Het mysterie van de oorsprong van virussen

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Virussen zijn nauwelijks in leven. Hun oorsprong en evolutie worden echter nog minder begrepen dan de opkomst van "normale" cellulaire organismen. Het is nog onbekend wie er eerder verschenen, de eerste cellen of de eerste virussen. Misschien hebben ze het leven altijd vergezeld, als een rampzalige schaduw.

Het probleem is dat virussen niets meer zijn dan fragmenten van het genoom (DNA of RNA) ingesloten in een eiwitmantel. Ze laten geen sporen na in het fossielenbestand, en het enige dat overblijft om hun verleden te bestuderen, zijn moderne virussen en hun genomen.

Door te vergelijken, overeenkomsten en verschillen te vinden, ontdekken biologen evolutionaire verbanden tussen verschillende virussen, bepalen hun oudste kenmerken. Helaas zijn virussen ongewoon variabel en gevarieerd. Het volstaat om eraan te herinneren dat hun genomen kunnen worden weergegeven door ketens van niet alleen DNA (zoals in ons land en bijvoorbeeld herpesvirussen), maar ook een verwant RNA-molecuul (zoals in coronavirussen).

Het DNA/RNA-molecuul in virussen kan enkelvoudig of gesegmenteerd zijn in delen, lineair (adenovirussen) of circulair (polyomavirussen), enkelstrengs (anellovirussen) of dubbelstrengs (baculovirussen).

Visuele wetenschap Influenza A / H1N1-virus

De structuren van virale deeltjes, de eigenaardigheden van hun levenscyclus en andere kenmerken, die voor gewone vergelijking zouden kunnen worden gebruikt, zijn niet minder divers. Helemaal aan het einde van dit bericht kun je meer lezen over hoe wetenschappers deze problemen omzeilen. Laten we voor nu onthouden wat alle virussen gemeen hebben: het zijn allemaal parasieten. Er is geen enkel virus bekend dat zelfstandig kan metabolisme uitvoeren, zonder gebruik te maken van de biochemische mechanismen van de gastheercel.

Geen enkel virus bevat ribosomen die eiwitten kunnen synthetiseren, en niemand heeft systemen die de productie van energie in de vorm van ATP-moleculen mogelijk maken. Dit alles maakt ze tot verplichte, dat wil zeggen tot onvoorwaardelijke intracellulaire parasieten: ze kunnen niet op zichzelf bestaan.

Het is niet verwonderlijk dat, volgens een van de eerste en meest bekende hypothesen, cellen voor het eerst verschenen, en pas daarna ontwikkelde zich de hele diverse virale wereld op deze bodem.

Regressief. Van complex naar eenvoudig

Laten we eens kijken naar rickettsia - ook intracellulaire parasieten, zij het bacteriën. Bovendien liggen sommige delen van hun genoom dicht bij DNA, dat zich in de mitochondriën van eukaryote cellen, waaronder mensen, bevindt. Blijkbaar hadden ze allebei een gemeenschappelijke voorouder, maar de grondlegger van de 'lijn van mitochondriën', die de cel infecteerde, doodde hem niet, maar werd per ongeluk bewaard in het cytoplasma.

Als gevolg hiervan verloren de afstammelingen van deze bacterie een massa meer onnodige genen en degradeerden ze tot cellulaire organellen die de gastheren van ATP-moleculen voorzien in ruil voor al het andere. De "regressieve" hypothese van de oorsprong van virussen gelooft dat een dergelijke degradatie hun voorouders had kunnen overkomen: eens volledig volwaardige en onafhankelijke cellulaire organismen, gedurende miljarden jaren parasitair leven, verloren ze eenvoudig alles wat overbodig was.

Dit oude idee is nieuw leven ingeblazen door de recente ontdekking van gigantische virussen zoals pandoravirussen of mimivirussen. Ze zijn niet alleen erg groot (de deeltjesdiameter van het mimivirus bereikt 750 nm - ter vergelijking, de grootte van het influenzavirus is 80 nm), maar ze dragen ook een extreem lang genoom (1,2 miljoen nucleotide-links in mimivirus versus enkele honderden in gewone virussen), die coderen voor vele honderden eiwitten.

Onder hen zijn er ook eiwitten die nodig zijn voor het kopiëren en "repareren" (reparatie) van DNA, voor de productie van boodschapper-RNA en eiwitten.

Deze parasieten zijn veel minder afhankelijk van hun gastheren en hun oorsprong uit vrijlevende voorouders lijkt veel overtuigender. Veel experts zijn echter van mening dat dit het belangrijkste probleem niet oplost - alle "extra" genen kunnen later uit gigantische virussen verschijnen, geleend van de eigenaren.

Het is immers moeilijk om een parasitaire afbraak voor te stellen die zo ver zou kunnen gaan en zelfs de vorm van de drager van de genetische code zou kunnen aantasten en zou kunnen leiden tot het ontstaan van RNA-virussen. Het is niet verwonderlijk dat een andere hypothese over de oorsprong van virussen evenzeer wordt gerespecteerd - het tegenovergestelde.

Progressief. Van eenvoudig tot complex

Laten we eens kijken naar de retrovirussen, waarvan het genoom een enkelstrengs RNA-molecuul is (bijvoorbeeld HIV). Eenmaal in de gastheercel gebruiken dergelijke virussen een speciaal enzym, reverse transcriptase, en zetten het om in gewoon dubbel DNA, dat vervolgens doordringt in het 'heilige der heiligen' van de cel - in de kern.

Dit is waar een ander viraal eiwit, integrase, in het spel komt en de virale genen in het DNA van de gastheer invoegt. Dan beginnen de eigen enzymen van de cel ermee te werken: ze produceren nieuw RNA, synthetiseren op basis daarvan eiwitten, enz.

Visuele wetenschap Humaan Immunodeficiëntie Virus (HIV)

Dit mechanisme lijkt op de reproductie van mobiele genetische elementen - DNA-fragmenten die niet de informatie bevatten die we nodig hebben, maar die worden opgeslagen en geaccumuleerd in ons genoom. Sommigen van hen, retrotransposons, zijn zelfs in staat om zich daarin te vermenigvuldigen en zich te verspreiden met nieuwe kopieën (meer dan 40 procent van het menselijk DNA bestaat uit dergelijke "rommel" -elementen).

Hiervoor kunnen ze fragmenten bevatten die coderen voor beide sleutelenzymen - reverse transcriptase en integrase. In feite zijn dit bijna kant-en-klare retrovirussen, verstoken van alleen een eiwitmantel. Maar de overname ervan is een kwestie van tijd.

Hier en daar ingebed in het genoom, zijn mobiele genetische elementen heel goed in staat om nieuwe gastheergenen te vangen. Sommigen van hen zijn mogelijk geschikt voor capsidevorming. Veel eiwitten hebben de neiging zichzelf te assembleren tot complexere structuren. Het ARC-eiwit, dat een belangrijke rol speelt bij het functioneren van neuronen, vouwt zich bijvoorbeeld spontaan in vrije vorm op tot virusachtige deeltjes die zelfs RNA kunnen bevatten. Aangenomen wordt dat de opname van dergelijke eiwitten ongeveer 20 keer zou kunnen plaatsvinden, waardoor grote moderne groepen virussen ontstaan die verschillen in de structuur van hun envelop.

Parallel. Schaduw van het leven

De jongste en meest veelbelovende hypothese zet echter alles weer op zijn kop, ervan uitgaande dat virussen niet later dan de eerste cellen verschenen. Lang geleden, toen het leven nog niet zo ver was gegaan, vond de proto-evolutie van zelfreplicerende moleculen, die zichzelf kunnen kopiëren, plaats in de "oersoep".

Geleidelijk werden dergelijke systemen complexer en transformeerden ze in grotere en grotere moleculaire complexen. En zodra sommigen van hen het vermogen verwierven om een membraan te synthetiseren en protocellen werden, werden anderen - de voorouders van virussen - hun parasieten.

Dit gebeurde aan het begin van het leven, lang voor de scheiding van bacteriën, archaea en eukaryoten. Daarom infecteren hun (en zeer verschillende) virussen vertegenwoordigers van alle drie de domeinen van de levende wereld, en onder virussen kunnen er zoveel RNA-bevattende zijn: het zijn RNA's die worden beschouwd als "voorouderlijke" moleculen, de zelfreplicatie en evolutie die leidden tot het ontstaan van het leven.

De eerste virussen zouden zulke "agressieve" RNA-moleculen kunnen zijn, die pas later genen verwierven die coderen voor eiwitenveloppen. Er is inderdaad aangetoond dat sommige soorten schelpen zelfs vóór de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle levende organismen (LUCA) zijn verschenen.

De evolutie van virussen is echter een gebied dat nog verwarrender is dan de evolutie van de hele wereld van cellulaire organismen. Het is zeer waarschijnlijk dat, op hun eigen manier, alle drie de opvattingen over hun oorsprong waar zijn. Deze intracellulaire parasieten zijn zo eenvoudig en tegelijkertijd divers dat verschillende groepen onafhankelijk van elkaar kunnen verschijnen in de loop van fundamenteel verschillende processen.

Dezelfde gigantische DNA-bevattende virussen zouden bijvoorbeeld kunnen ontstaan als gevolg van de afbraak van voorouderlijke cellen, en sommige RNA-bevattende retrovirussen - na "onafhankelijkheid te hebben bereikt" door mobiele genetische elementen. Maar het is mogelijk dat we het verschijnen van deze eeuwige dreiging te danken hebben aan een heel ander mechanisme, nog niet ontdekt en onbekend.

Genomen en genen. Hoe de evolutie van virussen wordt bestudeerd

Helaas zijn virussen ongelooflijk vluchtig. Ze missen systemen om DNA-schade te herstellen en elke mutatie blijft in het genoom, onder voorbehoud van verdere selectie. Bovendien wisselen verschillende virussen die dezelfde cel infecteren gemakkelijk DNA- (of RNA-)fragmenten uit, waardoor nieuwe recombinante vormen ontstaan.

Ten slotte vindt generatiewisseling ongewoon snel plaats - hiv heeft bijvoorbeeld een levenscyclus van slechts 52 uur en is verre van de kortste. Al deze factoren zorgen voor de snelle variabiliteit van virussen, wat de directe analyse van hun genomen enorm bemoeilijkt.

Tegelijkertijd starten virussen, eenmaal in een cel, vaak niet hun gebruikelijke parasitaire programma - sommige zijn op deze manier ontworpen, andere vanwege een accidentele storing. Tegelijkertijd kan hun DNA (of RNA, eerder omgezet in DNA) integreren in de chromosomen van de gastheer en zich hier verbergen, terwijl het verloren gaat tussen de vele genen van de cel zelf. Soms wordt het virale genoom opnieuw geactiveerd en soms blijft het in zo'n latente vorm en wordt het van generatie op generatie doorgegeven.

Aangenomen wordt dat deze endogene retrovirussen tot 5-8 procent van ons eigen genoom uitmaken. Hun variabiliteit is niet langer zo groot - cellulair DNA verandert niet zo snel, en de levenscyclus van meercellige organismen bereikt tientallen jaren, geen uren. Daarom zijn de fragmenten die in hun cellen zijn opgeslagen een waardevolle bron van informatie over het verleden van virussen.

Een apart en nog jonger gebied is de proteomics van virussen - de studie van hun eiwitten. Elk gen is immers slechts een code voor een bepaald eiwitmolecuul dat nodig is om bepaalde functies uit te voeren. Sommige "passen" zoals Lego-stukken, die de virale envelop vouwen, andere kunnen viraal RNA binden en stabiliseren, en weer andere kunnen worden gebruikt om de eiwitten van een geïnfecteerde cel aan te vallen.

De actieve plaatsen van dergelijke eiwitten zijn verantwoordelijk voor deze functies en hun structuur kan zeer conservatief zijn. Het behoudt een grote stabiliteit gedurende de evolutie. Zelfs individuele delen van genen kunnen veranderen, maar de vorm van de eiwitplaats, de verdeling van elektrische ladingen daarin - alles wat cruciaal is voor het uitvoeren van de gewenste functie - blijft bijna hetzelfde. Door ze te vergelijken, kan men de meest verre evolutionaire verbanden vinden.