วิวัฒนาการและการอุบัติใหม่ของไวรัส

ไวรัสมีการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วผ่านการกลายพันธุ์และการแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรม และการปรากฏของไวรัสชนิดใหม่หรือที่เพิ่งถูกค้นพบ ซึ่งมักจะเกิดขึ้นหลังจากข้ามจากแหล่งรังโรคในสัตว์ เป็นลักษณะที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ ในชีววิทยาของไวรัส

Definition

วิวัฒนาการและการอุบัติใหม่ของไวรัสคือการศึกษาว่าไวรัสเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป และไวรัสชนิดใหม่หรือที่ยังไม่เป็นที่รู้จักเกิดขึ้นและตั้งรกรากในประชากรโฮสต์ได้อย่างไร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแหล่งที่มาของความหลากหลายทางพันธุกรรมของไวรัส รวมถึงอัตราการกลายพันธุ์ที่สูงในไวรัส RNA การรวมตัวกันใหม่ (recombination) และการจัดเรียงตัวใหม่ (reassortment) ของจีโนมแบบแบ่งส่วน; ควอซิสปีชีส์ (quasispecies) และผลที่ตามมาของการจำลองแบบที่ผิดพลาด; แนวคิดของไวรัสอุบัติใหม่และอุบัติซ้ำ; และกระบวนการของการเปลี่ยนแปลงช่วงของโฮสต์ (host-range shifts) และการแพร่เชื้อจากแหล่งรังโรคในสัตว์ หัวข้อนี้ถือว่าการเปลี่ยนแปลงของไวรัสเป็นทั้งปรากฏการณ์ทางวิวัฒนาการและทางนิเวศวิทยา

Core questions

• กลไกใดที่สร้างความหลากหลายทางพันธุกรรมในไวรัส?
• เหตุใดไวรัส RNA จึงมีวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษ?
• ไวรัสข้ามจากโฮสต์ชนิดหนึ่งไปยังอีกชนิดหนึ่งได้อย่างไร?
• เงื่อนไขใดที่เอื้อต่อการอุบัติของเชื้อไวรัสชนิดใหม่?

Key concepts

• อัตราการกลายพันธุ์ในไวรัส RNA
• การรวมตัวกันใหม่และการจัดเรียงตัวใหม่
• ควอซิสปีชีส์
• การเปลี่ยนแปลงช่วงของโฮสต์และการแพร่เชื้อ
• ไวรัสอุบัติใหม่และอุบัติซ้ำ

Key theories

ควอซิสปีชีส์และความหลากหลายของไวรัส

การจำลองแบบที่ผิดพลาด โดยเฉพาะในไวรัส RNA สร้างประชากรที่หลากหลายของจีโนมที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดซึ่งการคัดเลือกจะกระทำต่อ ซึ่งช่วยอธิบายการปรับตัวของไวรัสอย่างรวดเร็วและความท้าทายในการควบคุมไวรัสบางชนิด

Mechanisms

ความหลากหลายทางพันธุกรรมของไวรัสเกิดจากการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการจำลองแบบจีโนม โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยเอนไซม์พอลิเมอเรส (polymerases) ที่มีข้อผิดพลาดของไวรัส RNA และจากการรวมตัวกันใหม่หรือการจัดเรียงตัวใหม่เมื่อไวรัสที่เกี่ยวข้องติดเชื้อร่วมกันในเซลล์ ความหลากหลายนี้เมื่อกระทำต่อประชากรขนาดใหญ่ที่ผลิตขึ้นอย่างรวดเร็ว จะช่วยให้เกิดการปรับตัวอย่างรวดเร็ว รวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่ขยายช่วงของโฮสต์ การอุบัติใหม่มักจะตามมาด้วยการแพร่เชื้อจากแหล่งรังโรคในสัตว์เข้าสู่ประชากรโฮสต์ใหม่ที่เงื่อนไขทางนิเวศวิทยาเอื้อต่อการแพร่เชื้อ

Clinical relevance

วิวัฒนาการของไวรัสที่รวดเร็วเป็นพื้นฐานของความท้าทาย เช่น ความจำเป็นในการปรับปรุงวัคซีนบางชนิดเป็นระยะและการปรากฏของสายพันธุ์ใหม่ ในขณะที่การอุบัติของไวรัสจากแหล่งรังโรคในสัตว์เป็นแหล่งที่มาของโรคติดเชื้อใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ ทำให้หัวข้อนี้มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจการระบาดและการแจ้งเตือนการเฝ้าระวัง

History

แนวคิดของควอซิสปีชีส์ของไวรัส (viral quasispecies) ซึ่งพัฒนามาจากงานทฤษฎีของ Manfred Eigen และนำมาประยุกต์ใช้กับไวรัสโดยนักวิจัยรวมถึง Esteban Domingo ได้ปรับเปลี่ยนมุมมองของไวรัส RNA ว่าเป็นประชากรที่มีความหลากหลายและวิวัฒนาการอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยอธิบายความสามารถในการปรับตัวและความยากลำบากในการกำจัดไวรัสบางชนิด

Key figures

• Manfred Eigen
• Esteban Domingo

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

เหตุใดไวรัส RNA จึงมีแนวโน้มที่จะวิวัฒนาการเร็วกว่าไวรัส DNA?

ไวรัส RNA หลายชนิดจำลองแบบจีโนมของพวกมันด้วยเอนไซม์พอลิเมอเรสที่ขาดการตรวจสอบแก้ไข (proofreading) ดังนั้นพวกมันจึงสะสมการกลายพันธุ์ในอัตราที่สูง เมื่อรวมกับขนาดประชากรที่ใหญ่และเวลาการสร้างรุ่นที่สั้น สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมและการปรับตัวอย่างรวดเร็ว