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

I virus sono spesso considerati semplici parassiti che dirottano il macchinario di una cellula per creare copie di se stessi. Per i virus più grandi conosciuti, che trasportano materiale genetico composto da DNA, la storia standard è stata che essi costruiscano le proprie fabbriche all'interno del citoplasma della cellula ospite, il fluido gelatinoso che riempie lo spazio attorno al nucleo. Queste fabbriche virali permettono loro di replicare il proprio codice genetico e costruire nuove particelle virali senza la necessità di entrare nel centro di comando della cellula, il nucleo, dove viene conservato il DNA dell'ospite stesso. Questa indipendenza è una caratteristica distintiva del gruppo noto come nucleocytoviricots, una vasta famiglia di virus a DNA a doppio filamento che include alcune delle entità biologiche più massicce della Terra. Gli scienziati hanno a lungo assunto che questi virus portino l'insieme completo delle istruzioni necessarie per gestire i propri processi di replicazione e trascrizione, agendo essenzialmente come macchine indipendenti una volta che infettano un ospite.

Tuttavia, uno studio recente ha scoperto un gruppo di questi virus giganti che sembra aver abbandonato completamente questa strategia. Cercando attraverso vaste collezioni di dati genetici provenienti dagli oceani e dagli ambienti di acqua dolce, i ricercatori hanno identificato un ordine di virus precedentemente sconosciuto che ha perso quasi tutti i geni necessari per copiare il proprio DNA o leggere le proprie istruzioni genetiche. Invece di costruire le proprie fabbriche, questi virus sembrano fare affidamento interamente sul nucleo della cellula ospite per svolgere il lavoro al posto loro. Questa scoperta mette in discussione la visione consolidata che i grandi virus siano autosufficienti e suggerisce una storia evolutiva più complessa in cui alcuni giganti hanno scelto di diventare dipendenti proprio dal centro di comando che si pensava evitassero.

I ricercatori, guidati da un team della National Institutes of Health e dell'Institut Pasteur, hanno iniziato la loro indagine con un virus chiamato Sicyoidochytrium minutum DNA virus, o SmDNAV per brevità. Questo virus è stato originariamente isolato da un organismo unicellulare chiamato thraustochytrid, che appartiene a un gruppo di protisti presenti in ambienti marini. Al momento della sua scoperta, SmDNAV era un'anomalia; appariva come un virus gigante ma condivideva pochissime somiglianze genetiche con qualsiasi altro virus noto. Per capire dove si collocasse nell'albero della vita, il team ha utilizzato programmi informatici per setacciare i database genomici, cercando altre sequenze genetiche che corrispondessero alle proteine trovate in SmDNAV. Hanno trovato numerosi abbinamenti nascosti all'interno dei dati genetici di altri organismi unicellulari, inclusi alghe e vari protisti provenienti da habitat sia di acqua salata che di acqua dolce.

Ricomponendo questi frammenti genetici, il team ha ricostruito i genomi di diversi nuovi virus correlati a SmDNAV. Hanno chiamato questo nuovo gruppo "Ariadnavirales", un riferimento alla mitica principessa Arianna, che aiutò l'eroe Teseo a fuggire da un labirinto, riflettendo la natura complessa e tortuosa degli ospiti protisti che questi virus infettano. I genomi di questi virus sono sostanziali, misurando circa 200.000 coppie di basi di lunghezza, una dimensione sufficiente per codificare centinaia di proteine. Eppure, quando i ricercatori hanno esaminato le istruzioni specifiche all'interno di questi genomi, hanno riscontrato una sorprendente assenza. I virus avevano perso i geni per il macchinario centrale che quasi tutti gli altri virus giganti usano per replicare il proprio DNA e trascriverlo in RNA. Nello specifico, mancavano gli enzimi che fungono da primarie macchine di copia e strumenti di lettura delle informazioni genetiche.

Gli unici strumenti di elaborazione delle informazioni che questi virus hanno conservato erano alcune proteine specializzate che aiutano a organizzare e riparare il DNA, ma il lavoro pesante della replicazione e della trascrizione era scomparso. Questa perdita suggerisce che gli Ariadnavirales si siano evoluti per dipendere completamente dal nucleo della cellula ospite per replicare il proprio materiale genetico. In un colpo di scena che aggiunge mistero, osservazioni precedenti di cellule infettate da SmDNAV hanno mostrato che il virus causa la scomparsa del nucleo dell'ospite, eppure il virus riesce comunque a replicarsi. Ciò implica una strategia unica in cui il virus potrebbe rompere la barriera nucleare per accedere direttamente al macchinario dell'ospite, o forse recluta gli strumenti necessari dal nucleo prima che la struttura collassi. Questo comportamento è distinto da quello di altri virus noti che rimangono nel citoplasma con i propri strumenti o che entrano nel nucleo per replicarsi mantenendo intatto il nucleo.

Lo studio ha inoltre collocato questi virus sulla mappa evolutiva. Confrontando le proteine che tutti i virus giganti condividono, come i mattoni delle loro gusci esterni, i ricercatori hanno determinato che gli Ariadnavirales sono strettamente correlati a un altro gruppo di virus che anch'essi mancano di alcuni geni di replicazione. Insieme, formano un ramo profondo nell'albero genealogico dei virus giganti, suggerendo che la perdita di questi geni essenziali sia avvenuta precocemente nella loro storia condivisa. I ricercatori hanno osservato che, sebbene anche altri piccoli virus abbiano perso questi geni, tendono ad avere genomi molto più piccoli. Gli Ariadnavirales sono unici perché hanno mantenuto una grande dimensione del genoma pur avendo eliminato le parti più critiche del proprio kit operativo. Questa perdita selettiva indica un percorso evolutivo sofisticato piuttosto che una semplice degradazione del virus.

Le scoperte evidenziano anche quanto del mondo virale rimanga nascosto. I nuovi virus non sono stati trovati in una coltura di laboratorio, ma sono stati scoperti analizzando i dati genetici da campioni ambientali, una tecnica che ha rivelato una diversità nascosta di vita negli oceani. Lo studio suggerisce che la strategia di dipendere dal nucleo dell'ospite sia più comune tra i virus giganti di quanto precedentemente pensato, apparendo in molteplici linee evolutive indipendenti. Sebbene i meccanismi esatti di come questi virus interagiscono con il nucleo dell'ospite rimangano poco chiari, le prove indicano un cambiamento fondamentale nel modo in cui queste entità biologiche sopravvivono. Hanno scambiato l'indipendenza con l'efficienza, facendo affidamento sui sistemi interni dell'ospite per svolgere il lavoro che i loro antenati facevano da soli. Questa scoperta apre nuove domande sulla flessibilità dell'evoluzione virale e sui confini tra forme di vita indipendenti e quelle che sono interamente dipendenti dai loro ospiti.