Structural analysis of monomeric RNA-dependent polymerases revamped

Virussen zijn meesters in vermomming, ze herschrijven voortdurend hun eigen genetische instructies om detectie te ontwijken. Onder de enorme, onzichtbare wereld van RNA-virussen is er één eiwit dat weigert zijn fundamentele vorm te veranderen, zelfs wanneer de genetische code wild muteert. Dit eiwit is een moleculaire machine die een RNA-afhankelijke polymerase wordt genoemd, de motor die het genetisch materiaal van het virus kopieert zodat het zich kan verspreiden. Omdat de genetische code van deze virussen zo snel verandert, hebben wetenschappers het lang moeilijk gehad met het traceren van hun familiegeschiedenis op basis van alleen DNA-sequenties; het signaal van hun eeuwenoude oorsprong is door de tijd door elkaar gehusseld. De fysieke driedimensionale vorm van een eiwit is echter veel stabieler dan de letters van de code. Net zoals een stenen werktuig zijn vorm behoudt lang nadat de taal van de mensen die het maakten is verdwenen, bevat de architectuur van deze virale motor aanwijzingen naar een diep evolutionair verleden die sequenties zijn vergeten.

Een team onderzoekers aan de Universidad Nacional Autónoma de México heeft zich tot deze fysieke vormen gericht om de stamboom van RNA-virussen opnieuw te tekenen. In plaats van de letters van de genetische code te vergelijken, vergeleken zij de werkelijke 3D-structuren van de polymerase-motoren. Zij verzamelden gegevens over meer dan honderd verschillende virale motoren, waarbij structuren die in laboratoria waren vastgelegd werden gemengd met hoogwaardige modellen gegenereerd door krachtige computerprogramma's. Door deze structuren naast elkaar te leggen en te meten hoe goed ze in elkaar passen, construeerde het team een nieuwe kaart van de virale relaties. Deze aanpak stelde hen in staat om verbindingen te zien die onzichtbaar waren voor traditionele methoden, waardoor zij zagen hoe verschillende groepen virussen aan elkaar verwant zijn en wat de huidige regels voor de classificatie van virussen uitdagen.

De studie begon met het samenstellen van een diverse collectie van deze virale motoren. De onderzoekers selecteerden structuren van virussen die alles infecteren, van mensen en planten tot bacteriën en schimmels. Omdat experimentele structuren moeilijk te verkrijgen zijn voor veel obscure virussen, vertrouwden zij zwaar op computervoorspellingen, waarbij zij geavanceerde software gebruikten om 3D-modellen van de polymerases te bouwen op basis van hun genetische sequenties. Zij waren zorgvuldig in het waarborgen dat deze digitale modellen betrouwbaar waren, waarbij zij alle modellen die er onzeker of slecht gevormd uitzagen, verwierpen. In totaal analyseerden zij 107 structuren, die 103 verschillende virale genera vertegenwoordigden. Deze brede steekproef omvatte virussen uit bijna alle belangrijke takken van het virale koninkrijk, wat een veel breder beeld bood dan eerdere studies, die voornamelijk beperkt waren tot virussen die menselijke ziekten veroorzaken.

Toen de onderzoekers deze vormen vergeleken, ontdekten zij dat de fysieke structuur van de polymerase een duidelijke stamboom onthulde. De resulterende kaart toonde duidelijke takken die grotendeels overeenkwamen met de huidige officiële classificatie van virussen, waarbij zij de groepen samenbrachten die een gemeenschappelijke voorouder delen. Zo vormden de motoren van virussen met positief zinvolle RNA-genomen één grote cluster, terwijl die met negatief zinvolle genomen een andere vormden. De studie onthulde echter ook scheuren in het huidige systeem. Twee grote groepen virussen, bekend als Lenarviricota en Duplornaviricota, vormden in deze nieuwe boom geen enkele, verenigde familie. In plaats daarvan waren hun leden verspreid over verschillende takken, wat suggereert dat de huidige manier waarop deze groepen worden gedefinieerd, mogelijk niet de ware evolutionaire geschiedenis weerspiegelt. De onderzoekers stellen voor dat deze classificaties moeten worden herzien om beter aan te sluiten bij de fysieke realiteit van de virale motoren.

Naast het grote plaatje ontdekte het team specifieke structurele details die fungeren als unieke handtekeningen voor verschillende virale families. Zij ontdekten dat hoewel de kern van de polymerase-motor hetzelfde is in alle virussen, de onderdelen van de machine die uitsteken vóór het hoofdarbeidsgebied op voorspelbare wijze variëren. Sommige virussen hebben een lange, lusvormige arm die om de motor heen wikkelt, terwijl anderen een bundel helicale veren hebben die naar beneden projecteren. Deze subtiele architecturale verschillen komen consistent voor binnen specifieke groepen virussen en dienen als een fysieke vingerafdruk die wetenschappers helpt te identificeren waar een nieuw virus op de stamboom thuishoort. Deze kenmerken werden zelfs gevonden in virussen die nog nooit eerder waren gezien, waardoor de onderzoekers nieuw ontdekte virussen in de juiste taxonomische groepen konden plaatsen op basis uitsluitend van hun voorspelde vorm.

De studie richtte zich ook op de uitdaging van virussen die niet netjes in bestaande categorieën passen. Sommige virussen hebben hun genetische instructies gerangschikt in een circulaire permutatie, een herschikking die de volgorde van de interne onderdelen van de motor omdraait. Ondanks deze ongebruikelijke lay-out vonden de onderzoekers dat de algehele vorm van deze motoren hen toch bij een specifieke familie van virussen bracht, wat suggereert dat zij een gemeenschappelijke oorsprong met hen delen. Op dezelfde manier waren zij in staat om structuren van nieuw ontdekte virussen die schimmels en bacteriën infecteren te integreren, waardoor zij in de bredere evolutionaire context konden worden geplaatst. Dit vermogen om virussen te classificeren op basis van hun fysieke vorm, zelfs wanneer hun genetische code te verschillend is om te vergelijken, biedt een krachtig nieuw instrument voor het begrijpen van de diepe geschiedenis van het leven op aarde.

Hoewel de nieuwe boom een duidelijker beeld geeft van de virale evolutie, waarschuwen de auteurs dat de diepste takken van de boom moeilijk met absolute zekerheid te verklaren blijven. Het snelle mutatiesnelheid van deze virussen betekent dat de oudste evolutionaire signalen zwak zijn, en zelfs de meest geavanceerde structurele vergelijkingen worstelen om de exacte volgorde vast te stellen waarin de belangrijkste groepen miljarden jaren geleden uiteen gingen. De studie beweert niet het mysterie van het allereerste RNA-virus te hebben opgelost, maar biedt wel een robuust kader voor het begrijpen van hoe de belangrijkste groepen die we vandaag de dag zien aan elkaar verwant zijn. Door zich te richten op de onveranderlijke fysieke vorm van de virale motor in plaats van de snel veranderende genetische code, biedt dit onderzoek een stabiel fundament voor het verkennen van de eeuwenoude geschiedenis van de virosfeer, waarbij de onzichtbare architectuur van eiwitten wordt omgezet in een leesbare kaart van het verleden van het leven.