Arnar Pálsson, Jón Magnús Jóhannesson og Jón Gunnar Þorsteinsson. „Hvað eru til margar kórónuveirur sem sýkja menn og dugar ónæmi gegn einni þeirra fyrir hinum?“ Vísindavefurinn, 30. apríl 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79323.

Kórónuveirur eru fjölskylda veira sem nefnast á ensku 'coronaviruses'. Heitið er dregið af því að yfirborðsprótín veiranna minna á kórónu eða sólkrónu, sem er ysti hjúpur sólarinnar. Fyrsta kórónuveiran greindist árið 1937. Hún veldur berkjubólgu í fuglum en sýkir ekki menn. COVID-19 orsakast af kórónuveirunni SARS-CoV-2. Fjölskylda kórónuveira inniheldur sjö veirur sem sýkja menn. Auk veirunnar sem veldur COVID-19 tilheyra fjórar „kvefkórónuveirur“ fjölskyldunni og síðan tvær sem valda alvarlegum sjúkdómi í mönnum: SARS-kórónuveira (e. severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV) og MERS-kórónuveira (e. Middle-East respiratory syndrome, MERS-CoV).

Kórónuveirur sem sýkja menn voru fyrst greindar um miðjan sjöunda áratug 20. aldar. Hér sést rafeindasmásjármynd af kórónuveirum sem nefnast 229E.

SARS kom fyrst fram árið 2002 og olli faraldri á árunum 2003-2004, með samtals 8.422 tilfellum í 26 löndum og 774 dauðsföllum. MERS greindist fyrst árið 2012 í Sádi-Arabíu og hefur frá þeim tíma valdið mörgum litlum faröldrum og stökum tilfellum, með yfir 2.500 greind tilfelli og yfir 850 dauðsföllum. „Kvefkórónuveirurnar“ fjórar greindust fyrst um miðjan sjöunda áratug 20. aldar og eru eftirfarandi::

• 229E (alfa-kórónuveira)
• NL63 (alfa-kórónuveira)
• OC43 (beta-kórónuveira)
• HKU1 (beta-kórónuveira)

Staðhæfingin sem spyrjandi vísar til, í upprunalegu spurningunni um að „að ónæmisminni sem myndast vegna einnar gerðar kórónuveiru mun ekki verja okkur gegn sýkingu annarrar gerðar kórónuveiru“, á við þessar fjórar ólíku gerðir.^[1] Erfðaefni þessara fjögurra gerða „kvefkórónuveira“ er mjög ólíkt erfðaefni SARS-CoV-2. Þær eru í raun jafn ólíkar og mismunandi tegundir dýra. Þó að ónæmiskerfi okkar hafi ráðið niðurlögum einnar gerðar af þeim, veitir það líklega enga vörn ef við sýkjumst af öðrum gerðum kórónuveira. Þegar SARS-CoV-2 greindist sem orsakavaldur COVID-19 var strax farið að greina skyldleika veirunnar við aðrar veirur. Þá kom í ljós að af veirum sem sýkja menn er hún skyldust SARS-CoV en sú allra skyldasta er kórónuveira sem fannst fyrir nokkrum árum í vissri tegund leðurblaka. Þá vaknar eðlilega spurningin um hvort ónæmi gegn SARS veiti einhverja vörn gegn COVID-19. Það væri svokallað krossónæmi. Sumir sýklar eru það líkir í vissum þáttum að ónæmi sem myndast vegna eins myndar einhvers konar ónæmi gegn hinum. Margt er óunnið í rannsóknum á þessu en það sem hingað til hefur verið gert, bendir til þess að eitthvað krossónæmi, þó takmarkað, geti átt sér stað milli SARS og COVID-19. Ekki er talið líklegt, hins vegar, að krossónæmi sé til staðar fyrir MERS, enda er munurinn á MERS-CoV og SARS-CoV-2 talsverður.

Ef sterkt krossónæmi myndaðist milli SARS og COVID-19 mundi aðeins lítill hópur einstaklinga njóta góðs af því. Ekki er talið líklegt að krossónæmi sé til staðar fyrir MERS, enda er munurinn á MERS-CoV og SARS-CoV-2 talsverður. Myndin er lituð rafeindasmásjármynd af MERS-CoV.

Hafa ber í huga að meira að segja ef sterkt krossónæmi myndaðist milli SARS og COVID-19 mundi aðeins lítill hópur einstaklinga njóta góðs af því - engin tilfelli SARS hafa greinst frá 2004, svo fjöldi ónæmra hleypur á nokkur þúsund. Þannig mundi þetta ekki hafa marktæk áhrif á dreifingu eða birtingarmynd COVID-19. Tilvísun:

1. ^ Vísindavefurinn: Er hægt að smitast tvisvar af COVID-19? (Sótt 28.04.2020).

Heimildir:

• CDC. Coronavirus | Human Coronavirus Types. (Sótt 28.04.2020).
• Murphy, Frederick A. (2020). The Foundations of Virology, 2. útgáfa, American Society for Virology. Aðgengileg hér: International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV). (Sótt 12.03.2020).
• Ou, X. o.fl. (2020). Characterization of spike glycoprotein of SARS-CoV-2 on virus entry and its immune cross-reactivity with SARS-CoV. Nature communications, 11(1), 1620. (Sótt 29.04.2020).
• WHO. Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS). (Sótt 29.04.2020).
• WHO. Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). (Sótt 29.04.2020).

Myndir:

• Murphy, Frederick A. (2020). The Foundations of Virology, 2. útgáfa, American Society for Virology, bls. 370.
• MERS-CoV | Colorized transmission electron micrograph of the… | Flickr. (Sótt 29.04.2020).

Upprunaleg spurning Bjarna var í löngu máli og hér er hluta hennar svarað:

Er hjarðónæmi eða bólusetning óraunhæf vörn vegna fjölda stökkbreytinga? Ef sá sem myndar ónæmi fyrir einni útgáfu af veirunni sem veldur COVID-19 vantar þá ekki enn vörn fyrir 569 stökkbreyttum útgáfum? Miðað við að Íslensk erfðagreining hefur hingað til samkvæmt Kára skilgreint 570 stökkbreytt afbrigði af SARS-CoV-2? Þá vísa ég líka til þess sem segir í öðru svari á Vísindavefnum: "Mikilvægt er þó að taka fram að ónæmisminni sem myndast vegna einnar gerðar kórónuveiru mun ekki verja okkur gegn sýkingu annarrar gerðar kórónuveiru." Sjá svar við spurningunni: Er hægt að smitast tvisvar af COVID-19?.

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:

• Grubaugh, N. D., Petrone, M. E. og Holmes, E. C. (2020). We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks. Nature Microbiology 5, 529–530. (Sótt 07.04.2020).
• Bedford, T. o.fl. (2020). Cryptic transmission of SARS-CoV-2 in Washington State. MedRxiv. Birt á netinu 6. apríl 2020. Athugið handritið er ekki ritrýnt og getur innihaldið villur eða rangfærslur. (Sótt 07.04.2020).
• Kór­ónu­veir­an hef­ur stökk­breyst. Mbl.is 04.03.2020. (Sótt 07.04.2020).
• 8 strains of the coronavirus are circling the globe. Here's what clues they're giving scientists. USA TODAY 31.03.2020. (Sótt 07.04.2020).
• Mynd 1. Arnar Pálsson. Birt undir CC BY-NC 2.0 leyfi.
• Mynd 2. Mynd úr handriti T. Bedford og félaga, sjá heimild hér fyrir ofan.

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:

• Nathan D. Grubaugh, Mary E. Petrone og Edward C. Holmes. (2020). We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks. Nature Microbiology 5, 529–530. (Sótt 07.04.2020).
• Daniel F. Gudbjartsson, o.fl. (2020). Early Spread of SARS-Cov-2 in the Icelandic Population. MedRxiv. Athugið að handritið er ekki ritrýnt og getur því innihaldið villur eða rangfærslur. (Sótt 07.04.2020).
• Chantal B.F. Vogels o.fl. (2020). Analytical sensitivity and efficiency comparisons of SARS-COV-2 qRT-PCR assays. MedRxiv. Athugið að handritið er ekki ritrýnt og getur því innihaldið villur eða rangfærslur. (Sótt 07.04.2020).
• Hafa greint 40 séríslenskar stökkbreytingar af kórónaveirunni. Fréttablaðið, 23. mars 2020. (Sótt 07.04.2020).
• Yinon M. Bar-On, Avi Flamholz, Rob Phillips og Ron Milon. (2020). SARS-CoV-2 (COVID-19) by the numbers. eLife, 31. mars. (Sótt 07.04.2020).

Myndir:

• Mynd 1: Why are RNA virus mutation rates so damn high? (Sótt 18.03.2020). Íslenskur texti settur inn af ritstjórn Vísindavefsins.
• Mynd 2: Arnar Pálsson. Birt undir leyfinu CC BY-NC 2.0.

Spurningu Ara er hér svarað að hluta.

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:

• Grubaugh, N.D., o.fl. (2020). We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks. Nature Microbiolgy 5, 529–530. (Sótt 30.03.2020).
• Ren, L., o.fl. (2015). Genetic drift of human coronavirus OC43 spike gene during adaptive evolution. Scientific Reports 5, 11451 (Sótt 30.03.2020).
• Yuan, L., o.fl. (2017). A single mutation in the prM protein of Zika virus contributes to fetal microcephaly. Science. 17.11.2017: 358 (6365), 933-936. (Sótt 30.03.2020)
• Kupferschmidt, K. (2020). ‘A completely new culture of doing research.’ Coronavirus outbreak changes how scientists communicate. Science, 26.02.2020. (Sótt 30.03.2020).

Myndir:

• Novel Coronavirus SARS-CoV-2 | This transmission electron mi… | Flickr. (Sótt 31.03.2020).
• 3D medical animation still shot showing coronavirus structure - Scientific Animations. (Sótt 31.03.2020).
• DNA Origami by Alex Bateman @alexbateman1 @sangerinstitute… | Flickr. (Sótt 31.03.2020). Myndin er birt undir leyfinu Creative Commons — Attribution 2.0 Generic — CC BY 2.0.

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.

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:

• Grubaugh ND, Petrone ME og Holmes EC (2020) We shouldn’t worry when a virus mutates during disease outbreaks. Nature Microbiology, 5, bls. 529–530, 18. febrúar. (Sótt 25.03.2020).
• Hadfield J, Brito AF, Swetnam DM, Vogels CBF, Tokarz RE, Andersen KG, o.fl. (2019) Twenty years of West Nile virus spread and evolution in the Americas visualized by Nextstrain. PLoS Pathog 15(10). (Sótt 25.03.2020).
• Arnar Pálsson. Geta lífverur þróast í stökkum vegna stökkbreytinga? Vísindavefurinn, 5. mars 2020. (Sótt 25.03.2020).
• Guðmundur Eggertsson. Af hverju verða stökkbreytingar? Vísindavefurinn, 13. ágsút 2003. (Sótt 25.03.2020).
• Einar Árnason. Hvernig urðu litlu frumurnar í sjónum að mönnum og dýrum? Vísindavefurinn, 10. febrúar 2000. (Sótt 25.03.2020)

Myndir:

• X-Men chronological movie order: Watch the films in order. (Sótt 26.03.2020).
• Hadfield J, Brito AF, Swetnam DM, Vogels CBF, Tokarz RE, Andersen KG, o.fl. (2019) Twenty years of West Nile virus spread and evolution in the Americas visualized by Nextstrain. PLoS Pathog 15(10). (Sótt 25.03.2020).

Erfðamengi veira er lítið, það getur verið frá rúmlega þúsund bösum upp í um milljón basa. Til samanburðar eru um 6,5 milljarðar basa í hverri frumu manna. Stökkbreytihraði erfðaefnis er í öfugu hlutfalli við stærð erfðamengja, þannig að minni erfðamengi stökkbreytast örar. Fjallað er meira um þetta í svari við spurningunni Stökkbreytast veirur hraðar en flóknar lífverur? Árið 2020 hafa margir eðlilegar áhyggjur af kórónuveirunni sem veldur sjúkdómnum COVID-19 sem orðinn er að heimsfaraldri. Kórónuveirur eru með RNA-erfðaefni, á formi einsþátta RNA-sameindar, ólíkt DNA sem er tvíþátta kjarnsýra. Einsþátta kjarnsýrur eru mun berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum og stökkbreytast þess vegna hraðar. Stökkbreytingar á veirum geta breytt eiginleikum þeirra, til að mynda ytri byggingu, fjölgunargetu og stöðugleika. Breytingar á ytri byggingu geta til dæmis gert veiru kleift að sleppa undan vöktun ónæmiskerfa fjölfruma dýra.

Lituð rafeindasmásjármynd af SARS-CoV-2-veirum sem valda sjúkdómnum COVID-19. Kórónuveirur eru með RNA-erfðaefni sem er einsþátta ólíkt DNA sem er tvíþátta.

Því er eðlilegt að velta fyrir sér hver stökkbreytihraði veirunnar SARS-CoV-2 sem veldur COVID-19 sé, og hvort hann sé hærri en hjá öðrum RNA-veirum? Ef þessi veira stökkbreytist hraðar en aðrar RNA-veirur sem við þekkjum, ættum við þá að hafa meiri áhyggjur? Vísindamenn eru enn að að meta stökkbreytihraðann hjá SARS-CoV-2, en rannsókn Zhao og félaga frá árinu 2004 á hinni náskyldu veiru SARS-CoV-1, greindi hraða hennar sem 0,8 til 2,4 × 10^-3. Samanburður við aðrar RNA-veirur sýnir að ólíklegt er að kórónuveirur, þeirra á meðal SARS-CoV-2, hafi hærri stökkbreytihraða en aðrar RNA-veirur. Það er því ekki ástæða til að óttast SARS-CoV-2-veiruna vegna þess að hún stökkbreytist hraðar en aðrar veirur. Hér fyrir neðan er tafla sem sýnir stökkbreytihraða í fjórum gerðum af RNA-veirum. Taflan er þýdd og aðlöguð frá Zhao og félögum 2004. Í þeirri grein er einnig að finna vísanir í frumheimildir sem meta stökkbreytihraðann.

Samantekt:

• RNA er með hærri stökkbreytitíðni en DNA
• Kórónuveirur hafa einsþátta RNA erfðaefni.
• Stökkbreytitíðni kórónuveira er svipuð og annara RNA-veira

Heimildir:

• Duffy S. (2018) Why are RNA virus mutation rates so damn high? PLoS Biology 16(8): e3000003. doi: 10.1371/journal.pbio.300000. (Sótt 18.03.2020).
• Xue Y, Wang Q, Long Q, Ng BL, Swerdlow H, Burton J, Skuce C, Taylor R, Abdellah Z, Zhao Y; Asan, MacArthur DG, Quail MA, Carter NP, Yang H, Tyler-Smith C. (2009) Human Y Chromosome Base-Substitution Mutation Rate Measured by Direct Sequencing in a Deep-Rooting Pedigree - ScienceDirect. Current Biology. 19(17):1453-7. doi: 10.1016/j.cub.2009.07.032. (Sótt 18.03.2020).
• Schrider DR, Houle D, Lynch M, Hahn MW. (2013) Rates and Genomic Consequences of Spontaneous Mutational Events in Drosophila melanogaster. Genetics. 194(4):937-54. doi: 10.1534/genetics.113.151670. (Sótt 18.03.2020).
• Zhao Z, Li H, Wu X, Zhong Y, Zhang K, Zhang YP, Boerwinkle E, Fu YX. (2004) Moderate mutation rate in the SARS coronavirus genome and its implications. BMC Evolutionary Biology. 28;4:21.

Mynd:

• File:SARS-CoV-2 49534865371.jpg - Wikipedia. (Sótt 19.03.2020).

Langri spurningu Davíðs S. er hér svarað að hluta.

Öll spurningin hljóðaði svona:

Eru stökkbreytingar hraðari hjá veirum sem hafa fá gen, en hjá flóknari lífverum með fleiri gen?

Erfðaefni flytur upplýsingar um byggingu og eiginleika lífvera milli kynslóða. Mikill munur er á stærð erfðamengja ólíkra lífvera og forma. Laukar hafa 30 milljarða basa í hverri frumu og menn um 6,5 milljarða. Ávaxtaflugur hafa hins vegar aðeins 360 milljónir basa og hver kólíbaktería er með um 5 milljónir basa.^[1] Veirur eru með mun minni erfðamengi, frá rúmlega þúsund bösum upp í hundruði þúsunda eða jafnvel rúmlega milljón basa. Svo eru það veirungarnir (e. viroids), aðeins nokkur hundruð basa löng fyrirbæri sem valda meðal annars sumum plöntusjúkdómum og lifrarbólgu af gerð D. Stökkbreytihraði erfðaefnis er ólíkur milli hópa lífvera. Hann er mældur í fjölda stökkbreytinga á hvern basa í erfðamenginu í hverri kynslóð. Stökkbreytihraði í erfðamengi mannsins er um 7,0 til 8,9 × 10^-9, en aðeins lægri í erfðamengi ávaxtaflugna, eða 5,10 til 5,90 × 10^-9. Samanburður sýnir að stökkbreytihraðinn er í öfugu hlutfalli við stærð erfðamengja. Þannig að í minni erfðamengjum er hærri stökkbreytihraði. Svarið við spurningunni er því já, einfaldar verur eru með hærri stökkbreytitíðni en flóknari lífverur.^[2]

Stökkbreytihraði er mjög ólíkur milli hópa og sýnir neikvætt samband við stærð erfðamengja. Á myndinni sjást ólíkar veirur og lífverur. Frá vinstri, veirungur, síðan þrjár ólíkar gerðir veira, bakteríur og loks mús.

Ástæðan fyrir muninum er fjölþætt. Dýr, plöntur, sveppir og örverur nota DNA sem erfðaefni. Veirur nota annað hvort DNA eða RNA sem erfðaefni. DNA og RNA hafa mismunandi stökkbreytihraða. Í fyrsta lagi er RNA óstöðugari kjarnsýra en DNA, vegna efnafræðilegrar byggingar keðjunnar. Í öðru lagi er DNA yfirleitt á tvíþátta formi í lífverum^[3] á meðan erfðaefni sumra veira er á einsþátta formi. Einsþátta kjarnsýrur eru berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum. Afleiðingin er munur á stökkbreytitíðni milli flókinna lífvera og einfaldari forma, til að mynda veira.

Samanburður á tvíþátta DNA og einþátta RNA. RNA er einsþátta kjarnsýra en þær eru berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum.

Samantekt:

• Veirur eru með lítil erfðamengi
• RNA hefur hærri stökkbreytitíðni en DNA
• Lífverur með stór erfðamengi hafa lægri stökkbreytitíðni en verur með einfaldari mengi

Tilvísanir:

1. ^ Þessar tölur miða við tvílitna frumur. Einlitna erfðamengi manna er um 3,2 milljarðar basa og einlitna mengi lauks 15,9 milljarðar basa.
2. ^ Vegna þess að stökkbreytingar eru flestar skaðlegar, er ályktunin sú að erfðamengi geta einungis stækkað í lífverum sem geta lækkað stökkbreytihraðann. Flóknar lífverur búa yfir mismunandi kerfum sem verja kjarnsýrur. DNA-viðgerðarkerfi, litur í húð, efnasambönd og prótínflókar hjálpa við að vernda DNA fyrir geislun og efnafræðilegum stökkbreytivöldum.
3. ^ Nema rétt á meðan verið er að eftirmynda erfðaefnið eða umrita genin.

Heimildir:

• Duffy S. (2018) Why are RNA virus mutation rates so damn high? PLoS Biology 16(8): e3000003. doi: 10.1371/journal.pbio.300000. (Sótt 18.03.2020).
• Xue Y, Wang Q, Long Q, Ng BL, Swerdlow H, Burton J, Skuce C, Taylor R, Abdellah Z, Zhao Y; Asan, MacArthur DG, Quail MA, Carter NP, Yang H, Tyler-Smith C. (2009) Human Y Chromosome Base-Substitution Mutation Rate Measured by Direct Sequencing in a Deep-Rooting Pedigree - ScienceDirect. Current Biology. 19(17):1453-7. doi: 10.1016/j.cub.2009.07.032. (Sótt 18.03.2020).
• Schrider DR, Houle D, Lynch M, Hahn MW. (2013) Rates and Genomic Consequences of Spontaneous Mutational Events in Drosophila melanogaster. Genetics. 194(4):937-54. doi: 10.1534/genetics.113.151670. (Sótt 18.03.2020).
• Zhao Z, Li H, Wu X, Zhong Y, Zhang K, Zhang YP, Boerwinkle E, Fu YX. (2004) Moderate mutation rate in the SARS coronavirus genome and its implications. BMC Evolutionary Biology. 28;4:21.

Myndir:

• Why are RNA virus mutation rates so damn high? (Sótt 18.03.2020). Íslenskur texti settur inn af ritstjórn Vísindavefsins.
• Difference DNA RNA-EN.svg. Íslenskur texti settur inn af ritstjórn Vísindavefsins. Birt undir leyfinu CC BY-SA 3.0. (Sótt 18.03.2020).

Með því að skoða erfðamengi kórónaveirunnar sem veldur COVID-19 í fólki er hægt að varpa ljósi á uppruna hennar.^[1] Sýkingin var fyrst greind í Wuhan-borg í Kína í desember 2019 en nú er vitað að veiran var farin að sýkja einstaklinga í borginni um miðjan nóvember. Í grein sem birtist í lok janúar 2020 reyna kínverskir vísindamenn að svara spurningunni um hvaðan veiran hafi komið. Þeir tóku sýni úr lungnavökva níu sýktra einstaklinga og notuðu einnig einangraðar veirur og framkvæmdu svonefnda heilraðgreiningu á erfðaefni úr sýnunum. Síðan voru lífupplýsingafræðilegar aðferðir notaðar til að raða saman bútum í tölvu og áætla þannig erfðamengi veiranna. Veiran reyndist hafa 29.903 basapara langt einsþátta RNA-erfðamengi. Allir einstaklingarnir voru sýktir af sömu gerð veirunnar sem sést á því að raðirnar eru 99,9% eins. Aðeins örfá frávik voru í erfðamenginu milli sýna. Með því að raða erfðamengjum veiranna og bera saman við aðrar kórónaveirur er hægt að meta skyldleika þeirra og setja fram tilgátur um uppruna COVID-19 veirunnar. Tegundir með sameiginlegan uppruna eru líkari í byggingu eða erfðasamsetningu en fjarskyldari tegundir. Það gerir mögulegt að meta þróunartré tegunda og einnig veira. Erfðagögnum úr sjúklingunum níu og nokkrum tugum annarra kórónaveira var raðað saman og þróunartré metið.

Þróunarskyldleiki COVID-19 (SARS-CoV-2) er mestur við raðir veira sem fundist hafa í leðurblökum. SARS-veiran (SARS-CoV) sem geisaði 2002/2003 er af öðrum meiði. Bygging erfðamengja veiranna er áþekk, nema meðal gena sem eru á 3’-enda litningsins. Myndin er fengin úr grein Xiaowei Li og félaga (2020).

Þróunartréð sýnir að COVID-19 veirurnar eru skyldastar veirum sem fundist hafa í leðurblökum. Raðirnar úr COVID-19 einstaklingunum eru 96,3% eins og leðurblökuveira sem kallast á fræðimáli BatCoV-RaTG13. Það staðfestir grun veirufræðinga um að veirurnar hafi stokkið á milli hýsla. Slíkt er þekkt, til að mynda bárust HIV- og zíkaveirurnar úr öðrum tegundum yfir í menn. Á síðustu tveimur áratugum hafa tvær kórónaveirur stokkið yfir í menn, SARS-CoV og MERS-CoV. Líklega gerðist það vegna dráps og neyslu á villtum dýrum. Gögnin sýna skýrt að nýja veiran hefur aðra erfðasamsetningu en bæði SARS og MERS og það staðfestir að um nýja sýkingu er að ræða. Í þessu samhengi er full ástæða til að minna á að sú árátta fólks að drepa og éta villt dýr er kveikjan að COVID-19 farsóttinni. Neysla kjöts af húsdýrum hefur ekki sömu hættu í för með sér, enda sóttvarnir yfirleitt góðar í landbúnaði. Ef fólk hefði hlustað á málflutning veirufræðinga og náttúruverndarsinna sem hafa bent á hættuna af slíkri iðju, væri mannkynið ekki í þessari stöðu.

Hér er sýnd röð genanna í þremur veirum, SARS, MERS og COVID-19 (SARS-CoV-2). Greina má mun á genasamsetningu milli veirugerðanna. Myndin er fengin úr grein Xiaowei Li og félaga (2020).

Þó að COVID-19 veiran sé skyldust veirum sem finnast í leðurblökum er ekki víst að um beint smit milli þessara tegunda sé að ræða. Mögulegt er að veirurnar hafi borist í menn úr enn annarri tegund. Þeirri spurningu verður hins vegar ekki svarað fyrr en búið er að kanna veirusýkingar í fleiri villtum tegundum. Frá því að fyrstu erfðaupplýsingar um veiruna urðu aðgengilegar hafa vísindamenn unnið hörðum höndum að því að þróa nýjar aðferðir til að greina hana og meta erfðamengi veira í sýktum einstaklingum. Hið síðara nýtist sérstaklega til að rekja smitleiðir og framvindu faraldursins.

Samantekt.

• COVID-19 veiran barst úr annarri tegund yfir í menn.
• Líklega gerðist það vegna neyslu á kjöti af villtum dýrum.
• COVID-19 hefur aðra erfðasamsetningu en SARS- og MERS-veirurnar.
• Greina má erfðamengi veiranna til að meta skyldleika þeirra við aðrar tegundir, og rekja smitleiðir meðal manna.

Tilvísun:

1. ^ Fræðiheiti veirunnar er SARS-CoV-2 og sjúkdómurinn sem hún veldur heitir COVID-19. Í upplýsingagjöf Alþjóðaheilbrigðismálastofnunarinnar til almennings er yfirleitt notað orðalagið „veiran sem veldur COVID-19“ eða „COVID-19 veiran“. Sjá hér: Naming the coronavirus disease (COVID-19) and the virus that causes it. (Sótt 16.03.2020).

Heimild og myndir:

• Molecular immune pathogenesis and diagnosis of COVID-19 - ScienceDirect. (Sótt 16.03.2020).

Upprunalega spurningin var: Hvaðan byrjaði kórónaveiran?

Upprunalega spurningin hljóðaði svona:

Talað er um lífverur sem stökkbreytast með tíð og tíma eftir því hvað stökkbreytingin er hentug hverjum stað fyrir sig. Hvað tekur eiginlega langan tíma fyrir lífverur að stökkbreytast eða þróast, eru það áratugir, hundruðir, þúsundir eða miljón ár?

Stökkbreytingar eru hráefni þróunar lífvera, þær eru frávik sem verða í erfðaefni lífvera en leiða ekki endilega til stökka í útliti þeirra eða eiginleikum. Stökkbreytingar geta breytt ákveðnum stöðum í genum eða jafnvel byggingu eða samsetningu litninga. Þetta er hliðstætt því að sumar villur í bókum eru einfaldar stafsetningarvillur (samanber hestur eða gestur) á meðan aðrar verða þegar kjölurinn rofnar og kaflar fara á flakk. Íslenska orðið stökkbreyting er á vissan hátt misvísandi. Sannarlega hafa sumar stökkbreytingar mikil áhrif á eiginleika lífvera en flestar eru minniháttar. Sterkar breytingar, eins og þær sem breyta sléttri baun í hrukkótta, vængjaðri flugu í vænglausa og augnlit úr brúnum í bláan, voru viðfangsefni Gregors Mendel (1822 –1884), Thomas H. Morgan (1866 –1945) og annarra frumkvöðla erfðafræðinnar. Því var í fyrstu talið að breytingar á erfðaefni hefðu sterk og skýr áhrif^[1]. Sú hugmynd var endanlega kveðin í kútinn af bandaríska erfðafræðingnum Martin Kreitman árið 1983. Hann skoðaði fyrstur manna breytileika í röð ákveðins gens (Adh í ávaxtaflugum) og fann margfalt meiri breytileika en búast mátti við út frá eiginleikum ávaxtaflugnanna sem rannsakaðar voru. Rannsókn Kreitmans var gerð möguleg með framförum í sameindaerfðafræði sem nokkrum áratugum síðar leiddu til þess að heilu erfðamengin voru raðgreind.

Thomas H. Morgan rannsakaði frávik í formi ávaxtaflugna. Villigerðar kvenfluga a) og b) karlfluga, og karlfluga arfhrein um galla í vestigial geninu c).

Erfðamengi tegunda eru misstór, einlitna erfðamengi ávaxtaflugu er um það bil 180 milljónir basa, einlitna mengi H. sapiens er 3,2 milljarðar basa, furur eru með mengi upp á 15,9 milljarða basa^[2]. Niðurstöður rannsókna hafa sýnt að í erfðamengjum lífvera eru milljónir eða tugmilljónir stökkbreytinga en flestar þeirra hafa næstum engin áhrif á eiginleika lífveranna^[3]. Það er staðreynd að enginn einstaklingur af mannkyni er laus við stökkbreytingar, ekki frekar en aðrar lífverur. En geta stökkbreytingar látið lífverur þróast í stökkum? Þróun lífvera verður vegna breytinga á erfðasamsetningu stofna yfir margar kynslóðir, til dæmis þegar þeir lagast að breyttum aðstæðum. Erfðabreytileikinn er forsenda þróunar. En til að nýjar gerðir veljist úr þurfa þær að vera betri en gerðirnar sem eru fyrir (náttúrulegt val). Flestar stökkbreytingar með sterk áhrif á svipfarið eru skaðlegar, þær skerða vöxt, þroska, starfsemi lykillíffæra eða annara kerfa. Erfðafræðingurinn Richard Goldschmitt (1878 – 1958) hafði samt mikla trú á því að breytingar með sterk áhrif gætu hraðað þróun og kallaði slík dýr „hopeful monster“, sem mætti útleggja sem efnilegt skrímsli, eins og við tölum um efnilegt ungmenni á íslensku. Samkvæmt hugmynd hans áttu stökkbreytingar sem bjuggu til slík efnileg skrímsli, til dæmis tilbrigði liðdýrs með fætur sem breyttust í munnparta, að auðvelda róttækar breytingar á formi lífvera. Hann taldi ákaflega ólíklegt að finna liðdýr með hálfan fót og hálfan munnpart því slík lífvera væri örugglega minna hæf en villigerðin. Hún væri verr aðlöguð og myndi því nær örugglega deyja út. Slíkir dalir aðlögunar eru vel þekktir í þróunarfræði (mynd hér fyrir neðan). Tilgáta hans var að efnileg skrímsli gætu gert þróuninni kleift að komast yfir dali aðlögunar og að nýja formið gæti jafnvel verið jafn hæft eða hæfara en foreldra gerðin.

Hópar geta verið vel aðlagaðir umhverfi sínu, til dæmis vegna þess að lífverurnar eru með góða samsetningareiginleika (hæð, stærð, hlaupageta, veiðitennur). Slík tegund er álitin sitja á aðlögunartoppi (A), á meðan tegund með aðra samsetningu eiginleika er kannski á öðrum toppi (B). Hópur með blöndu af eiginleikum tveggja tegunda lendir í dalnum milli aðlögunartoppa og mun farnast illa í lífsbaráttunni (líklega deyja út).

Náttúrulegt val þarf margra kynslóðir til að ný gerð verði allsráðandi. Tegundir eru samsettar af stórum stofnum og nýjar gerðir eru alltaf sjaldgæfar í upphafi sama hversu miklu hæfari sem þær reynast en meðaleinstaklingurinn. Í tilfelli efnilegra skrímsla tæki einhverjar kynslóðir að festa nýjar gerðir í stofninum því liðdýr með nýja munnparta væri hæfara en gerðin án þeirra. Tilgáta Goldschmitts er vissulega heillandi en sá er galli á gjöf Njarðar að rannsóknir á þróun lífvera í náttúrunni hafa ekki fundið dæmi um efnileg skrímsli sem hafi auðveldað þróunina. Þróun á sér sífellt stað, í hverri einustu kynslóð breytist erfðasamsetning og eiginleikar stofna. Hraði þróunar ákveðinna einkenna veltur á nokkrum þáttum. Hversu algengt er afbrigðið í upphafi, sem náttúrulega er valið fyrir? Hversu sterk eru áhrif á hæfni, það er að segja eykur samsætan hæfni um 1% eða 15%? Hversu stöðugur er valþrýstingurinn?^[4] Þróun sumra eiginleika og tegunda hefur verið fjarska hröð (10-100 kynslóðir) á meðan aðrar þróast mun hægar eða að því er virðist ekki breytast neitt í 100 milljón ár, til dæmis bláfiskur. Andstætt hugmynd Goldschmitts virðist þróun gerast í litlum skrefum, til dæmis að goggar ákveðinnar finkutegundar minnka um 0,1 mm með hverri kynslóð. Þótt sannarlega séu dæmi um aðlögun tegunda vegna stökkbreytinga sem hafa sterk áhrif flokkast þau ekki sem efnileg skrímsli. Eitt þekktasta dæmið um stökkbreytingu með sterk áhrif er samsæta gensins cortex sem gerir vængi fetans Biston betularia dökka í stað ljósa á litinn. Með iðnvæðingunni í Bretlandi huldust ljósir trjástofnar sóti sem olli því að einstaklingar með dökkleitu samsætuna urðu hæfari en þeir með ljósu samsætuna. Tíðni hennar óx mjög hratt á nokkrum áratugum á þarsíðustu öld, uns dökkleitir fetar urðu allsráðandi. Þótt litabreytileikinn í fetanum sé afgerandi telst hann samt ekki efnilegt skrímsli. Bróðurpartur þeirra dæma sem rannsökuð hafa verið benda til þess að margir erfðaþættir, hver um sig með væg áhrif á hæfni, liggi til grundvallar aðlögunar og þróunar lífvera. Slíkar breytingar taka fjarska langan tíma, þúsundir eða hundruðir þúsunda kynslóða. Það er tími sem við hinir óþolinmóðu menn eigum fjarska erfitt með að skilja.

Hér má sjá bæði dökkt og ljóst afbrigði af fetanum Biston betularia sem er þekktasta dæmið um hraðar þróunarbreytingar. Fyrir iðnvæðingu var ljósa afbrigðið alls ráðandi en sótugir trjástofnar sköpuðu hagstæðari skilyrði fyrir dökka afbrigðið. Minna sót á seinni tímum hefur aftur gefið ljósa afbrigðinu tækifæri.

Samantekt

• Stökkbreytingar valda ekki endilega stökkum á útliti dýra eða lífvera
• Aðeins lítill hluti stökkbreytinga hefur áhrif á svipgerð eða hæfni einstaklinga.
• Þróun telst hröð ef hún tekur innan við 100 kynslóðir. Algengara er að þróun taki þúsundir eða jafnvel milljónir kynslóða
• Náttúrulegt val vinnur með margrar stökkbreytingar sem hver hefur yfirleitt lítil áhrif á hæfni.

Tilvísanir:

1. ^ Francis Galton hafði reyndar áttað sig á að hæð einstaklinga var nátengd meðalhæð foreldra þeirra, og aðrir í kjölfarið lögðu grunn að fræðigrein sem fjallar um eiginleika sem eru undir áhrifum umhverfis, tilviljunar og fjölda erfðaþátta, sem hver um sig hefur væg áhrif.
2. ^ Reyndar eru erfðamengi einstaklinga einnig ólík af stærð, ekki eru allir breiðnefir með jafn mikið erfðaefni. Og eins og glöggir lesendur geta ef til vill ímyndað sér eru eintökin sem við fáum af til dæmis litningi 1 frá móður og föður mislöng.
3. ^ Stökkbreytingar sem engin áhrif hafa á starfsemi eða hæfni lífvera eru kallaðar hlutlausar (e. neutral).
4. ^ Það getur komið fyrir að valið sé fyrir stórum fuglum í 100 kynslóðir, en litlum fuglum næstu 50 kynslóðir þar á eftir.

Heimildir, frekari fróðleikur og myndir:

• Einar Árnason. (2000, 9. mars). Hver var fyrsta lífveran á jörðinni? Vísindavefurinn.
• Guðmundur Eggertsson. (2003, 13. ágúst). Af hverju verða stökkbreytingar? Vísindavefurinn.
• Jón Már Halldórsson. (2011, 17. maí). Hvers konar fiskar eru bláfiskar? Vísindavefurinn.
• Kreitman, M. (1983). Nucleotide polymorphism at the alcohol dehydrogenase locus of Drosophila melanogaster. Nature. 304 (5925): 412–417.
• Hof, A., Campagne, P., Rigden, D. o.fl. (2016). The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element. Nature 534, 102–105.
• MYnd af flugum: Samsett úr myndum af Wikipedia Commons: Morgan1919_female.png (PNG Image, 1024 × 1384 pixels) - Scaled (52%), Morgan1919_male.png (PNG Image, 1024 × 1384 pixels) - Scaled (52%), Critique_of_the_Theory_of_Evolution_Fig_005.jpg (JPEG Image, 644 × 538 pixels). (Settar saman af ritstjórn Vísindavefsins, sóttar 26.2.2020).
• Fitness-landscape-cartoon-vector.svg - Wikimedia Commons. (Sótt 17.2.2020.)
• Lichte en zwarte versie berkenspanner.jpg. (Sótt 17.2.2020).

Sorry this part has not been translated