentne predrasude, kao što je relativna lakoća da se A mutira u C, a ne u G“, objasnio je Babu. „To znači da je skup mutanata sa ovom A-to-C mutacijom veći, a preživele varijante će se pretežno pojaviti iz tog određenog skupa, iako može postojati odgovarajuća sekvenca sa A-to-G mutacijom.“
Koristeći virus gripa kao studiju slučaja, Gunarson i Babu su ovaj koncept preveli u matematički model. Njihov model omogućava istraživačima da predvide put buduće evolucije na osnovu pristupačnosti mutacije. Od posebnog interesa bilo je istraživanje kako specifična proteinska mesta mogu dobiti ili izgubiti sposobnost da se modifikuju nakon sticanja mutacije. Zatim su ispitali kako ovaj dobitak ili gubitak utiče na funkciju proteina.
Fosforilacija je primer takve modifikacije. Nastaje kada se molekul fosfata doda specifičnim amino kiselinama proteina. Što se tiče gripa, fosforilacija može pomoći virusu da otme molekularne puteve domaćina radi posredovanja uspešne infekcije. Takve mutacije su možda bile kritične za pandemije gripa u prošlosti, a Gunarson i Babu su ovi skupovi podataka koristili da razviju svoj model.
Model je takođe pomogao istraživačima da bolje razumeju dugo zamišljeno svojstvo mutacije, događaj džekpota. To su mutacije koje se slučajno javljaju u ranoj fazi rasta populacije, što dovodi do kontinuirane koristi koju vide potomci. „Što je genotip pristupačniji, ovi specifični događaji džekpota su češći jer je to jednostavno verovatnoća“, objasnio je Gunarson. „Ako je za određeni gen sto puta veća verovatnoća da će dobiti određenu mutaciju, videćete da se događaj džekpota dešava proporcionalno češće. Ovi događaji su važni u evoluciji i prvenstveno su vođeni time koliko su varijante dostupne.“
Dostupnije mutacije će verovatno preovladavati u populaciji iako možda nisu najprikladnija mutacija. „Ako je verovatnoća dobijanja najprikladnije mutacije jedna od stotina triliona“, rekao je Gunarson, „verovatnoća da dođe do fiksacije u populaciji, čak i ako je to najprikladnija mutacija, je mala. Kada imate više slučajeva mutacije džekpota dešavajući se, statistički, prevalencija ove varijante se masovno povećava, čak i ako je manje prikladna u poređenju sa drugim, pogodnijim, ali manje dostupnim mutantom.“
Koncept pristupačnosti varijanti je elegantan u svojoj jednostavnosti, ali kao i većina stvari u prirodi, on je balans statističkih verovatnoća. Od događaja mutacije i razlika u verovatnoći određenih nukleotidnih promena do redundancije kodona (više kodona za istu aminokiselinu), delikatna ravnoteža između komponenti pokreće evolucione puteve.
„Proširivanje našeg razumevanja biohemijskih mutacionih predrasuda (npr. tokom replikacije) kod virusa može otvoriti nove pravce i mogućnosti jer će dati mnogo bolji uvid u to kako će virus verovatno evoluirati“, rekao je Babu. U stvari, model se primenjuje na istorijske podatke o tome kako se virus gripa promenio u okviru mutacione dostupnosti da bi se preciznije predvidela evolucija virusa.
Sposobnost predviđanja evolucionih ishoda virusa na osnovu pristupačnosti izazvala je interesovanje stručnjaka za grip Ričarda Vebija, doktora nauka, iz Odeljenja za interakciju između domaćina i mikroba Sent Jude i direktora Saradničkog centra Svetske zdravstvene organizacije za studije o ekologiji Influenca kod životinja i ptica.
„Postoji mnogo scenarija u javnom zdravstvu gde pokušavamo da predvidimo evolucioni put virusa gripa, uključujući odabir najprikladnijih vakcina za budući grip“, rekao je Vebi. „Model ‘preživljavanja pristupačnih’ će osnažiti ova predviđanja i omogućiti nam da sa većim samopouzdanjem identifikujemo viruse koji će verovatno poprimiti zabrinjavajuće osobine.“
Ovaj model se takođe primenjuje izvan gripa ili čak virologije i usmerava dalje istraživanje mutacionih predrasuda kod različitih bolesti. Kod raka, na primer, model može pomoći u odgovoru na brojna pitanja o patologiji, kao što je zašto se određene mutacije koje izazivaju rak ili otpornost na lekove stalno pojavljuju.
„Naš model se može primeniti da bi se predvidelo da li će se određena vrsta mutacije verovatno pojaviti kao pokretač tumora ili kao rezistentna mutacija na specifičan tretman“, rekao je Babu. „Nadamo se da će naš rad podstaći istraživanje u karakterizaciji mutacionih predrasuda koje pokreću evoluciju virusa i tumora. Ako možemo kvantifikovati i bolje razumeti biohemijske procese koji doprinose mutacionoj pristrasnosti, to će biti od neprocenjive vrednosti za predviđanje ishoda mutacija u evoluirajućim genetskim sistemima. Sposobnost predviđanja ishodi pre nego što se dogode omogućiće nam da budemo spremni kada se na kraju razviju.“
