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

Virussen worden vaak beschouwd als eenvoudige parasieten die de machinerie van een cel kapen om kopieën van zichzelf te maken. Voor de grootste bekende virussen, die genetisch materiaal dragen dat uit DNA bestaat, is het standaardverhaal geweest dat ze hun eigen fabrieken bouwen in het cytoplasma van de gastheer, de geleiachtige vloeistof die de ruimte rond de kern vult. Deze virale fabrieken stellen hen in staat om hun genetische code te repliceren en nieuwe virusdeeltjes te bouwen zonder de commandocentrale van de cel, de nucleus, waar het eigen DNA van de gastheer wordt bewaard, te hoeven betreden. Deze onafhankelijkheid is een kenmerkend onderdeel van de groep die bekendstaat als nucleocytoviricota, een enorme familie van dubbelstrengs DNA-virussen die enkele van de meest massieve biologische entiteiten op aarde omvat. Wetenschappers gingen er lang van uit dat deze virussen de volledige set instructies met zich meebrengen die nodig zijn om hun eigen replicatie- en transcriptieprocessen te beheren, waardoor ze in essentie fungeren als onafhankelijke machines zodra ze een gastheer infecteren.

Een nieuwe studie heeft echter een groep van deze reuzenvirussen ontdekt die deze strategie volledig lijkt te hebben verlaten. Door door enorme collecties genetische gegevens uit oceanen en zoetwateromgevingen te zoeken, hebben onderzoekers een voorheen onbekende orde van virussen geïdentificeerd die bijna alle genen hebben verloren die nodig zijn om hun eigen DNA te kopiëren of hun genetische instructies af te lezen. In plaats van hun eigen fabrieken te bouwen, lijken deze virussen volledig te vertrouwen op de kern van de gastheercel om het werk voor hen te doen. Deze ontdekking daagt de langgehouden visie uit dat grote virussen zelfvoorzienend zijn en suggereert een complexere evolutionaire geschiedenis waarbij sommige reuzen ervoor hebben gekozen afhankelijk te worden van de zeer commandocentrale die zij voorheen vermeden.

De onderzoekers, geleid door een team van het National Institutes of Health en het Institut Pasteur, begonnen hun onderzoek met een virus genaamd Sicyoidochytrium minutum DNA-virus, of SmDNAV voor kort. Dit virus werd oorspronkelijk geïsoleerd van een eencellig organisme genaamd een thraustochytride, die behoort tot een groep protisten die in mariene omgevingen worden aangetroffen. Op het moment van de ontdekking was SmDNAV een vreemde verschijning; het leek op een reusvirus maar deelde zeer weinig genetische overeenkomsten met andere bekende virussen. Om te begrijpen waar het paste in de stamboom van het leven, gebruikten het team computerprogramma's om genomische databases af te zoeken naar andere genetische sequenties die overeenkwamen met de eiwitten die in SmDNAV werden gevonden. Ze vonden talrijke overeenkomsten verborgen binnen de genetische gegevens van andere eencellige organismen, waaronder algen en diverse protisten uit zowel zoutwater- als zoetwaterhabitats.

Door deze genetische fragmenten samen te voegen, heeft het team de genomen gereconstrueerd van verschillende nieuwe virussen die verwant zijn aan SmDNAV. Ze noemden deze nieuwe groep "Ariadnavirales", een verwijzing naar de mythologische prinses Ariadne, die de held Theseus hielp te ontsnappen aan een labyrint, wat de complexe en kronkelende aard weerspiegelt van de protist-gastheren die deze virussen infecteren. De genomen van deze virussen zijn aanzienlijk en meten ongeveer 200.000 basenparen in lengte, wat groot genoeg is om honderden eiwitten te coderen. Toch, toen de onderzoekers de specifieke instructies binnen deze genomen onderzochten, troffen ze een verbijsterende afwezigheid aan. De virussen hadden de genen verloren voor de kernmachinerie die bijna alle andere reuzenvirussen gebruiken om hun DNA te repliceren en het te transcriberen naar RNA. Specifiek misten ze de enzymen die fungeren als de primaire kopieermachines en de leesinstrumenten voor genetische informatie.

De enige informatieverwerkingsinstrumenten die deze virussen behielden, waren een paar gespecialiseerde eiwitten die helpen bij het organiseren en repareren van DNA, maar het zware werk van replicatie en transcriptie was verdwenen. Dit verlies suggereert dat Ariadnavirales geëvolueerd zijn om volledig afhankelijk te zijn van de kern van de gastheercel om hun genetisch materiaal te repliceren. In een wending die een extra mysterie toevoegt, lieten eerdere waarnemingen van door SmDNAV geïnfecteerde cellen zien dat het virus de kern van de gastheer doet verdwijnen, terwijl het virus toch in staat is om te repliceren. Dit impliceert een unieke strategie waarbij het virus de kernbarrière zou kunnen afbreken om direct toegang te krijgen tot de machinerie van de gastheer, of misschien de benodigde instrumenten rekruteert voordat de structuur instort. Dit gedrag is verschillend van andere bekende virussen die ofwel in het cytoplasma blijven met hun eigen instrumenten, ofwel de kern binnengaan om te repliceren terwijl de kern intact blijft.

De studie plaatste deze virussen ook op de evolutionaire kaart. Door de eiwitten te vergelijken die alle reuzenvirussen delen, zoals de bouwstenen van hun buitenste schillen, bepaalden de onderzoekers dat Ariadnavirales nauw verwant zijn aan een andere groep virussen die ook enkele replicatiegenen missen. Samen vormen zij een diepe tak op de stamboom van de reuzenvirussen, wat suggereert dat het verlies van deze essentiële genen vroeg in hun gedeelde geschiedenis plaatsvond. De onderzoekers merkten op dat hoewel sommige andere kleine virussen ook deze genen hebben verloren, zij de neiging hebben om veel kleinere genomen te hebben. Ariadnavirales zijn uniek omdat zij een groot genomische omvang behielden terwijl zij de meest kritieke onderdelen van hun operationele gereedschapskist afwierpen. Dit selectieve verlies duidt op een verfijnd evolutionair pad in plaats van een eenvoudige degradatie van het virus.

De bevindingen benadrukken ook hoeveel van de virale wereld nog verborgen blijft. De nieuwe virussen werden niet in een laboratoriumcultuur gevonden, maar werden ontdekt door genetische gegevens uit milieustalen te minen, een techniek die een verborgen diversiteit van het leven in de oceanen heeft onthuld. De studie suggereert dat de strategie om afhankelijk te zijn van de gastkern gebruikelijker is onder reuzenvirussen dan eerder gedacht, en voorkomt in meerdere onafhankelijke lineages. Hoewel de exacte mechanica van hoe deze virussen met de gastkern interageren nog onduidelijk is, wijst het bewijs op een fundamentele verschuiving in hoe deze biologische entiteiten overleven. Ze hebben onafhankelijkheid geruild voor efficiëntie, door te vertrouwen op de interne systemen van de gastheer om het werk te doen dat hun voorouders ooit zelf deden. Deze ontdekking opent nieuwe vragen over de flexibiliteit van virale evolutie en de grenzen tussen onafhankelijke levensvormen en diegene die volledig afhankelijk zijn van hun gastheren.