Comparative genomics of bat endogenous retroviruses: abundance and coding integrity are decoupled, and de novo detection can counterfeit a lineage-specific expansion

Diep in het DNA van elk zoogdier, van muizen tot mensen, ligt een verborgen archief van oude virale infecties. Dit zijn geen actieve virussen die wachten om toe te slaan, maar eerder de gefossiliseerde resten van retrovirussen die miljoenen jaren geleden succesvol de voortplantingscellen van onze voorouders hebben binnengedrongen. Zodra een virus zijn genetische code in de kiembaan van een gastheer plaatst, wordt die code een permanent onderdeel van de stamboom, die van generatie op generatie wordt doorgegeven. In de loop van de tijd verliezen de meeste van deze virale indringers hun vermogen om te functioneren, waarbij ze mutaties ophopen en uit elkaar vallen totdat ze slechts verspreide fragmenten van genetische code zijn. Wetenschappers noemen deze endogene retrovirussen. Ze fungeren als een verslag van de gevechten tussen gastheren en virussen in de verre diepte van de tijd, en omdat verschillende groepen dieren met verschillende virale geschiedenissen te maken hebben gehad, varieert de hoeveelheid en de conditie van deze virale fossielen enorm over de boom des levens.

Vleermuizen zijn een bijzonder fascinerende groep om in deze context te bestuderen. Als de op één na meest diverse orde van zoogdieren, met meer dan 1.400 soorten, staan ze ook bekend om hun vermogen om een enorme variëteit aan virussen te dragen zonder ziek te worden. Deze unieke tolerantie heeft hen tot een onderwerp van intense belangstelling gemaakt voor onderzoekers die proberen te begrijpen hoe virussen evolueren en hoe gastheren hen overleven. Echter, toen wetenschappers begonnen de genomen van verschillende vleermuisfamilies te vergelijken, liepen ze tegen een probleem aan. De gegevens waarnaar ze keken, waren vaak onbetrouwbaar. De genomen die ze gebruikten, waren soms verkeerd gelabeld en bevatten het DNA van de verkeerde soort, of de methoden die werden gebruikt om de virale fossielen te tellen, waren zo gevoelig voor de manier waarop het DNA werd samengesteld, dat ze valse signalen van recente virale activiteit creëerden. Om een waar beeld van de virale geschiedenis van vleermuizen te krijgen, moesten onderzoekers eerst een kader bouwen dat biologische feiten kon scheiden van computergegenereerde fouten.

Een team van onderzoekers zette zich in om dit betrouwbare kader te creëren door de genomen van 29 verschillende vleermuissoorten te analyseren, die 11 verschillende families vertegenwoordigen. Hun eerste taak was te verifiëren of elk genoom dat ze gebruikten daadwerkelijk toebehoorde aan de vleermuissoort die het beweerde te zijn. Ze kruisverwezen de officiële labels van de gegevens met drie onafhankelijke bewijslijnen: de metadata geleverd door de database, de naamgevingsconventies die door grote vleermuisgenoomprojecten worden gebruikt, en de genetische sequentie van een specifiek gen dat wordt gevonden in de mitochondriën, de energiecentra van de cel. Deze rigoureuze controle was noodzakelijk omdat een enkel verkeerd gelabeld genoom de vergelijking volledig zou kunnen verstoren, waardoor het leek alsof een virus tussen ongerelateerde soorten sprong terwijl dat niet het geval was. Na deze screening verwijderden ze drie assemblages die verkeerd waren geïdentificeerd en sloten ze vijf andere uit die te gefragmenteerd waren om betrouwbaar te kunnen analyseren, waardoor ze overbleven met een schoon, geverifieerd panel van 29 genomen.

Met een solide fundament van geverifieerde gegevens richtte het team zich op de virale fossielen zelf. Ze gebruikten een computerpipeline om deze genomen te scannen op lange terminal repeats, de kenmerkende structuren die het begin en einde van een retrovirale insertie markeren. Ze ontdekten dat de hoeveelheid viraal DNA drastisch varieerde tussen families. In sommige groepen, zoals de fruitvleermuizen bekend als Pteropodidae, maakte viraal DNA slechts ongeveer 1,7% van het genoom uit. In andere, zoals de muisstaartvleermuizen (Rhinopomatidae), schoot dit cijfer omhoog naar bijna 19%. Dit was een elfvoudig verschil. Cruciaal was dat de onderzoekers bewezen dat deze variatie een echte biologische eigenschap was en geen artefact van de manier waarop het DNA in stukjes was gelegd. Ze toonden aan dat de lage hoeveelheid viraal DNA in fruitvleermuizen consistent was over vijf verschillende, onafhankelijk samengestelde genomen en niet verklaard kon worden door de kwaliteit of volledigheid van de DNA-gegevens.

De studie onthulde ook een verrassende discrepantie tussen hoeveel viraal DNA een vleermuis heeft en hoe goed het bewaard is gebleven. Men zou kunnen aannemen dat families met de meeste virale DNA ook de meest intacte, functioneel ogende virussen zouden hebben. In plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat abundantie en integriteit grotendeels onafhankelijk van elkaar waren. Een familie kan rijk zijn aan virale sequenties, maar voornamelijk gevuld zijn met gebroken, gedegradeerde fragmenten, terwijl een andere familie met minder totaal sequentie een hoger percentage volledige, structureel gezonde virale fossielen kan behouden. Dit suggereert dat de geschiedenis van virale infectie en de geschiedenis van viraal verval twee verschillende verhalen zijn. Zo vielen fruitvleermuizen, ondanks dat ze zeer weinig viraal DNA bezitten, op omdat de weinige volledige virussen die ze behielden, ongewoon waarschijnlijk een specifiek gen droegen genaamd env, dat codeert voor de virale envelop. Dit gen is vaak de sleutel die een virus in staat stelt een cel binnen te dringen, en de aanwezigheid ervan in deze oude fossielen suggereert dat deze specifieke virale resten om een reden bewaard zijn gebleven, misschien omdat de gastheer het dier er een functie voor vond te vinden.

Misschien wel de meest significante bevinding van de studie was een waarschuwing over hoe wetenschappers deze genetische landschappen interpreteren. In één specifiek genoom suggereerde de initiële computerscan een enorme, recente explosie van virale activiteit, waarbij een groot aantal jonge virale fossielen verscheen die schijnbaar zeer recent in de evolutionaire tijd waren ingevoegd. Dit zag eruit als een dramatische biologische gebeurtenis: een lijn-specifieke uitbarsting van infectie. Echter, toen de onderzoekers dieper keken, realiseerden ze zich dat dit een optische illusie was. Het betreffende genoom was samengesteld op een lager detailniveau dan de andere, wat betekende dat het DNA in veel kleine, losstaande stukjes was gebroken. Deze fragmentatie zorgde ervoor dat de computer dezelfde virale fragment meerdere keren telde en de virale kopieën jonger deed lijken dan ze in werkelijkheid waren. Wanneer de onderzoekers hetzelfde genoom controleerden met een andere methode die niet afhankelijk was van de gefragmenteerde assemblage, verdween de "explosie". De vleermuis had in werkelijkheid een normaal, laag niveau van viraal DNA, niet te onderscheiden van zijn nauwe verwanten.

Deze ontdekking dient als een vitale waarborg voor toekomstig onderzoek. Het demonstreert dat ruwe computer tellingen van virale fossielen gemakkelijk kunnen worden misleid door de manier waarop DNA wordt samengesteld, waardoor de illusie van een recente biologische gebeurtenis ontstaat waar die niet bestaat. De onderzoekers concludeerden dat voordat men enige claim accepteert van een unieke, lijn-specifieke expansie van virussen, wetenschappers de bevinding moeten bevestigen met bewijs dat niet afhankelijk is van de assemblage-structuur, zoals directe vergelijkingen van specifieke gen-sequenties. Door deze strikte controles toe te passen, bood het team de eerste betrouwbare baseline voor het begrijpen van de virale geschiedenis van vleermuizen. Ze toonden aan dat hoewel fruitvleermuizen inderdaad hun virale last hebben onderdrukt, het verhaal van de virale evolutie bij vleermuizen complex is, waarbij abundantie en preservatie verschillende hoofdstukken van dezelfde geschiedenis vertellen, en dat de meest dramatische signalen in de gegevens vaak de signalen zijn die de meest zorgvuldige inspectie vereisen.