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Conteúdo principal

Evolução dos vírus

Evolução dos vírus e variação genética. HIV resistente aos medicamentos. Rearranjo dos vírus da gripe.

Pontos Principais:

  • Os vírus passam por evolução e seleção natural, tal como a vida baseada na célula, e a maioria deles evolui rapidamente.
  • Quando dois vírus infectam uma célula ao mesmo tempo, eles podem trocar material genético para formar novos vírus "misturados", com propriedades únicas. Por exemplo, cepas de gripe podem surgir assim.
  • Os vírus de RNA apresentam taxas altas de mutação que permitem uma evolução especialmente rápida. Um exemplo é a evolução da resistência aos medicamentos no HIV.

Introdução

Você já parou para pensar porque um tipo diferente de vírus da gripe surge a cada ano? Ou como o HIV, o vírus que causa AIDS, pode se tornar resistente a medicamentos?
A resposta curta para estas questões é que os vírus evoluem, Isto é, o "pool gênico" de uma população de vírus pode mudar ao longo do tempo. Em alguns casos, os vírus em uma população—tais como todos os vírus da gripe em uma região geográfica, ou todas as diferentes partículas de HIV no corpo de um paciente—podem evoluir por seleção natural. Características hereditárias que ajudam um vírus a se reproduzir (como a alta infectividade para o influenza, ou resistência a drogas para o HIV) tenderão a se tornar mais e mais comuns na população de vírus ao longo do tempo.
Os vírus não apenas evoluem, mas eles também tendem a evoluir mais rápido que seus hospedeiros, como os humanos. Isso faz com que a evolução viral seja um tópico importante—não só para os biólogos que estudam vírus, mas também para os médicos, enfermeiras e trabalhadores da saúde pública, bem como qualquer um que possa ser exposto ao vírus. (Dica: isso significa todos nós!)

Variação em vírus

A seleção natural só pode ocorrer quando tem a matéria-prima correta: variação genética. Variação genética significa que há algumas diferenças genéticas (hereditárias) em uma população. Nos vírus, a variação vem de duas fontes principais1:
  • Recombinação: os vírus trocam pedaços de material genético (DNA ou RNA).
  • Mutação aleatória: ocorre uma alteração na sequência de DNA ou RNA de um vírus.
    Podemos verificar a variação e a evolução de vírus em nosso meio se soubermos onde procurar — por exemplo, nas novas linhagens de gripe que aparecem a cada ano.

Misturando: recombinação

Antes de olharmos especificamente para a gripe, vamos examinar como os vírus permutam DNA e RNA em um processo chamado de recombinação.
A recombinação acontece geralmente quando dois vírus infectaram a mesma célula ao mesmo tempo. Como ambos os vírus estão usando a célula para produzir mais partículas de vírus, vai haver muitas peças de vírus – incluindo genomas recém produzidos – flutuando na célula.
Rearranjo entre duas linhagens virais que infectam a mesma célula.
A linhagem A tem oito segmentos do material genético. A linhagem B também apresenta oito segmentos, que apresentam genes similares, mas em versões diferentes.
Ambas as linhagens co-infectam a mesma célula hospedeira. Os segmentos se misturam dentro da célula hospedeira.
Isso resulta na produção de um vírus recombinante. O vírus recombinante tem segmentos 3, 6, 7 e 8 da linhagem A e segmentos 1, 2, 4 e 5 da linhagem B.
Créditos da imagem: "Segment reassortment," por ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Sob essas circunstâncias, a recombinação pode acontecer de duas maneiras diferentes. Primeiro, regiões similares de genomas virais podem se parear e trocar pedaços, fisicamente quebrando e reconectando o DNA ou RNA. Segundo, vírus com segmentos diferentes (mais ou menos como pequenos cromossomos) podem trocar alguns desses segmentos, um processo chamado de rearranjo. 2,3

Recombinação e gripe ("a gripe")

Os vírus influenza ("da gripe") são mestres em rearranjo. Eles possuem oito segmentos de RNA, cada um carregando um ou alguns genes.4
Quando dois vírus influenza infectam a mesma célula ao mesmo tempo, alguns dos novos vírus feitos no interior da célula podem ter uma mistura de segmentos (e.g., segmentos 1-4 da linhagem A e segmentos 5-8 da linhagem B).
O virus Influenza humano e o virus Influenza de aves infectam a mesma célula de porco. Cada virus apresenta oito segmentos de RNA em seu genoma.
Os segmentos se misturam à medida que novos vírus são feitos na célula.
Poderiam ser feitas várias combinações diferentes. Por exemplo, poderíamos ter uma partícula viral com segmentos 1-4 do vírus humano e segmentos 5-8 do outro, e vice-versa.
Porcos em particular são bem conhecidos como "recipientes de mistura" para o vírus influenza.5 Células de porco podem ser reconhecidas e, portanto, infectadas, pelos vírus da influenza humana e aviária (assim como pelos vírus da influenza suína).6 Se uma célula no porco é infectada com dois tipos de vírus ao mesmo tempo, pode liberar novos vírus que contêm uma mistura de material genético de vírus da influenza humana e da aviária.
Este tipo de troca é comum para vírus influenza na natureza. Por exemplo, lembra do surto da influenza H1N1 ("gripe suína") que causou uma pandemia em 2009? O H1N1 tinha um segmento de RNA de vírus humano e de aves, assim como de vírus de porcos da América do Norte e da Ásia. Este combo reflete uma série de rearranjos que ocorreram passo a passo ao longo de muitos anos para produzir este linhagem do H1N1.

Mutações virais

Nós vimos como a recombinação pode afetar a evolução dos vírus, mas e a mutação? Uma mutação é uma mudança permanente no material genético (DNA ou RNA) de um vírus. Uma mutação pode acontecer se houver um erro durante a cópia do DNA ou RNA do vírus.
Alguns vírus têm taxas de mutação muito elevadas, mas isso não é universal. De forma geral, vírus de RNA tendem a ter altas taxas de mutação, enquanto vírus de DNA tendem a ter baixas taxas de mutação.8
Por que isto acontece? A principal diferença reside na maquinaria de cópia. A maioria dos vírus de DNA copiam seu material genético usando enzimas da célula hospedeira, chamadas DNA polimerases, que revisam o DNA (reconhecem e consertam os danos enquanto realizam a cópia). Já os vírus de RNA usam enzimas chamadas RNA polimerases, as quais não fazem correção e, portanto, cometem muito mais erros.9

Estudo de caso: resistência a medicamentos do HIV

Vírus da imunodeficiência humana (HIV ou VIH em português) é o vírus que causa a síndrome da imunodeficiência adquirida (AIDS ou SIDA em português). O HIV é um vírus de RNA com uma alta taxa de mutação e evolui rapidamente, levando ao surgimento de linhagens resistentes aos medicamentos.

Taxa de mutação elevada do HIV

Por conta dos vírus de RNA possuirem uma alta taxa de mutação, haverá uma grande variação genética na população de vírus HIV no corpo de um paciente. Muitas das mutações serão prejudiciais, e os vírus mutantes simplesmente "morrerão" (não se reproduzirão). Entretanto, algumas mutações ajudam os vírus a se replicar em condições específicas. Por exemplo, uma mutação pode fornecer resistência a uma droga.10

Evolução da resistência aos medicamentos em HIV

Certas drogas podem bloquear a replicação do HIV inibindo as principais enzimas virais. Tomar uma destas drogas irá, inicialmente, reduzir os níveis virais do paciente. Depois de algum tempo, entretanto, os vírus HIV normalmente "recuperam-se" e retornam para níveis elevados, mesmo que a droga ainda esteja presente. Em outras palavras, uma forma de vírus resistente a drogas emerge.10
Para ver por que isso ocorreu, vamos usar o exemplo de um tipo específico de droga antiviral, um inibidor de transcriptase reversa. Inibidores de transcriptase reversa, como a molécula de nevirapina mostrada no diagrama abaixo, se ligam a uma enzima viral chamada transcriptase reversa (a estrutura vermelha e marrom). A droga evita que a enzima faça o seu trabalho de copiar o genoma do RNA do HIV em DNA. Se esta enzima for inativada, um vírus HIV não pode infectar uma célula permanentemente.11
Modelo molecular de bolas e varetas da enzima transcriptase reversa do virus HIV com a molécula nevirapina ligada a enzima.
Imagem modificada de "Exploring the structure," por David S. Goodsell, RCSB PDB Molecule of the Month, CC BY 4.0.
A maioria dos vírus HIV são freados pela nevirapina. Contudo, uma pequena fração dos vírus terá (por acaso) uma mutação no gene da transcriptase reversa que os torna resistentes a essa medicação. Por exemplo, eles podem ter uma mudança genética que altera o local de ligação da droga à enzima, fazendo com que a droga não seja mais capaz de se ligar à enzima e inibir a atividade enzimática.
Os vírus com essa mutação de resistência vão se reproduzir apesar da presença da droga e, ao longo das gerações, pode reestabelecer os níveis virais presentes antes da administração da droga. Não só isso, mas toda a população viral será agora resistente aos medicamentos!

Resistência a drogas HAART

Se o HIV pode evoluir para superar uma droga, como se pode parar o vírus? O que parece funcionar melhor é uma combinação de três ou mais drogas usadas ao mesmo tempo. Essa abordagem de tratamento é chamada de terapia antirretroviral de alta potência ou abreviando: HAART (highly active antiretroviral therapy, em inglês). As drogas fornecidas em um "coquetel" HAART tipicamente atingem partes diferentes do ciclo de vida do HIV.12,13
O coquetel funciona porque é relativamente improvável que qualquer vírus HIV em uma população viral tenha três mutações que lhe confira resistência a todas as três drogas ao mesmo tempo. Apesar de as formas resistentes a diversas drogas eventualmente evoluírem, os coquetéis de drogas diminuem consideravelmente a evolução dessa resistência.10
Para aprender mais sobre a biologia do HIV, por favor veja o artigo sobre ciclos de vida virais. Para aprender mais sobre sintomas, tratamentos e prevenção do HIV e AIDS, veja a seção Saúde e Medicina em HIV e AIDS.

Por que os vírus evoluem tão rápido?

Os vírus evoluem mais rápido do que os seres humanos. Por que isso acontece?
Como vimos no caso do HIV, alguns vírus possuem uma alta taxa de mutação, que os ajuda a evoluir rapidamente, fornecendo mais variação como material inicial. Dois outros fatores que contribuem para a rápida evolução dos vírus são o grande tamanho da população e o ciclo de vida rápido.
Quanto maior a população, maior a probabilidade de que ela terá um vírus com uma mutação aleatória particular (por exemplo, resistência a uma droga ou alta infectividade) sobre a qual a seleção natural pode atuar. Além disso, os vírus se reproduzem rapidamente, fazendo que com suas populações evoluam em escalas de tempo menores do que a do seus hospedeiros. Por exemplo, o vírus HIV completa seu ciclo de vida em apenas 52 horas, contra cerca de 20 anos do ciclo de vida humano!15
Quais ferramentas nós temos que ter para combater os vírus de rápida evolução? Tomar medidas para prevenir a transmissão, identificar novas drogas para o tratamento, e desenvolver e utilizar vacinas são estratégias importantes.

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