De onzichtbare helden van de evolutie: virussen, deel 2/3

*Hieronder deel 2 van de vrije vertaling van Garry Hamilton. Kort samengevat komt het met de hypothese: mensapen zijn onze naaste familieleden maar de terroristen in de natuur, virussen, bepalen het verschil: truth is stranger than fiction.

Deel 1: Virussen: van terrorist tot held, hoe vreemd kan het lopen?

Deel 2: Virussen breken het leven niet af maar zijn vormend

Deel 3: Radicale evolutie: revolutie?*

Virussen breken het leven niet af maar zijn vormend

De geweldig grote biodiversiteit van virussen komt als een complete verrassing voor de toegepaste virulogie. Virussen werden beschouwd als de afdankertjes van de fylogenetische stamboom. Niets meer dan een pakketje levensloos genetisch materiaal welke in het verleden ontsnapte uit het cellulaire leven en zich omtoverde tot parasieten. Nu het totale aantal gesequenste virussen de 1000 nadert ontstaat er meer en meer de overtuiging dat virussen een superinteressant verhaal te vertellen hebben.

Fylogenetische stamboom

Frank Ryan (schrijver van o.a. het boek Virus X: Tracking the new killer plagues): de meeste virulogen geloven ondertussen ook niet meer dat virussen ontstaan zijn uit een levende cel maar dat deze onafhankelijke levensvormen zelfs ouder zijn dan het bacteriële leven.

Hoofdrollen in het verhaal zijn weggelegd voor Graham Hatfull en zijn collega Roger Hendrix (University of Pittsburgh). Ze onderzochten tientallen bacteriofagen op hun evolutionaire geschiedenis en probeerden ze te plaatsen in de stamboom. Dit was onmogelijk, wat bleek fragmenten DNA in de fagen zijn willekurig geassembleerd. Hun conclusie luidde: het genoom van virussen is een wilde verzameling, continue vindt er verandering in het erfelijk materiaal plaats door ander virussen die dezelfde gastheer parasiteren.

Simpel gezegd: het resultaat is onvoorspelbaar, er bestaat geen genetische blauwdruk.

Trouwens, indien men denkt dat dit genenbouwsel van de virussen een lokaal gebeuren is dan zit men goed fout. Ondanks de genen van virussen zo gigantisch divers zijn heeft men globaal identieke genen teruggevonden in verschillende omgevingen. Dit wekt de suggestie dat virussen de genen continue copieëren en verspreiden over een globale DNA snelweg.

Curtis Shuttle (University of British Columbia): de verspreiding van virale genetische informatie vindt wereldwijd plaats. (Beschouw Gaia of moeder Aarde maar als een organisme, alles staat met elkaar in contact.) Aangenomen wordt dat de besmetting of uitwisseling van informatie plaatsvindt in de geïnfecteerde cel. Tel hierbij de hoge mutatiesnelheid op en voilà, virussen blijken de meest potente bron voor een nieuwe DNA samenstelling te zijn.

Virussen kunnen dus onderling informatie uitwisselen maar dit maakt hun nog geen hoofdrolspeler in de evolutie. Dat klopt, maar naast dat virussen onderling goed in staat zijn om onderling info uit te wisselen kunnen zij ook DNA-info in de gastcel achterlaten maar tegelijkertijd ook meenemen. Multi-tasken lijkt door virussen te zijn uitgevonden.

De eerste aanwijzingen voor dit idee ontstond in de jaren zestig van de vorige eeuw. Onderzoekers ontdekken dat verschillende ontstekingen van bacteriofagen niet met elkaar overeenkomen. Vele virussen volgen de zogenaamde tactiek van de verschroeide aarde, de totale vernietiging van de omgeving, in dit geval de cel en vervolgens oprukken naar de buren. Maar andere types gaan doordachtzamer te werk: het virus nestelt zich in de celkern en vermenigvuldigt zich bij celdeling. Deze zogenaamde ‘profagen’ kunnen werdergeboren worden als nieuwe virusdeeltjes maar ook definitief deel gaan uitmaken van het bacteriële DNA.

Tot voor kort werd het niet voor mogelijk gehouden dat het genoom van bacteriën, DNA, virussen bevat. Trouwens de echte old school is hiervan nog altijd niet van overtuigd. Maar door stug doorsequensen komt men erachter dat het DNA in de meeste bacteriën voor 10 tot 20% profaag is. Daarnaast bestaat een gedeelte van dit bacteriële DNA uit ORFans, dit zijn genen die men nog nooit heeft gezien.

Wanneer men het (bacteriële) genoom sequenst komt men continue genen tegen die men nog nooit eerder is tegengekomen, vertelt Patrick Forterre (Paris-Sud University). Enkele jaren geleden had men het vermoeden dat dit veroorzaakt werd door het feit dat vele genomen nog niet in kaart waren gebracht. Maar zelfs vandaag de dag, waarbij bijna 1000 genomen gesequenst zijn, zal men bij een nieuwe soort nog altijd 10% ORFans terugvinden.

Forterre heeft ontdekt dat deze ORFans meestal klein zijn, ze lijken op virale genen. Daarnaast worden ze dicht in de buurt van de profage integratie teruggevonden. Zijn conclusie luidt dat 90% van de ORFans van virale orgine zijn.

Trouwens niet alleen bacteriën zitten opgezadeld met virale genen. Genetici ontdekten dat in alle genomen van levende wezens genen van virussen worden teruggevonden. Dit zijn de overblijfselen van virale infecties. In de eukrayoten, celkern plus membraan, is de belangrijkste bron van dit DNA afkomstig van retrovisrussen. Voor de duidelijkheid, RNA-virussen veranderen, na het binnendringen van de gastcel, hun genoom in DNA en integreren vervolgens. In sommige gevallen is de toevoeging permanent, dit zijn de zogenaamde endogene retrovirussen (ERV).

De ERV’s zijn bekend sinds 1970 maar pas sinds 2003 begint men iets de snappen van de omvang van deze infiltranten. Door het in kaart brengen van het erfelijk materiaal (Humane Genome Project, HGP) blijkt ons DNA over te lopen van de virale erfenis. Ruim 8% van het menselijke DNA bestaat overduidelijk uit ERV’s, een verdere 40 of 50% lijkt verdacht veel op ERV’s en de rest van het DNA toont overeenkomsten met een virusachtige vermenigvuldiging en verspreiding. Het lijkt erop dat een onvoorstelbare 90% van het human genome virusachtig is!

De ERV’s zijn teruggevonden in knaagdieren, apen, mensapen, koala’s, eigenlijk overal waar genetici durven te kijken. Forterre: we worden overspoeld met virale genen in levende cellen.

Het vreemde aan dit virale DNA is dat het niet alleen ruimte in beslag neemt maar daarnaast ook nog eens functioneel kan zijn. Volgens Fortrerre bezitten de meeste virale genen geen functie en worden geëlimineerd. Echter af en toe, wanneer er om welke reden dan ook een nuttig eiwit verschijnt, kan het virus-DNA integreren in het gastheer DNA. Juist deze opname kan de toekomst dramatisch wijzigen, het wordt bepalend voor de evolutionaire richting.

De eerste aanwijzingingen van de evolutionaire kracht van viraal DNA ontstonden in 1950, dit tijdens de pogingen om difterie uit te roeien. De bacteriële boosdoender was Corynebacterium diphtheria (difterie) en om zijn resultaat te breiken drong de bacteria door tot de keelcellen en produceerden vervolgens een gif. Later werd ontdekt dat de genen voor de productie van het gif waarschijnlijk afkomstig zijn van een profaag.

Sindsdien hebben onderzoekers een uitgebreide lijst samengeteld waarbij de toxische eigenschappen van bacteriële infecties toegeschreven worden aan de genen van bacteriële profagen. Hiertoe behoren ook botulisme, cholera, builenpest en necrotiserende fasciitis, ook wel de vleesetende ziekte genoemd.

chemicalanarchy.com