Složitá jednoduchost virů
| 3. 5. 2021Viry jsou nepatrné a na poměry živého světa jednoduché. Přesto dovedou ovládnout a paralyzovat nejen hostitelský organismus, ale jak právě v přímém přenosu sledujeme, i celou lidskou společnost. Čím vyspělejší nástroje a techniky k jejich výzkumu máme, tím více pronikáme do složité sítě vztahů mezi viry a jejich hostiteli. Místo tradičního rozhovoru redakce s odborníkem tentokrát nabízíme dialog virologů dvou generací a odlišných specializací, Ivana Hirsche a Pavla Plevky. Jak se virologie proměnila od doby, kdy s ní Ivan Hirsch začínal?
Ivan Hirsch — Na mládí vzpomínám rád, ale když jsem začínal, neznali jsme ještě extrakci DNA fenol-chloroformem, nebyly agarózové gely, restrikční endonukleázy, sekvenování, nebyla bioinformatika… Co člověk mohl dělat? Dnes bych řekl, že nic. Že se bez těch novějších nástrojů nedalo hnout z místa. A přesto se v té době dělaly báječné experimenty.
Pavel Plevka — O tom mluví výrok o obtížnosti pokusů. Jednoduché pokusy už byly udělané. Ale byly udělané v době, kdy byly složité.
IH — Je to tak. Pracovalo se s tím, co bylo k dispozici. Vyrůstal jsem v prostředí strukturní virologie, ale potom jsem se z Viničné dostal do ÚSOL (viz rámeček Výzkum a výroba sér a vakcín v Československu v článku Od Jennera po Karikó) k panu profesorovi – tehdy vlastně ještě doktoru – Vonkovi (Vesmír 99, 392, 2020/7). A u něj jsem se od strukturní virologie vzdálil a přeorientoval jsem se na otázku, jak virus vlastně způsobuje nemoc. Zajímá mě ta džungle interakcí mezi virem a hostitelským organismem. Úplně do ní nevidíme, ale přitahuje mě, že jsem blíže člověku.
PP — Mě u struktury drží její jednoduchost. Viry jsou sice v mnoha ohledech komplexní, ale jejich částice jsou úžasně jednoduché. Vidíme na nich, kde jsou jednotlivé atomy, což v biologii v podstatě znamená, že na této úrovni už nezůstává žádné tajemství. Pracovat s takto jednoduchým systémem je pro mne komfortní – mohu mít pocit, že mu rozumím. A zároveň nám umožňuje interpretovat řadu pozorování učiněných na buňkách. A s tím souvisí posun, ke kterému dochází v mém výzkumu.
Začínal jsem jako krystalograf, určovali jsme izolované virové struktury. Ale před pár lety proběhla ve strukturní biologii revoluce spojená s nástupem kryo-elektronové mikroskopie. Krystalografii jsem už téměř zapomněl, používáme ji výjimečně. Kryo-elektronová mikroskopie nám umožňuje studovat mnohem komplexnější struktury. V poslední době začíná být dostupná i možnost pozorovat viry přímo v buňce (s. 280). Takže se přibližuji k buněčné biologii, která je velmi komplexní. A jakmile se budeme bavit o patogenezi virového onemocnění, dostaneme se na další úroveň složitosti. Na úroveň celého organismu a jeho imunitního systému, vrozené i adaptivní imunity. Taková složitost je nad úrovní mého výzkumného zájmu. Obdivuji molekulární biology, kteří do tohoto komplexního světa vstupují. Strukturní biologie může na jejich výsledky navázat a ukazovat molekulární detaily makromolekulárních interakcí, třeba viru s receptorem, nebo replikačních procesů v buňce.
IH — Já myslím, že to nejde úplně oddělit. Velmi dobře si uvědomuji, že stojím na ramenou strukturních biologů. Bez vás bychom se při hledání odpovědí na otázky, které si klademe, nikam nepohnuli. Ke strukturní biologii mám velikou úctu, považuji ji za takovou pravdu pravd. Ale ta pravda mě nevtahuje k sobě dovnitř. Jsem spokojený, když mi strukturní biolog řekne, jak přesně nějaký detail vypadá, a já s tím mohu pracovat. Patogeneze a interakce s imunitním systémem jsou skutečně hrozně komplexní a vidíme do nich jen velmi špatně. Ale to mě na tom právě přitahuje.
PP — Pozoruji, že vývoj kariéry je v biologii delší než v jiných přírodních vědách. Což s tou komplexitou souvisí. Virologovi nestačí načíst virologické články. Musí dobře pochopit i molekulární biologii buňky. A chce-li postoupit na úroveň celého organismu, jde to ještě dál. Takže ve výsledku se člověk věnuje jedné skupině virů pomocí různých přístupů a změny studovaného tématu nejsou v biologii tak časté jako v chemii nebo ve fyzice.
IH — Je to přesně tak. Když jsem tehdy odešel z Přírodovědecké fakulty ve Viničné ulici k Vladimíru Vonkovi, přeskakovali jsme často od jednoho viru k druhému a byly to velmi bolestné změny. Člověk mohl zahodit celý adresář spolupracovníků i obrovskou část literatury. Bylo náročné hledat na úrovni patogeneze styčné body mezi různými viry. Získal jsem šíři znalostí, ale ztratil hloubku. Každý tematický posun v kariéře je na dlouhé lokte. Ve Francii jsem nejprve studoval replikaci HIV, tehdy se o tom skoro nic nevědělo. Až když přišly účinné léky, především zásluhou Antonína Holého a poté Raymonda Schinaziho, začala být zajímavá a významná latence, tedy schopnost HIV zabudovat svou genetickou informaci do genomu hostitelské buňky a umlčet přitom svou expresi (Vesmír 96, 398, 2017/7). Do té doby byla latence na okraji zájmu, zabývalo se jí pár laboratoří, „protože na latenci přece pacienti neumírají“. Ale po zavedení účinné léčby jsme najednou stáli před problémem, že pacienty umíme léčit, ale ne vyléčit. Koncept výzkumu se úplně změnil a já musel dát za pravdu Janu Svobodovi (Vesmír 96, 394, 2017/7), který mě k zájmu o latenci ponoukal už dlouho předtím. Věnoval jsem se jí pak dlouhé roky, vlastně až dodnes. Potom jsem učinil ještě jeden přeskok, k hepatitidě C. Ale to už jsem neměnil základní přístup, stále mě zajímala patogeneze.
PP — Virus hepatitidy C je plný tajemství. Když jsem působil ve Spojených státech, studovali jsme flaviviry, k nimž je tento virus přičleňován, i když si myslím, že se od nich dost liší. Studium jeho struktury je extrémně složité, protože produkce virových částic je velmi nízká. I když byly publikovány nějaké obrázky z elektronového mikroskopu, nejsem si vůbec jist, že na nich jsou skutečně virové částice. Spíše to budou kontaminace, membránové váčky. Spolupracovali jsme s jednou laboratoří, která nám posílala vzorky, a já je připravoval pro pozorování v elektronovém mikroskopu. A nikdy jsem sám sebe nedokázal přesvědčit, že skutečně vidím virus.
IH — Ono se myslím doteď neví, kolik buněk v játrech je infikovaných. Není jasné, kolik z virů je opravdu infekčních a kolik defektní partikule. Jinak na játrech mě fascinuje, že je to přirozeně imunotolerantní orgán. Proti zbytkům potravy, která se v játrech tráví, nemůžeme vyvolávat příliš silnou imunologickou reakci. Viry toho využívají, takže jich v játrech nacházíme mnoho. Vypadají různě, replikují se různě, jsou mezi nimi RNA viry, klasické DNA viry, hepadnaviry…, a jejich přítomnost nakonec vyvolává zánět. Aniž by samy jaterní buňky poškozovaly, vedou k nějaké míře hepatitidy.
Vezměme si třeba virus hepatitidy B (HBV). V játrech vytváří velmi nepřehlednou situaci. Pozorujeme čisté exozomy,1) které v sobě nesou různý náklad. Dále exozomy a mimobuněčné váčky, které na svém povrchu nesou povrchový antigen HBV, takže představují jakýsi hybrid mezi exozomem a virionem. Pak tam máme viriony, které v sobě mají buď kruhovou DNA, nebo lineární RNA. Když se pak podíváme na virový lyzát, všechno tohle se v něm nachází a není jasné, jak se jednotlivé typy částic podílejí na patogenezi. Játra přímo nepoškozuje žádná forma viru, to dělá až imunitní systém, který na přítomnost viru reaguje. Hrozně rádi bychom jednotlivé formy virových částic od sebe oddělili, ale neumíme to. Zde je naprosto zásadní role strukturní biologie, která se v tomto případě přímo dotýká patogeneze. Bez její pomoci bychom vůbec nedokázali pochopit, co se v játrech děje.
PP — Ano, to je problém komplexity vzorku. Mnohé studie ukázaly, že řada neobalených virů se z buněk uvolňuje v exozomech. A to jim umožňuje šířit se a infikovat i buňky, které pro ně nemají receptor. Je to opět úroveň komplexity, kterou jsme na izolovaných částicích nemohli pozorovat. Dokud jsme využívali krystalografii, museli jsme vzorek vyčistit a krystalizovat, kryo-elektronová mikroskopie nám nově umožňuje pracovat s komplexnějším vzorkem.
Z diskusí s lidmi, kteří pracují na přípravě vakcín, mám pocit, že viry v exozomech moc vážně neberou. Argumentují tím, že vakcína připravená z neobalených částic může být téměř stoprocentně účinná, takže mají pochybnosti o tom, jakou roli viry v exozomech hrají. Já si ale myslím, že pro patogenezi onemocnění mohou být důležité. Právě proto, že pomocí exozomů infikují jiné typy buněk, mohou přispívat k sebepoškození organismu jeho vlastním imunitním systémem, který na infekci reaguje.
IH — V literatuře o hepatitidě A se píše, že obsah exozomů představuje hlavní infekční frakci a je také hlavním spouštěčem imunitní odpovědi. Zatímco nahé viry jsou vlastně jen jakýmsi druhem defektní partikule. Sám se zabývám hepatitidou B, což je jiná situace, protože to je obalený virus. Jak jsem říkal, exozomy a viriony se nám od sebe špatně oddělují, protože jsou stejně velké. Kladu si otázku, jak potom virus udrží svůj tropismus. Proč virus v exozomu neztratí svou afinitu k hepatocytům? Musí to být dáno nějakou strukturální determinantou. Myslím si, ale je to čirá spekulace, že exozom nebo mimobuněčný váček putuje z buňky, ve které proběhla jeho biogeneze, jen na krátkou vzdálenost a vstupuje parakrinním mechanismem do přilehlé buňky stejného orgánu. Samotný virus se může dostat dál, ale jeho infektivita je omezena na buněčné typy, které pro něj mají receptor. Exozom by sice jiné buňky mohly pohltit, ale ten se tak daleko nedostane.
PP — Myslím, že velkou roli může hrát skutečnost, že okolní buňky exozomy rády „požírají“. Je to forma mezibuněčné komunikace. Pokud exozomy na svém povrchu nesou specifické proteiny konkrétního buněčného typu, z něhož vznikly, budou k nim mít buňky stejného typu velkou afinitu, protože takové buňky spolu běžně interagují. Takže vychytávání exozomů může skutečně probíhat především lokálně a tropismus se takto může udržovat.
Ale vrátil bych se ještě k složitosti biologických systémů, protože to s tím souvisí. Dokud jsme vše měli ve zkumavce a věděli jsme, s jakými komponenty pracujeme, mohli jsme naše výsledky interpretovat poměrně snadno. Studium virů v buňce je proti tomu složité. Vidíme, že virus s něčím interaguje, nebo podle změn ve struktuře buňky víme, že aktivuje nějaké signální dráhy. Množství možných vlivů je obrovské, což značně omezuje naši schopnost interpretovat, co se vlastně v buňce děje. Musíme více navazovat na molekulárněbiologické studie, abychom měli alespoň přibližnou představu, na co se zaměřit. Ukazuje se, že do budoucna budeme muset nasbírat obrovské množství dat, abychom se v buněčných procesech nějakým způsobem vyznali. Pomohou nám algoritmy schopné klasifikovat molekuly a jejich interakce. Pak se opět budeme moci dobrat typicky strukturně biologických závěrů.
„Už v době, kdy existovala pouze sebereplikující se RNA, mohly existovat parazitické replikony, které neměly schopnost se samy množit a zneužívaly ke své replikaci jiné RNA.“
IH — Ano, je zapotřebí rozhodnout se, co je podstatné, abychom se v té nekonečné složitosti neztratili. Učinit takové rozhodnutí je koncepčně obtížné. Nejprve se třeba budeme ptát, zda virus bude buňku zabíjet nebo nějak metabolicky měnit. Při vývoji vakcín jsou ale důležité jiné otázky. Abychom složitý systém dokázali zkoumat, musíme být redukcionisty. Někteří biologové se s tím nedokážou smířit a kladou důraz na komplexitu. Sám mezi oběma přístupy ve své kariéře neustále osciluji. V jádru jsem redukcionista. Ale zabývám se patogenezí, v níž vše souvisí se vším, což mě přitahuje k té komplexitě, které se bez redukcionismu nedá zcela porozumět.
PP — Tady nastupuje pragmatismus. Pokud chceme dosáhnout nějakého pokroku, musíme si zvolit priority a soustředit se na to, co je pro nás nejdůležitější. Názorně jsme to viděli nyní při vývoji vakcín proti covidu-19. Za necelý rok vznikla a byla otestována řada funkčních vakcín. Bylo to možné díky předchozím zkušenostem – vědělo se, co by mohlo fungovat a jak vakcíny připravit. Podařilo se to, přestože naše chápání imunitního systému a jeho interakcí s koronavirem není zdaleka úplné.
IH — Ano, je to obdivuhodný úspěch redukcionismu a pragmatismu.
PP — Bavíme se tu dva virologové, tak snad mohu sebevědomě říct, že virologie historicky v některých oblastech udávala směr výzkumu. Pomáhala i buněčné biologii tím, že viry jsou jednoduché systémy, které se dají snadněji uchopit a pochopit. Řada buněčných mechanismů byla objevena na virech, které je také využívají. Viry jsou relativně velké částice a v buňce nám mohou posloužit jako taková značka. Buňka je plná různých proteinů, o jejichž roli nevíme a ani je nedokážeme rozpoznat. Když virus vstupuje do buňky, můžeme ho sledovat. Pak se z něj uvolní genom, další děje jsou pro strukturní biology neviditelné až do chvíle, kdy se začnou tvořit nové virové částice. Dál už je to pro nás zase zajímavé, protože můžeme sledovat, jaké buněčné struktury s viriony interagují, a tím se o nich něco dozvědět.
IH — Mluvili jsme o tom, že neobalené viry nemusejí být až tak nahé, že jsou často zahalené v materiálu extracelulárního váčku. Ale mnoho základních objevů bylo učiněno právě při výzkumu nahých virů. I v tom je síla redukcionismu. Je třeba vybrat z komplexního systému něco jednoduššího, co se dá dobře izolovat, purifikovat a díky tomu dobře zkoumat. Příkladem je replikace viru SV40, která pomohla pochopit replikaci DNA v eukaryotní buňce. Základní objevy byly učiněny na něčem, co je velmi redukcionistické.
PP — Je důležité být si vědom, v jakých mezích naše závěry platí. Což není vždy snadné. Když studujeme jeden virus, měli bychom se snažit zjistit něco obecněji platného. Aby si z našeho článku odnesl něco užitečného i člověk, který se zabývá jiným virem. Ale každé takové zobecnění má své hranice. Redukcionismus může být nebezpečný, pokud tyto hranice nebudeme hlídat a budeme naše poznatky extrapolovat daleko za ně.
—
Vesmír — Ani jeden z vás není specialista na koronaviry, ale situaci kolem covidu-19 sledujete. O čem v souvislosti s ním z hlediska svého oboru nyní přemýšlíte?
PP — Přemýšlím o evolučním potenciálu toho viru. Nezabývám se sice evoluční biologií, ale protože zjevně ještě dlouho budeme žít v pandemické situaci, tak mne to začíná hodně zajímat. Nešťastným příkladem je brazilské město Manaus. Jeho populace prošla infekcí, dosáhla skupinové imunity, ale asi pět měsíců poté vznikla nová varianta, která se tam dokázala rozšířit. Znovu zažili kolaps zdravotnictví. Nikdo nečekal, že by se situace mohla takto dramaticky zopakovat, navíc ve městě s relativně mladou populací. Je otázka, kolikrát se to ještě může stát. U některých virů známe jen několik variant. Třeba poliovirus má jen tři. Zdá se, že se mu nikdy nepodařilo najít další volnou niku pro čtvrtou.
IH — Já si to sám pro sebe rozdělil na dvě otázky. Ta první se týká rychlosti šíření viru. Můžeme očekávat nějakou mutaci, která jeho šíření ještě zrychlí? A druhá otázka – jak moc se může změnit jeho schopnost unikat imunitní odpovědi, aniž by ztratil svou fitness? Celkem dobře můžeme sledovat schopnost nových variant uniknout před protilátkami. Ale moc nevíme o potenciální schopnosti unikat buněčné imunitě.
PP — Souhlasím, aspekt buněčné imunity je důležitý. Předpokládám, že virus bude mít mnohem menší prostor k mutacím v nestrukturních proteinech, které zajišťují jeho replikaci nebo ovládnutí infikované buňky. A to nám dává naději, že přirozená imunita dokáže infekci eliminovat a zabránit vzniku dalších variant.
IH — Bylo by skvělé, kdyby to vedlo k vývoji nějaké univerzální vakcíny.
PP — Přesně tak.
IH — Není to zatím publikováno v žurnálech, ve kterých probíhá standardní oponentské řízení, ale snad to vypadá, že by imunitní odpověď proti novým variantám mohla mít širší záběr. Až se populace proočkuje a také žel bohu promoří, uvidíme, kam virus ještě dokáže unikat.
—
Vesmír — Je už jasné, jak viry vlastně vznikly?
IH — Evoluce virů není můj obor, ale je to fascinující téma. Různé skupiny virů se musely diverzifikovat velice časně, mají-li tedy vůbec společného předka. Teď se to dá konečně studovat, protože máme přístup k bankám sekvencí. Někdy se studentům říká, že viry jsou takoví zlodějíčci, kteří svým hostitelům kdeco ukradnou. To je pravda, ale základ, který dělá virus virem, je velice specifický a starobylý. Kapsida každého viru je jiná, těžko hledat homologie. S tím souvisí, že asi nikdy nebudeme mít univerzální antivirotikum. Širokospektrální antibiotika pokrývají větší skupiny bakterií, protože tyto bakterie částečně prošly společnou evolucí. Naopak papilomaviry jsou úplně jiné než virus chřipky nebo poliovirus, právě kvůli tomu evolučnímu stáří.
PP — O původu virů existuje několik hypotéz. Je možné, že se vyvinuly z LUCA, tedy z posledního univerzálního společného předka (viz např. Vesmír 89, 53, 2010/1). Nějaké buňky se zjednodušovaly, až se z nich stal virus. Také je možné, že v buněčném genomu existoval nějaký replikující se element, který pak získal obal a dokázal se šířit mezi buňkami. Ale viry mohly vzniknout už před LUCA, dokonce mohou být starší než buněčný život. Na začátku byl pravděpodobně svět RNA, pak svět RNA a proteinů, teprve potom se zřejmě objevila DNA. A už v době, kdy existovala pouze sebereplikující se RNA, mohly existovat parazitické replikony, které neměly schopnost se samy množit a zneužívaly ke své replikaci jiné RNA. Parazitické formy života jsou tedy možná starší než proteiny, DNA a buňky. K tomu jedna zajímavost. Eukaryotní organismy mají RNA-polymerázu, která dokáže kopírovat i na základě matrice RNA. A viroidy2) v rostlinách této schopnosti RNA-polymerázy zneužívají. Dokážou se replikovat pomocí funkce RNA- -polymerázy, která svůj původní účel ztratila pravděpodobně před miliardou let.
Zmínil jste obtížné hledání homologií a značnou rozmanitost virů. Tady do toho vstupuje strukturní biologie, protože se ukazuje, že struktury jsou daleko víc konzervovány než sekvence. Takže se objevují z mého pohledu dost odvážné studie, které hledají podrobnosti třeba mezi virovými RNA-polymerázami a DNA-polymerázami. Na základě těchto srovnání je pak možné vytvořit klasifikaci virů. Ale toto srovnání je založené na strukturním motivu, který představuje třeba jen desetinu celého proteinového komplexu, takže je to třeba brát s rezervou.
IH — K tomu mne napadá, spíše pro odlehčení: Zdeněk Neubauer svého času říkal, že v evoluci neexistuje jen Aristotelova causa efficiens, účinná příčina, ale také causa formalis, tedy tvarová příčina. Je to takový neubauerovský koncept, ale na tohle to docela sedí.
—
Vesmír — Oba jste působili v zahraničí. Co by se podle vás mělo zlepšit ve fungování vědy v České republice?
IH — Pětadvacet let jsem pracoval ve Francii, kterou vidím někde mezi Spojenými státy a Českou republikou. My jsme se rozhodli převzít americký grantový systém. Byla za tím úvaha, že skvěle funguje a stačí ho aplikovat v českých podmínkách. To je myslím jeden ze základních problémů, protože my nejsme Spojené státy. Nemám žádný jednoduchý recept, ale vidím, že systém tak, jak je nastaven, vede k tomu, že je česká věda relativně průměrná, přestože ji dělají excelentní lidé. Grantové projekty mají podobu krátkodobých kontraktů s přísnými pravidly a každý se bojí riskovat, protože risk z podstaty věci nemusí vyjít. A to si český vědec nemůže dovolit. I ve Francii by mohla být míra ochoty riskovat na vyšší úrovni, ale je rozhodně vyšší než u nás. Máme velice jakostní výzkum, nechci ho hanět, jsem ostatně jeho součástí, ale excelentních počinů je tu relativně málo.
PP — Nezbývá mi než zcela souhlasit. Když jsem přemýšlel o tom, že se vrátím do České republiky, protože se objevila možnost založit si vlastní skupinu, konzultoval jsem to se svým školitelem Michaelem Rossmannem. Odpověděl, že Česká republika není známa tím, že by se tu dělal excelentní výzkum. Každý systém produkuje takové výsledky, pro které je optimalizovaný. V případě české vědy většinou pouze průměrné. Systém potřebuje úpravu. Pokud nechceme průměrné články, potřebujeme, aby grantové agentury i vedení institucí byly připraveny na výsledky čekat a tolerovat neúspěch. Protože riskantní projekty někdy prostě nevedou k publikovatelnému výsledku. U nás se hraje na jistotu, produkování průměrných výsledků je optimální strategie.
Probíhají změny, které jdou správným směrem. Třeba granty EXPRO, které zavedla GA ČR, poskytují pětiletou finanční volnost. Pak už je šance na výsledky srovnatelné se světem. Jsou velké rozdíly mezi jednotlivými hodnotícími panely GA ČR. Některé používají přímočarý přepočet mezi poskytnutými financemi a počtem očekávaných publikací. V jiných panelech to tak mechanické není, takže je vidět, že tu je potenciál pro zlepšení.
IH — Nemyslím, že by bylo dobré udělat nějaké salto mortale. Měli bychom vytvářet trvalý tlak na postupné změny. Ještě jednu věc vidím vedle odvahy riskovat jako klíčovou. Americké nebo francouzské panely jsou sestavovány z mnohem větší vědecké základny. V panelech je větší variabilita specialistů, kteří jsou schopni posoudit do hloubky větší šíři projektů. Český panelista si často není úplně jistý a spoléhá na zahraniční posudky. To pak svádí k tomu mechanickému přístupu.
PP — Jedním z řešení je internacionalizace panelů hodnotitelů grantů. To není snadné, protože je třeba najít lidi, kteří se budou hodnocení grantů opravdu věnovat. To, že je někdo ze zahraničí, ještě neznamená, že je skvělý. Kvalitní hodnotitele grantů můžeme hledat třeba ve Skandinávii. Pro vědce tam důchod začíná v pětašedesáti letech, kdy nemohou nadále žádat o výzkumné granty. Z toho se rodí základna hodnotitelů, kteří za sebou mají kvalitní práci a najednou mají čas se hodnocení věnovat.
Ke stažení
článek ve formátu pdf [345,47 kB]

















