Studie: Cirkadiánní hodiny a viry (2/3)

Helene Bormann, Jane A. McKeating, Xiaodong Zhuang

 Genetické narušení REV-ERB zvyšovalo endotoxinové reakce u makrofágů a podporovalo sekreci zánětlivého cytokinu interleukinu 6 (IL-6) (Gibbs et al., 2012). Při zkoumání biologie makrofágů je nezbytné studovat jejich rozmanité biologické funkce samostatně, neboť fagocytóza není odvislá od fáze dne, zatímco exprese cytokinů je rytmická (Geiger et al., 2019). Tyto vzorce jsou pozorovány i u adaptivní imunitní odpovědi, například u vývoje a výměny lymfocytů (Scheiermann et al., 2018). Počet lymfocytů se v průběhu dne mění, přičemž glukokortikoidy vyvolávají hromadění T-lymfocytů v lymfoidních orgánech (Shimba et al., 2018). Ztráta lymfocytových cirkadiánních hodin zásadně narušuje rytmickou adaptivní imunitní odpověď nezbytnou k boji s chřipkou typu A (Druzd et al., 2017). BMAL1 je spojen s fungováním mitochondrií a metabolickými drahami, které ovlivňují fenotyp a aktivitu buněk imunitního systému. Rytmičnost imunometabolismu se stala klíčovým aspektem imunitní obrany a vývoje nemoci (Early and Curtis, 2016; Carroll et al., 2019). Tyto studie ukazují, jak cirkadiánní hodiny regulují imunitní odpověď, která má vliv na replikaci virů.

Cirkadiánní regulace drah v organismu hostitele je zásadní pro replikaci virů

Jedním z orgánů, u nichž je nejvíce patrné cirkadiánní řízení, jsou játra, kde 20 % transkriptomu vykazuje rytmickou expresi (R. Zhang et al., 2014); u virů napadajících játra je pravděpodobné, že budou podléhat hodinám. Jedna nedávno provedená studie ukázala, že rychlejší kinetika reinfekce virem hepatitidy C po transplantaci jater se dostavovala, když byla operace provedena ráno, a nikoli odpoledne (Zhuang et al., 2018). Studie in vitro ukázaly, že infekce cirkadiánně synchronizovaných hepatocytů byla spojena s rytmickou expresí virových receptorů (Zhuang et al., 2019), konzistentní se zvýšenou kinetikou infekce pozorovanou po transplantaci jater. Nadto genetický knockout (KO) Bmal1 nebo farmakologická aktivaceREV-ERB inhibovaly replikaci viru hepatitidy C a příbuzných flavivirů, dengue a Zika, pomocí exprese lipidových drah nezbytných k jejich replikaci (Zhuang et al., 2019).

Identifikace takových faktorů v hostitelském organismu, které mají souvislost s virovými proteiny, může odhalit nové cíle farmakologické léčby. Nedávné mapování interaktomu proteinů viru SARS-CoV-2 identifikovalo 66 různých faktorů v organismu hostitele, na něž lze zacílit léčbu (Gordon et al., 2020). Stojí za zmínku, že 30 % těchto hostitelských genů vykazuje cirkadiánní oscilaci (Ray and Reddy, 2020), což představuje další oporu pro existenci cirkadiánní regulace replikace viru SARS-CoV-2 a pro vývoj chronoterapií pro léčbu COVIDu-19 (Meira et al., 2020; Ray and Reddy, 2020).

Chang et al. (2018) informovali o souvislosti periferní virové koncentrace RNA viru HIV-1 a doby odebírání vzorků od pacientů, přičemž vyšší hladina nestočených úseků RNA souvisela s expresí BMAL1. Navíc nadměrná exprese CLOCK a BMAL1 vyvolávala transkripci viru HIV prostřednictvím E-boxů v úseku LTR (Chang et al., 2018). Nedávno zrealizovaná studie odhalila, že farmakologická aktivace REV-ERB snižovala BMAL1 a inhibovala aktivitu HIV LTR a virovou replikaci v buňkách včetně primárních T-lymfocytů CD4; taktéž vyvolávala tvorbu makrofágů vzniklých z pluripotentních kmenových buněk (Borrmann et al., 2020). Je důležité zmínit, že mutace v E-boxech redukovaly bazální aktivitu LTR, což zdůrazňuje multifunkční povahu tohoto motivu a naznačuje, že cirkadiánní faktory spolupracují s jinými transkripčními faktory při regulaci replikace viru HIV v hostitelském organismu. Je pozoruhodné, že v úsecích LTR viru HIV byly nalezeny i další uložené cirkadiánní prvky včetně RORE a glukokortikoidového reakčního prvku. Nabízí se otázka, zda může být replikace viru HIV synchronizována tak, aby probíhala v určitých částech dne.

Infekce virem Herpes simplex 2 (HSV-2) u myší měla méně vážný průběh, když byly myši nakaženy ve fázi odpočinku, a ne v aktivní fázi dne (Matsuzawa et al., 2018). Vstupní receptor viru HSV-2 Nectin1 (Pvrl1) v myších a lidských keratinocytech vykazuje rytmickou expresi a je přímo řízen CLOCKem. Útlum CLOCKu vede ke snížené expresi Pvrl1, z čehož vyplývá, že CLOCK hraje roli v regulaci infekce virem HSV-2. Narušení Bmal1 zvyšovalo replikaci myšího herpesviru 4 (MuHV-4) a HSV-1 in vivo a in vitro v nulové alele Bmal1−/−(Edgar et al., 2016). Hladina DNA viru MuHV-4 byla vyšší, když k inokulaci došlo na počátku odpočinkové fáze (ve srovnání s počátkem aktivní fáze). Studie za pomoci bioluminiscence ukázaly zvýšenou frekvenci infikovaných buněk, když byla exprese Bmal1 vysoká. Stojí za zmínku, že MuHV-4 navozoval expresi Bmal1 bez ohledu na dobu nakažení, což naznačuje, že herpesviry mohou narušovat buněčné cirkadiánní cykly. Podobná pozorování byla hlášena u infekce virem HSV-1 a chřipky typu A (Edgar et al., 2016).

Vliv cirkadiánní regulace na infekci chřipkovým virem posoudily dvě nezávislé studie (Ehlers et al., 2018; Sengupta et al., 2019). Obě skupiny potvrdily, že myši s Bmal1 KO vykazovaly větší změny dýchacích cest astmatického typu a horší průběh akutní virové bronchitidy (Ehlers et al., 2018). Pokud byly myši nakaženy před aktivní fází (v porovnání s nakažením před odpočinkovou fází), přežilo jich více (Sengupta et al., 2019). Infekce na počátku aktivní fáze vedla k zánětu plic nezávisle na virové náloži, z čehož vyplývá, že vážnější průběh chřipkových infekcí úzce souvisí s cirkadiánní regulací hostitelovy tolerance a drah, jimiž se aktivuje imunitní reakce.

Viry a cirkaciánní hodiny utvářejí chromatinové podmínky

Vliv systému cirkadiánních hodin na epigenetickou regulaci a chromatinový remodeling zčásti odráží histonovou/ deacetylázovou aktivitu CLOCK (Doi et al., 2006; Aguilar-Arnal and Sassone-Corsi, 2015). Časově závislé vazby cirkadiánních transkripčních faktorů (Chen et al., 2015; Y. Xu et al., 2016) ovlivňují stav chromatinu a doplňování RNA Pol II (Koike et al., 2012; Le Martelot et al., 2012; Pacheco-Bernal et al., 2019). Profily RNA polymerázy II napříč celým genomem odhalily rytmické doplňování Pol II na promotorech; toto a dynamické změny histonových markerů naznačují existenci průběžné remodelace epigenetických podmínek v průběhu dne (Le Martelot et al., 2012).

Jediný cirkadiánní faktor může kontrolovat protichůdné transkripční fáze tak, že vznikají komplexní cirkadiánní rytmy s mnohočetnými fázemi genové exprese (Fang et al., 2014). Hodinové prvky mohou určovat transkripčně permisivní chromatinové podmínky, jež regulují přístupnost a aktivitu transkripčního systému hostitele (Menet et al., 2014; Trott and Menet, 2018). Viry s DNA genomem mohou tohoto cirkadiánního epigenetického systému zneužívat k šíření svých vlastních transkripcí a ke své vlastní replikaci.

Herpetické viry (HSV) jsou typické latentní infekcí s periodickou reaktivací (Nicoll et al., 2012). Vyvolávají expresi Bmal1, která vede k přeprogramování hodinových signálních drah. Kalamvoki a Roizman ukázali, že HSV protein ICP0 interaguje s CLOCK:BMAL1 komplexem histonové acetylové transferázy a že cíleně zmutované buňky s expresí Clock podstatně redukují replikaci virů (Kalamvoki and Roizman, 2010; Kalamvoki and Roizman, 2011). Tato zjištění jsou oporou modelu, v němž interakce herpetického viru s prvky cirkadiánních hodin vede k remodelaci virového chromatinu, jenž může určovat latentnost onemocnění.

Obr. 3. Jak buněčné hodiny ovlivňují životní cyklus viru. Buněčné hodiny mohou ovlivňovat virovou infekci v mnoha fázích životního cyklu viru, počínaje regulací vstupních receptorů, konče vlivem na lipidové dráhy pro tvorbu nových částic. Krom toho jsou buněčnými cirkadiánními hodinami regulovány imunitní odpovědi, které zajišťují boj proti virovým infekcím, včetně vnímání nukleových kyselin a aktivity buněk imunitního systému.

Na přenos virů mají vliv cirkadiánní a roční rytmy

Savčí cirkadiánní hodiny se adaptují na sezónní změny přirozeného světla/tmy; tudíž souvislost mezi virovými infekcemi a cirkadiánními hodinami zdaleka není patrná jen v průběhu dne (24 hodin). Sezónní rozdíly mohou vysvětlovat zvýšenou náchylnost k virovým infekcím během zimních měsíců (Dowell, 2001). Každoroční výskyt je znakem epidemických onemocnění, řízených environmentálními a exogenními faktory, jakož i chováním a fenologií hostitele (Martinez, 2018). Genová exprese buněk imunitního systému a buněčné složení krve se v jednotlivých ročních obdobích mění, přičemž na severní a jižní polokouli je opačné. Biomarkery vyššího rizika nemocí, jako je receptor IL-6 a C-reaktivní protein, vykazují zvýšenou expresi v zimě. Tu provází nižší exprese BMAL1 (Dopico et al., 2015). Stejně tak imunitní funkce se mění v rámci ročních období: pro zimu je typická snížená aktivita neutrofilů, avšak vyšší počet monocytů (Dopico et al., 2015). Důležitým regulátorem sezónních fyziologických změn jsou změny hladin hormonů. V hypotalamu se mění hladina hormonů štítné žlázy a glukokortikoidové receptory mají nejnižší expresi v zimě (Wood and Loudon, 2014; Dopico et al., 2015). Na průběh akutních i chronických onemocnění má virový rezervoár a vektorová rytmičnost jak v organismu hostitele, v mimolidských zdrojích virů.

Mnoho virů se přenáší hmyzími vektory, které mají své vlastní cirkadiánní rytmy a jsou aktivní v různých částech dne (Meireles-Filho and Kyriacou, 2013). To určuje, zda se virus setká s hostitelem v jeho aktivní, či odpočinkové fázi. Kupříkladu virus horečky dengue na člověka přenášejí moskyti rodu Aedes aegypti, kteří jsou aktivní ve dne, za východu slunce a za západu slunce, přičemž infekce virem zvyšuje aktivitu moskyta (Lima-Camara et al., 2011). Přenos viru Zika (ZIKV) je pravděpodobně závislý na sezónních změnách klimatu. Až bude k dispozici více dat, bude důležité definovat rizikovější a méně riziková období (Petersen et al., 2016). Plánování těhotenství podle ročních období by mohlo omezit vertikální přenos tím, že by limitovalo překryv citlivých fází gestace se sezónou nejvyšší aktivity ZIKV (Martinez, 2016).

I lidské zemědělské a technické intervence mohou zvýšit šíření virových onemocnění. Kupříkladu bylo prokázáno, že zavlažování rýže v letních měsících zvyšuje výskyt onemocnění způsobeného virem japonské encefalitidy (Tian et al., 2015). Zimní světelné znečištění má souvislost s vyšším rizikem nákazy západonilským virem (Kernbach et al., 2019). A nakonec, klimatická změna mění každoroční rytmy životního prostředí a narušuje sezónní biologické cykly, což může rušit synchronizaci biologických hodin a mít neblahý dopad na lidské zdraví (Stevenson et al., 2015).

-pokračování-