Mutazioni dei virus

I virus sono gli organismi viventi meglio adattati, ovvero sono in grado di colonizzare qualsiasi ambiente e qualsiasi organismo vivente, ne sono presenti quantitativi immensi nell’ambiente, con una loro precisa funzione biologica (ad esempio nel mare essi vano a parassitare le alghe, evitandone l’eccessiva proliferazione). I virus sono dotati dunque di una plasticità adattativa incredibile, dal punto di vista evolutivo sono gli organismi che meglio di tutti riescono ad adattarsi ai cambiamenti del loro ambiente. Teniamo presente però che cosa vuol dire ambiente per un virus, esso non è solo l’ambiente inteso come suolo, acqua o aria, ma anche inteso come l’interno del suo ospite, al di fuori però delle cellule. Nel momento in cui il virus abbandona la cellula in cui si è replicato, inizia a muoversi per quello che per lui diventa l’ambiente esterno, un ambiente ostile. Ad esempio le nostre secrezioni corporee sono quelle con cui il virus viaggia, non essendo dotato di strutture di movimento, ma sono qualcosa di estremamente ostile al virus, ad esempio nelle secrezioni intestinali ci sono le lipasi che digeriscono l’envelope, ma ci sono anche le proteasi e le nucleasi che hanno degli effetti analoghi sulla struttura del virus, quindi tutto quello che è al di fuori della cellula per il virus è l’ambiente esterno. Il virus in generale è estramente abile nell’adattarsi ai cambiamenti ambientali e lo fa grazie alle mutazioni, che sono molto abbondanti nei virus, infatti hanno garantito il successo evolutivo a questi microrganismi. Poiché il virus tramite le mutazioni riesce ad adattarsi ai nuovi ospiti, noi siamo assediati continuamente da nuove malattie virali, ad esempio abbiamo osservato in questi ultimi anni che i virus dagli animali possono passare all’uomo, e di queste cose sempre di più ne assisteremo in futuro.

Ma perché i virus vanno incontro a così tante mutazioni?

  • Velocità di replicazione: i virus si replicano ad una velocità molto superiore rispetto a qualsiasi altro organismo vivente, alcuni virus hanno un ciclo replicativo di addirittura 2-3 ore, mentre i virus più lenti possono avere un ciclo replicativo anche di 3-4 giorni, tranne qualche eccezione particolare, questo significa che le generazioni virali si succedono con una velocità notevole
  • Numero di nuovi individui: ad ogni replicazione si formano migliaia (se non milioni) di nuovi individui, è quindi chiaro che in termini assoluti ogni generazione avrà un numero elevato di mutazioni, solamente per il fatto che originano molti individui. Quindi, se nelle cellule si forma una popolazione di migliaia di nuovi individui virali in 3-4 ore, immaginiamo quello che potrebbe succedere nell’arco di un anno per un individuo che ha un’infezione cronica, ad esempio il virus dell’HIV ogni giorno, in un individuo infetto, forma da 109 a 1011 particelle virali
  • Frequenza di mutazioni: alcuni virus non solo vanno incontro ad un numero assoluto di mutazioni più alto perché ci sono più individui che si formano nel giro di poco tempo, ma anche perché hanno una frequenza di mutazioni molto elevata, va fatta in questo caso una grossa distinzione tra i virus a DNA ed i virus a RNA
  • i virus a DNA si replicano praticamente nello stesso modo con cui si replica il DNA della cellula, anzi in alcuni casi il virus utilizza tutto l’apparato replicativo del DNA cellulare. Quindi la DNA polimerasi che duplica il DNA del virus ha, come tutte le DNA polimerasi, un’attività di “proofreading”, quindi tende a correggere gli errori di “mismatch”, ovvero i nucleotidi inseriti sul filamento stampo dallo stesso enzima in maniera erronea, quindi possiamo dire che i virus a DNA hanno la stessa frequenza di mutazione delle cellule procariote ed eucariote, hanno una mutazione ogni 108 -1011 nucleotidi
  • abbiamo una situazione diversa per i virus ad RNA, i quali hanno una frequenza di mutazione molto più alta. Per duplicare il loro genoma questi virus non possono ovviamente utilizzare la DNA polimerasi, ma utilizzano una RNA polimerasi, che come tutte le RNA polimerasi non ha un’attività di “proofreading”. Quest’enzima è piuttosto infedele e compie dunque degli errori che non vengono riparati, quindi i nuovi genomi che si formano mantengono queste mutazioni (ovvero questi nucleotidi alterati nella posizione in cui sono stati inseriti sul filamento stampo). Quindi la frequenza di mutazione in questi casi è di circa 1 nucleotide mutato ogni 10’000-100’000 nucleotidi sintetizzati, quindi diversi logaritmi in più rispetto ai virus a DNA
  • esiste poi un caso limite di grande interesse, che riguarda il virus del HIV, il quale è il virus con la più alta frequenza di mutazioni in assoluto, ovvero abbiamo un nucleotide mutato ogni 1’000-10’000 nucleotidi sintetizzati, questo perché il HIV è un retrovirus che si replica con una strategia particolare. Questo retrovirus appartiene alla famiglia retroviride, cioè ai virus che compiono la retrotrascrizione, sono cioè dei virus che come genoma hanno un filamento ad RNA ed appena entrati nella cellula ospite retrotrascrivono questo RNA in cDNA, che va poi ad integrarsi nella cellula ospite, quindi utilizzano l’enzima trascrittasi inversa (o retrotrascrittasi) che è in grado di trascrivere questo RNA su un pezzetto di cDNA. Questo enzima non solo non ha l’attività di “proofreading”, quindi non corregge gli errori compiuti, ma attua anche una particolare strategia per compiere questa retrotrascrizione, esso compie dei salti, cioè trascrive un pezzo di molecola e poi salta in un’altra regione della molecola. I retrovirus hanno due molecole identiche di RNA a polarità positiva (quindi non è un RNA a doppio filamento, e ovviamente non si possono appaiare, avendo la stessa sequenza), ciascuno dei quali nella precedente replicazione avrà subito delle mutazioni. Quindi questi due filamenti, per quello che riguarda la loro sequenza, non sono perfettamente identici. La trascrittasi inversa, saltando, può passare non solo da un filamento all’altro della stessa molecola, ma anche da una molecola all’altra, quindi abbiamo un ulteriore comportamento di questo enzima che aumenta la frequenza mutazionale in questi due filamenti. Di conseguenza questi due meccanismi associati (ovvero la mancanza di un’attività di “proofreading” e questo particolare meccanismo di trascrizione che compie dei salti tra e dentro i due filamenti) portano a far sì che ci sia quest’elevatissima frequenza di mutazione, che ha delle conseguenze molto importanti. Il HIV ha un genoma di 9700 nucleotidi e una frequenza di mutazione di una ogni 1’000-10’000 nucleotidi, arrotondando le dimensioni del genoma a 10’000 nucleotidi significa che ad ogni azione della trascrittasi inversa (cioè ad ogni molecola di cDNA che si forma) c’è come minimo da 1 a 10 mutazioni, quindi virtualmente non ci sono due molecole di cDNA di HIV identiche, ma hanno sempre un numero variabile di mutazioni, questo rende l’HIV un virus particolarmente complicato da gestire e studiare. Quest’estrema variabilità del virus HIV permette di individuare le cosiddette quasi specie, cioè dei ceppi di HIV che hanno delle omologie nella loro sequenza nucleotidica, sufficienti ad essere considerate facenti parte della stessa specie, senza che siano considerate delle specie completamente differenti, cioè la percentuale di differenze tra questi virus non è sufficiente a considerarli appartenenti a specie diverse, quindi le “quasi-specie” sono un concetto intermedio tra due organismi della stessa specie e due organismi di specie diverse. Questo significa che in un individuo infettato dal virus del HIV avremo un andamento estremamente dinamico delle popolazioni virali, infatti nel corso del tempo (parliamo di un’infezione cronica che dura per tutto il resto della vita) le quasi-specie che infettano un individuo cambiano continuamente il loro patrimonio genetico. Se si va ad isolare dei virus del HIV in diversi tessuti, vedremo che ci sono delle popolazioni virali anche molto diverse, questo purtroppo ha delle conseguenze importanti anche dal punto di vista pratico e medico.