Das Geheimnis der Herkunft von Viren

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Viren leben kaum. Ihr Ursprung und ihre Evolution sind jedoch noch weniger verstanden als die Entstehung „normaler“zellulärer Organismen. Es ist noch unbekannt, wer früher auftauchte, die ersten Zellen oder die ersten Viren. Vielleicht haben sie das Leben immer begleitet, wie ein katastrophaler Schatten.

Das Problem ist, dass Viren nichts anderes sind als Fragmente des Genoms (DNA oder RNA), die in einer Proteinhülle eingeschlossen sind. Sie hinterlassen keine Spuren im Fossilienbestand, und um ihre Vergangenheit zu erforschen, bleiben moderne Viren und ihre Genome.

Biologen vergleichen, finden Ähnlichkeiten und Unterschiede, entdecken evolutionäre Verbindungen zwischen verschiedenen Viren und bestimmen ihre ältesten Merkmale. Leider sind Viren ungewöhnlich variabel und vielfältig. Es genügt, daran zu erinnern, dass ihre Genome nicht nur durch DNA-Ketten (wie in unserem Land und beispielsweise Herpesviren), sondern auch durch ein verwandtes RNA-Molekül (wie bei Coronaviren) repräsentiert werden können.

Das DNA/RNA-Molekül in Viren kann einzeln oder in Teile segmentiert, linear (Adenoviren) oder zirkulär (Polyomaviren), einzelsträngig (Anelloviren) oder doppelsträngig (Baculoviren) sein.

Visuelle Wissenschaft Influenza A / H1N1-Virus

Nicht weniger vielfältig sind die Strukturen von Viruspartikeln, die Besonderheiten ihres Lebenszyklus und andere Eigenschaften, die zum gewöhnlichen Vergleich herangezogen werden könnten. Wie Wissenschaftler diese Schwierigkeiten umgehen, erfahren Sie ganz am Ende dieses Beitrags. Erinnern wir uns vorerst daran, was alle Viren gemeinsam haben: Sie sind alle Parasiten. Es ist kein einziges Virus bekannt, das einen eigenständigen Stoffwechsel durchführen könnte, ohne die biochemischen Mechanismen der Wirtszelle zu nutzen.

Kein Virus enthält Ribosomen, die Proteine synthetisieren könnten, und niemand trägt Systeme, die die Produktion von Energie in Form von ATP-Molekülen ermöglichen. All dies macht sie zu obligatorischen, dh bedingungslosen intrazellulären Parasiten: Sie können nicht alleine existieren.

Es ist nicht verwunderlich, dass nach einer der ersten und bekanntesten Hypothesen zuerst Zellen auftraten und sich erst dann die ganze vielfältige Viruswelt auf diesem Boden entwickelte.

Regressiv. Von komplex bis einfach

Schauen wir uns Rickettsien an – auch intrazelluläre Parasiten, wenn auch Bakterien. Darüber hinaus befinden sich einige Teile ihres Genoms in der Nähe der DNA, die in den Mitochondrien eukaryontischer Zellen, einschließlich des Menschen, enthalten ist. Anscheinend hatten beide einen gemeinsamen Vorfahren, aber der Gründer der "Mitochondrienlinie", der die Zelle infizierte, tötete sie nicht, sondern wurde versehentlich im Zytoplasma konserviert.

Infolgedessen verloren die Nachkommen dieses Bakteriums eine Menge unnötiger Gene und wurden zu Zellorganellen abgebaut, die die Wirte im Austausch für alles andere mit ATP-Molekülen versorgen. Die „regressive“Hypothese über die Entstehung von Viren geht davon aus, dass ein solcher Abbau auch ihren Vorfahren passiert sein könnte: Einst einmal vollständig ausgewachsene und unabhängige Zellorganismen, haben sie über Milliarden Jahre parasitären Lebens einfach alles Überflüssige verloren.

Diese alte Idee wurde durch die jüngste Entdeckung von Riesenviren wie Pandoraviren oder Mimiviren wiederbelebt. Sie sind nicht nur sehr groß (der Partikeldurchmesser des Mimivirus beträgt 750 nm - zum Vergleich beträgt die Größe des Influenzavirus 80 nm), sondern sie tragen auch ein extrem langes Genom (1,2 Millionen Nukleotid-Links beim Mimivirus gegenüber mehreren hundert gewöhnliche Viren), die für viele Hundert Proteine kodieren.

Darunter befinden sich auch Proteine, die zum Kopieren und "Reparieren" (Reparieren) von DNA, zur Produktion von Boten-RNA und Proteinen notwendig sind.

Diese Parasiten sind viel weniger abhängig von ihren Wirten und ihre Herkunft von freilebenden Vorfahren sieht viel überzeugender aus. Viele Experten glauben jedoch, dass dies das Hauptproblem nicht löst - alle "zusätzlichen" Gene könnten später von Riesenviren stammen, die von den Besitzern ausgeliehen wurden.

Schließlich ist ein parasitärer Abbau kaum vorstellbar, der so weit gehen und sogar die Form des Trägers des genetischen Codes beeinträchtigen und zur Entstehung von RNA-Viren führen könnte. Es ist nicht verwunderlich, dass eine andere Hypothese über die Herkunft von Viren ebenso respektiert wird – das komplette Gegenteil.

Progressiv. Von einfach bis komplex

Werfen wir einen Blick auf die Retroviren, deren Genom ein einzelsträngiges RNA-Molekül ist (zB HIV). In der Wirtszelle angekommen, verwenden solche Viren ein spezielles Enzym, die reverse Transkriptase, und wandeln sie in gewöhnliche Doppel-DNA um, die dann in das "Allerheiligste" der Zelle eindringt - in den Zellkern.

Hier kommt ein weiteres virales Protein, die Integrase, ins Spiel und fügt die viralen Gene in die DNA des Wirts ein. Dann beginnen die zelleigenen Enzyme mit ihnen zu arbeiten: Sie produzieren neue RNA, synthetisieren auf ihrer Basis Proteine usw.

Visuelle WissenschaftHuman Immunodeficiency Virus (HIV)

Dieser Mechanismus ähnelt der Reproduktion mobiler genetischer Elemente – DNA-Fragmente, die nicht die Informationen tragen, die wir brauchen, sondern in unserem Genom gespeichert und angehäuft werden. Einige von ihnen, Retrotransposons, sind sogar in der Lage, sich darin zu vermehren und sich mit neuen Kopien auszubreiten (mehr als 40 Prozent der menschlichen DNA bestehen aus solchen "Schrott"-Elementen).

Dazu können sie Fragmente enthalten, die für beide Schlüsselenzyme - Reverse Transkriptase und Integrase - kodieren. Tatsächlich sind dies fast fertige Retroviren, denen nur eine Proteinhülle fehlt. Aber seine Anschaffung ist eine Frage der Zeit.

Hier und da in das Genom eingebettet, sind mobile genetische Elemente durchaus in der Lage, neue Wirtsgene einzufangen. Einige von ihnen könnten für die Kapsidbildung geeignet sein. Viele Proteine neigen dazu, sich selbst zu komplexeren Strukturen zusammenzusetzen. Beispielsweise faltet sich das ARC-Protein, das eine wichtige Rolle für die Funktion von Neuronen spielt, in freier Form spontan zu virusähnlichen Partikeln, die sogar RNA im Inneren tragen können. Es wird angenommen, dass der Einbau solcher Proteine etwa 20-mal erfolgen könnte, wodurch große moderne Gruppen von Viren entstehen, die sich in der Struktur ihrer Hülle unterscheiden.

Parallel. Schatten des Lebens

Die jüngste und vielversprechendste Hypothese stellt jedoch alles wieder auf den Kopf, wenn man davon ausgeht, dass Viren spätestens mit den ersten Zellen aufgetaucht sind. Vor langer Zeit, als das Leben noch nicht so weit war, ging in der "Ursuppe" die Proto-Evolution selbstreplizierender Moleküle vor sich, die sich selbst kopieren können.

Allmählich wurden solche Systeme komplexer und verwandelten sich in immer größere Molekülkomplexe. Und sobald einige von ihnen die Fähigkeit erlangt hatten, eine Membran zu synthetisieren und zu Protozellen wurden, wurden andere - die Vorfahren der Viren - ihre Parasiten.

Dies geschah zu Beginn des Lebens, lange vor der Trennung von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Daher infizieren ihre (und sehr unterschiedlichen) Viren Vertreter aller drei Domänen der lebenden Welt, und unter den Viren kann es so viele RNA-haltige geben: Es sind RNAs, die als "Vorfahren"-Moleküle, die Selbstreplikation und Evolution betrachtet werden aus denen das Leben entstand.

Die ersten Viren könnten solche "aggressiven" RNA-Moleküle sein, die erst später Gene für Proteinhüllen annahmen. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass einige Arten von Muscheln sogar vor dem letzten gemeinsamen Vorfahren aller lebenden Organismen (LUCA) erschienen sein könnten.

Die Evolution der Viren ist jedoch ein noch verwirrenderes Gebiet als die Evolution der gesamten Welt der zellulären Organismen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass alle drei Ansichten über ihre Herkunft auf ihre Weise wahr sind. Diese intrazellulären Parasiten sind so einfach und gleichzeitig vielfältig, dass unterschiedliche Gruppen unabhängig voneinander in grundsätzlich unterschiedlichen Prozessen auftreten können.

Zum Beispiel könnten die gleichen riesigen DNA-haltigen Viren durch den Abbau von Vorfahrenzellen entstehen, und einige RNA-haltige Retroviren - nachdem sie durch mobile genetische Elemente "unabhängig geworden" sind. Aber möglicherweise verdanken wir das Auftreten dieser ewigen Bedrohung einem ganz anderen, noch nicht entdeckten und unbekannten Mechanismus.

Genome und Gene. Wie die Evolution von Viren untersucht wird

Leider sind Viren unglaublich flüchtig. Ihnen fehlen Systeme zur Reparatur von DNA-Schäden, und jede Mutation verbleibt im Genom, vorbehaltlich weiterer Selektion. Darüber hinaus tauschen verschiedene Viren, die dieselbe Zelle infizieren, leicht DNA- (oder RNA-) Fragmente aus, wodurch neue rekombinante Formen entstehen.

Schließlich vollzieht sich der Generationswechsel ungewöhnlich schnell – HIV hat beispielsweise einen Lebenszyklus von nur 52 Stunden und ist bei weitem nicht der kürzeste. All diese Faktoren sorgen für die schnelle Variabilität von Viren, was die direkte Analyse ihrer Genome stark erschwert.

Gleichzeitig starten Viren, sobald sie sich in einer Zelle befinden, oft nicht ihr übliches parasitäres Programm - einige sind so konzipiert, andere aufgrund eines versehentlichen Fehlers. Gleichzeitig kann sich ihre DNA (oder RNA, die zuvor in DNA umgewandelt wurde) in die Chromosomen des Wirts integrieren und sich dort verstecken, wobei sie zwischen den vielen Genen der Zelle selbst verloren geht. Manchmal wird das virale Genom reaktiviert und manchmal verbleibt es in solch einer latenten Form und wird von Generation zu Generation weitergegeben.

Es wird angenommen, dass diese endogenen Retroviren bis zu 5-8 Prozent unseres eigenen Genoms ausmachen. Ihre Variabilität ist nicht mehr so groß - die zelluläre DNA ändert sich nicht so schnell, und der Lebenszyklus vielzelliger Organismen erreicht zig Jahre, nicht Stunden. Daher sind die Fragmente, die in ihren Zellen gespeichert sind, eine wertvolle Informationsquelle über die Vergangenheit von Viren.

Ein separater und noch jüngerer Bereich ist die Proteomik von Viren – die Erforschung ihrer Proteine. Schließlich ist jedes Gen nur ein Code für ein bestimmtes Proteinmolekül, das bestimmte Funktionen erfüllen muss. Einige "passen" wie Lego-Teile, falten die Virushülle, andere können virale RNA binden und stabilisieren und wieder andere können verwendet werden, um die Proteine einer infizierten Zelle anzugreifen.

Die aktiven Zentren solcher Proteine sind für diese Funktionen verantwortlich und ihre Struktur kann sehr konservativ sein. Es behält während der gesamten Evolution eine große Stabilität. Sogar einzelne Teile von Genen können sich ändern, aber die Form der Proteinstelle, die Verteilung der elektrischen Ladungen darin - alles, was für die Ausführung der gewünschten Funktion entscheidend ist - bleibt fast gleich. Wenn man sie vergleicht, kann man die entferntesten evolutionären Verbindungen finden.