Category: General biology

Eru virkilega til hættuleg afbrigði veirunnar sem veldur COVID-19?

Arnar Pálsson, 15/04/2020

Arnar Pálsson. „Eru virkilega til hættuleg afbrigði veirunnar sem veldur COVID-19?“ Vísindavefurinn, 15. apríl 2020. Sótt 15. apríl 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79179.

Afbrigði veira eru skilgreind út frá mismun í erfðaefni þeirra.[1] Veirur fjölga sér kynlaust og stökkbreytingar sem verða í erfðaefni þeirra geta haft áhrif á hæfni þeirra í lífsbaráttunni. Þrátt fyrir dramatískt nafn eru stökkbreytingar aðeins frávik í erfðaefni sem geta haft jákvæð, neikvæð eða engin áhrif á hæfni lífvera.[2] Neikvæðar breytingar eru kallaðar svo því þær draga úr hæfni lífvera til að fjölga sér eða minnka lífslíkur. Töluverður hluti nýrra stökkbreytinga eru neikvæðar, en þær eru yfirleitt sjaldgæfar í stofnum, sérstaklega þeim sem fjölga sér kynlaust eins og á við um veirur. Mun sjaldgæfari eru jákvæðar breytingar, sem auka hæfni á einhvern hátt. Algengasta form erfðabreytileika eru hlutlausar breytingar, sem hafa engin áhrif á hæfni lífvera. Ólíklegt er að stökkbreytingar í erfðamengi veirunnar SARS-CoV-2 valdi illvígari sjúkdómi. Mest af breytileika sem finnst milli ólíkra veira sem valda COVID-19 er því hlutlaus. Afbrigði veiranna sem valda COVID-19 eru talin vera jafngild af sérfræðingum, það er að segja þau valda áþekkum sjúkdómi með svipaðri dánartíðni. Erfðabreytileiki milli veiranna gerir okkur hins vegar kleift að rekja ættir smitanna (mynd 1).

Mynd 1. Stökkbreytingar á erfðaefni veiru sem berst milli einstaklinga má nota til að rekja smitið. Ættartré veiranna endurspeglar smitsöguna. Myndin sýnir einfaldað tilfelli. Sýndir eru litningar 5 gerða af veiru sem eru ólíkir vegna 7 stökkbreytinga (litaðar línur). Þessir litningar mynda fimm ólíkar setraðir (e. haplotypes) sem einnig má kalla afbrigði. Sumar stökkbreytingar eru eldri (og finnast í tveimur eða fleiri gerðum), en aðrar yngri og finnast bara í einni gerð.

Engu að síður hafa fjölmiðlar upp á síðkastið fjallað um breytileikann í veirunni og slegið upp æsilegum fyrirsögnum. Snemma í mars birtist til að mynda frétt hérlendis með fyrirsögninni „Kórónuveiran hefur stökkbreyst“. Kjarninn í þeim skrifum var að til væru mismunandi afbrigði veirunnar og eitt afbrigði væri hættulegra en hin. Önnur frétt birtist í USA TODAY þann 31. mars undir fyrirsögninni: „8 strains of the coronavirus are circling the globe. Here's what clues they're giving scientists“ ( „8 afbrigði kórónuveirunnar eru á ferli um jörðina. Þetta hafa vísindamenn lært af þeim.”) Báðar fréttirnar byggja á rangtúlkunum. Byrjum á þeirri fyrri sem var byggð á meingallaðri rannsókn. Minnumst þess að afbrigði veirunnar eru flokkuð út frá erfðabreytileika, sem er aðallega hlutlaus. Vegna sögu sýkinga verða sum afbrigði algengari á vissum landssvæðum en önnur afbrigði annars staðar. Greining lífupplýsingafræðingsins Trevor Bedford og félaga á smitinu í Washington-fylki í Bandaríkjunum er dæmi um þetta. Flest smitin í fylkinu bárust snemma frá Wuhan og voru flest af einni gerð (afbrigði) veirunnar.

Mynd 2. Ættartré kórónuveira sem valda COVID-19 út frá raðgreindum erfðamengjum veirunnar á tímaskala faraldursins (x-ás). Rauðir punktar eru 346 erfðamengi veira sem greindust úr einstaklingum í Washington-fylki í Bandaríkjunum. Hópun rauðra tilfella um miðbik myndar sýnir smit sem barst frá Kína um 15. janúar og fjölda einstaklinga sem sýktust í kjölfarið. Örvar tilgreina smit sem barst síðar til svæðisins og olli smiti í smærri hópum. Myndin sýnir að saga faraldursins veldur því að viss afbrigði verða algengari á ákveðnum landsvæðum en önnur fátíðari.

Sumir hafa haldið því fram að afbrigðin séu á einhvern hátt mismunandi. Fjölþættar ástæður eru fyrir því en mestu skiptir að mat á dánartíðni vegna veirunnar getur verið mismunandi eftir svæðum vegna margra þátta. Má þar nefna mun á greiningarátaki, ólík heilbrigðiskerfi, mun á aldurssamsetningu landa eða svæða og sögulegra tilviljana. Í fyrsta lagi er dánartíðni hlutfall þeirra sem deyja vegna sýkingar og þeirra sem eru greindir með sjúkdóminn. Ef einungis þeir sem deyja úr sjúkdómnum (eða fá alvarleg einkenni) eru prófaðir og svo greindir virkar dánartíðnin há. En ef mjög margir eru prófaðir, líka fólk með væg einkenni eða einkennalaust, þá verður dánartíðni metin lægri. Fyrir veiruna sem veldur COVID-19 spanna gildin frá 0,02 (2 af hverjum 1000 í Suður-Kóreu) til 4 (4 af hverjum 100 í Kína). Mynd 2. sýnir að saga faraldursins veldur því að viss afbrigði verða algengari á ákveðnum landsvæðum en önnur fátíðari. Það virðist því vera samband á milli afbrigða veirunnar og dánartíðni en það er ekki raunverulegt. Fylgni milli þátta er ekki sönnun fyrir orsakasambandi. Í annan stað eru spítalar og heilbrigðiskerfi mismunandi eftir svæðum og það hefur áhrif á mat á dánartíðni. Það getur einnig búið til falska tengingu milli afbrigða og alvarleika sjúkdómsins. Í þriðja lagi er aldurssamsetning mismunandi eftir löndum og landsvæðum. Yngra fólk býr eða safnast saman á vissum stöðum á meðan eldri borgarar eru algengari á öðrum svæðum. Aldursdreifingin er ólík á skíðasvæðum í Ölpunum og smáþorpum á Ítalíu. Þar sem veiran leikur eldra fólk verr en unga bjagar það matið á dánartíðni. Að síðustu getur það verið tilviljun háð hvaða hópur innan ákveðins svæðis verður þungamiðja smitsins. Veiran fer ekki í manngreinarálit en ólukkan getur valdið því að smitið berst inn á hjúkrunarheimili á einum stað en í pönkhljómsveitagengi á öðrum stað. Hin fréttin notaði orðið afbrigði eins og það er skilið í almennu máli sem er mun víðtækara en lýst var hér að ofan. Afbrigði veirunnar eru bara stofnar af sama meiði og engin ástæða til að halda að þeir séu ólíkir eða misalvarlegir. Kórónuveirurnar fjórar sem sýkja menn að staðaldri þróast vissulega en á mun hægari tímaskala en faraldurinn sem nú gengur yfir. Ef veiran sem veldur COVID-19 verður enn á sveimi eftir tvö til þrjú ár, þá kann að vera að henni hafi gefist tími til að aðlagast manninum betur. En sem fyrr er rétt að skerpa á því að litlar líkur eru á að hún stökkbreytist í illvígara form. Samantekt:

  • Veiruafbrigði eru greind út frá breytileika í erfðaefni.
  • Saga smitanna veldur því að viss afbrigði veirunnar eru algeng á einu svæði en fátíð á öðru.
  • Mat á dánartíðni er mjög ólíkt milli landsvæða og landa.
  • Þetta tvennt býr til ásýnd fylgni milli afbrigða og dánartíðni, en sannar ekki orsakasamband.
  • Engar vísbendingar eru um að afbrigði veirunnar sem veldur COVID-19 séu mishættuleg.

Tilvísanir:

  1. ^ Arnar Pálsson. Eru til tvö eða fleiri afbrigði af kórónuveirunni sem veldur COVID-19? Vísindavefurinn, 14.04 2020. (Sótt 15.04.2020).
  2. ^ Arnar Pálsson. Hvort er líklegra að veiran sem veldur COVID-19 verði hættulegri eða hættuminni fyrir menn vegna stökkbreytinga? Vísindavefurinn, 01.04 2020. (Sótt 07.04.2020).

Heimildir og myndir:

categories General biology, Vísindavefur - svör

Eru til tvö eða fleiri afbrigði af kórónuveirunni sem veldur COVID-19?

Arnar Pálsson, 15/04/2020

Arnar Pálsson. „Eru til tvö eða fleiri afbrigði af kórónuveirunni sem veldur COVID-19?“ Vísindavefurinn, 14. apríl 2020. Sótt 15. apríl 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79178.

Afbrigði lífvera eru skilgreind sem vissar gerðir innan tegundar sem eru ólíkar í háttum eða eiginleikum. Munur á afbrigðum getur verið mjög yfirborðskenndur, til dæmis byggður á lit fjaðra eða því hvort einstaklingar sömu tegundar séu staðfuglar eða farfuglar. Stundum er munurinn djúpstæðari eins og í afmörkuðum stofnum sem gætu verið forstig tegunda. Stökkbreytingar eru algengari í veirum en flóknari lífverum og af þeim sökum er mikill breytileiki í erfðasamsetningu veira sem sýkja mannfólk. Þegar talað er um afbrigði kórónuveirunnar sem veldur COVID-19 er vísað í hópa sem greina má að vegna mismunandi erfðabreytileika.

Mynd 1. Stökkbreythraði er meiri hjá veirum en flóknari lífverum sem hafa stærra erfðamengi. Á myndinni sjást ólíkar veirur og lífverur. Frá vinstri, veirungur, síðan þrjár ólíkar gerðir veira, bakteríur og loks mús. Á x-ásnum er svonefndur log-kvarði sem þýðir að hækkun um eitt stig er tíföldun.

Veiru- og líffræðingarnir Nathan D. Grubaugh, Mary E. Petrone og Edward C. Holmes fjalla um breytileika í veirunni sem veldur COVID-19 í greininni „We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks“ sem kom út í tímaritinu Nature Microbiology snemma í febrúar 2020. Þar leggja þau áherslu á að við eigum ekki að óttast stökkbreytingar heldur nýta okkur þær til að skilja smitleiðir og framvindu faraldursins.[1] Veiran sem veldur COVID-19 stökk einu sinni úr dýri yfir í mann, einhvern tíma undir lok ársins 2019. Það er rót ættartrés veirunnar. Allar veirurnar sem valda faraldrinum eru afkomendur þessarar upprunalegu veiru. Veiran hefur einn litning og fjölgar sér kynlaust. Segja má að hún klóni sig. Allar veirur sem berast frá sýktum einstaklingi bera afrit erfðamengis veirunnar sem sýkti þann einstakling, með nokkrum frávikum vegna stökkbreytinga. Hver sýktur einstaklingur sýkir að meðaltali 2 til 4 einstaklinga, og í hverri veirukynslóð verða einhverjar stökkbreytingar á erfðaefni veiranna.[2] Stökkbreytingar ber ekki að óttast heldur nota til að rekja smitið. Stökkbreyting sem varð í veiru snemma í faraldrinum merkti alla afkomendur hennar. Stökkbreyting sem verður seinna auðkennir undirhóp sem er kominn frá tiltekinni veiru (2. mynd). Til að mynda tilkynnti Íslensk erfðagreining að 40 séríslenskar stökkbreytingar hefðu fundist hér (23. mars 2020).[3]

Mynd 2. Stökkbreytingar á erfðaefni veiru sem berst milli einstaklinga (gráir hringir) má nota til að rekja smitið. Ættartré veiranna endurspeglar smitsöguna. Myndin sýnir einfaldað tilfelli. Sýndir eru litningar 5 gerða af veiru, sem eru ólíkir vegna 7 stökkbreytinga (litaðar línur). Þessir litningar mynda þá fimm ólíkar setraðir (e. haplotypes) sem einnig má kalla afbrigði. Sumar stökkbreytingar eru eldri (og finnast í tveimur eða fleiri gerðum), en aðrar yngri og finnast bara í einni gerð.

Ef veira greinist í einstaklingi sem ekki er vitað hvernig smitaðist, er hægt að raðgreina erfðamengi veirunnar og máta það við þær þúsundir erfðamengja sem nú[4] eru þekkt. Þannig var hægt að komast að því að hvaðan veirurnar sem bárust til Íslands komu. Smitið barst snemma með fólki sem kom frá Austurríki, en greinilegt var að það kom einnig frá nokkrum öðrum löndum.[5] Sama hugmynd var nýtt til að meta uppruna veirunnar sem veldur COVID-19. Samanburður á erfðamengi hennar við aðrar þekktar veirur sýna að skyldasta veiran (96% eins DNA-röð) finnst í leðurblökum. Það sannar ekki að veiran hafi borist þaðan. Mögulegt er að kórónuveira með 99,9% erfðasamsvörun sýki aðra tegund dýra.[6] Leðurblökur eru reyndar víðfrægar fyrir að vera suðupottur veira, sem berast í þær úr mörgum áttum. Samantekt

  • Afbrigði finnst innan margra tegunda lífvera.
  • Mismunandi er hvað kallað eru afbrigði.
  • Veiruafbrigði eru greind út frá breytileika í erfðaefni.
  • Veirur fjölga sér kynlaust og stökkbreytingar marka erfðaefni veira.
  • Breytileikinn gerir okkur kleift að meta smitleiðir og uppruna faraldra.

Tilvísanir:

  1. ^ „Rather than fearing mutation, perhaps it is now time to embrace it.“
  2. ^ Yinon M. Bar-On o.fl. (2020).
  3. ^ Sú tala mun örugglega hækka með fleiri raðgreindum erfðamengjum. En einnig er líklegt að um ofmat sé að ræða vegna þess að viðmiðunarsýnið er ófullkomið. Einhverjar breytingar hafa fundist hérlendis en ekki verið greindar erlendis vegna þess að forfeður eða skyldar veirur erlendis hafa ekki verið raðgreindar.
  4. ^ Þegar þetta er skrifað, 6. apríl 2020.
  5. ^ Daniel F. Gudbjartsson, o.fl. (2020).
  6. ^ Sjá svar við spurningunni Hvaðan kom COVID-19-veiran? (Sótt 07.04.2020).

Heimildir:

Myndir:

Spurningu Ara er hér svarað að hluta.

categories General biology, Vísindavefur - svör

Hvort er líklegra að veiran sem veldur COVID-19 verði hættulegri eða hættuminni fyrir menn vegna stökkbreytinga?

Arnar Pálsson, 15/04/2020

Arnar Pálsson. „Hvort er líklegra að veiran sem veldur COVID-19 verði hættulegri eða hættuminni fyrir menn vegna stökkbreytinga?“ Vísindavefurinn, 1. apríl 2020. Sótt 15. apríl 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79103.

Breytingar á erfðaefni leiða sjaldan til stökka í gerð eða hæfni lífvera[1] og flestar stökkbreytingar sem finnst í stofnum eru hlutlausar.[2] Stökkbreytingar sem skemma gen og draga úr hæfni eru kallaðar neikvæðar en þær sem auka hæfni lífveru á einhvern hátt eru kallaðar jákvæðar. Jákvæð breyting á veiru getur haft neikvæð áhrif fyrir hýsil hennar. Hlutlausar breytingar eru þær sem hafa engin áhrif á hæfni. Vísindamenn telja slíkar breytingar hins vegar mjög gagnlegar því þær nýtast til að rekja sögu stofna, tegunda og veira.

Lituð rafeindasmásjármynd af SARS-CoV-2-veirum.

Ef svo ólíklega vill til að þróunarlega jákvæð breyting verði í erfðaefni SARS-CoV-2 veirunnar sem veldur COVID-19, þá má spyrja hvort hún verði hættulegri við það? Umorða má spurninguna og spyrja: Hversu algengt er að veiran sem veldur COVID-19 stökkbreytist og geti við það orðið meira smitandi eða valdið alvarlegri sjúkdómum? Til þess að svara þessu þarf að skoða og skilja eftirfarandi:

  1. byggingu, lífsferil og erfðamengi veirunnar
  2. líkurnar á stökkbreytingum RNA-veira
  3. hversu líklegt það er að breyting sem er veirunni í hag valdi hættulegri sjúkdómi

Um fyrsta atriðið er það að segja að veirur þurfa á lifandi hýsilfrumum að halda til að eftirmynda erfðaefni sitt og fjölga sér. COVID-19 er með einþátta 29.903 basapara RNA-streng.[3] Erfðamengi veirunnar skráir fyrir nokkrum fjölprótínum og minni prótínum. Eitt af þessum prótínum er mjög mikilvægt en það er svokallað bindiprótín (e. spike protein[4]). Það er á ytra byrði veirunnar og tengist viðtökum á yfirborði hýsilfruma, nokkurn veginn eins og lykill gengur að skrá. Veiran nýtir sér þannig tengingu bindiprótína við tiltekna viðtaka til innrásar í hýsilfrumuna. Síðan tekur veiran yfir kerfi frumunnar og fjölfaldar bæði erfðaefni sitt og nauðsynleg prótín og myndar að endingu fjölda nýrra veiruagna. Þær geta svo ýmist sýkt aðrar frumur sama einstaklings (þegar sýkingin magnast inni í manni) eða sloppið út í umhverfið og borist í aðra einstaklinga.

Einföld skýringarmynd af veirunni SARS-CoV-2. Bindiprótínin eru á ytra byrði veirunnar. Þau tengjast viðtökum hýsilfrumunnar og þannig kemst veiran inn í hana.

Um atriði tvö er rétt að hafa í huga að veirur, eins og lífverur almennt, mótast af kröftum þróunar, svo sem stökkbreytingum og náttúrulegu vali. Stökkbreytingar, sem réttara væri að kalla erfðafrávik, eru náttúrulegt fyrirbæri. Stökkbreytitíðni veira er há, sérstaklega miðað við heilkjörnunga og flóknar lífverur.[5] Vísindamenn um allan heim hafa raðgreint erfðamengi COVID-19-veirunnar úr meira en 1.500 smituðum einstaklingum á innan við tveimur mánuðum. Gögnin eru aðgengileg öðrum vísindamönnum í opnum gagnagrunnum.[6] Með erfðamengjum og ættartré veira úr smituðum einstaklingum er hægt að telja breytingarnar í hverri veirukynslóð. Í náskyldu kórónuveirunni SARS-CoV-1 er til dæmis tíðni breytinga á hvert basapar í hverri kynslóð 0,8 til 2,4 × 10-3. Við hvert smit þeirrar veiru urðu að meðaltali 16 breytingar í 30.000 basapara erfðamengi hennar. Gögn sameindalíffræðingsins Peter Thielen við John Hopkins-háskólann í Baltimore og samstarfsmanna hans, sýna að stökkbreytitíðni COVID-19 er ef til vill ívið lægri. Við smit frá kínverskum einstaklingum til bandarískra urðu 4 til 10 breytingar í erfðamengi veirunnar.[7] Stökkbreytitíðni er mæld sem fjöldi stökkbreytinga á kynslóð og því gefur auga leið að fjöldi smita hefur áhrif. Með auknum fjölda smita eykst hættan á að jákvæð breyting verði í erfðaefni veirunnar. Ef aðeins 1000 manns smitast þýðir það 1000 möguleika fyrir stökkbreytingar með jákvæð áhrif á hæfni veirunnar. Ef milljón manns smitast aukast líkurnar á breytingum sem eru veirunni í hag. Rétt er hins vegar að hafa í huga að líkurnar á slíkum jákvæðum breytingum eru fjarska litlar til að byrja með. Þá er komið að þriðja atriðinu. Ef svo illa vill til að jákvæð breyting verði á veirunni, getum við þá spáð fyrir um áhrif hennar eða hvort hún muni leiða til þess að veiran verði okkur hættulegri? Tvær afleiðingar væru alvarlegastar. Í fyrsta lagi að veiran breytist og valdi alvarlegri sjúkdómi (til dæmis með hærri dánartíðni) og í öðru lagi að hún smitist betur manna á milli. Mjög ólíklegt er að stökkbreyting komi upp sem valdi hvoru tveggja, meira smiti og hættulegri einkennum. Jákvæðar breytingar á erfðaefni veiru geta aukið hæfni í gegnum marga ólíka þætti lífsferils hennar. Til dæmis með því að bæta hæfileika hennar til að bindast frumum, til að sýkja fleiri gerðir fruma, til að framleiða fleiri agnir áður en einkenni koma fram hjá hýsli (auka smitmöguleika), lifa lengur í umhverfinu eða við lægra rakastig, valda tilþrifameiri hnerraköstum (sem auka dreifingu), valda heiftarlegri sýkingu, sleppa undan ónæmiskerfi hýsla og svo mætti lengi telja. Mjög erfitt er að spá fyrir um hvaða afleiðingar breytingar sem þessar (ef þær verða) hjá COVID-19 myndu þýða fyrir menn.

Fá dæmi eru þekkt um að stökkbreytingar eða erfðafrávik í veirum geri þær hættulegri. Stökkbreytingar á erfðaefni veiru sem leiðir til bráðs andláts hýsils veldur til dæmis minni hæfni hennar samanborið við óstökkbreytta veiru.

Fá dæmi eru þekkt um að veira stökkbreytist yfir í verra og svæsnara form. Best skilgreinda dæmið er zíkaveiran. Í henni varð stökkbreyting sem jók sækni veirunnar í taugavefi manna þannig að hún olli meiri skaða. Almennt er það veirum ekki í hag að drepa hýsla sína. Stökkbreyting í veiru sem leiðir til bráðs andláts hýsils veldur minni hæfni hennar samanborið við óstökkbreytta veiru. Ástæðan er einfaldlega sú að við það það dregur úr sýkigetu veirunnar. Því er talið að eftir að veirur aðlagist að endingu hýslum sínum valdi þær mildari sýkingum. Hinar fjórar kórónuveirurnar[8] sem sýkja menn valda til dæmis allar mildari sjúkdómi en COVID-19 og líklegt verður að teljast að COVID-19 þróist í svipaða átt og þær. Á hinn bóginn verða veirur að viðhalda sýkimætti og tryggja dreifingu sína (með hnerrum, hóstum og nefrennsli), þannig að það er veirum í hag að valda einkennum hjá sjúklingum sem tryggja dreifigetu veiranna. Veiran sem veldur COVID-19 þróast í því umhverfi sem hún býr í. Umhverfi hennar er maðurinn og samfélag okkar árið 2020. Viðbrögð samfélaga við veirunni eru hluti af því umhverfi. Einn vinkill að auki, er sá að ónæmiskerfi okkar er leið til að verjast sýkingum og muna eftir þeim. En sýklar geta einnig þróast sem viðbragð við auknu ónæmi meðal hýsla, eins og þekkt er hjá kórónuveiru sem nefnist OC43 (HCoV-OC43). Hún veldur aðeins venjulegu kvefi. Samantekt

  • Stökkbreytingar eru í sjálfu sér ekki hættulegar.
  • Stökkbreytingar sem gera veiruna svæsnari eru ólíklegar.
  • Því lengur sem faraldurinn geisar því meiri líkur eru á breytingum sem eru veirunni í hag.
  • Breyting sem er jákvæð fyrir veiruna leiðir ekki endilega til alvarlegri sjúkdóms.
  • Fjórar aðrar kórónuveirur sýkja menn að staðaldri og leiða allar til mildari sjúkdóms.
  • Að endingu er búist við að þróun veirunnar sem veldur COVID-19 leiði til mildara forms hennar.

Tilvísanir:

  1. ^ Arnar Pálsson. Geta lífverur þróast í stökkum vegna stökkbreytinga? Vísindavefurinn, 5. mars 2020. (Sótt 30.03.2020).
  2. ^ Arnar Pálsson. Getur kórónuveiran sem veldur COVID-19 stökkbreyst og orðið hættulegri?Vísindavefurinn, 23. mars 2020. (Sótt 30.03.2020).
  3. ^ Arnar Pálsson. Hvaðan kom COVID-19-veiran? Vísindavefurinn, 16. mars 2020. (Sótt 30.03.2020).
  4. ^ Önnur íslensk þýðing á orðinu er broddprótín.
  5. ^ Arnar Pálsson. Stökkbreytast veirur hraðar en flóknar lífverur? Vísindavefurinn, 23. mars 2020. (Sótt 30.03.2020).
  6. ^ GenBank er dæmi um gagnagrunn sem var settur upp til að vísindamenn gætu samnýtt gögn. Hann og aðrir sambærilegir grunnar eru mjög mikilvægir fyrir samþættingu upplýsinga, öllu samfélagi manna til hagsbóta. Hugmyndafræði opinna vísinda hefur verið mjög mikilvæg í baráttunni við COVID-19.
  7. ^ Sjá frétt Scientists say the coronavirus is not mutating quickly and might respond to a single vaccine á MSN endursögð úr The Washington Post.
  8. ^ Hér er ekki átt við veirurnar SARS-CoV-1 og MERS-CoV sem stukku yfir í menn og ollu afmörkuðum faraldri en var síðan að mestu útrýmt.

Heimildir og myndir:

Myndir:

categories General biology, Vísindavefur - svör

Getur kórónuveiran sem veldur COVID-19 stökkbreyst og orðið hættulegri?

Arnar Pálsson, 15/04/2020

Arnar Pálsson. „Getur kórónuveiran sem veldur COVID-19 stökkbreyst og orðið hættulegri?“ Vísindavefurinn, 26. mars 2020. Sótt 15. apríl 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79040.

Í huga almennings eru stökkbreytingar oft tengdar við dramatískar breytingar og ofurkrafta. Persónur og ofurhetjur eins og Prófessor Xavier, Mystiqe/Raven og Caliban úr sögum og kvikmyndum um X-mennin eru allt dæmi um einstaklinga sem öðluðust sérstaka hæfileika vegna stökkbreytinga. Í raunveruleikanum eru stökkbreytingar yfirleitt mun vægari. Orðið stökkbreyting er því í raun misvísandi þar sem það gefur til kynna að róttækar breytingar verði á eiginleikum lífvera. Staðreyndin er sú að aðeins örlítill minnihluti breytinga á erfðaefni veldur stökkum í útliti, háttum eða hæfni lífvera.[1] Orðið erfðafrávik væri því mun betra nafn yfir þær breytingar sem verða á erfðaefni lífvera.

Margir ímynda sér að stökkbreytingar feli í sér róttækar breytingar á eiginleikum lífvera, eins og á við um í kvikmyndum um X-mennin. Flestar stökkbreytingar sem ná einhverri tíðni í stofni (meira en 0,1%) eru hlutlausar og hafa hvorki jákvæð né neikvæð áhrif á hæfni einstakling sem ber hana.

Tíðni stökkbreytinga er mismunandi eftir lífverum. Í hverri kynfrumu manna eru um 20 til 70 nýjar stökkbreytingar. Veirur stökkbreytast mun hraðar.[2] Meira máli skiptir að stökkbreytingar geta haft missterk áhrif á lífverur og hæfni þeirra. Þeim má skipta í þrjár gerðir með tilliti til áhrifa á hæfni, það er jákvæðar, neikvæðar eða hlutlausar. Hæfni er hér þróunarfræðilegt hugtak sem segir til um hlutfallslega getu einstaklinga í lífsbaráttunni, til dæmis til að fjölga sér, lifa af við erfiðar aðstæður eða sleppa frá afræningjum.[3] Aðeins örlítill minnihluti stökkbreytinga er jákvæður og eykur hæfni einstaklinga sem bera þær. Þessar stökkbreytingar geta aukið hæfni með því til dæmis að gera einstaklingum kleift að fjölga sér hraðar eða lifa lengur. Jákvætt náttúrulegt val mun leiða til þess að einstaklingum með slíkar jákvæðar stökkbreytingar fjölgar í tíðni á kostnað annara gerða. Að endingu getur jákvæða stökkbreytingin orðið allsráðandi, það er að segja allir einstaklingar í stofninum bera hana. Þannig þróast lífverur og verða betur aðlagaðar. Mun stærra hlutfall nýrra stökkbreytinga hefur neikvæð áhrif á hæfni, til dæmis með því að raska mikilvægum genum. Þessar breytingar ná aldrei mikilli tíðni í stofni vegna þess að þær draga til dæmis úr lífslíkum eða frjósemi einstaklinga og hreinsandi náttúrulegt val fjarlægir þær. Þriðja gerð stökkbreytinga eru hinar hlutlausu. Það þýðir að ný stökkbreyting hefur hvorki neikvæð né jákvæð áhrif á hæfni einstaklings sem ber hana. Flestar stökkbreytingar sem ná einhverri tíðni í stofni (meira en 0,1%) eru af þessari gerð. Slíkar breytingar geta náð umtalsverðri tíðni í stofni, og hluti þeirra nær 100% tíðni sem þýðir að allir einstaklingar eru arfhreinir um frávikið. Þessar breytingar eru kjarninn í sameindaklukkunni (e. molecular clock) sem er notuð til að meta hraða þróunar lífvera. Sameindaklukkuna má líka nota til að meta hraða þróunar veira eins og lífupplýsingafræðingurinn Trevor Bedford og samstarfsmenn hafa gert í rannsóknum á smitferli og þróun vesturnílarveirunnar, inflúensu og nú SARS-CoV-2 sem veldur sjúkdómnum COVID-19.

Upplýsingar um frávik í erfðaefni vesturnílarveiru, sem greindist fyrst í Vestur-Nílarhéraði í Úganda, sýna fjölbreytileika og smitleiðir á árabilinu 1998 og 2018. A. Ættartré raðgreindra veiru erfðamengja, litir sýna smit á svæðum. B. Smitleiðir tilfella sem bárust frá Bandaríkjunum til Mið- og Suður-Ameríku. Smellið á myndina til að sjá stærra eintak af henni.

Samantekt:

  • Stökkbreytingar geta haft jákvæð, neikvæð eða engin áhrif á þróunarfræðilega hæfni einstaklinga.
  • Það er frekar ólíklegt að stökkbreytingar leiði til þess að SARS-CoV-2-veiran verði hættulegri.
  • Ekki er ástæða til að hræðast stökkbreytingar í veirunni sérstaklega því flest erfðafrávik eru hlutlaus.
  • Nota má breytileika í erfðasamsetningu sýkla til að rekja smitleiðir í tíma og rúmi.

Tilvísanir:

  1. ^ Arnar Pálsson. Geta lífverur þróast í stökkum vegna stökkbreytinga? Vísindavefurinn, 5. mars 2020. (Sótt 25.03.2020).
  2. ^ Meðal annars vegna þess að samband er milli stærð erfðamengis og stökkbreytitíðni – sjá Stökkbreytast veirur hraðar en flóknar lífverur?
  3. ^ Einar Árnason. Hvernig urðu litlu frumurnar í sjónum að mönnum og dýrum? Vísindavefurinn, 10. febrúar 2000. (Sótt 25.03.2020).

Heimildir:

Myndir:

categories General biology, Vísindavefur - svör

(English) Videos from conference of Bioethics of clinical innovation and unproven methods, Copenhagen, 9 April 2019

Arnar Pálsson, 13/11/2019

Sorry this part has not been translated

categories General biology

Ný grein um bleikjuafbrigðin í Þingvallavatni

Arnar Pálsson, 24/09/2019
Háskóli Íslands

Hér á eftir fylgir fréttatilkynning sem við unnum með kynningardeild HÍ og var fjallað um í nokkrum íslenskum miðlum. Bendi fólki sérstaklega á viðtöl við Sigurð Snorrason í Bítinu á Bylgjunni - Vísbendingar um að bleikjuafbrigði í Þingvallavatni séu að þróast í nýjar tegundir og Sjónmáli á Rás 1 - rannsókn sýnir að erfðamunur er þremur á bleikjuafbrigðum í Þingvallavatni.

 

Ný rannsókn íslenskra vísindamanna leiðir í ljós að erfðamunur er á þremur afbrigðum bleikju í Þingvallavatni sem gæti verið vísbending um fyrstu stig myndunar nýrra tegunda. Sagt er frá niðurstöðum rannsóknarinnar í nýjustu útgáfu vísindatímaritsins Ecology and Evolution.

Frá því að ísaldarjökull lyftist af Íslandi og hörfaði af svæðinu við Þingvallavatn undir lok síðustu ísaldar, fyrir um 10-12 þúsund árum, og bleikja synti fyrst upp í vatnið hefur tegundin þróast í nokkur afbrigði sem eru ólík í útliti, stærð, atferli og lifnaðarháttum.

Menn hafa lengi vitað um þennan breytileika bleikjunnar í vatninu en fyrstur manna til að rannsaka hvers eðlis hann væri var Bjarni Sæmundsson um aldamótin 1900. Nokkru síðar átti Árni Friðriksson eftir að taka upp þráðinn. Báðir hylltust þeir að því að sum þessara afbrigða væru sérstakar tegundir. Á níunda áratugnum fóru í gang rannsóknir á bleikjunni þar sem áhersla var lögð á að veiða í öllum búsvæðum vatnsins og að ná sýnum af öllum aldurs- og stærðarhópum. Á grundvelli þessara rannsókna voru skilgreind fjögur mismunandi afbrigði bleikju í vatninu. Þau nefnast  murta, kuðungableikja, dvergbleikja og sílableikja og eru ólík hvað snertir litamynstur, sköpulag, vaxtarferla, stærð og aldur við kynþroska, og búsvæða- og fæðuval.

Ekki er óalgengt að afbrigði hafi myndast meðal ferskvatnsfiska á norðurslóðum og er þá oftast um að ræða tvö afbrigði sem nýta mismunandi fæðu og búsvæði. Nú eru í gangi fjöldi rannsókna sem miðar að því að kanna hvers eðlis slík afbrigði eru, þ.e.a.s. hvort um sé að ræða erfðafræðilegan aðskilnað eða að afbrigðin komi fram í hverri kynslóð sem svar við mismunandi umhverfisaðstæðum í uppvexti. Á breiðari grundvelli snúa þessar rannsóknir einnig að því varpa ljósi á ferli aðlögunar að nýjum umhverfisaðstæðum og þátt slíkrar aðlögunar í myndun afbrigða og tegunda. Slíkar rannsóknir eru því mikilvægar í ljósi þeirra hröðu umhverfisbreytinga sem nú eiga sér stað.

Framfarir á sviði sameindalíffræði hafa á allra síðustu árum opnað alveg nýjar leiðir til að nálgast spurningar um aðlögun og myndun afbrigða og tegunda. Í rannsókn vísindamannanna, sem sagt er frá í Ecology and Evoloution, var rýnt í erfðaefni þriggja afbrigðanna, murtu, kuðungableikju og dvergbleikju, með það fyrir augum að kanna erfðabreytileika milli þeirra og reyna að komast að því hvaða gen og þroskunarferlar tengjast þróun mismundandi afbrigða. Beitt var aðferðum sameindaerfðafræði, sérstaklega aðferðum sem þar sem skoðuð eru afrit af tugþúsundum gena í hverju sýni. Þannig er hægt að skoða hvenær á þroskaskeiði viss gen eru virk og í hvaða vefjum. Einnig er hægt að skoða erfðabreytileika milli einstaklinga, í þessu tilfelli milli afbrigðanna þriggja af bleikju.

 

Þrjú afbrigði bleikjunnar verið erfðafræðilega aðskilin í fjölda kynslóða

Rannsóknin leiddi í ljós að murtan, kuðungableikjan og dvergbleikjan eru erfðafræðilega aðskilin og virðast hafa verið það í fjölda kynslóða. Munurinn á afbrigðunum birtist t.d. í því að tiltekin stökkbreyting í erfðaefninu er algengari í einu afbrigði en öðru. Af þeim um 20.000 stökkbreytingum sem greindar voru í rannsókninni sýndu rúmlega 2.000 umtalsverðan mun á milli afbrigðanna. Þessar stökkbreytingar fundust á öllum litningum bleikjunnar, sem bendir til að afbrigðin hafi verið aðskilin í umtalsverðan tíma. Önnur gögn sýna enn fremur að sílableikjan, fjórða afbrigðið, aðgreinist ekki jafn skýrt og hin þrjú. Henni svipar helst til murtu en takmarkanir gagnanna koma í veg fyrir sterkar ályktanir. Nánari rannsóknir gætu skýrt hvort sílableikjur séu einfaldlega murtur sem læra að borða hornsíli eða hvort þær séu mjög nýlegt afbrigði með vægan erfðafræðilegan aðskilnað frá murtunni.

Rannsóknin sýndi einnig að dvergbleikjan og kuðungableikjan eru skyldari hvor annari en murtan fjarskyldari, sem að sögn vísindamannanna endurspeglar vistfræði þeirra, en bæði kuðungableikja og dvergableikja hafast við og nærast á smádýrum á strandbotni Þingvallavatns en murta lifir á sviflægum krabbadýrum í vatnsbolnum.

 

 

Framfarir á sviði sameindalíffræði hafa á allra síðustu árum opnað alveg nýjar leiðir til að nálgast spurningar um aðlögun og myndun afbrigða og tegunda. Í rannsókn vísindamannanna, sem sagt er frá í Ecology and Evoloution, var rýnt í erfðaefni þriggja afbrigðanna, murtu, kuðungableikju og dvergbleikju, með það fyrir augum að kanna erfðabreytileika milli þeirra og reyna að komast að því hvaða gen og þroskunarferlar tengjast þróun mismundandi afbrigða.

Háskóli Íslands

 

 

Myndun tegunda tekur skemmri tíma en áður var talið

Vísindamannahópurinn ályktar að með hliðsjón af erfðamuninum, sem fram kemur í rannsókninni, og öðrum þáttum gæti verið um fyrstu stig myndunar tegunda að ræða. Tegundir myndast þegar stofn ákveðinnar lífveru klofnar upp í tvo eða fleiri hópa, oftast eftir landfræðilegan aðskilnað en jafnvel einnig vegna sérhæfingar að ólíkum búsvæðum innan sama svæðis, t.d. vatns eða vatnakerfis. Þegar hóparnir hafa tekið miklum breytingum yfir margar kynslóðir, í útliti, lifnaðarháttum og erfðasamsetningu, getur ólíkur hrygningartími eða mismunur á mökunaratferli komið í veg fyrir að afbrigði æxlist saman og jafnvel þótt einhver brögð séu að því þá getur verið að blendingsafkvæmi, sem þannig eru komin til, séu ólíklegri til að lifa af og ná að geta af sér afkvæmi. Sé þetta raunin er talað um að hóparnir séu orðnir aðskildir.

Lengi var talið að myndun tegunda tæki árþúsundir eða milljónir ára en nýlegar rannsóknir sýna að stofnar lífvera geta þróast mjög hratt og þessi rannsókn bendir til þess að þeir geti jafnvel aðskilist í ólíkar gerðir innan sama vatnakerfis á tiltölulega stuttum tíma. Hversu lengi bleikjuafbrigðin í Þingvallavatni standast tímans tönn er óvisst en full ástæða er til að hafa áhyggjur ýmsum hraðfara breytingum á umhverfinu eins og hækkandi hitastigi.

Fjölbreytni lífríkisins hefur heillað mannkyn frá örófi alda en með aðferðum nútímavísinda er mögulegt að rannsaka uppsprettur þessarar fjölbreytni og kraftana sem skapa hana og móta. Það hve lífríki Íslands er tiltölulega ungt og landfræðilega einangrað býður upp á einstök tækifæri til að rannsaka fyrstu skref í myndun líffræðilegs fjölbreytileika, þróun afbrigða og tegunda.

Að rannsókninni stendur hópur vísindmanna við Háskóla Íslands og Hafrannsóknastofnun auk fyrrverandi nemenda Háskólans. Fyrsti höfundur greinarinnar er Jóhannes Guðbrandsson, starfsmaður Hafrannsóknastofnunar, sem nýverið lauk doktorsprófi frá Háskóla Íslands. Auk hans koma þau Kalina H. Kapralova , Sigurður S. Snorrason, Arnar Pálsson, Zophonías O. Jónsson, Sigríður R. Franzdóttir, sem öll starfa við Líf- og umhverfisvísindadeild Háskóla Íslands, að rannsókninni ásamt Þóru Margréti Bergsveinsdóttur, nema við Uppsalaháskóla, og Völundi Hafstað, nema við Háskólann í Lundi.

Rannsóknina má nálgast á vefnum

Við þetta má bæta a einn aðstandandi rannsóknarinnar, Kalina H. Kapralova, vann í samvinnu við meistaranemann Edite Fiskoviča stutta heimildamynd um æxlun bleikjunnar í Þingvallavatni. Myndina má finna á YouTube.

Mynd af bleikjum í vatni tók Quentin Horta og mynd af bátafólki tók Arnar Pálsson.

categories Pistlar um vísindi, General biology

(English) Útdauði tegunda og blinda okkar á hægar breytingar

Arnar Pálsson, 11/03/2019

Sorry this part has not been translated

categories Pistlar um vísindi, General biology

(English) Bioethics of clinical innovation and unproven methods Copenhagen, 9 April 2019

Arnar Pálsson, 07/02/2019

Sorry this part has not been translated

categories General biology

(English) Talk in Holar. Evolution of developmental variation, rapid divergence, plasticity and cryptic genetic variation

Arnar Pálsson, 29/11/2018

Sorry this part has not been translated

categories General biology

Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?

Arnar Pálsson, 03/04/2018

Með bættum aðferðum til að greina erfðabreytileika manna á milli og betri líkönum í stofnerfðafræði hefur möguleikinn á að svara spurningu eins og þessari aukist mikið. Með því að nota sameindagreiningar má finna hvaða litningar og hlutar þeirra koma frá föður, móður, öfum, ömmum og fjarskyldari forfeðrum.

Arnar Pálsson. „Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?“ Vísindavefurinn, 21. mars 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=75186.

Margir núlifandi Íslendingar geta rakið ættir sínar til Egils Skallagrímssonar. En hversu mörg gen fengu þeir í raun frá honum? Við fáum helming gena okkar frá hvoru foreldri. Því leggur amma barnabarni til 1/4 gena, langamma 1/8, langlangamma 1/16 og svona má halda áfram aftur í ættir. Ef við gerum ráð fyrir 40 kynslóðum frá Agli til nútímaafkomenda hans er framlagið 1/1.000.000.000.000. Miðað við að erfðamengi okkar er 6.400.000.000 basar (á tvílitna formi), er ljóst að flestir afkomendur Egils fengu ekki einn einasta basa frá honum!

Með sama hætti má reikna út til dæmis framlag pólska stjörnufræðingsins Kópernikusar (1473-1543) til núlifandi afkomenda hans. Með hliðsjón af erfðum og miðað við 20 kynslóðir þeirra á milli er 1 milljónasti hluti erfðaefnis afkomandans frá Kópernikusi kominn.

En ef við förum stutt aftur í ættir lítur dæmið öðruvísi út. Frá hverri langalangömmu fáum við til dæmis 6,25% af erfðaefni okkar. Það er alvöru framlag. Um 1280 gen af þeim 20.500 sem finnast í erfðamengi okkar, komu frá langalangömmu okkar.

erfdaframlag_stor_090218

Erfðaframlag til afkvæmis, rakið einn ættlegg. Á x-ás eru forfeður stúlkunar teiknaðir og á y-ás erfðaframlag sem hún fær frá hverri formóður á ættleggnum.

Rétt er að taka fram að allar tölurnar hér að ofan eru meðaltöl og öruggt að sumir afkomendur fengu meira erfðaefni frá hverjum forföður og aðrir minna. Ástæðan er sú að stokkun litninga er óregluleg, atburðirnir (endurröðun) sem klippa þá sundur og raða þeim saman aftur eru ekki það margir í hverri kynslóð. Þannig erfast stórir partar af litningum saman í gegnum margar kynslóðir. Af því leiðir að flestir afkomendur Kópernikusar fengu ekkert, en aðrir meira af DNA frá honum.

Stofnerfðafræðingurinn Graham Coop hefur reiknað líkurnar á því að við fáum erfðaefni frá forfeðrum okkar. Eins og sést á seinni myndinni í svarinu er framlag langalangömmu og hennar kynslóðar töluvert, en þegar komið er nokkrum kynslóðum ofar verða áhrif breytileika í endurröðun meiri og líkurnar á að við erfum einhver gen frá forfeðrum okkar dvína hratt. Minni en 50% líkur eru á að forfeður í 9. lið hafi gefið okkur eitt einasta gen og við 14. kynslóð eru líkurnar orðnar minni en 5%.

En framlagið hækkar vitanlega ef forfaðirinn (til dæmis langalangamman í dæminu að ofan) kemur tvisvar eða oftar fyrir í ættartré einstaklings. Og því ofar sem við klifrum í ættartréð, því meiri verða líkurnar á að greinarnar falli saman. Samruni í ættartrjám er ansi algengur og getur af sér forvitnileg mynstur.

Meginniðurstöður:

  • Einstaklingar frá helming gena sinna frá hvoru foreldri.
  • Einstaklingar fá fjórðung gena sinna frá hverri ömmu og afa.
  • Einstaklingar fá sífellt minna erfðaframlag frá forfeðrum þegar klifrað er ofar í ættartréð.
  • Stokkun litninga veldur mikilli dreifni í erfðaframlagi hvers forföðurs ofar í ættartrénu.

Heimildir og mynd:

categories General biology, Vísindavefur - svör