Postępy Nauk Medycznych - [Choroby uwarunkowane genetycznie, czy też raczej powodowane przez perinatalne uaktywnienie tkwiących w nas od milionów lat endogennych retrowirusów – czyli o niezbędnej modyfikacji pojmowania patogenezy wielu schorzeń]

Streszczenie
Ludzkie endogenne retrowirusy (HERV) odkryto już w latach 80. ubiegłego wieku. Stanowią one 8% całości ludzkiego genomu i należą do grupy wielu innych tzw. retroelementów, które także mają zdolność do przemieszczania się w obrębie genomu ludzkiego dzięki tzw. odwrotnej transkryptazie. Ludzkie endiogenne retrowirusy weszły w skład genomu ludzkich komórek płciowych ok. 40 milionów lat temu i są przekazywane potomkom „wertykalnie”, zgodnie z zasadami genetyki Mendlowskiej. Okazuje się ostatnio, że te „milczące” na ogół sekwencje czasami stają się aktywne i pełnią nawet role fizjologiczne.
Autor po omówieniu istoty i funkcji HERV koncentruje się następnie na odkrytym przed kilku laty współudziale tych sekwencji polinukleotydowych w złożonych mechanizmach patogenetycznych schizofrenii i stwardnienia rozsianego. Aktywność HERV to tylko jedno z ogniw patogenetycznych tych chorób. Ostatnio sformułowano hipotezę, w myśl której kilka różnych patogenów, w tym infekcja toksoplazmozą oraz infekcje niektórymi wirusami egzogennymi są czynnikami wzbudzającymi ekspresję genów HERV.
Nowością w rozważaniach nad patogenezą wielu chorób przewlekłych jest założenie, iż wspomniane infekcje inicjują proces chorobowy przez oddziaływania w okresie perinatalnym. Autor dyskutuje w pracy zagadkę, w jaki to sposób przeciwciała wytworzone przeciwko wspomnianym patogenom i działające na płód „in utero” mogą prowadzić do rozwinięcia się niektórych chorób przewlekłych dopiero po latach. Jest on przekonany, żę konieczne jest uporządkowanie pojęciowe istoty owej kaskady wydarzeń patogenetycznych. Jego zdaniem przedstawione w pracy nowe koncepcje etiopatogenetyczne powinny jak najszybciej wejść do programów nauczania przedmiotów klinicznych.

Summary
Human endogenous retroviruses (HERV) were discovered in the 80s of last century. These represent 8% of the total polypeptides of human genome and belong to the group of so called retro – elements, which have also the ability to move within the human genome by means of reverse transcriptase so called. HERV were inserted to the genome of human germ cell about 40 million years ago and are transmitted "vertically” in accordance with the principles of Mendel's genetics. It turns out recently that these generally "silent” sequences occasionally become active and play even physiological roles.
The author after the discussion of the HERV substance and function – focuses then on the discovered recently involvement of HERV in the complex pathogenic mechanisms of schizophrenia and multiple sclerosis. HERV activity is just one of the links in pathogenesis of these diseases. Recently, the hypothesis was formulated that several different pathogens, including infection and Toxoplasma gondi, infections of certain exogenous viruses are factors which activate the expression of HERV's genes.
New idea in the discussions on the pathogenesis of many chronic diseases is the assumption that these infections initiate the disease process by the impact in the perinatal period. The author discusses the puzzle how it is possible that the antibodies produced against mentioned pathogens and acting on the fetus "in utero” during a short period may lead to the development of some chronic diseases after many years. He is convinced that it is necessary to elaborate the conceptual theory of the nature of this cascade of pathogenic events. In his opinion, the newly discovered and cognized mechanisms of pathogenesis of many chronic diseases should be included to the medical teaching program.

Do niedawna prosty, dydaktyczny model patogenezy chorób zalecał rozróżnianie chorób wywoływanych przez rozmaite zarazki oraz chemiczne, fizyczne i mechaniczne oddziaływania zewnętrzne od chorób uwarunkowanych także w pewnej mierze genetycznie. Niektóre choroby są uwarunkowane genetycznie poprzez zmiany na poziomie chromosomów (np. zespół Downa) bądź przez dokładnie poznane „punktowe” zmiany w strukturze określonych genów, jak np. w przypadku hemofilii. Znaczna liczba chorób jest niewątpliwie także uwarunkowana genetycznie, o czym świadczą badania epidemiologiczne dokonane na bliźniakach homozygotycznych, jakkolwiek mechanizm patogenetyczny jest inny.

Z zestawień statystycznych, dotyczących zapadalności na niektóre schorzenia, dokonanych na grupach bliźniaków homozygotycznych wynika, iż do chorób uwarunkowanymi genetycznie należą np. schizofrenia i choroba maniakalno-depresyjna. Jak wiadomo, jeśli jeden z tzw. „bliźniaków jednojajowych” zachoruje na schizofrenię bądź ewentualnie chorobę maniakalno-depresyjną, to drugi z nich zachoruję na taką chorobę z prawdopodobieństwem ok. 85%. Analogiczny odsetek dla stwardnienia rozsianego wynosi 30%, a dla cukrzycy typu I ok. 40%.

Jak wiadomo, genom ludzki to około 3 miliardy par zasad zorganizowanych w 23 parach chromosomów. Jedynie ok. 5% DNA to polinukleotydy stanowiące geny strukturalne, kodujące syntezę określonych białek. Już autorzy tzw. Human Genom Project, jak i sekwencjonowanie całości genomu ludzkiego dokonane przez Ventera Craiga, wykazało, iż genów takich jest jedynie ok. 30 000-50 000.

Pozostałe polinukleotydy to tzw. pseudogeny oraz tzw. DNA pozagenowe. Podręczniki genetyki, jak dotąd, pośród owego DNA pozagenowego, stanowiącego ok. 80% całości genomu wyróżniały tzw. „umiarkowanie i wielokrotnie powtórzone sekwencje” oraz tzw. „sekwencje unikatowe lub w małej ilości kopii” (1). Wśród sekwencji powtórzonych w sposób rozproszony wyróżnia się tzw. „short interspersed nuclear elements (SINE) i „long interspersed nuclear elements (LINE). Najbardziej znane elementy typu SINE to tzw. elementu Alu, stanowiące w zasadzie tzw. „rodzinę” polinukleotydów (sekwencje dość podobne) o średniej długości rzędu 250 pz, istniejące w około 700 000 kopiach. Elementy LINE są dłuższe. Np. znany element LINE L1 ma długość 6 500 pz i występuje w 60 000 kopiach. Klasyczne podręczniki genetyki podkreślają, iż elementy typu LINE na ogół posiadają zdolność do tzw. transpozycji, czyli zdolność do przemieszczania się w obrębie genomu poprzez użycie odwrotnej transkryptazy.

Okazuje się, iż w ludzkim genomie znajdują się sekwencje polinukleotydów stanowiące kompletną strukturę wirusa (2, 3). Są to tzw. ludzkie endogenne retrowirusy (human endogenous retrovirus – HERV). Na ich strukturę składają się obustronnie tzw. „długie powtórzenia końcowe” (long terminal repeats – LTR), pomiędzy którymi znajdują się: gen kodujący białka strukturalne (gag), gen kodujący odwrotną transkryptazę, a także proteazę, rybonukleazę i integrazę (pol), gen kodujący białka otoczki (env), a także ważny dla pełnej zdolności funkcji wirusa – region wiążący tRNA starterowe (primer binding site – PBS) oraz tzw. sygnał pakowania (ν).

Ludzkie endogenne retrowirusy (HERV) zostały odkryte w latach osiemdziesiątych XX w. Stanowią one ok. 8% ludzkiego genomu (2). Występują one w ilości około 450 tys. kopii, które można zaliczyć do 200 grup i podgrup. HERV wbudowały się do komórek linii płciowej przodków człowieka. Szacuje się, że insercje takie nastąpiły 30-45 mln lat temu (2). Pewien konkretny wirus typu HERV może występować w genomie nawet jedynie w pojedyńczej kopii (np. HRES-1) bądź mieć kopie w ilości rzędu do 1 000 (np. HERV-H). Największe zagęszczenie sekwencji HERV występuje w chromosomach: Y, X, 4 i 20.

Poszukiwania ludzkich endogennych retrowirusów podjęto wskutek dostrzeżenia związku między występowaniem niektórymi typów nowotworów u myszy i znajdowaniem w ich genomach sekwencji polinukleotydowych retrowirusów. Rozpoczęto więc przeszukiwanie bibliotek genomu ludzkiego za pomocą sond o sekwencji podobnej do endogennych retrowirusów zwierzęcych (2). W ten sposób w wyniku hybrydyzacji metodą Southerna odkryto po raz pierwszy sekwencję HERV-K.

Obecnie prowadzi się wiele badań nad endogennymi retrowirusami człowieka. Wyszukuje się nowe, niepoznane jeszcze endogenne retrowirusy. Dokonuje się ich klasyfikacji i bada ich pokrewieństwo filogenetyczne oraz próbuje się określić czas włączenia się ich do genomu przodków człowieka na podstawie różnic w LTR i nagromadzonych mutacjach. Bada się wpływ czynników egzo- i endogennych na ekspresję HERV, ich interakcje z retrowirusami egzogennymi i wreszcie wpływ HERV na organizację, funkcjonowanie i ewolucję genomu ludzkiego (2).

Ludzkie endogenne wirusy są jednym z tzw. retro-elementów, tzn. sekwencji nukleotydów, które mogą się przemieszczać w obrębie genomu poprzez mechanizm „przepisania” ich składu wpierw do postaci RNA i odtworzenie danej sekwencji poprzez odwrotną transkryptazę. W genomie ludzkim występują między innymi tzw. retrogeny, retropozony i retrotranspozony (1, 2).

Niektóre z wirusów typy HERV są aktywowane przez promienie X i światło ultrafioletowe. Tak się zdarza w przebiegu łuszczycy. Czynnikami indukującymi aktywność mogą być także cytokiny prozapalne, m.in. IFN-alfa, TNF-alfa oraz interleukiny IL-1a i IL-1b, glukokortykoidy. Ekspresja HERV jest najwyższa w łożysku oraz w tkankach gruczołów dokrewnych (podwzgórze, jądra).

Inne czynniki wpływające na aktywność HERV to produkty wirusów egzogennych. Np. wirus Epsteina-Barr wzmacnia transkrypcję genu env HERV-K18 znajdującego się w intronie genu CD48 (2). Badania in vitro wykazały, że HSV-1 indukuje ekspresję HERV-W w komórkach ludzkiej neuroblastomy oraz w komórkach nerwowych i endotelialnych mózgu. Wirus ten powoduje również ekspresję HERV-K. Cytomegalowirus (CMV) aktywuje HERV-K. Wirus grypy powoduje zwiększenie stężenia białka Env HERV-W w komórkach nuroepitelialnych (2).

Niektóre z HERV są obecne w genach szybko ewoluujących o znacznej częstości mutacji, tak jak to zachodzi w genach zaangażowanych w procesy odpowiedzi immunologicznej. Może to zwiększać podatności na choroby autoimmunizacyjne, takie jak cukrzyca typu 1, reumatoidalne zapalenie stawów czy też choroba Addisona. Produkty ekspresji HERV wywierają jednak także, o dziwo, wpływ na fizjologiczne funkcjonowanie i rozwój tkanek. Są one pomocne w powstawaniu prawidłowego łożyska i biorą udział w supresji odrzucania tkanek płodu. HERV wchodzą także w interferencje z wirusami egzogennymi (poprzez interferencję z ich receptorami lub tworzenie antysensownego mRNA). Zachodzi również związek z rozwojem pewnych typów nowotworów.

Wręcz sensacyjne są odkrycia dokonane w ostatnich kilku latach – wiążące w jeden ciąg patogenetycznych wydarzeń (1) uczynnienie ludzkich endogennych retrowirusów (zwłaszcza ich genów env i gag) przez (2) pewne oddziaływania w okresie perinatalnym (często egzogenne wirusy), tak, iż produkty ich ekspresji (3) aktywują w komórkach glejowych substancje neurotroficzne (w szczególności „brain derived neurotrophic factor” – BDNF) wpływające na (4) rozwój ciężkich schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych, co przejawia się (5) podwyższeniem ogólnie znanych wskaźników zaistnienia stanów zapalnych, np. CRP (4, 5, 6, 7, 8).

Herve Perron podkreśla, że co prawda potencjalna aktywność HERV jest wyciszana na ogół przez mechanizmy epigenetyczne, ale właśnie w linii komórek płciowych owe zablokowanie aktywności przez odpowiednie metylacje jest słabe i może dojść do pobudzenia ekspresji przez infekcje wirusowe zachodzące w okresie perinatalnym (4). Stwierdza on, że współcześnie udowodniono już niezbicie, że w przebiegu czynnych okresów stwardnienia rozsianego stwierdza się we krwi cząstki wirusowe (Multiple Sclerosis-associated RetroViral elements – MSRV). Dochodzi do ekspresji białek kodowanych przez gen otoczki (env), które wykazują właściwości prozapalne i autoimunizacyjne wynikające z interakcji z komórkami układu immunologicznego poprzez receptor Toll-like 4 (4, 5). Wydaje się więc, że odblokowanie kontroli epigenetycznej ekspresji genów env jest pierwotnym czynnikiem w łańcuchu patogenetycznym stwardnienia rozsianego.

Ważne eksperymentalne fakty dotyczące udziału białek będących wynikiem ekspresji genu env wirusów HERV-W ustalił Huang i współpracownicy (7). Zastosowali oni metodę PCR, aby wykryć mRNA dla genu env i pol ww. wirusów w próbie 118 osób chorych na schizofrenię i porównawczo w grupie 106 osób zdrowych. To badanie metodą PCR wykazało, iż 42 osoby spośród grupy chorych na schizofrenię miało uczynnioną ekspresję genu env oraz że nikt spośród osób zdrowych nie wykazywał ekspresji tego genu. Podobne wyniki badacze ci uzyskali dla przejawów transkrypcji genu odwrotnej transkryptazy (gen pol). Co więcej, badacze ci wykazali, że w komórkach gleju typu U251 zachodziła nie tylko wzmożona ekspresja genu env wirusów HERV, ale i także ekspresja genu kodującego produkcję tzw. „brain – derived neurotrophic factor” – BDNF – substancji znanej już wcześniej jako istotny czynnik patogenetyczny w rozwoju schizofrenii (7).

Cristensen zauważa, że w świetle tych odkryć staje się zrozumiałe dlaczego Inteferon beta jest znany jako lek dość skuteczny w leczeniu stwardnienia rozsianego (8). Otóż IFN – beta przeciwdziała infekcjom egzogennych wirusów, takich jak HIV i HTVL-1 (human T-cell leukemia virus). Wykryto przy tym ostatnio, iż zmniejsza on ekspresję białek będących wynikiem ekspresji genów gag i pol engogennych wirusów we krwi i tkance mózgowej chorych na schizofrenię (8).

Omówione wyżej następstwa uczynnienia genów wchodzących w skład ludzkich endogennych wirusów stanowią jedynie końcowe stadium łańcucha patogenetycznego. Uruchomienie tego ciągu wydarzeń, prowadzące do przewlekłych chorób centralnego i obwodowego układu nerwowego jest elementem zasadniczym całości mechanizmu patogenetycznego, jednak tak się składa, że również właśnie w ostatnich latach zdołano wskazać na czynniki inicjujące takie złożone procesy.

Dalszy postęp w zrozumieniu patogenezy tych schorzeń zależy od zdobywania danych epidemiologicznych dotyczących infekcji w okresie prenatalnym, płodowym i okołoporodowym. Współczesne ustalenia na ten temat są następujące: Fuller Torrey w swojej przełomowej pracy dotyczącej owej kaskady patogenetycznej wskazuje na możliwość współistnienia infekcji pierwotniakiem toksoplazmozy (10). Zwraca on uwagę, że (I) wielu chorych na schizofrenię ma podwyższone miano przeciwciał przeciwko Toxoplasma gondi, (II) czasami osoby z rozpoznaniem toksoplazmozy przejawiają objawy psychotyczne podobne do zespołów schizofrenicznych, (III) dane epidemiologiczne toksoplazmozy i schizofrenii wykazują podobieństwo, (IV) dane epidemiologiczne wykazują, że chorzy na schizofrenię mieli częstszy kontakt z kotami aniżeli osoby z grupy kontrolnej.

Niebuhr i wsp. mając dostęp do próbek krwi i dokonywanych oznaczeniach immunologicznych gromadzonych przez wojskową służbę zdrowia już w momencie przyjęcia do służby wojskowej i także w trakcie służby, a także u żołnierzy, którzy zachorowali ewentualnie m.in. na schizofrenię, ustalili, że podwyższony poziom przeciwciał przeciwko Toxoplasma gondi istniał już przed wystąpieniem objawów choroby (10). Zachodzi oczywiście ciekawe pytanie, kiedy osoby chorujące później na schizofrenię zaczęły być eksponowane na infekcję lub reakcję immunologiczną na infekcję toksoplazmozy.

Okazuje się przy tym, że najprawdopodobniej owe uczynnienie „kaskady patogenetycznej” może być powodowane przez różne infekcje okresu perinatalnego. Stephen L. Buka i wsp. mieli dostęp do danych z dużego, prowadzonego przez wiele lat badania prospektywnego (13). Ustalili oni na podstawie analizy danych zarówno od 27 osób dorosłych, którzy zapadli na schizofrenię, jak i danych pozyskanych od ich rodzin, że w surowicy matek tych chorych w badaniach wykonanych pod koniec ciąży stwierdzano podwyższony poziom immunoglobulin klasy IgG i IgM oraz podwyższony poziom przeciwciał przeciwko wirusom Herpes simplex typu 2. Inni autorzy stwierdzili także zależność zapadalności na schizofrenię od infekcji grypowych w okresie perinatalnych (14) oraz od infekcji cytomegalowirusem (15, 16).

Dokonano niedawno metaanalizy danych pochodzących z innych takich prospektywnych danych kohortowych (17). Okazuje się, że kilku różnych autorów znajduje argumenty za uznaniem jeszcze innych infekcji w okresie okołoporodowym za czynnik etiopatogenetyczny schizofrenii. Babulas i wsp. dopatrują się analogicznego wpływu wynikającego z przeróżnych infekcji narządów rodnych zachodzących w okresie „okołozapłodnieniowym” (18). Do owych infekcji czy też stanów zapalnych zaliczają oni takie stany, jak: zapalenie endometrium, zapalenie szyjki macicy, zapalenie w obrębie miednicy małej, zapalenie pochwy i klasyczne choroby weneryczne. Okres „okołozapłodnieniowy” definiują oni jako czas rozciągający się – od 30 dni przed ostatnią miesiączką i sięgający do 30 dni po ostatniej miesiączce. Jest ciekawe, iż nie znajdują oni tej samej zależności pomiędzy infekcją a wystąpieniem schizofrenii w wieku dorosłym dla pozostałego okresu pierwszego trymestru ciąży i dwóch pozostałych trymestrów ciąży (18).

Nie dokonano integracji przedstawionych w naszym artykule kilku różnych hipotez. Próbę uporządkowania zapatrywań dotyczący owych mechanizmów patogenetycznych zacznijmy od przytoczenia prób odpowiedzi na intrygujące pytanie, czy niemal już niezbity związek pomiędzy zapadaniem na schizofrenię w wieku dorosłym od ekspozycji na infestację toksoplazmozą matek tych chorych w wieku perinatalnym wynika z prostej możliwości zakażenia płodu przez pasożytnicze pierwotniaki toksoplazmozy obecne w organizmie matki. Drobiazgowo dyskutuje to Alan S. Brown (19). Nie wyklucza on takiego prostego mechanizmu patogenetycznego. Opowiada się on jednak w swojej pracy za tezą, że duża część chorych zapadła na schizofrenię raczej wskutek oddziaływania w okresie płodowym wysokiego miana przeciwciał klasy IgG, wytworzonych przeciwko toksoplazmozie w organizmie matki. Podobnie sądzi J. Xiao i jego współpracownicy (20).

Jego odkrycie, że przeciwciała wytworzone głównie przeciwko tylko jednemu z podtypów Toxoplasma gondi mają negatywny wpływ na płód, powodując predyspozycję do zapadania na schizofrenię w wieku dorosłym, ustanawia dodatkowy argument przemawiający za hipotezą o możliwym negatywnym wpływie immunoglobulin wytworzonych w organizmie matki na płód w czasie ciąży.

Należy jednak zauważyć, że przyjęcie możliwości, iż oddziaływania, jakie zachodziły „in utero” w czasie ciąży, doprowadziły do takich przemian w strukturach i funkcjonowaniu mózgu, iż dopiero wiele lat później rozwija się choroba, wymaga założenia, że owa „nierównowaga w zakresie cytokin” oddziaływająca krótko w życiu płodowym ma następstwa niezwykle długofalowe.

Wydaje się, iż właśnie istnienie w genomie człowieka omówionych na wstępie pracy endogennych retrowirusów tłumaczy, dlaczego wywołanie w okresie życia płodowego nierównowagi pomiędzy pro- i antyzapalnymi cytokinami może działać długofalowo, a nawet odwlec ujawnienie się choroby na całe lata. Wzbudzone endogenne retrowirusy mogą się bowiem namnażać na przestrzenia wielu lat. Kompletność ich struktury może sprawiać, że mogą one krążyć w krwi chorych, w płynie mózgowo rdzeniowym i wnikać do komórek. Taką sytuację patogenetyczną potwierdzono u chorych na stwardnienie rozsiane, u których dochodzi do zaostrzenia objawów choroby w postaci tzw. kolejnego „rzutu choroby” (5, 8, 9).

Owa interakcja egzogennych retrowirusów z endogennymi wirusami prowadząca do podtrzymywania aktywności mechanizmów patogennych przez całe lata, tak, iż powstaje choroba przewlekła, której istotą są zaburzone reakcje immunologiczne i następowa destrukcja tkanek, zachodzi, jak się niedawno okazało, także w przypadku wirusów HIV i choroby AIDS (26, 27). Jest to dodatkowy argument przemawiający za tym, że opisana powyżej skomplikowana kaskada wydarzeń jest schematem modelu patogenetycznego wielu przewlekłych schorzeń, których istota nie była do tej pory zrozumiała.

2. Omówiona kaskada wydarzeń patogenetycznych wiodących do wielu schorzeń przewlekłych wymaga dalszych interdyscyplinarnych badań, które są trudne także z powodu braku schematów i metod umożliwiających syntezę zjawisk zachodzących w gąszczu elementów niezwykle złożonego systemu, przemieniającego się na przestrzeni kilkudziesięciu lat życia człowieka.

	About the journal About Postępy Nauk Medycznych International Scientific Board National Scientific Board Editorial Board Publisher Archive issues 2013 issues 2012 issues 2011 issues 2010 issues 2009 issues 2008 issues 2007 issues 2006 issues Suplement issues/Other issues Last issues Search
	Subscribe/Purchase single copies Instructions for authors Submit a manuscript Instructions Contact

Please click on selected cover