Loss of replication and transcription systems accompanying transition to nucleus-dependent replication in Ariadnavirales, a proposed new order in nucleocytoviricot class Megaviricetes

Viren werden oft als einfache Parasiten betrachtet, die die Maschinerie einer Zelle kapern, um Kopien ihrer selbst zu erstellen. Für die größten bekannten Viren, die aus DNA bestehendes genetisches Material tragen, lautete die Standardgeschichte bisher, dass sie ihre eigenen Fabriken im Zytoplasma der Wirtszelle bauen – der gelartigen Flüssigkeit, die den Raum um den Zellkern herum ausfüllt. Diese Virusfabriken ermöglichen es ihnen, ihren genetischen Code zu replizieren und neue Viruspartikel zu bauen, ohne das Kommandozentrum der Zelle, den Zellkern, betreten zu müssen, in dem die eigene DNA des Wirts aufbewahrt wird. Diese Unabhängigkeit ist ein definierendes Merkmal der Gruppe der Nucleocytoviricotica, einer riesigen Familie von doppelsträngigen DNA-Viren, zu der einige der massivsten biologischen Einheiten der Erde gehören. Wissenschaftler gingen lange Zeit davon aus, dass diese Viren den vollständigen Satz an Anweisungen mit sich führen, der benötigt wird, um ihre eigenen Replikations- und Transkriptionsprozesse zu steuern, und somit im Wesentlichen als unabhängige Maschinen agieren, sobald sie einen Wirt infizieren.

Doch eine neue Studie hat eine Gruppe dieser Riesenviren aufgedeckt, die den Anschein erweckt, diese Strategie vollständig aufgegeben zu haben. Durch die Durchsuchung riesiger Sammlungen genetischer Daten aus Ozeanen und Süßwasserumgebungen identifizierten Forscher eine bisher unbekannte Ordnung von Viren, die fast alle Gene verloren haben, die erforderlich sind, um ihre eigene DNA zu kopieren oder ihre genetischen Anweisungen zu lesen. Anstatt eigene Fabriken zu bauen, scheinen diese Viren sich vollkommen darauf zu verlassen, dass der Zellkern der Wirtszelle die Arbeit für sie erledigt. Diese Entdeckung stellt die lang gehegte Sichtweise infrage, dass große Viren autark sind, und deutet auf eine komplexere Evolutionsgeschichte hin, in der einige Giganten sich dazu entschieden haben, abhängig von eben jenem Kommandozentrum zu werden, das sie eigentlich zu umgehen glaubten.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der National Institutes of Health und des Institut Pasteur begann seine Untersuchung mit einem Virus namens Sicyoidochytrium minutum DNA-Virus, kurz SmDNAV. Dieses Virus wurde ursprünglich aus einem einzelligen Organismus namens Thraustochytrid isoliert, der zu einer Gruppe von Protisten gehört, die in marinen Umgebungen vorkommen. Zum Zeitpunkt seiner Entdeckung war SmDNAV eine Kuriosität; es sah zwar wie ein Riesenvirus aus, wies jedoch nur sehr wenige genetische Ähnlichkeiten mit anderen bekannten Viren auf. Um zu verstehen, wo es im Stammbaum des Lebens einzuordnen sei, nutzte das Team Computerprogramme, um genomische Datenbanken nach weiteren genetischen Sequenzen zu durchforsten, die den in SmDNAV gefundenen Proteinen entsprachen. Dabei fanden sie zahlreiche Übereinstimmungen, die in den genetischen Daten anderer einzelliger Organismen verborgen waren, darunter Algen und verschiedene Protisten aus sowohl salzwasserigen als auch Süßwasserhabitaten.

Durch das Zusammensetzen dieser genetischen Fragmente rekonstruierte das Team die Genome mehrerer neuer Viren, die mit SmDNAV verwandt sind. Sie nannten diese neue Gruppe „Ariadnavirales“, eine Anspielung auf die mythologische Prinzessin Ariadne, die dem Helden Theseus half, aus einem Labyrinth zu entkommen – ein Name, der die komplexe und verschlungene Natur der Protistenwirte widerspiegelt, die diese Viren infizieren. Die Genome dieser Viren sind beträchtlich und messen etwa 200.000 Basenpaare in der Länge, was groß genug ist, um hunderte von Proteinen zu kodieren. Doch als die Forscher die spezifischen Anweisungen innerhalb dieser Genome untersuchten, stellten sie eine erschreckende Abwesenheit fest. Die Viren hatten die Gene für die Kernmaschinerie verloren, die fast alle anderen Riesenviren zur Replikation ihrer DNA und zur Transkription in RNA verwenden. Insbesondere fehlten ihnen die Enzyme, die als primäre Kopiermaschinen und Werkzeuge zum Lesen genetischer Informationen fungieren.

Die einzigen Informationsverarbeitungswerkzeuge, die diese Viren behielten, waren einige spezialisierte Proteine, die helfen, DNA zu organisieren und zu reparieren, aber die Hauptarbeit der Replikation und Transkription entfiel. Dieser Verlust deutet darauf hin, dass Ariadnavirales entwickelt wurden, um sich vollständig auf den Zellkern des Wirts zu verlassen, um ihr genetisches Material zu replizieren. In einer Wendung, die das Mysterium zusätzlich vertieft, zeigten frühere Beobachtungen von SmDNAV-infizierten Zellen, dass das Virus den Zellkern des Wirts zum Verschwinden bringt, das Virus jedoch dennoch die Replikation bewältigt. Dies impliziert eine einzigartige Strategie, bei der das Virus möglicherweise die Kernbarriere durchbricht, um direkt auf die Maschinerie des Wirts zuzugreifen, oder vielleicht die notwendigen Werkzeuge aus dem Kern rekrutiert, bevor die Struktur kollabiert. Dieses Verhalten unterscheidet sich von anderen bekannten Viren, die entweder im Zytoplasma mit ihren eigenen Werkzeugen bleiben oder in den Zellkern wandern, um dort zu replizieren, während sie den Kern intakt halten.

Die Studie ordnete diese Viren auch auf der evolutionären Landkarte ein. Durch den Vergleich der Proteine, die alle Riesenviren gemeinsam haben, wie etwa die Bausteine ihrer äußeren Hüllen, stellten die Forscher fest, dass Ariadnavirales eng mit einer anderen Gruppe von Viren verwandt sind, die ebenfalls einige Replikationsgene vermissen lassen. Zusammen bilden sie einen tiefen Zweig im Stammbaum der Riesenviren, was darauf hindeutet, dass der Verlust dieser essenziellen Gene früh in ihrer gemeinsamen Geschichte stattfand. Die Forscher merkten an, dass zwar auch einige andere kleine Viren diese Gene verloren haben, diese jedoch tendenziell viel kleinere Genome besitzen. Ariadnavirales sind deshalb einzigartig, weil sie eine große Genomgröße beibehielten, während sie den kritischsten Teil ihres operativen Instrumentariums abwarfen. Dieser selektive Verlust deutet auf einen anspruchsvollen evolutionären Pfad hin und nicht auf eine einfache Degradation des Virus.

Die Ergebnisse verdeutlichen auch, wie viel von der viralen Welt verborgen bleibt. Die neuen Viren wurden nicht in einer Labor-Kultur gefunden, sondern durch das Mining von genetischen Daten aus Umweltproben entdeckt – eine Technik, die eine verborgene Vielfalt des Lebens in den Ozeanen offenbart hat. Die Studie legt nahe, dass die Strategie, vom Wirtskern abhängig zu sein, unter Riesenviren häufiger vorkommt als bisher angenommen und in mehreren unabhängigen Abstammungslinien auftritt. Während die genauen Mechanismen, wie diese Viren mit dem Zellkern des Wirts interagieren, noch unklar sind, deutet die Evidenz auf einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise hin, wie diese biologischen Entitäten überleben. Sie haben Unabhängigkeit gegen Effizienz eingetauscht und verlassen sich auf die internen Systeme des Wirts, um die Arbeit zu leisten, die ihre Vorfahren einst selbst verrichteten. Diese Entdeckung eröffnet neue Fragen über die Flexibilität der viralen Evolution und die Grenzen zwischen unabhängigen Lebensformen und solchen, die vollständig von ihren Wirten abhängig sind.