zakelijk

Let op: dit artikel is 'automatisch' vertaald. Wie de bron wil lezen, zie hier. 

 

HYPOTHESE EN THEORIE ARTIKEL

Voorkant. Microbiol., 19 maart 2019 | https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00523

Virussen en evolutie - Virussen eerst? Een persoonlijk perspectief

Karin Moelling ^{1,2 *} en Felix Broecker ³

• ¹ Instituut voor Medische Microbiologie, Universiteit van Zürich, Zürich, Zwitserland
• ² Max Planck Instituut voor Moleculaire Genetica, Berlijn, Duitsland
• ³ Afdeling Microbiologie, Icahn School of Medicine op Mount Sinai, New York, NY, Verenigde Staten

De ontdekking van exoplaneten in vermeende bewoonbare zones zorgde de afgelopen jaren voor een revolutie in de astrobiologie. Het wekte de belangstelling voor de vraag naar de oorsprong van het leven en zijn evolutie. Hier bespreken we wat de rol van virussen zou kunnen zijn geweest aan het begin van het leven en tijdens de evolutie. Virussen zijn de meest voorkomende biologische entiteiten op aarde. Ze zijn overal aanwezig, in onze omgeving, de oceanen, de bodem en in elk levend wezen. Retrovirussen droegen bij aan ongeveer de helft van onze genomische sequenties en aan de evolutie van de zoogdierplacenta. Hedendaagse virussen weerspiegelen de evolutie gaande van de RNA-wereld tot de DNA-eiwitwereld. Hoe ver terug kunnen we hun bijdrage traceren? De vroegste replicerende en evoluerende entiteiten zijn de ribozymen of viroïden die aan verschillende levenscriteria voldoen. RNA kan vele aspecten van het leven uitvoeren en beïnvloedt tot op de dag van vandaag onze genexpressie. De eenvoudigste structuren met niet-eiwitcoderende informatie kunnen modellen van leven vertegenwoordigen die zijn gebouwd op structurele, niet op genetische informatie. Virussen zijn tegenwoordig verplichte parasieten, afhankelijk van de gastheercellen. Voorbeelden van hoe een onafhankelijke levensstijl verloren zou kunnen zijn gegaan, zijn onder meer mitochondriën, chloroplasten,Rickettsia en anderen, die vroeger autonome bacteriën waren en intracellulaire parasieten of endosymbionten werden, waardoor ze de meeste van hun genen verloren. Zelfs in vitro kan het verlies van genen worden gerecapituleerd van coderend tot niet-coderend RNA. Bovendien kunnen de gigantische virussen erop wijzen dat er geen scherpe grens is tussen levende en niet-levende wezens, maar een evolutionair continuüm. Hier wordt besproken hoe virussen genen kunnen verliezen en verkrijgen, en dat ze essentiële drijfveren zijn voor evolutie. Deze discussie kan het denken over virussen als vroege mogelijke levensvormen stimuleren. Afgezien van onze opvatting "virussen eerst", zijn er andere zoals "eiwitten eerst" en "metabolisme eerst".

Ribozymen en Viroïden

De oorsprong van het leven op aarde heeft onlangs weer aandacht gekregen na de ontdekking van exoplaneten in mogelijk bewoonbare zones ( Kasting et al., 1993 ). Het astronomische aantal verwachte exoplaneten suggereert dat de statistische kans groot is dat leven zich ook ergens anders heeft ontwikkeld. Deze mogelijkheid stimuleert het nadenken over hoe het leven begon op de vroege aarde, wat kan helpen om te extrapoleren naar andere planeten.

Het leven begon vermoedelijk eenvoudig. Dit is aannemelijk, maar het is een aanname. De kleinste bekende bacteriën zijn nog vrij groot. Een van de kleinst bekende metabolisch autonome bacteriesoorten is Pelagibacter ubique met ongeveer 1.400 genen ( Giovannoni et al., 2005 ). Genoomreductie van Mycoplasma mycoides door systematische deletie van individuele genen resulteerde in een synthetisch minimaal genoom van 473 genen ( Hutchison et al., 2016 ). Kan men eenvoudiger levende wezens beschouwen?

Er zijn elementen zonder genen die aan veel criteria voor het vroege leven voldoen: ribozymen, katalytische RNA's die nauw verwant zijn aan viroïden. Ze werden in vitro gewonnen uit 10 ¹⁵ moleculen (aptameren), 220 nucleotiden lang, door 10 selectieronden. Onder de vele RNA-soorten die aanwezig zijn in deze verzameling van quasispecies-RNA's waren katalytisch actieve leden, enzymatisch actieve ribozymen. De sequentieruimte voor 220-meer RNA's is ongeveer 3 x ¹⁰¹³² ( Eigen, 1971 ; Wilson en Szostak, 1999 ; Brackett en Dieckmann, 2006 ).

De geselecteerde ribozymen waren in staat om peptidebindingen te repliceren, te splitsen, samen te voegen en te vormen. Ze kunnen het nageslacht chemisch polymeriseren, mutaties mogelijk maken en kunnen evolueren. Het ene molecuul dient als katalysator, het andere als substraat. Replicatie van ribozymen werd aangetoond in de reageerbuis ( Lincoln en Joyce, 2009 ). Ribozymen kunnen peptidebindingen vormen tussen aminozuren ( Zhang en Cech, 1997 ). Er waren dus kleine peptiden beschikbaar door ribozymactiviteit. Bijgevolg is een RNA-modificatie voorgesteld als peptidenucleïnezuur (PNA), met stabielere peptidebindingen in plaats van fosfodiësterbindingen ( Zhang en Cech, 1997 ; Joyce, 2002). Replicatie van RNA-moleculen kan chemisch worden uitgevoerd vanuit RNA zonder polymerase-enzymen. Bovendien kunnen deoxyribozymen worden gevormd uit ribonucleotiden ( Wilson en Szostak, 1999 ). DNA kan dus chemisch uit RNA ontstaan, zonder het sleuteleiwit-enzym, het reverse transcriptase.

Een hele levende wereld is mogelijk vanaf niet-coderend RNA (ncRNA) vóór evolutie van de genetische code en proteïne-enzymen. Ribozymen bestaan ​​van nature uit circulaire enkelstrengs RNA's ( Orgel, 2004 ). Ze missen de genetische tripletcode en coderen niet voor eiwitten. In plaats daarvan vertonen ze structurele informatie door middel van haarspeldlussen die waterstofbruggen vormen tussen onvolledige dubbele strengen, en lussen die vrij zijn voor interactie met andere moleculen. Ze vertegenwoordigen een quasispecies waarin vele soorten RNA kunnen worden gevormd, zoals ribozymen, tRNA-achtige moleculen en andere ncRNA's. RNA's binnen zo'n pool kunnen aminozuren binden. Negentig verschillende aminozuren zijn geïdentificeerd op de Murchison-meteoriet die in Australië wordt gevonden, terwijl op aarde er slechts ongeveer 20 worden gebruikt voor eiwitsynthese ( Meierhenrich, 2008). Waar de vorming van ribozymen op de vroege aarde plaatsvond, is een kwestie van speculatie. De hydrothermale ventilatieopeningen zoals zwarte rokers in de diepe oceaan zijn mogelijkheden waar het leven is begonnen ( Martin et al., 2008 ). Daar zijn temperatuurgradiënten en klei met mineralen zoals magnesium of mangaan beschikbaar. Poriën of nissen bieden mogelijkheden voor concentratie van bouwstenen, wat nodig is om chemische reacties te laten plaatsvinden. Interessant is dat ijs ook een kandidaat is voor ribozymvorming en chemische reacties. IJskristallen verplaatsen de biomoleculen in de vloeibare fase, wat leidt tot concentratie, waardoor een quasicellulaire compartimentering ontstaat waar de novosynthese van nucleotidevoorlopers wordt bevorderd. Daar kunnen RNA en ribozymen ontstaan, die in staat zijn tot zelfreplicatie ( Attwater et al., 2010 ).

tRNA-aminozuurcomplexen kunnen RNA's vinden als 'mRNA's'. Dergelijke interacties zouden kunnen hebben bijgedragen aan de evolutie van de genetische code. Deze opeenvolging van gebeurtenissen kan leiden tot primitieve ribosoomvoorlopers. Ribozymen zijn de essentiële katalytische elementen in ribosomen: “Het ribosoom is een ribozym” ( Cech, 2000 ), aangevuld met een honderdtal scaffold-eiwitten later tijdens de evolutie. De eiwitten hebben structurele functies en dragen indirect bij aan enzymatische activiteit. Zijn deze ribosoomgebonden ribozymen fossielen uit de vroege aarde? Kleine peptiden kunnen worden gevormd door ribozymen voordat ribosomen evolueerden, waarbij enkelvoudige of dimere aminozuren afkomstig kunnen zijn uit het universum ( Meierhenrich, 2008 ).

Kleine peptiden met basische aminozuren kunnen de katalytische activiteit van ribozymen verhogen, zoals in vitro aangetoond ( Müller et al., 1994 ). Dergelijke eiwitten staan ​​bekend als RNA-bindende eiwitten van RNA-virussen die het RNA-genoom beschermen, met motieven zoals RAPRKKG van het nucleocapside NCp7 van HIV ( Schmalzbauer et al., 1996 ). Peptiden kunnen de katalytische activiteit van ribozymen tot 100-voudig versterken ( Müller et al., 1994 ). Dergelijke peptiden van RNA-virussen dienen als chaperonnes die hoger geordende RNA-structuren verwijderen, waardoor een efficiëntere interactie van RNA-moleculen mogelijk is en de transcriptiesnelheden van RNA-polymerasen toenemen ( Müller et al., 1994). Ribonucleoproteïnen waren mogelijk ook functioneel belangrijk tijdens de evolutie van ribosomen ( Harish en Caetano-Anolles, 2012 ).

Deze pre-ribosomale structuren zijn ook vergelijkbaar met precursor-achtige structuren van retrovirussen. Omgekeerde transcriptie kan chemisch worden uitgevoerd door ribozymen. Deze actie vereist niet noodzakelijk een eiwitpolymerase zoals het reverse transcriptase. Evenzo kunnen deoxyribonucleotiden ontstaan ​​door verwijdering van zuurstof zonder de noodzaak van een proteïne-enzym (een reductase) zoals tegenwoordig, en kunnen ze DNA-polymerisatie mogelijk maken ( Wilson en Szostak, 1999 ; Joyce, 2002 ). Dezelfde elementen van de voorlopers voor ribosomen zijn ook bouwstenen van retrovirussen, die een vergelijkbare evolutionaire oorsprong kunnen hebben ( Moelling, 2012 , 2013). tRNA's dienen als primers voor het reverse transcriptase, en de sequentie van promoters van transponeerbare elementen is afgeleid van tRNA's ( Lander et al., 2001 ). De ribozymen ontwikkelden zich tot meer complexe zelf-splitsende introns van groep II met insertie van genen die coderen voor een reverse transcriptase en aanvullende eiwitten ( Moelling en Broecker, 2015 ; Moelling et al., 2017 ) ( Figuur 1 ).

FIGUUR 1

Figuur 1. Er wordt een compartiment getoond met essentiële onderdelen van het leven zoals besproken in de tekst. Niet-coderend RNA (ncRNA), ribozymen of viroïden, kunnen levenslang vele stappen uitvoeren zonder eiwitcoderende genen, maar alleen op basis van structurele informatie. Individuele aminozuren worden aangeduid als zwarte stippen en zijn mogelijk beschikbaar op aarde vanuit het universum. DNA bestond mogelijk vóór retrovirussen. Het compartiment kan worden geïnterpreteerd als pre-virus of pre-cel. Viroid, groen; RNA, rood; DNA, zwart.

Het was een verrassing dat de genomen van bijna alle soorten rijk zijn aan ncDNA, getranscribeerd in ncRNA's maar niet coderend voor eiwitten, zoals bijvoorbeeld blijkt uit het “Encyclopedia of DNA Elements” (ENCODE) -project. ncDNA vertegenwoordigt meer dan 98% van het menselijk DNA-genoom ( Deveson et al., 2017 ). Hogere organismen hebben de neiging om meer niet-coderende informatie te hebben, wat meer complexe vormen van genregulatie mogelijk maakt. De ncRNA's zijn regulatoren van de eiwitcoderende sequenties. Zeer complexe organismen, zoals mensen, hebben doorgaans een groot aantal ncRNA en regulerende mechanismen. ncRNA kan variëren van bijna nul in de kleinste bacteriën zoals Pelagibacter ubique tot ongeveer 98% in het menselijk genoom.

RNA-virussen zoals het retrovirus HIV herbergen ncRNA's voor genregulatie, zoals het trans- activerende responselement (TAR), de bindingsplaats voor het Tat-eiwit voor vroege virale genexpressie. Tat heeft een zeer basisch domein dat voornamelijk Lys- en Arg-residuen omvat en lijkt op andere RNA-bindende eiwitten. ncRNA dient ook op virale RNA-genomen als ribosomale toegangsplaatsen, primerbindingsplaatsen of verpakkingssignalen. DNA-synthese hangt af van RNA-synthese als initiële gebeurtenis, met RNA-primers als starters voor DNA-replicatie, zowel in cellen als tijdens retrovirale replicatie, wat aantoont dat RNA vereist is ( Flint, 2015 ).

Het aantal coderende genen voor zoogdiereiwitten is ongeveer 20.000. Verrassend genoeg is dit slechts een vijfde van het aantal genen van broodtarwe ( Appels et al., 2018 ). Tulpen, maïs en andere planten hebben ook grotere genomen, wat aangeeft dat het aantal genen niet noodzakelijk de complexiteit van een organisme weerspiegelt. Wat deze plantgenomen zo groot maakt, is nog een open vraag. Zouden de gigantische genomen mogelijk het resultaat zijn van het kweken van planten door boeren of tuinders?

Volgens Szostak zijn er moleculen die lijken op overblijfselen uit de RNA-wereld, zoals acetyl-CoA of vitamine B12, die allebei zonder duidelijke reden aan een ribonucleotide zijn gebonden - was het "vergeten" om te worden verwijderd? ( Roberts en Szostak, 1997 ; Szostak et al., 2001 ; Szostak, 2011 ). Misschien dient het verbonden RNA als structurele stabilisator. Lipideblaasjes zouden de eerste compartimenten kunnen hebben gevormd en ribozymen, tRNA's met geselecteerde aminozuren en RNA kunnen hebben ingesloten dat mRNA werd. Is dit een pre-cel of pre-virus ( Figuur 1 )?

Patel et al. (2015) toonden aan dat de bouwstenen van het leven, ribonucleotiden, lipiden en aminozuren, gevormd kunnen worden uit C, H, O, P, N, S in een "one pot" -synthese. Deze studie kan worden beschouwd als een vervolgstudie van de klassieke Urey-Miller in vitro synthese van biomoleculen ( Miller, 1953 ; Miller en Urey, 1959 ). De overgang van de RNA- naar de DNA-wereld werd bevorderd door de vorming van het reverse transcriptase. Het enzym werd voor het eerst beschreven in retrovirussen, maar het is bijna alomtegenwoordig en wordt aangetroffen in tal van cellulaire soorten, waarvan er vele onbekende functies hebben ( Simon en Zimmerly, 2008 ; Lescot et al., 2016). Het is een belangrijke schakel tussen de RNA- en de DNA-werelden. De naam reverse transcriptase is historisch en irritant omdat het de 'echte' transcriptase is tijdens de overgang van de RNA- naar de DNA-wereld. Evenzo is het ribonuclease H (RNase H) een essentieel enzym van retrovirussen ( Mölling et al., 1971 ). De RNase H bleek een van de vijf meest voorkomende en oeroude eiwitten te zijn ( Ma et al., 2008 ) die behoort tot een superfamilie van meer dan zestig verschillende unieke vertegenwoordigers en 152 families met talrijke functies ( Majorek et al., 2014 ) .

Sommige van de vele tRNA's kunnen worden geladen met aminozuren. Er zijn virussen die tRNA-achtige structuren (TLS) bevatten, die lijken op deze vroege RNA's ( Dreher, 2009 ). De TLS van deze virussen binden typisch aan een enkel aminozuur. TLS-virussen omvatten plantenvirussen, zoals Turnip yellow mosaic virus, in Peanut clump virus, Tobacco mosaic virus (TMV) en Brome mosaic virus. Slechts een halve tRNA wordt gevonden in Narnavirussen van schimmels. De aminozuren waarvan bekend is dat ze componenten zijn van tRNA-achtige virussen, zijn valine, histidine en tyrosine. De structuren werden ook aangeduid als "mimicry", waardoor de vertaling wordt verbeterd ( Dreher, 2009 , 2010). Ze zien eruit als "bevroren" precursor-achtige elementen voor eiwitsynthese. Deze combinatie van een gedeeltelijk tRNA gekoppeld aan één aminozuur kan worden geïnterpreteerd als een evolutionaire vroege stap naar eiwitsynthese, gevangen in een viraal element.

Ribozymen zijn verwant aan de eiwitvrije viroïden. Viroïden zijn virusachtige elementen die tot de virosfeer behoren, de wereld van virussen ( Chela-Flores, 1994 ). Viroïden missen een eiwitlaag en werden daarom aanvankelijk niet als virussen aangemerkt, maar als virusachtige viroïden toen ze in 1971 werden ontdekt door Theodor Diener. Hij beschreef viroïden als "levende fossielen" ( Diener, 2016 ) ( Figuur 2 ).

FIGUUR 2

Figuur 2. Viroïden zijn haarspeldlusstructuren en worden schematisch en als elektronenmicroscoop weergegeven. Viroïden hebben, net als ribozymen, geen genetische informatie en spelen tegenwoordig een belangrijke biologische rol bij plantenziekten, anjerbloemen, leverkanker, als katalysator van eiwitsynthese in ribosomen en als circulaire regulerende RNA's, als 'sponzen' voor andere regulerende RNA's.

Diener isoleerde uit geïnfecteerde aardappelen de Potato spindle tuber viroid (PSTVd) waarvan het genoom ongeveer 100 keer kleiner was dan dat van de op dat moment bekende virussen. De viroïden die tegenwoordig bekend zijn, variëren van 246 tot 467 nucleotiden. Ze bevatten circulair enkelstrengs RNA, zijn eiwitvrij en zelfreplicerend zonder genetische informatie, maar alleen structurele informatie in de vorm van haarspeld-lussen ( Riesner et al., 1979 ). Ze kunnen kopieën van zichzelf genereren in de juiste omgeving. Ze werden aangeduid als de "grenzen van het leven" ( Flores et al., 2014 ).

De kennis van de virussamenstelling was gebaseerd op TMV en de kristallisatie ervan door Wendell Stanley in 1935 ( Pennazio en Roggero, 2000 ). Het genoom van TMV is eiwitcoderend enkelstrengs RNA van ongeveer 6.400 nucleotiden dat wordt omsloten door een staafachtige eiwitmantel. Viroïden daarentegen coderen niet voor eiwitten en hebben geen jassen, maar ze zijn nauw verwant aan virussen. Viroïden kunnen hun autonomie verliezen en vertrouwen op RNA-polymerasen van de gastheer om zich te vermenigvuldigen, zijn in staat planten te infecteren en vele zijn economisch belangrijke pathogenen. Er zijn twee families, de nucleus-replicerende Pospiviroidae zoals PSTVd ​​en de chloroplast-replicerende Avsunviroidaezoals de Avocado sunblotch viroid (ASBVd). Hun replicatie vereist gastheerenzymen. Autonomie wordt dus vervangen door afhankelijkheid van gastherenzymen en een intracellulaire levensstijl.

De meeste viroïden zijn vaak enzymatisch actieve ribozymen - toch zijn het voorbeelden dat deze eigenschap verloren kan gaan als gevolg van veranderende omgevingsomstandigheden. Verlies van ribozymactiviteit is een functioneel, geen genetisch verlies. Alleen de nucleaire varianten, de Pospiviroidae , kunnen hun ribozymactiviteit verliezen en het cellulaire RNase III-enzym gebruiken voor hun replicatie. Daarentegen zijn de Avsunviroidae nog steeds actieve hamerkopribozymen. Dus in de kern van een gastheercel kan de enzymatische RNA-functie overbodig worden. Geen genen, maar een functie, de katalytische activiteit, gaat verloren.

Viroïden kregen blijkbaar geen genen, maar werkten samen voor een complexere levensstijl. Bijvoorbeeld, Anjer klein viroïd-achtig RNA (CarSV RNA) werkt samen met een retrovirus en gaat vergezeld van een homoloog DNA gegenereerd door een reverse transcriptase. Dit enzym is vermoedelijk afkomstig van een pararetrovirus van planten. Pararetrovirussen verpakken virusdeeltjes in een ander stadium tijdens replicatie dan retrovirussen, het DNA, niet het RNA. Deze unieke combinatie tussen twee virale elementen is tot nu toe alleen gedetecteerd met CarSV in anjerbloemen ( Flores et al., 2005 , 2014). Waarom is een dergelijke samenwerking ontstaan ​​- misschien door tuiniers te kweken? RNA is gevoelig voor afbraak; daarom kan genetische toename en groei van het genoom energetisch niet gunstig zijn - althans niet bij planten. Functiewinst is in dit geval samenwerking.

Het circulaire RNA (circRNA) is gerelateerd aan ribozymen / viroïden als een hoofdregulator van andere regulerende RNA's, een "spons" die kleine RNA's absorbeert. Micro-RNA's (miRNA's) zijn post-transcriptionele regulatoren die worden beïnvloed door de aanwezigheid van circRNA's. circRNA's werden gedetecteerd in hersenen en testes van mensen en muizen, evenals in planten. Ze kunnen 70 geconserveerde miRNA's in een cel binden en in totaal 25.000 moleculen bedragen ( Hansen et al., 2013 ). Hun structuur doet denken aan katalytisch actieve ribozymen.

Er is een uitzonderlijke viroïde die coderingsinformatie heeft verkregen en de menselijke lever is binnengedrongen ( Taylor, 2009). De viroïde staat bekend als het hepatitis-deltavirus (HDV). Het heeft het kleinste genoom van elk bekend dierlijk virus van ongeveer 1.680 nucleotiden. Het heeft eigenschappen die typisch zijn voor viroïden, aangezien het circRNA bevat, soortgelijke haarspeldlussen vormt en repliceert in de kern met behulp van gastheerenzymen. Twee polymerasen moeten hun specificiteit omleiden van DNA naar RNA om het HDV-genoom en antigenoom te genereren. Beiden hebben ribozymactiviteit. In tegenstelling tot andere ribozymen codeert HDV voor een eiwit, het hepatitis-delta-antigeen (HDVAg) dat in twee vormen voorkomt, de kleine HDVAg (24 kDa) die replicatie ondersteunt en de grote HDVAg (27 kDa) die de virionassemblage ondersteunt. Het gen werd vermoedelijk uit de gastheercel opgepikt door recombinatie van het mRNA-tussenproduct van HDV met een gastheer-mRNA. De overdracht is afhankelijk van een helpervirus, het hepatitis B-virus (HBV), dat de vacht (Taylor, 2009 ) Beschermt de verpakking door een helpervirus het genoom en zorgt zo voor het bestaan ​​van een grotere viroïde?

In planten kunnen viroïden mogelijk niet groter worden, mogelijk vanwege hun gevoeligheid voor afbraak, maar ze kunnen ook niet veel kleiner worden. Er is slechts één viroïde bekend die volledig is samengesteld uit eiwitcoderend RNA met tripletten ( AbouHaidar et al., 2014 ). Viroïden en gerelateerde replicerende RNA's zijn foutgevoelige replicerende eenheden en de foutfrequentie legt hen een bepaalde minimale grootte op, omdat ze anders zouden uitsterven. Dit mechanisme is beschreven als "catastrofe bij fouten", die overleving verhindert ( Eigen, 1971 , 2013 ). De viroïden en gerelateerde RNA's zijn de kleinst bekende replicons. Kleinere zouden uitsterven als er geen reparatiesystemen zijn.

Samenvattend kan RNA veel reacties katalyseren. Eiwit-enzymen die later zijn geëvolueerd, hebben hogere katalytische activiteiten. Ribozymen zijn dragers van informatie, maar vereisen geen coderende genen. Informatie wordt opgeslagen in hun volgorde en structuur. Replicatie van een initieel RNA wordt dus gevolgd door een informatiestroom, van DNA naar RNA naar eiwit, zoals beschreven in het Central Dogma ( Crick, 1968 ). Zelfs een informatiestroom van eiwit naar DNA is beschreven voor sommige archaeale eiwitten ( Béguin et al., 2015). De DNA-eiwitwereld bevat talloze ncRNA's met sleutelfuncties. ncRNA kan dienen als een modelverbinding voor het ontstaan ​​van leven op andere planeten. Hierbij is niet de chemische samenstelling van dit molecuul van primair belang, maar de eenvoud en multifunctionaliteit ervan. Bovendien is RNA software en hardware in één molecuul, wat het uniek maakt in onze wereld. Er zijn andere scenario's naast de hier besproken 'virus-eerst', zoals 'eiwit eerst', 'metabolismevuist' of de 'lipidenwereld' ( Segré et al., 2001 ; Andras en Andras, 2005 ; Vasas et al. ., 2010 ; Moelling, 2012 ). Sommige van deze alternatieve concepten waren gebaseerd op fylogenomica, de reconstructie van de levensboom door genoomsequentiebepaling ( Delsuc et al., 2005). Verrassend genoeg was het Sir Francis Crick, een van de ontdekkers van de dubbele DNA-helix, die verklaarde dat hij niet verbaasd zou zijn over een wereld die volledig uit RNA is opgebouwd. Een soortgelijke voorspelling werd gedaan door Walter Gilbert ( Crick, 1968 ; Gilbert, 1986 ). Wat een visioen! Onze wereld werd bijna 50 jaar later gedefinieerd als "RNA-eiwit" -wereld ( Altman, 2013 ). Men kan speculeren dat onze wereld is opgebouwd uit ribozymen of viroïden, wat 'eerst virussen' betekent.

Spiegelman's Monster

ncRNA's verschijnen als overblijfselen uit de vroegere RNA-wereld, voordat DNA, de genetische code en eiwitten evolueerden. NcRNA is echter tegenwoordig essentieel in onze biologische DNA-wereld. Het is mogelijk om dergelijk ncRNA tegenwoordig in de reageerbuis te produceren door verlies van genetische informatie van eiwitcoderend RNA. Deze reductie tot ncRNA werd in vitro aangetoondmet faag-RNA. Faag Qβ genomisch RNA, 4217 nucleotiden lang, werd geïncubeerd in aanwezigheid van Qβ-replicase, vrije nucleotiden en zouten, een rijk milieu in de reageerbuis. Het RNA mocht repliceren door middel van de Qβ-replicase. Seriële overdracht van aliquots naar vers medium leidde tot steeds snellere replicatiesnelheden en vermindering van genomische grootte, tot 218 nucleotiden van ncRNA in 74 generaties. Deze studie toonde aan dat, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, een extreme genreductie kan plaatsvinden. Dit experiment dat in 1965 werd uitgevoerd, werd aangeduid als 'Spiegelman's Monster'. Coderend RNA werd replicerend ncRNA ( Spiegelman et al., 1965 ; Kacian et al., 1972 )!

Manfred Eigen breidde dit experiment uit en toonde verder aan dat een mengsel dat in het begin geen RNA bevat maar alleen ribonucleotiden en het Qβ-replicase onder de juiste omstandigheden in een reageerbuis spontaan zelfreplicerend ncRNA kan genereren. Dit evolueerde naar een vorm vergelijkbaar met Spiegelman's Monster. De aanwezigheid van het replicase-enzym was in deze onderzoeken nog steeds nodig. Bovendien beïnvloedden een verandering in enzymconcentratie en toevoeging van korte RNA's of een RNA-intercalator de opkomende RNA-populatie ( Sumper en Luce, 1975 ; Eigen, 2013 ). De complexiteit van genomen hangt dus af van de omgeving: slechte omstandigheden leiden tot verhoogde complexiteit en rijke omgevingen tot verminderde complexiteit.

Het proces dat in dit experiment met virale componenten wordt gedemonstreerd, geeft aan dat terugkeer naar eenvoud, verkleining van de omvang, verlies van genetische informatie en snelheid van replicatie belangrijke levenskrachten kunnen zijn, ook al lijkt dit een omkering van de evolutie te zijn. Het experiment kan misschien worden gegeneraliseerd van de reageerbuis naar het principe dat de meest succesvolle overlevenden op onze planeet de virussen en micro-organismen zijn, die de meest voorkomende entiteiten werden. Misschien kan het leven van daaruit weer beginnen.

Deze onderzoeken werpen de vraag op hoe RNA-moleculen langer kunnen worden, als de kleine polymeren kleiner en kleiner worden, sneller repliceren en langere concurreren. Dit kan worden verholpen door warmtestroom door een open porie in ondergedompelde rotsen, die replicerende oligonucleotiden concentreert vanuit een constante toevoerstroom en selectie voor langere strengen. Dit is beschreven voor een toename van 100 naar 1.000 nucleotiden in vitro . RNA-moleculen korter dan 75 nucleotiden zullen uitsterven ( Kreysing et al., 2015 ). Kan een slechte omgeving leiden tot een toename van de complexiteit? Dit zou kunnen worden getest. Ribozymen bleken in omvang te groeien door opname van genen, zoals aangetoond voor HDV ( Taylor, 2009 ).

Microbioom in de menselijke darm

Een interessant recent onverwacht voorbeeld dat het idee ondersteunt dat omgevingscondities de genetische complexiteit beïnvloeden, is het menselijke darmmicrobioom. De complexiteit neemt toe met gevarieerd voedsel, terwijl uniform rijk voedsel de diversiteit vermindert en kan leiden tot ziekten zoals obesitas. De kolonisatie van het menselijke darmkanaal begint bij de geboorte. Enkele tientallen bacteriële en virale / faag-soorten worden geconserveerd tussen individuen ( kernsequenties ) als een stabiele samenstelling ( Broecker et al., 2016c , 2017). Dysbiose is waargenomen bij verschillende chronische ziekten en bij obesitas, verlies van bacteriële rijkdom en diversiteit. Voeding onder welvarende omstandigheden met suikerrijke voeding draagt ​​bij aan obesitas, wat resulteert in een significante vermindering van de complexiteit van het microbioom. Deze vermindering is moeilijk ongedaan te maken ( Cotillard et al., 2013 ; Le Chatelier et al., 2013 ). Het darmmicrobioom bij menselijke patiënten met obesitas doet denken aan de genreductie die is beschreven in het Monster-experiment van Spiegelman: reductie van genen in een rijke omgeving.

De vermindering van de complexiteit van het microbioom wordt gedeeltelijk toegeschreven aan de werking van fagen, die onder dergelijke omstandigheden, gedefinieerd als stress, de bacteriën lyseren. Fecale microbiota-transplantatie kan zelfs worden vervangen door oplosbare fracties die fagen of metabolieten van de donor bevatten zonder bacteriën ( Ott et al., 2017 ). Op dezelfde manier worden de meest complexe microbiomen aangetroffen in inheemse menselijke stammen in Afrika, die leven van een breed scala aan verschillende voedingsstoffen. Het is echter een langzaam proces om de complexiteit van de darmflora te vergroten door verschillende soorten voeding. De aan obesitas gerelateerde microbiota die overleven, zijn fitter en moeilijker te bestrijden. Verstedelijking en verwestering van het dieet wordt in verband gebracht met een verlies van microbiële biodiversiteit, verlies van microbiële organismen en genen ( Segata, 2015).

Om het mechanisme en de drijvende kracht achter genoomreductie te begrijpen, werden deletiesnelheden getest door insertie van een indicatorgen in het Salmonella enterica genoom. Het verlies van het indicatorgen werd gevolgd door seriële passage in rijk medium. Na 1000 generaties veroorzaakte ongeveer 25% van de deleties een verhoogde bacteriële fitheid. Deleties resulteerden in kleinere genomen met verminderde of afwezigheid van DNA-herstelgenen ( Koskiniemi et al., 2012 ). Door genverlies werden de bacteriën onder deze experimentele omstandigheden beter fit.

Mimivirussen - winst of verlies?

De recent ontdekte mimivirussen en andere gigantische virussen zijn het overwegen waard om de evolutie van het leven te begrijpen met betrekking tot de bijdrage van virussen. Hun gastheren zijn bijvoorbeeld Acanthamoeba , Chlorella en Coccolithus- algen ( Emiliania huxleyi), maar ook koralen of sponzen, zoals recentelijk besproken. Mimivirussen werden voor het eerst ontdekt in koelwatertorens in Bradford, Verenigd Koninkrijk in 2003 met ongeveer 1.000 genen, waarvan de meeste geen verband houden met eerder bekende genen. Mimivirussen hebben aandacht gekregen omdat ze elementen bevatten die werden beschouwd als kenmerken van levende cellen, niet van virussen, zoals elementen die nodig zijn voor eiwitsynthese, tRNA's en aminozuurtransferases. De mimivirussen herbergen deze bouwstenen als onvolledige sets die niet voldoende zijn voor onafhankelijke eiwitsynthese zoals bacteriën of archaea kunnen presteren, waardoor ze geen autonoom leven kunnen leiden ( La Scola et al., 2003 , 2008)). Ze zijn groter dan sommige bacteriën. Reusachtige virussen kunnen worden beschouwd als zich op een evolutionair pad naar een cellulair organisme. Als alternatief kunnen ze zijn geëvolueerd uit een cellulair organisme door verlies van genetische informatie ( Nasir en Caetano-Anolles, 2015 ). Reuzenvirussen hebben vaak genen van hun gastheren overgenomen door horizontale genoverdracht (HGT) ( La Scola et al., 2008 ; Nasir en Caetano-Anolles, 2015 ; Colson et al., 2018 ). Een grafiek over genoomgroottes laat zien dat mimivirussen en bacteriën elkaar in grootte overlappen, wat duidt op een continue overgang tussen virussen en bacteriën en tussen levende en niet-levende werelden (gebaseerd op Holmes, 2011 ) ( Figuur 3). Andere gigantische virussen, zoals megavirussen, werden ontdekt in de oceaan van Chili met 1.120 genen. Meest recent werd het Klosneuvirus in 2017 in het rioolwater van het klooster Klosterneuburg in Oostenrijk vastgesteld met 1,57 miljoen (miljoen) basenparen ( Mitch, 2017 ). Pithovirus sibericum is de grootste van de tot nu toe ontdekte gigantische virussen met een diameter van 1,5 micron, een genoom van 470.000 bp met 467 vermeende genen, 1,6 micron lang, en het is vermoedelijk 30.000 jaar oud toen het werd gewonnen uit permafrost in Siberië ( Legendre et al., 2014 ). De kleinere Pandoravirussen met een lengte van 1 micron hebben vijf keer grotere genomen, 2.500.000 bp ( Philippe et al., 2013 ) ( Figuur 3 ).

FIGUUR 3

Figuur 3. Grootteverdeling van virussen (rode cirkels), vrijlevende bacteriën en eukaryoten (zwarte cirkels) worden weergegeven in verhouding tot hun frequenties. De overgangszone tussen parasieten of symbionten versus vrijlevende soorten wordt aangegeven door een zwarte lijn. De overgang is geen scherpe grenslijn zoals weergegeven door de cirkels en zoals besproken in de tekst (gewijzigd ten opzichte van Holmes, 2011 ).

De gigantische virussen kunnen zelfs gastheren zijn voor kleinere virussen, de virofagen, die doen denken aan bacteriofagen, de virussen van bacteriën. Deze virofagen zoals Sputnik zijn slechts 50 nm groot met 18.343 bp circulair dsDNA en 21 voorspelde eiwitcoderende genen. Ze repliceren in virale fabrieken en verbruiken de bronnen van het mimivirus, waardoor ze het vernietigen. Sommige virofagen kunnen zelfs worden geïntegreerd in het genoom van de cellulaire gastheer en kunnen opnieuw worden geactiveerd wanneer de gastheer wordt geïnfecteerd door gigantische virussen. Reusachtige virussen suggereren dus dat virussen dicht bij levende wezens staan ​​of mogelijk in leven zijn geweest ( La Scola et al., 2008 ; Fischer en Hackl, 2016 ).

In de biologie is het gebruikelijk om onderscheid te maken tussen levende en dode materie door het vermogen om eiwitten te synthetiseren en autonoom te repliceren. De gigantische virussen kunnen worden beschouwd als een ontbrekende schakel tussen de twee, omdat ze "bijna" het apparaat voor eiwitsynthese herbergen. De overgang van de levende naar de niet-levende wereld is continu, niet gescheiden door een scherpe grenslijn ( Figuur 3 ).

Virussen worden door het grootste deel van de wetenschappelijke gemeenschap niet als levend beschouwd en zoals ze in leerboeken worden geschreven, omdat ze niet autonoom kunnen repliceren. Toch zijn sommige van de gigantische virussen uitgerust met bijna alle componenten van de eiwitsynthese-machinerie die dicht bij bacteriën staan, wat suggereert dat ze tot de levende materie behoren ( Schulz et al., 2017 ). De ribozymen waren mogelijk de vroegste replicerende entiteit. Misschien waren ook andere virussen aanvankelijk onafhankelijker van de vroege aarde dan ze nu zijn. Zoals beschreven in figuur 1 was er in eerste instantie mogelijk geen groot verschil tussen een vroeg virus of een vroege cel. Pas later hebben virussen hun autonome replicatie opgegeven en zijn ze parasieten geworden - zoals is beschreven voor sommige bacteriën (zie hieronder).

Er zijn pogingen gedaan om de kleinste levende cel te identificeren die nog steeds autonoom repliceert. Een van de vermoedelijk kleinste van nature voorkomende bacteriën is Pelagibacter ubique van de SAR11 clade van bacteriën ( Giovannoni, 2017 ), die werd ontdekt in 1990. Het is een alfa-proteobacterie met 1.389 genen die alom aanwezig zijn in alle oceanen. Het kan in totaal 10 ²⁸ vrijlevende cellen bereiken en vertegenwoordigt ongeveer 25% van de microbiële planktoncellen. Heel weinig van zijn DNA is niet-coderend. Het herbergt podofaag-type fagen, aangeduid als "pelagiphage" ( Zhao et al., 2013). Deze kleine bacterie werd aangewezen als het meest voorkomende organisme op aarde. Waarom is het zo succesvol? Deze autonome bacterie is kleiner dan sommige parasitaire reuzenvirussen. Craig Venter, die er voor het eerst in slaagde het menselijk genoom te sequencen, probeerde het vermoedelijk kleinste genoom van een levende soort te minimaliseren, van Mycoplasma mycoides , een parasitaire bacterie die leeft bij herkauwers ( Gibson et al., 2008 , 2010 ). Zijn groep synthetiseerde een genoom van 531.000 bp met 473 genen, waarvan 149 (32%) met onbekende functies ( Hutchison et al., 2016 ). Een van de kleinste parasitaire levende organismen is Nanoarchaeum equitans . Het is een thermofiel archeon dat leeft bij 80 ° C en bij pH 6 met 2% zout (Huber et al., 2003 ). Het genoom heeft een grootte van 490.000 bp en codeert voor 540 genen. N. equitans is een obligate symbiont van een groter archaeon , Ignicoccus die erop rijdt als op een paard, vandaar de naam ( Huber et al., 2003 ).

De wereld van virussen omvat een reeks van drie logboeken in grootte van hun genomen: van nul genen tot ongeveer 2.500 genen, wat neerkomt op ongeveer 2.500.000 bp DNA. De nul-gen-viroïden zijn ongeveer 300 basen lang ( Figuur 3 ).

De virosfeer is het meest succesvolle reservoir van biologische entiteiten op onze planeet in termen van aantal deeltjes, replicatiesnelheid, groeisnelheid en sequentieruimte. Er zijn ongeveer ¹⁰³³ virussen op onze planeet en ze zijn aanwezig in elke bestaande soort ( Suttle, 2005 ).

Er is geen levende soort zonder virussen! Virussen komen ook vrij voor in de oceanen, in de bodem, in wolken tot in de stratosfeer en hoger, tot minstens 300 km hoogte. Ze bevolken de menselijke darm, het geboortekanaal en de buitenkant van het lichaam als beschermende laag tegen microbiële populaties. Microben bevatten fagen die worden geactiveerd tijdens stressomstandigheden zoals gebrek aan voedingsstoffen, temperatuurveranderingen, ruimtegebrek en andere veranderingen in omgevingsomstandigheden.

Retrovirussen als aanjagers van evolutie

Een van de meest wereldschokkende artikelen van deze eeuw was de publicatie van de menselijke genoomsequentie ( Lander et al., 2001 ). Ongeveer de helft, mogelijk zelfs tweederde van de sequentie bestaat uit min of meer complete endogene retrovirussen (ERV's) en gerelateerde retro-elementen (RE's) ( de Koning et al., 2011 ). RE's versterken via kopieer-en-plak-mechanismen waarbij een reverse transcriptase-stap van een RNA-tussenproduct naar DNA wordt uitgevoerd. Bovendien bewegen DNA-transponeerbare elementen (TE's) door een knip-en-plakmechanisme. De oorsprong van REs wordt besproken als overblijfselen van oude retrovirale kiembaaninfecties die evolutionair gefixeerd raakten in het genoom. Ongeveer 450.000 menselijke ERV (HERV) -elementen vormen ongeveer 8% van het menselijk genoom, bestaande uit kenmerkende retrovirale elementen zoals degag-, pol-, env- genen en flankerende lange terminale herhalingen (LTR) die als promotors werken ( Lander et al., 2001 ). Howard Temin, een van de ontdekkers van de reverse transcriptase, beschreef in 1985 al endogene retrovirusachtige elementen, die hij schatte op ongeveer 10% van de genoomsequentie van mens en muis ( Temin, 1985 ). Het werkelijke aantal is ongeveer 45% zoals vandaag wordt geschat ( Lander et al., 2001 ). In sommige genen, zoals het Protein Kinase Inhibitor B ( PKIB ) -gen, hebben we ongeveer 70% retrovirusgerelateerde sequenties bepaald ( Moelling en Broecker, 2015). Is er een limiet? Zou het 100% kunnen zijn? Retrovirussen zijn naar schatting 550 miljoen jaar geleden in de lijn van het zoogdiergenoom terechtgekomen (MYA) ( Hayward, 2017 ). Oudere ERV-sequenties kunnen bestaan, maar zijn tegenwoordig onherkenbaar vanwege de accumulatie van mutaties.

ERV's ondergaan mutaties, deleties of homologe recombinatiegebeurtenissen met grote deleties en kunnen zo kort worden als solo LTR-elementen, die een paar honderd bp lang zijn - de overblijfselen van retrovirale genomen van volledige lengte van ongeveer 10.000 bp. De LTR-promoters kunnen naburige genen dereguleren. Homologe recombinatiegebeurtenissen kunnen worden beschouwd als genverlies of genreductiegebeurtenissen. Aangenomen wordt dat de ERV's, die niet langer nodig waren voor de verdediging van de gastheercel, niet langer geselecteerd werden door evolutie en bijgevolg verwijderd werden als onnodige verbruikers van energie.

Eugene Koonin wijst erop dat infectie en integratie unieke gebeurtenissen zijn die zich in een snel tempo voordoen, terwijl verlies en genvermindering veel langere tijdsbestekken kunnen vergen ( Wolf en Koonin, 2013 ).

Een frequente genreductie van eukaryote genomen is het verlies van het virale envelop-eiwit dat wordt gecodeerd door het env- gen. Zonder jas kunnen retrovirussen de cel niet meer verlaten en andere cellen infecteren. Ze verliezen hun mobiliteit en worden verplichte intracellulaire elementen. Helper-virussen kunnen envelop-eiwitten in trans leverenen mobiliseer de virussen. TE's of RE's kunnen worden beschouwd als voorbeelden van mantelvrije intracellulaire virus-relikwieën - of zou het andersom geweest kunnen zijn, misschien voorlopers van volledige retrovirussen? Deze elementen kunnen intracellulair worden geamplificeerd en de gastheergenomen wijzigen door integratie met het potentiële gevaar van genverstoring en genetische veranderingen. RE's kunnen leiden tot genduplicaties en pseudogene ontwikkeling, met één kopie voor stabiel behoud van verworven functies en de andere voor innovaties ( Cotton and Page, 2005 ). Dergelijke duplicaties vormen grote hoeveelheden zoogdiergenomen ( Zhang, 2003 ). Retrovirussen hebben een duplicatie van een RNase H-groep, waarvan er één dient als een katalytisch inactieve linker tussen het RT-polymerase en het enzymatisch actieve RNase H (Xiong en Eickbush, 1990 ; Malik en Eickbush, 2001 ; Moelling en Broecker, 2015 ; Moelling et al., 2017 ). Deze genduplicatie dateert van 500 miljoen jaar ( Cotton and Page, 2005 ).

Genduplicaties zijn een veelvoorkomende oorzaak van kanker, die vaak alleen in het genoom van de kankercel zelf voorkomt en minder invloed heeft op nakomelingen. Myc, Myb, ErbB2, Ras en Raf zijn oncogenen die geamplificeerd zijn in verschillende soorten menselijke kankers ( Vogelstein en Kinzler, 2002 ). Het vermogen van retrovirussen om te integreren, onderscheidt ze van endosymbionten die gescheiden blijven. Toch is het nettoresultaat erg vergelijkbaar: het verwerven van nieuwe genetische informatie, die wordt overgedragen aan de volgende generatie, als de kiembaan is geïnfecteerd en endogenisatie van het virus heeft plaatsgevonden.

Virale integratie is niet beperkt tot eukaryote cellen, maar ook een mechanisme in prokaryoten voor het handhaven van de lysogene toestand van fagen in bacteriën.

Ook voor andere eukaryote virussen, zoals HBV, kan het envelopoppervlakantigeen BHsAg worden verwijderd, wat leidt tot een verplichte intracellulaire levensstijl voor het virus, dat vooral in de aanwezigheid van HCV kanker bevordert ( Yang et al., 2016 ).

Van hiv is aangetoond dat het snel een van zijn hulpgenen, nef , verliest , oorspronkelijk als negatieve factor. Het gen ging verloren binnen een vrij laag aantal passages van het onder weefselkweekomstandigheden gekweekte virus door selectie op cellen die hoge virustiter produceren. Het verwijderen van nef resulteerde in een significante toename van de virustiter in kweek - vandaar de naam. Het nef- genproduct was niet nodig in weefselkweekcellen, het was eerder remmend voor replicatie. Het is echter essentieel voor pathogeniteit bij dieren, en vervolgens werd nef geherinterpreteerd als "noodzakelijke factor" ( Flint, 2015 ).

Ook kunnen de menselijke gastheren van HIV een significant terminaal deel van een zeven transmembraanreceptor in lymfocyten verliezen, de primaire doelcel voor het binnendringen van HIV en voor de opname van virussen. Dit molecuul, de CCR5-cytokinereceptor, wordt afgekapt door 32 carboxy-terminale aminozuren (CCR5-Δ32), waardoor de receptor functioneel wordt uitgeschakeld. De allelfrequentie van de mutant CCR5-Δ32-mutant is ongeveer 10% in de Europese bevolking, waardoor deze mensen resistent zijn tegen hiv-infecties ( Solloch et al., 2017 ). Het is aangetoond dat dit genverlies bij Europeanen de individuen niet alleen resistent maakt tegen HIV-infectie, maar ook tegen malaria. Dit kan in het verleden de selectieve druk zijn geweest voordat HIV / AIDS ontstond. Er is geen bijwerking beschreven voor mensen zonder dit gen ( Galvani en Slatkin, 2003 ).

Het is bewezen dat virussen de drijvende kracht achter evolutie zijn ( Villarreal en Witzany, 2010 ), inclusief het menselijk genoom, dat voor ten minste 45% bestaat uit sequenties die verband houden met retrovirussen. Bovendien leverden endogeniseerde retrovirussen de syncytine-genen die essentieel zijn voor de ontwikkeling van de placenta van zoogdieren, en maakten ze de groei van embryo's mogelijk zonder afstoting door het moederlijke immuunsysteem ( Dupressoir et al., 2012 ). Dezelfde eigenschap die immunodeficiëntie veroorzaakt bij met HIV geïnfecteerde patiënten en tot AIDS leidt, veroorzaakt dus syncytia-vorming, celfusie na infectie door een retrovirus. Virussen zijn ook voorgesteld als de oorsprong van de evolutie van adaptieve immuniteit ( Villarreal, 2009). Virussen vormden dus genomen door essentiële genen en mechanismen te leveren.

Endogenisering van virussen

Endogenisatie van retrovirussen vindt al minstens 550 miljoen jaar plaats in de genomen van zoogdieren ( Hayward, 2017 ). Als de geïntegreerde ERV's geen selectief voordeel opleverden, gingen ze achteruit en stapelden ze mutaties op met functieverlies. Dit werd direct bewezen door reconstructie van een infectieus retrovirus uit de consensussequentie van 9 defecte endogene virussequenties, aangeduid als Phoenix. Het virus werd tot expressie gebracht vanuit een geconstrueerde synthetische DNA-kloon in celkweek en vormde virusdeeltjes die werden geïdentificeerd door microscopische analyse met hoge resolutie ( Dewannieux en Heidmann, 2013 ).

De koala's in Australië ondergaan momenteel endogenisatie van een retrovirus (koala retrovirus, KoRV) in "real time" en laten mogelijke gevolgen voor de immuniteit zien. In het begin van de 20e eeuw werden sommige individuen overgebracht naar eilanden, waaronder Kangaroo Island, dicht bij het Australische vasteland voor herbevolking, omdat koala's met uitsterven werden bedreigd. Tegenwoordig is het grootste deel van de koalapopulatie besmet met KoRV, dat nauw verwant is aan het Gibbon Ape-leukemievirus (GALV). Toch zijn koala's die op Kangaroo Island worden geïsoleerd KoRV-negatief, waardoor de introductie van KoRV in de koalapopulatie ongeveer honderd jaar geleden kan worden gedateerd. Veel van de geïnfecteerde koala's werden ziek en stierven, maar sommige populaties werden binnen ongeveer 100 jaar resistent, wat overeenkomt met ongeveer 10 generaties. De koala's ontwikkelden waarschijnlijk resistentie vanwege de geïntegreerde DNA-provirussen. Het retrovirus wordt zowel als exogeen als endogeen virus overgedragen, vergelijkbaar met het Jaagsiekte schapen retrovirus (JSRV), waarbij de geïndogeniseerde virussen beschermen met een viraal genproduct, zoals Env, tegende novo infecties door "superinfectie uitsluiting" ( Tarlinton, 2012 ). De bijdrage van retrovirussen aan de antivirale verdediging is opvallend, aangezien alle retrovirale genen analoge genen hebben in het siRNA / RNAi-afweermechanisme van eukaryote cellen ( Moelling et al., 2006 ).

Virussen beschermen tegen virussen

Retrovirussen kunnen beschermen tegen infectie door andere verwante virussen, bijvoorbeeld door Env-eiwitten tot expressie te brengen die receptoren op het celoppervlak blokkeren ( Villarreal, 2011 ). Een vergelijkbaar mechanisme beschermt bacteriële cellen tegen DNA-fagen, door geïntegreerde faag-DNA-fragmenten die worden getranscribeerd in mRNA en hybridiseren met inkomende nieuwe DNA-fagen en daardoor leiden tot hun vernietiging door hybride-specifieke nucleasen, CRISPR / Cas-immuniteit ( Charpentier en Doudna, 2013 ) . Vaak wordt niet gerealiseerd dat immuniteitsverwerving in bacteriën en zoogdiercellen analoge mechanismen volgt ( Figuur 4 ).

AFBEELDING 4

Figuur 4. Virussen beschermen tegen virussen: retrovirussen beschermen een cel tegen een nieuwe infectie door een soortgelijk virus dat wordt aangeduid als 'superinfectie-uitsluiting' of virale interferentie. Dit wordt gemedieerd door virale genproducten zoals eiwitten of nucleïnezuren. Evenzo beschermen fagen tegen fagen: superinfectie van bacteriën wordt voorkomen door CRISPR / Cas RNA afkomstig van eerdere infecties. De afweermechanismen tegen virussen en fagen zijn analoog. Bescherming door virussen of fagen tegen superinfecties vertegenwoordigt cellulaire verdediging en verworven immuniteit. De vier voorbeelden worden in de tekst besproken.

Integratie van retrovirussen vindt normaal gesproken plaats in somatische cellen na infectie als een verplichte stap tijdens de virale levenscyclus. Infectie van kiemlijncellen kan leiden tot overdracht naar de volgende generatie en uiteindelijk resulteren in erfelijke resistentie. Geïndogeniseerde retrovirussen veroorzaakten waarschijnlijk resistentie tegen de exogene tegenhangers. Evenzo kan resistentie tegen Simian Immune Deficiency-virus (SIV) bij sommige apensoorten worden verklaard door endogenisatie ( Li et al., 2017 , 2018 ). In het geval van fagen en hun prokaryotische gastheren wordt het mechanisme beschreven als CRISPR / Cas, die analoge principes volgen van "endogenisatie" van binnenkomend genetisch materiaal voor latere uitsluiting.

Men zou kunnen speculeren dat HIV uiteindelijk ook in het menselijk genoom kan worden opgenomen. Er zijn aanwijzingen dat HIV menselijke kiemlijncellen kan infecteren en kan worden overgedragen op het embryonale genoom ( Wang et al., 2011 ). Hoe lang dit kan duren is niet bekend - 10 generaties?

Het functieverlies van ERV's kan optreden door mutaties, deleties van de env of andere genen en uiteindelijk alle coderende genen door homologe recombinatie, waarbij slechts één LTR achterblijft. Het aantal retrovirusachtige elementen bedraagt ​​ongeveer 450.000, wat overeenkomt met 8% van het menselijk genoom ( Lander et al., 2001 ; Cordaux en Batzer, 2009 ). De promotorregio's werden geanalyseerd op hun bijdrage aan kanker door naburige genen te activeren - als gevolg van een vroegere retrovirusinfectie. In feite werden geactiveerde cellulaire genen door "stroomafwaartse promotie" geïdentificeerd in dierstudies met activering van het myc- gen als een van de vele voorbeelden, leidend tot chronische, niet acute ontwikkeling van kanker ( Ott et al., 2013). Als algemeen mechanisme voor kanker bij de mens worden de LTR's echter niet als een grote boosdoener geïdentificeerd. De meeste ERV's die we vandaag aantreffen, zijn tijdens de evolutie geïntegreerd in introns of andere regio's waar hun aanwezigheid relatief onschadelijk is. Hebben de anderen geleid tot de dood van de verdwenen dragers? De effecten van LTR's op de expressieniveaus van naburige gastheergenen werden bestudeerd met het endogene menselijke virus, HERV-K, als mogelijke oorzaak van kanker, maar dit lijkt geen algemeen fenomeen te zijn ( Broecker et al., 2016b ). Zoals aangetoond voor de koala's, kunnen ERV's immuniteit verlenen tegen virale infecties ( Feschotte en Gilbert, 2012 ).

Een verwante ERV, HERV-H, bleek een RNA te produceren dat vroege embryonale cellen pluripotent houdt en zelfs volwassen cellen omkeert om hun pluripotentie te herwinnen ( Grow et al., 2015 ). De rol van ERV's kan dus complexer zijn dan we momenteel weten.

Transposeerbare elementen en RE's die het vermogen tot cellulaire transmissie verloren door deletie van het manteleiwit, dragen in belangrijke mate bij aan de genetische complexiteit van gastheercellen. Ze zitten 'opgesloten' in de cellen en zijn de belangrijkste drijfveren voor de toename van genetische complexiteit ( Cordaux en Batzer, 2009 ). Men zou kunnen speculeren dat deze intracellulaire elementen replicatie-incompetente retrovirussen zijn zonder jassen ( Lander et al., 2001 ). Vleermuizen brengen virussen zoals Ebola en SARS-coronavirus over zonder ziek te worden ( Beltz, 2018 ). Van zelfs RNA-virussen zoals Bornavirussen is aangetoond dat ze integreren door onwettige reverse transcriptie, wat mogelijk ook immuniteit biedt tegen superinfectie ( Katzourakis en Gifford, 2010 ).

Endosymbiose

Er zijn twee prominente gebeurtenissen die aanzienlijk hebben bijgedragen aan het succes van het leven en de vorming van cellen. Beiden zijn geassocieerd met genreductie. Dit fenomeen speelt mogelijk een rol bij de evolutie van virussen van autonome naar parasitaire levensstijlen. In de jaren zestig stelde Lynn Margulis een extracellulaire oorsprong voor mitochondriën voor ( Margulis, 1970 , 1993 ). Een voorouderlijke cel, misschien een archeon, werd geïnfecteerd door een anaërobe bacterie, waardoor mitochondriën ontstonden. Evenzo vormden cyanobacteriën de chloroplasten in moderne plantencellen. Mitochondriën ontstonden ongeveer 1,45 miljard jaar geleden (BYA) ( Embley en Martin, 2006). Mitochondriën en chloroplasten zijn de meest opvallende voorbeelden van een verandering in levensstijl van autonome bacteriën naar endosymbionten. Deze overgang wordt vaak beschouwd als uiterst zeldzaam en een kenmerk van de evolutie van het leven op onze planeet. Er zijn echter veel andere obligate intracellulaire parasieten zoals Rickettsia , Chlamydia trachomatis, Coxiella burnetii (de veroorzaker van Q-koorts), Mycobacterium leprae , M. tuberculosis en M. mycoides ( Beare et al., 2006 ).

De verandering van levensstijl van de endosymbionten in de twee gevallen van mitochondriën en chloroplasten is opvallend. Beiden hebben hun genetische samenstelling drastisch verminderd. Mitochondriën bevatten minder dan 37 genen, overgebleven van de oorspronkelijke ongeveer 3.000 genen. Is endogenisatie van retrovirussen, de ERV's, die zijn geïntegreerd in kiembaancellen, gerelateerd aan endosymbiose? Zijn dit endosymbiont-modellen voor de overgang van een autonome levensstijl naar een parasitair leven - mogelijk met virussen?

Een meer recent typisch voorbeeld voor een reductieve evolutie is Rickettsia. Deze bacteriën werden enige tijd verondersteld virussen te zijn vanwege hun verplichte intracellulaire parasitaire bestaan. Rickettsia is geëvolueerd uit autonoom replicerende bacteriën. Reductieve evolutie van endosymbionten kan bacteriën opleveren met kleine genomen ten koste van autonoom extracellulair leven. Hun genomen zijn 1,11 mio bp lang met ongeveer 834 eiwitcoderende genen, en een verlies van 24% door reductieve evolutie ( Ogata et al., 2001 ). Rickettsia heeft mogelijk een relatie met cyanobacteriën, die worden beschouwd als de belangrijkste symbionten.

Kan men speculeren dat virussen aanvankelijk mogelijk autonome entiteiten waren? Viroïden hebben mogelijk de overgang van autonomie naar parasieten ondergaan, net zoals aangetoond voor mitochondriën, chloroplasten of Rickettsia ? In hoeverre zijn virussen oorspronkelijk autonoom en onafhankelijk geweest van cellulaire metabolismen - en hebben ze bijgedragen aan het ontstaan ​​van cellen? Zouden ze pas later hun autonomie hebben verloren en parasitair kunnen worden?

Virussen en oncogenen

Virussen zijn minimalistisch van samenstelling en moeten stringente genreducties hebben ondergaan ( Flint, 2015 ). Hoe klein kunnen hun genomen worden? De meeste coderende RNA-virussen bevatten nog steeds regulerende elementen, ncRNA op de 3'- en 5'-terminale regio's voor ribosomale toegang, eiwitsynthese, transcriptieregulatie en andere.

Een subgroep retrovirussen is een interessant voorbeeld met betrekking tot gelijktijdig verlies en verkrijgen van genetische informatie. De oncogene retrovirussen of tumorvirussen kunnen recombineren met cellulaire genen die onder de promotors van retrovirussen oncogenen en drijfveren van kanker kunnen worden. In de laboratoria zijn ongeveer honderd oncogenen geselecteerd en decennia lang bestudeerd om de moleculaire mechanismen van kanker te begrijpen. Selectie op groeivoordelen van de gastheercellen leidde tot de ontdekking van de snelste groeibevorderende oncogenen die we vandaag kennen, zoals Ras, Raf, ErbB of Myc, die gedeeltelijk succesvolle doelwitten zijn voor geneesmiddelen tegen kanker ( Moelling et al., 1984 ) .

Deze oncogenen werden in de meeste gevallen opgenomen door de retrovirussen ten koste van structurele ( gag ), replicerende ( pol ) of envelop ( env ) genen, en worden vaak tot expressie gebracht als fusie-eiwitten met Gag. Oncogene retrovirussen zijn dus verplichte intracellulaire defecte virussen en werden in het laboratorium door onderzoekers geselecteerd voor de oncogenen met het meest potente groeibevorderende vermogen. Ze hebben de levering nodig van replicatiegenen in trans van co-infecterende helpervirussen om andere cellen te infecteren ( Flint, 2015 ). Retrovirussen zijn in staat cellulaire genen op te pikken, over te dragen en te integreren in naburige cellen. Sommige stammen van het Rous-sarcoomvirus behouden replicatiecompetent wanneer ze de cel-afgeleide dragensrc (voor sarcoom) oncogen dat codeert voor een eiwit van 536 aminozuren dat blijkbaar in het retrovirale deeltje kan passen, samen met het virale genoom van volledige grootte ( Broecker et al., 2016a ). Ruimtelijke redenen kunnen de vorming van oncogene retrovirussen hebben beïnvloed en hun grootte hebben beperkt en daardoor hebben geleid tot hun defecte fenotypes.

Er zijn aanwijzingen dat de ongecontroleerde activiteit van (retro) transposons in kiembaancellen kan leiden tot ziektes zoals mannelijke onvruchtbaarheid - vermoedelijk door "error catastrofe", veroorzaakt door te veel transpositiegebeurtenissen. Bij zoogdieren temmen piRNAs de transposonactiviteit door middel van de RNase H-activiteit van PIWI-eiwitten tijdens de spermatogenese ( Girard et al., 2006 ).

Slechts een minderheid van virussen is ziekteverwekker; de meeste veroorzaken geen ziekten. Integendeel, ze zijn het belangrijkst als aanjagers van evolutie, als transmitters van genetisch materiaal, als innovatieve agentia. Met name de RNA-virussen zijn de meest innovatieve. Sommige zijn pathogeen en gevaarlijk, zoals hiv- of griepvirus, of viroïden in planten. RNA-virussen kunnen zo snel veranderen dat het immuunsysteem van de gastheer de infectie niet kan tegengaan. Pathogeniteit ontstaat wanneer de omgevingsomstandigheden veranderen, bijvoorbeeld wanneer een virus een nieuw organisme of een nieuwe soort binnendringt.

Toename van cellulaire complexiteit door virussen is een belangrijk kenmerk van evolutie. Dergelijke belangrijke evolutionaire veranderingen zijn onlangs door Charles Darwin als argumenten tegen de evolutietheorie opgevat, die geleidelijke veranderingen, kleine incrementen door mutaties, beschouwde als de belangrijkste basis voor selectie en evolutie. Nieuwe kritiek richt zich op dit denken, waarbij grotere veranderingen als evolutionaire drijfveren worden beschouwd. Dergelijke veranderingen ontstaan ​​door vele complexe verschijnselen zoals endosymbiose, infectie door prokaryoten, virussen en schimmels, recombinatie van genen, HGT, infecties, seks. Dramatische veranderingen zoals endosymbiose of pathogene infecties breiden Darwin's concept van evolutie uit.

Conclusie

Er zijn talloze voorbeelden van de bijdrage van virussen aan de evolutie van het leven sinds minstens 550 MYA ( Hayward, 2017 ). Maar genetische ruis door willekeurige mutaties laat ons niet toe terug te gaan naar de oorsprong van het leven. Het is misschien niet onmogelijk dat het vroegste compartiment niet te onderscheiden was, een pre-cel of een pre-virus. Naar analogie kan men speculeren dat autonome virussen op een gegeven moment hun onafhankelijkheid hebben opgegeven voor een verplicht intracellulair leven - zoals is beschreven voor mitochondriën en chloroplasten, maar ook voor intracellulaire bacteriën zoals Rickettsia.. Deze speculatie is gebaseerd op het concept dat het vroege leven eenvoudig en met hoge genetische variabiliteit moet zijn begonnen en daarna complexer werd. Maar complexiteit kan worden opgegeven voor een minder energieverbruikende levensstijl met kleine genomen en een hoge replicatiesnelheid ( Moelling, 2012 , 2013 ). Daarom kan de vraag worden herhaald: "Zijn virussen onze oudste voorouders?" Sommige fossiele levensvormen kunnen gedeeltelijk in vitro worden gereproduceerd door Spiegelman's Monster en Eigen's vervolgexperimenten, die het grote overlevingspotentieel van eenvoudig ncRNA verklaren.

Virussen kunnen ziekteverwekkers zijn, maar de erkenning dat ze voornamelijk ziekten veroorzaken, is verkeerd. Dit idee is gebaseerd op de geschiedenis van virussen in de geneeskunde, zoals uitgelegd in een boek met de titel "Viruses: More Friends Than Foes" ( Moelling, 2017 ). Het scenario dat hier wordt beschreven, richt zich op virussen als drijvende krachten achter evolutie.

De vroege RNA-wereld kreeg 20–30 jaar geleden interesse, zoals blijkt uit de bovenstaande referenties. Verrassend genoeg zijn er wetenschappers die nog steeds geloven in de "pansperm-hypothese" en denken dat retrovirussen van buitenaardse oorsprong zijn ( Steele et al., 2018 ). De recente belangstelling voor het ontstaan ​​van leven kwam voort uit de nieuw ontdekte exoplaneten, waarvan het aantal dagelijks toeneemt - en dat kan oplopen tot 10 ²⁵ . Zuivere statistieken laten sommige mensen dus geloven dat er buitenaards leven is.

Het buitenaardse leven wordt nagebootst in laboratoria op aarde met veel aannames - misschien stimuleert dit overzicht het denken. De discussie die hier wordt gepresenteerd, moet worden opgevat als een concept over eenvoudige replicerende en evoluerende entiteiten die mogelijk voortkomen uit verschillende bouwstenen in andere omgevingen, waarbij structuur relevanter is dan volgorde.

Bijdragen van de auteur

Beide auteurs schreven het manuscript en keurden de definitieve versie goed.

Financiering

FB werd financieel ondersteund door een beurs van de Duitse Academie van Wetenschappen Leopoldina.

Erkenningen

In memoriam opgedragen aan Manfred Eigen (1927–2019) met dankbaarheid voor de uitnodigingen aan KM voor vele inspirerende Winter Seminars in Klosters, Zwitserland. We willen ook prof. Peter Palese bedanken voor zijn genereuze steun.