Informatie

Evolueren alle retrovirussen naar dna-virussen?


Omdat zelfs niet-voortplantende seks genetisch materiaal overdraagt, lijkt het voor virussen overbodig om de gastheer te vernietigen. Retrovirussen zijn voldoende eenvoudig om in DNA te passen. Dus waarom niet gewoon DNA-virussen worden?


Allereerst moeten we duidelijk zijn met de verschillen tussen DNA en RNA.

Dit is het typische beeld dat in ons opkomt na biologielessen op de middelbare school wanneer iemand RNA en DNA noemt. Maar dit is eigenlijk niet 100% nauwkeurig. Het feit dat in DNA alleen 5-methyluracil (thymine) zit, niet uracil en in RNA alleen uracil en niet 5-methyluracil is niet waar.

Uracile

Een van de voorbeelden van uracil dat in DNA voorkomt, is deaminering van cytosine. Eigenlijk is het een soort mutatie. Maar het optreden hoeft niet alleen door mutatie te zijn. Volgens dit artikel:

De andere belangrijke bron van uracil in DNA is door opname van dUMP in plaats van dTMP tijdens DNA-replicatie. dUTP is een normaal voorkomend tussenproduct in het nucleotidemetabolisme, maar het niveau wordt zeer laag gehouden vanwege een efficiënte dUTPase die de opname van dUMP voorkomt. Hoewel opname van dUMP in DNA zowel in bacteriën (Tye et al., 1977; Wist et al., 1978) en geïsoleerde zoogdierkernen 25 jaar geleden (Wist et al., 1978), blijft de omvang en betekenis onduidelijk.

Dubbele helixstructuur

Zelfs de bewering dat alleen DNA een dubbele helixstructuur heeft, is niet waar. Je kunt het gemakkelijk weerleggen door de 3D-structuur van tRNA te zien.

2C ribosering

Dus het enige verschil is op de 2C van ribosering. In RNA is er één extra -OH-groep waardoor het instabieler is dan DNA (dat geen extra -OH-groep heeft). Hoewel C-OH meer bindingsenergie heeft dan C-H, ligt de echte reden dat het zo reactief is in de elektronegativiteit van zuurstof (2nd meest elektronegatieve element na fluor).

Waarom gebruiken RNA-virussen RNA?

Dus, waarom is het beter om RNA-virus te zijn voor het HIV? Volgens deze studie:

Meerdere factoren beïnvloeden de evolutiesnelheid, waaronder generatietijden, getrouwheid van het kopiëren van genen en selectieve druk. Microben hebben vaak zeer korte generatietijden. Ribonucleïnezuur (RNA)-virussen, die doorgaans geen proeflezen hebben, hebben hoge foutenpercentages wanneer ze kopieën maken. Als gevolg hiervan zijn de evolutiesnelheden in microben vaak snel en zijn RNA-virussen de snelst evoluerende organismen. Dit is nuttig voor snelle aanpassing aan nieuwe selectieve druk zoals immuunselectie en gebruik van antimicrobiële geneesmiddelen. Ter compensatie zijn de snelst evoluerende genen in gewervelde dieren immuungerelateerd.

Kortom, het zegt dat de RNA-vorm je evolutiesnelheid kan verhogen en je kans om het immuunsysteem van de gastheer te vermijden. Neem het uiteindelijk logisch aan. Virussen hebben een speciale levensstrategie (technisch gezien zijn virussen geen levende vorm van materie, dus excuses daarvoor). Ze wilden zichzelf zo veel mogelijk repliceren. Dus als het virus van DNA is gemaakt, kost het proces veel meer tijd (het moet worden getranscribeerd in mRNA en daarna vertaling). Het RNA-virus hoeft dus alleen het RNA te vertalen om zoveel mogelijk te maken (mijn bewering wordt bevestigd door de classificatie van virussen op wikipedia).


Je moet onthouden dat evolutie geen logica heeft, in de zin dat "als het werkt, het niet dom is"! Er zijn veel wezens die we, gezien onze perspectieven, de vraag zouden stellen: "waarom?".

Wat retrovirussen zo goed evolutionair aangepast maakt, is hun hoge mutatiesnelheid bij elke replicatiecyclus en het vernietigen van de gastheercellen is alsof ze geen getuigen achterlaten. Hoge mutatiesnelheden worden geassocieerd met RNA-moleculen, omdat ze niet zo stabiel zijn als DNA. Dit kan het virus moeilijk te identificeren maken door een gastheercel en afweermechanismen initiëren omdat ze voortdurend veranderen. We zien dit met het HIV-virus, daarom kunnen we geen remedie vinden, we kunnen geen enkele versie van het virus vastleggen.

De boodschap die we mee naar huis nemen is dat als een organisme, zelfs virussen, op een vreemde manier geëvolueerd zijn, dit waarschijnlijk komt omdat ze uniek en efficiënt functioneren binnen hun niche. Natuurlijke selectie weet het het beste!


Hoe een retrovirus of RNA-virus werkt

Latesha Elopre, MD, is een gecertificeerde internist die gespecialiseerd is in HIV en een assistent-professor infectieziekten aan de Universiteit van Alabama in Birmingham.

Een retrovirus is een virus waarvan de genen worden gecodeerd in RNA en, met behulp van een enzym dat reverse transcriptase wordt genoemd, zichzelf repliceert door eerst zijn genen omgekeerd te coderen in het DNA van de cellen die het infecteert.

Net als andere virussen moeten retrovirussen de cellulaire machinerie van de organismen die ze infecteren gebruiken om kopieën van zichzelf te maken. Infectie door een retrovirus vereist echter een extra stap.

Het retrovirusgenoom moet eerst worden teruggetranscribeerd in DNA voordat het op de gebruikelijke manier kan worden gekopieerd. Het enzym dat deze achterwaartse transcriptie doet, staat bekend als reverse transcriptase.

Retrovirussen gebruiken reverse transcriptase om hun enkelstrengs RNA om te zetten in dubbelstrengs DNA. Het is DNA dat het genoom van menselijke cellen en cellen van andere hogere levensvormen opslaat. Eenmaal getransformeerd van RNA naar DNA, kan het virale DNA worden geïntegreerd in het genoom van de geïnfecteerde cellen.

Wanneer de DNA-versies van de retrovirale genen in het genoom zijn opgenomen, wordt de cel misleid om die genen te kopiëren als onderdeel van het normale replicatieproces. Met andere woorden, de cel doet het werk van het virus voor hem.

Retrovirussen zijn "retro" omdat ze de richting van het normale genkopieerproces omkeren. Gewoonlijk zetten cellen DNA om in RNA zodat er eiwitten van kunnen worden gemaakt. Maar bij retrovirussen moet het proces achteruit gaan.

Eerst wordt het virale RNA omgezet in DNA. Dan kan de cel het DNA kopiëren. De cel kan het DNA ook weer in RNA transcriberen als de eerste stap bij het maken van virale eiwitten.


Biologen ontdekken de geschiedenis van oude retrovirussen tot 33 miljoen jaar geleden

Een groep wetenschappers van het Boston College, Chestnut Hill, heeft de natuurlijke geschiedenis gereconstrueerd van een specifieke retrovirus-afstamming -'8212 ERV-Fc' - die zich tussen 33 en 15 miljoen jaar geleden (Oligoceen en vroeg Mioceen) wijd verspreidde.

Retrovirusdeeltjes die ontluiken uit placentacellen van resusmakaken. Afbeelding tegoed: Dorothy Feldman, via aacrjournals.org.

Retrovirussen zijn overvloedig in de natuur en omvatten onder meer menselijke immunodeficiëntievirussen (HIV-1 en HIV-2), menselijke T-celleukemievirussen (HTLV-1 en -2) en de goed bestudeerde oncogene retrovirussen van muizen en andere modelorganismen. vele anderen.

De bevindingen van het team, online gerapporteerd op 8 maart 2016, in het tijdschrift eLife, laten zien dat een oude groep retrovirussen, bekend als ERV-Fc, tussen 15 miljoen en 33 miljoen jaar geleden de voorouders van ten minste 28 zoogdiersoorten, waaronder carnivoren, knaagdieren en primaten, infecteerde.

De verspreiding van ERV-Fc-retrovirussen onder deze oude zoogdieren suggereert dat de virussen zich naar elk continent hebben verspreid, behalve Antarctica en Australië, en dat ze meer dan 20 keer van de ene soort naar de andere zijn gesprongen.

De studie plaatst ook de oorsprong van ERV-Fc minstens zo ver terug als het begin van het Oligoceen.

"Helaas laten virussen geen fossielen achter, wat betekent dat we heel weinig weten over hoe ze ontstaan ​​en evolueren", zegt teamlid prof. Welkin Johnson van de afdeling Biologie van het Boston College.

"In de loop van miljoenen jaren hopen virale genetische sequenties zich echter op in de DNA-genomen van levende organismen, inclusief mensen, en kunnen ze dienen als moleculaire 'fossielen' voor het onderzoeken van de natuurlijke geschiedenis van virussen en hun gastheren."

Met behulp van dergelijke 'fossiele' overblijfselen probeerden prof. Johnson en co-auteurs de natuurlijke geschiedenis van ERV-Fc bloot te leggen.

Ze waren vooral nieuwsgierig om te weten waar en wanneer deze ziekteverwekkers werden gevonden in de antieke wereld, welke soorten ze besmetten en hoe ze zich aanpasten aan hun zoogdiergastheren.

Om dit te doen, voerden ze eerst een uitgebreide zoektocht uit in databases met genoomsequenties van zoogdieren voor ERV-Fc-loci en vergeleken ze vervolgens de herstelde sequenties.

Voor elk genoom met voldoende ERV-Fc-sequentie reconstrueerden ze de sequenties van eiwitten die het virus vertegenwoordigen dat de voorouders van die specifieke soort koloniseerde.

Deze sequenties werden vervolgens gebruikt om de natuurlijke geschiedenis en evolutionaire relaties van ERV-Fc-gerelateerde virussen af ​​te leiden.

"De genomen van zoogdieren bevatten honderdduizenden oude virale fossielen die lijken op ERV-Fc", aldus de wetenschappers.

"Toekomstig werk zou deze kunnen bestuderen om ons begrip te verbeteren van wanneer en waarom nieuwe virussen verschijnen en hoe langdurig contact met virussen de evolutie van hun gastheerorganismen beïnvloedt."

William E. Diehl et al. 2016. Transmissie tussen soorten en evolutie op lange termijn van een oud retrovirus volgen met behulp van de genomen van moderne zoogdieren. eLife 5: e12704 doi: 10.7554/eLife.12704


Oud virus-DNA geeft stamcellen de kracht om te transformeren

Embryonale stamcellen kunnen elk type cel worden, dankzij een oud virus, zeggen wetenschappers.

Een virus dat miljoenen jaren geleden het genoom van de voorouders van de mensheid is binnengedrongen, speelt nu een cruciale rol in de embryonale stamcellen waaruit alle cellen in het menselijk lichaam voortkomen, zo blijkt uit nieuw onderzoek.

De ontdekking werpt licht op de rol die virussen spelen in de menselijke evolutie en zou wetenschappers kunnen helpen beter te begrijpen hoe stamcellen te gebruiken in geavanceerde therapieën of zelfs hoe normale cellen in stamcellen kunnen worden omgezet.

Embryonale stamcellen zijn pluripotent, wat betekent dat ze in staat zijn om elk ander soort cel in het lichaam te worden. Wetenschappers over de hele wereld hopen deze mogelijkheid te gebruiken om patiënten te helpen herstellen van letsel en ziekte.

Onderzoekers worstelen al tientallen jaren om erachter te komen hoe pluripotentie werkt. Deze nieuwe bevindingen onthullen dat "materiaal van virussen van vitaal belang is om menselijke embryonale stamcellen te maken tot wat ze zijn", zei computationeel bioloog Guillaume Bourque van de McGill University in Montreal, een co-auteur van de studie die op 30 maart online werd gepubliceerd in Nature Structural & Molecular Biology .

Om kopieën van zichzelf te maken, moet een virus een cel binnendringen en de machinerie ervan overnemen. Wanneer een type virus, een retrovirus genaamd, dit doet, laat het zijn eigen genen in het DNA van zijn gastheercel glijden. De cel wordt vervolgens misleid om nieuwe kopieën van het retrovirus te maken. Het meest beruchte retrovirus is hiv, het virus achter aids.

In zeldzame gevallen infecteren retrovirussen sperma of eicellen. Als dat sperma of die eicel onderdeel wordt van een persoon, zullen hun cellen retrovirus-DNA bevatten en kunnen ze dat DNA doorgeven aan hun nakomelingen. Eerder onderzoek suggereert dat ten minste 8 procent van het menselijk genoom bestaat uit deze zogenaamde endogene retrovirussen - overblijfselen van retrovirale infecties die onze voorouders miljoenen jaren geleden hadden.

Wetenschappers dachten lang dat endogene retrovirussen junk-DNA waren dat niets deed in het menselijk genoom, zei co-auteur Huck-Hui Ng, een moleculair bioloog aan het Genome Institute of Singapore.

Recente onderzoeken hebben echter aangetoond dat dit misschien niet waar is voor één klasse van endogene retrovirussen die bekend staat als menselijke endogene retrovirus-subfamilie H. HERV-H-DNA was verrassend actief in menselijke embryonale stamcellen, maar niet in andere reguliere typen menselijke cellen.

Nu hebben wetenschappers ontdekt dat HERV-H niet alleen actief is in deze stamcellen, maar ook essentieel is om ze pluripotent te houden.

In de nieuwe studie behandelden de onderzoekers menselijke embryonale stamcellen met kleine stukjes RNA die de HERV-H-activiteit onderdrukten. De behandelde cellen gedroegen zich niet meer als stamcellen. In plaats daarvan gedroegen ze zich net als fibroblasten, de meest voorkomende soort cel die wordt aangetroffen in het bindweefsel van dieren.

Verdere analyse bevestigde dat het terugdringen van HERV-H de productie van eiwitten die geassocieerd zijn met pluripotentie teniet deed.

"Het is behoorlijk wild om deze elementen in embryonale stamcellen te zien spelen, waar je intuïtief niet te veel mee wilt spelen", zei computationeel bioloog David Kelley van de Harvard University, die niet aan dit onderzoek deelnam.

Een beter begrip van hoe HERV-H werkt, kan onderzoekers helpen om gewone cellen chemisch te herprogrammeren tot pluripotente stamcellen, wat "zou kunnen helpen leiden tot regeneratieve geneeskundetherapieën", zei Bourque. Die therapieën kunnen aandoeningen zoals diabetes, beroerte, multiple sclerose, de ziekte van Parkinson en hersen- en ruggenmergletsel behandelen.

Meer dan 1.000 exemplaren van HERV-H vervuilen het menselijk genoom. De DNA-sequenties zijn uniek voor mensen en mensapen, die blijkbaar minder dan 20 miljoen jaar geleden primaten binnenvielen, zei evolutionair geneticus Cedric Feschotte van de Universiteit van Utah, die niet deelnam aan dit onderzoek.

Maar HERV-H is niet nodig voor pluripotentie in stamcellen van andere organismen. Niet-primaten hebben stamcellen die werken zonder dit virale materiaal.

"Wat deze elementen ook doen voor de stamcelbiologie, wat onduidelijk blijft, maar de studie suggereert dat het belangrijk is, het moet recentelijk en snel in evolutie zijn ontstaan", zei Feschotte.

Menselijke embryonale stamcellen zijn de ultieme bron van de meer dan 200 bekende celtypes in het lichaam. Dat zulke cruciale bouwstenen van de menselijke biologie afhankelijk zouden zijn van genetisch materiaal van een externe bron - een virus niet minder - druist in tegen de intuïtie.

Eeuwen van evolutie hebben echter het vermogen van virussen om de biologie van een gastheercel te manipuleren verbeterd. Deze bevindingen suggereren dat zodra een organisme een retrovirus absorbeert, het een deel van dit virale materiaal kan gebruiken om zijn eigen biologie beter onder controle te houden. "Dat kan sneller zijn dan alleen te vertrouwen op willekeurige mutaties om iets te krijgen dat zou kunnen werken," zei Bourque.

Toekomstig werk zou andere families van endogene retrovirussen moeten onderzoeken "om te zien of ze ook nieuwe functionele rollen hebben ontwikkeld, zoals HERV-H deed in stamcellen", zei functioneel genomicus John Rinn van de Harvard University, die niet deelnam aan deze studie. "We vermoeden dat deze genen ook een belangrijke rol kunnen spelen in andere celtypen, zoals lever, nieren en hersenen."

Deze overblijfselen van oude infecties kunnen meer schatten dan rommel blijken te zijn.


Hoe is dat vervelende virus in ons DNA terechtgekomen?

Twee weken geleden besprak ik een PNAS-paper waarin melding werd gemaakt van de ontdekking van een nieuwe klasse virussen, pithovirussen genaamd, gevonden in een laag Siberische permafrost. In hun paper [1] concluderen de onderzoekers:

"Onze resultaten onderbouwen verder de mogelijkheid dat infectieuze virale pathogenen kunnen worden vrijgelaten uit oude permafrostlagen die zijn blootgesteld door ontdooien, mijnbouw of boren."

Ik vond deze mogelijkheid intrigerend, zowel vanuit wetenschappelijk oogpunt als vanuit sci-fi oogpunt: er zijn genoeg boeken over zombies en buitenaardse wezens, maar hoe zit het met oude virussen die dankzij de opwarming van de aarde van het ijs zijn ontdooid?

Een oplettende lezer kocht de sci-fi "bedreiging" echter niet en vroeg in de commentaren of virussen noodzakelijkerwijs slecht zijn. Inderdaad, we beschouwen virussen meestal als vervelende kleine dingen. En hoewel de meeste virussen ons slechts voor een korte tijd ziek maken, kunnen sommige dodelijk zijn, terwijl andere complicaties op de lange termijn kunnen veroorzaken.

De lezer die die vraag stelde, heeft echter volkomen gelijk: in de loop van de evolutie zijn virussen gunstig voor ons geweest. Virussen hebben genetische diversiteit gestimuleerd door genen over te dragen tussen soorten, en in feite dragen we nog steeds overblijfselen van virale genen in ons DNA, tot ongeveer 8-10% van ons genoom. Ze worden "endogene retrovirussen" of ERV genoemd.

Een virus komt het lichaam van een gastheer binnen met als enig doel zich te vermenigvuldigen. Om dit te doen, kapen virussen de eigen replicerende machinerie van de cel. Met name retrovirussen dragen strengen RNA die, eenmaal in de cel geïnjecteerd, worden omgezet in DNA dat vervolgens in de celkern wordt gedragen en in het genoom van de cel wordt geïntegreerd. Dit zorgt ervoor dat als de cel eenmaal repliceert, ook het stukje viraal DNA wordt gerepliceerd.

Er is echter een speciale set cellen waaruit het virus niet kan 'ontsnappen'. Deze cellen zijn de gametocyten - ook wel eicellen bij vrouwen en spermatocyten bij mannen genoemd - die zich niet vermenigvuldigen tenzij ze een bevruchte eicel worden. Maar tegen die tijd is het virus niet meer actief. Het zit letterlijk vast: het virale DNA is onderdeel geworden van het DNA van de cel. Naarmate het embryo groeit, draagt ​​het de virale genen in elke cel, zelfs in de gametocyten, en daarom zullen de virale genen ook door toekomstige generaties worden geërfd.

En zo zijn virussen heel, heel lang geleden in ons genoom terechtgekomen en zijn ze letterlijk 'evolutionaire fossielen' geworden. Door naar deze endogene retrovirale sequenties te kijken, kunnen wetenschappers de evolutie van oude virussen reconstrueren.

Wat doen virale genen in ons genoom?

De meesten van hen doen niets. Ze zijn "gedeactiveerd", wat betekent dat ze niet coderen voor eiwitten. Ons genoom is gemaakt van veel overbodige elementen die in de loop van de evolutie tot zwijgen zijn gebracht omdat ze niet langer nuttig waren, om later weer aan te zetten toen er een nieuwe aanpassing plaatsvond.

Een voorbeeld hiervan is de placenta, waar gevonden is dat endogene retrovirussen tot expressie worden gebracht [2-4] en een rol spelen bij de groei en implantatie van het weefsel. We kunnen alleen speculeren over de reden waarom retrovirale genen tot expressie worden gebracht in de placenta, maar de hypothese is inderdaad heel interessant: om te overleven, verzwakken retrovirussen het immuunsysteem. Over het algemeen is dit niet goed voor het lichaam, behalve in één heel speciaal geval: een embryo is letterlijk een parasiet die in het lichaam van de moeder groeit. Het draagt ​​vreemd DNA. Onder normale omstandigheden zou iets dat vreemd DNA draagt, als een antigeen worden beschouwd en door het immuunsysteem worden aangevallen. Daarom kunnen de tot expressie gebrachte virale eiwitten die in de trofoblasten (de buitenste laag van de placenta) worden gevonden, een rol spelen bij het onderdrukken van een mogelijke immuunreactie tegen foetaal bloed.

Een andere eigenschap die virussen hebben, is die van celfusie: ze "smelten" letterlijk in het celmembraan om hun genetische inhoud erin te injecteren. Daarom is een tweede hypothese dat deze eigenschap tijdens de ontwikkeling van de placenta wordt gebruikt om een ​​barrière op te bouwen tussen de maternale circulatie en de foetale circulatie.

Dus wie weet? Misschien zullen sommige van die gedeactiveerde virussen in ons DNA ons ooit helpen evolueren naar wezens die de opwarming van de aarde kunnen overleven. Grapje, dat was de sciencefictionschrijver in mij die weer naar buiten kwam.

[1] Legendre, M., Bartoli, J., Shmakova, L., Jeudy, S., Labadie, K., Adrait, A., Lescot, M., Poirot, O., Bertaux, L., Bruley, C., Coute, Y., Rivkina, E., Abergel, C., & Claverie, J. (2014). Dertigduizend jaar oude verre verwant van gigantische icosahedrale DNA-virussen met een pandoravirusmorfologie Proceedings of the National Academy of Sciences, 111 (11), 4274-4279 DOI: 10.1073/pnas.1320670111

[2] Emerman M, & Malik HS (2010). Paleovirologie - moderne gevolgen van oude virussen. PLoS-biologie, 8 (2) PMID: 20161719

[3] Dunlap KA, Palmarini M, Varela M, Burghardt RC, Hayashi K, Boer JL, & Spencer TE (2006). Endogene retrovirussen reguleren peri-implantatie placentale groei en differentiatie. Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, 103 (39), 14390-5 PMID: 16980413

[4] Dupressoir A, & Heidmann T (2011). [Syncytins - retrovirale envelopgenen gevangen ten behoeve van placentale ontwikkeling]. Geneeskunde: M/S, 27 (2), 163-9 PMID: 21382324


Virussen spelen een cruciale rol in de evolutie en overleving van de soort

Deze illustratie toont de vier stadia van de spermatogenese van muizen die zijn geanalyseerd in onderzoek dat op 7 september 2020 is gepubliceerd Natuur Structurele en moleculaire biologie. Krediet: Cincinnati Children's

Terwijl de wereld zich inspant om de groeiende COVID-19-coronaviruspandemie onder controle te krijgen, is nieuw onderzoek in Natuur Structurele en moleculaire biologie laat zien dat virussen ook een belangrijke evolutionaire rol spelen in het vermogen van zoogdieren om zich voort te planten en te overleven.

Wetenschappers van het Cincinnati Children's Perinatal Institute en van de Azabu University in Japan hebben hun gegevens verkregen door laboratoriummuizen en menselijke kiembaancellen te bestuderen.

In twee afzonderlijke artikelen die in dezelfde editie van het tijdschrift verschijnen, onthullen ze twee verschillende en fundamentele processen die ten grondslag liggen aan kiembaantranscriptomen. Ze laten ook zien dat soortspecifieke transcriptomen worden verfijnd door endogene retrovirussen in de zoogdierkiembaan

Kiemlijntranscriptomen omvatten al het boodschapper-RNA in kiemlijncellen, die ofwel de mannelijke of vrouwelijke helft van de chromosomen bevatten die als erfelijk genetisch materiaal worden doorgegeven aan nakomelingen wanneer soorten paren. Dit betekent dat kiembaantranscriptomen het unieke karakter van sperma en ei definiëren om zich voor te bereiden op de volgende generatie van leven.

Hoewel de onderzoeken afzonderlijk zijn, vullen ze elkaar aan, volgens Satoshi Namekawa, Ph.D., hoofdonderzoeker van beide artikelen en een wetenschapper in de afdeling Reproductieve Wetenschappen van Cincinnati Children's.

"Eén artikel, Maezawa en Sakashita et al., onderzoekt superversterkers, die robuuste en evolutionair geconserveerde genregulerende elementen in het genoom zijn. Ze voeden een strak gereguleerde uitbarsting van essentiële kiembaangenen wanneer sperma zich begint te vormen," zei Namekawa.

"De tweede studie, Sakashita et al., omvat endogene retrovirussen die fungeren als een ander type versterker - genregulerende elementen in het genoom - om de expressie van nieuw ontwikkelde genen aan te sturen. Dit helpt bij het verfijnen van soortspecifieke transcriptomen bij zoogdieren zoals mensen, muizen , enzovoort.

Samen hebben de onderzoeken aanzienlijke potentiële gevolgen voor de klinische praktijk, volgens de auteurs van de studie, waaronder een multidisciplinaire mix van ontwikkelingsbiologen, bio-informatici en immunobiologen. Ontregeling van genexpressie bij de vorming van mannelijk sperma hangt nauw samen met mannelijke onvruchtbaarheid en geboorteafwijkingen.

Virussen, met name endogene retrovirussen (ERV's) die inherent zijn aan de biologie van zoogdieren, kunnen de genexpressie dramatisch beïnvloeden, rapporteren onderzoekers. ERV's zijn moleculaire overblijfselen van retrovirussen die het lichaam infecteren en na verloop van tijd in het genoom worden opgenomen.

"Wat we van onze studie leren, is dat virussen over het algemeen een belangrijke rol spelen bij het aansturen van evolutie", legt Namekawa uit. "Op de lange termijn hebben virussen een positieve invloed op ons genoom en onze vormevolutie."

De studie, Maezawa en Sakashita et al., combineerde biologische testen van muismodellen en menselijke kiembaancellen met computationele biologie, inclusief genoombrede profilering van genregulerende elementen in kiembaancellen.

Die tests onthulden dat de genoombrede reorganisatie van superversterkers uitbarstingen van kiemlijngenexpressie veroorzaakt nadat kiemcellen meiose binnengaan, een gespecialiseerde vorm van celdeling die het haploïde genoom van kiemcellen produceert.

De studie demonstreert verder het moleculaire proces waardoor super-enhancer-switching plaatsvindt in geslachtscellen. Super-enhancers worden gereguleerd door twee moleculen die fungeren als schakelaars voor de controle van de uitbarsting van genen: de transcriptiefactor A-MYB en SCML2, een cruciaal silencing-eiwit bij de vorming van sperma.

TE's en springgenen

Endogene retrovirussen zijn een groep transponeerbare elementen (TE's), mobiele genetische elementen die ongeveer 40-50 procent van een bepaald zoogdiergenoom uitmaken. Ook wel 'springende genen' genoemd, worden TE's lang beschouwd als genetische bedreigingen omdat transpositie schadelijk kan zijn als het proces bijvoorbeeld eiwitcoderende genen verstoort.

Voortbouwend op bevindingen uit de jaren vijftig dat TE's kunnen functioneren als genetische regulerende elementen, produceerden Namekawa en zijn medewerkers (Sakashita et al.) gegevens die aantonen dat ERV-gestuurde mechanismen helpen bij het verfijnen van soortspecifieke transcriptomen.


Springgenen

Hoewel het geval van syncytine de grootschalige adoptie van een virusgen onthult om ons te kunnen bieden, zijn er veel meer voorbeelden van hoe oude virale sequenties de genactiviteit bij de huidige mens kunnen beïnvloeden.

In de jaren vijftig onthulde nauwgezet gedetailleerd werk van de lang over het hoofd geziene Amerikaanse geneticus Barbara McClintock dat 'springende genen' het genoom van maïsplanten kunnen beïnvloeden.

En net als de 'springende genen' die McClintock in maïs identificeerde, zijn de endogene retrovirussen die op de loer liggen in ons eigen menselijke genoom al miljoenen jaren in beweging, willekeurig rondspringend en de activiteit van genen in hun directe omgeving veranderd.

Onze cellen steken veel energie in het proberen te voorkomen dat deze virale elementen op de vlucht gaan. Ze zijn gelabeld en vergrendeld met chemische tags, ook wel epigenetische tekens genoemd. Maar terwijl de virale elementen bewegen, bewegen deze moleculaire geluiddempers met hen mee, zodat de effecten van de virale sequenties zich kunnen verspreiden naar naburige genen, waar ze ook landen.

Omgekeerd zitten virussen ook vol met DNA-sequenties die moleculen aantrekken die genen aanzetten. Bij een functioneel retrovirus activeren deze ‘schakelaars’ de virale genen zodat het weer besmettelijk kan worden. Maar wanneer een virusachtige sequentie wordt gesplitst in een ander gebied in het genoom, kan dit vermogen om als een genetische schakelaar te fungeren uiteindelijk schurkenstaten worden.

In 2016 ontdekten wetenschappers van de Universiteit van Utah dat een endogeen retrovirus in het menselijk genoom - dat oorspronkelijk afkomstig was van een virus dat onze voorouders ongeveer 45 miljoen tot 60 miljoen jaar geleden infecteerde - een gen genaamd AIM2 inschakelt wanneer het een molecuul detecteert genaamd interferon, het 'gevaarsignaal' dat het lichaam waarschuwt dat het een virale infectie heeft. AIM2 dwingt de geïnfecteerde cellen vervolgens tot zelfvernietiging, om te voorkomen dat de infectie zich verder verspreidt.

Deze oude virussen zijn 'dubbele agenten' geworden, die onze cellen helpen andere virussen aan te pakken die ons proberen aan te vallen.

Een ander voorbeeld van een virus dat onze soort mogelijk heeft gevormd, wordt gevonden in de buurt van een gen genaamd PRODH. PRODH wordt aangetroffen in onze hersencellen, vooral in de hippocampus.

Bij mensen wordt het gen geactiveerd door een controleschakelaar gemaakt van een lang dood retrovirus. Chimpansees hebben ook een versie van het PRODH-gen, maar het is lang niet zo actief in hun hersenen.

Een mogelijke verklaring is dat een oud virus miljoenen jaren geleden een kopie van zichzelf naast PRODH sprong in een van onze lang geleden overleden voorouders, maar dat dit niet gebeurde bij de voorouderlijke primaten die evolueerden tot de chimpansees van vandaag.

Tegenwoordig wordt aangenomen dat fouten in PRODH betrokken zijn bij bepaalde hersenaandoeningen, dus het is zeer waarschijnlijk dat het op zijn minst enige invloed heeft gehad op de bedrading van menselijke hersenen.

Evenzo zijn variaties in genetische schakelaars verantwoordelijk voor de verschillen tussen de cellen die onze menselijke gezichten vormen terwijl we in de baarmoeder groeien en die van chimpansees. Hoewel onze genen vrijwel identiek zijn aan die van chimpansees, zien we er zeker niet hetzelfde uit. Het verschil moet dus in de bedieningsschakelaars zitten.

Afgaand op hun DNA-sequenties, lijken veel van de schakelaars die actief zijn in de cellen die onze gezichten vormen, oorspronkelijk afkomstig te zijn van virussen, die ergens in onze evolutionaire reis op hun plaats moeten zijn gesprongen om de soort met platte gezichten te worden die we nu zijn.


Evolutie van het polydnavirus: hoe wespen virussen begonnen te gebruiken om hun gastheren te ontwikkelen

door Joe Ballenger 2 augustus 2010

1.) Vrouwelijke sluipwesp injecteert eieren, virale deeltjes en gifeiwitten in de gastheer. 2.) Polydnavirus-virons infecteren gastheerweefsels. 3.) Parasitoïde larve ontwikkelt zich in de gastheer en metamorfoseert na het uitgraven van de gastheer. 4-5.) Cellen in de vrouwelijke voortplantingsorganen beginnen virale deeltjes te produceren.
In Polydnaviruses, Nature's GGO's, legde ik uit hoe polydnavirussen de afweer van de gastheer door genetische modificatie uitschakelden. Een post daarna besprak ik hoe polydnavirussen gemodificeerde insecteneiwitten gebruiken om met deze systemen te interfereren.
Dus als je een biologisch ingestelde persoon bent, is er één vraag die je jezelf zou moeten stellen. Het is een nogal belangrijke vraag omdat het antwoord licht zou kunnen werpen op wat deze wespen soortspecifiek maakt, en dit is essentieel voor elk biocontroleproject.
Dus hoe zijn ze geëvolueerd?

Deze systemen zijn minstens drie keer onafhankelijk van elkaar ontstaan ​​met verschillende virussen. De sluipwespen gebruiken polydnavirussen die zijn afgeleid van Ascovirussen, dit zijn DNA-virussen die ongewervelde dieren infecteren. het geslacht Nasonia gebruikt pokkenvirussen op een manier die waarschijnlijk hetzelfde is als de Ichnovirussen en Bracovirussen. We bespreken het Ichnovirus- en Bracovirus-systeem als voorbeelden van modelsystemen.
De meeste eukaryote genomen zijn in wezen oude strijdtonelen tussen beestjes en hun virussen. Virussen kunnen een proces doorlopen dat endogenisatie wordt genoemd, waarbij een virus integreert in het genoom van een eukaryote cel. Viraal DNA integreert af en toe in het genoom van een organisme en wordt vervolgens gedeactiveerd door mutatie of door een afweermechanisme dat bekend staat als methylering. Dit DNA wordt vervolgens doorgegeven aan de nakomelingen van het organisme. Deze virussen worden dan bekend als endogene virussen. Veel van deze virussen zijn toevallig retrovirussen, maar het is mogelijk dat DNA-virussen en zelfs RNA-virussen endogeen kunnen raken als de omstandigheden gunstig zijn.
In alle eukaryote genomen zijn er ook stukjes en beetjes parasitair DNA die transposons worden genoemd. Dit zijn kleine stukjes parasitair DNA die zichzelf kopiëren en opnieuw integreren in het genoom van het organisme. Deze jongens zijn ook geweldig in het kopiëren van genen en ze te verplaatsen naar plaatsen waar ze niet zouden moeten zijn. Af en toe ploffen ze neer naast een gen en het enzym dat hen kopieert, kopieert dat gen en verplaatst het gen naar een nieuwe locatie in het genoom.
Polydnavirussen worden verondersteld een van de twee routes in de evolutie te hebben gevolgd. De eerste mogelijkheid is dat een virus dat al een voordeel was voor de wesp, in het genoom werd geïntegreerd en op het nageslacht werd overgedragen. De tweede mogelijkheid is dat stukjes en beetjes viraal DNA eiwitten begonnen te produceren en nuttig werden voor de wesp.
D. pulchellus parasiterende preimot, van Agriculture and Agrifood Canada
De eerste mogelijkheid is zeer duidelijk in de Ichnovirus-groep van polydnavirussen. Een primitieve Ichneumonid wesp, Diadromus pulchillus heeft een virus dat heel anders is dan de polydnavirussen die zijn broeders bezitten. Het is virus, Diadromus pulchellus Ascovirus (DpAv), in tegenstelling tot alle andere Ichnovirussen, reproduceert en versterkt in de cellen van de rups. De ziekte is dodelijk voor de rups, maar kan de wesp ten goede komen door te voorkomen dat concurrerende soorten eitjes leggen in dezelfde gastheer, omdat de gastheer sterft voordat ze in staat zijn om zich te ontwikkelen. Veel Ascovirussen hebben vergelijkbare effecten als Ichnovirussen en verschillen doordat ze binnen de Lepidoptera-gastheer amplificeren.
Sommige Ascovirussen worden mechanisch overgedragen van wesp naar gastheer. Dit betekent dat ze de wesp niet daadwerkelijk infecteren, maar worden overgedragen wanneer de wesp eieren legt in een andere gastheer op een vergelijkbare manier als HIV zou worden overgedragen tussen IV-drugsgebruikers. Hoewel ze niet op dezelfde manier worden overgedragen als DpAv, infecteren ze af en toe andere sluipwespen. Dit geeft een geweldig hypothetisch mechanisme waardoor deze virussen kunnen zijn geëvolueerd.
Nudivirus-fylogenie van Guohong et. al
De Ichnovirussen die door Ichneumonid-wespen worden overgedragen, hebben een zeer hoge sequentieovereenkomst met Ascovirussen. Braconid wasps, however, present another problem. While the similarity of Ichnoviruses to Ascoviruses essentially closes the book on many questions pertaining to their evolution, Braconid wasps present a greater challenge.
Braconid wasps also transmit polydnaviruses, but their viruses are derived from a completely different set of viruses. Bracoviruses are genetically most similar to viruses known as Nudiviruses, which themselves are similar to Baculoviruses. Despite their similarity to Baculoviruses, Nudiviruses are quite different in ways I will need to discuss in another post. The greatest mystery for researchers such as myself lies within the host range of the Nudiviruses. No known Nudiviruses afflict Hymenoptera, although I should also be quick to point out that little is known about the host ranges of Nudiviruses in general. Many are sexually transmitted (insects get STDs, too), so many researchers think these viruses originated as STDs accidentally injected into the host during oviposition. It’s a great hypothesis, but with so little known about Nudiviruses, Bracovirus phylogeny remains a wide open mystery.
Pictures:
Webb, B., Fisher, T., & Nusawardani, T. (2009). The Natural Genetic Engineering of Polydnaviruses Annals of the New York Academy of Sciences, 1178 (1), 146-156 DOI: 10.1111/j.1749-6632.2009.05023.x
Wu, G., Jun, S., Sims, G., & Kim, S. (2009). Whole-proteome phylogeny of large dsDNA virus families by an alignment-free method Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (31), 12826-12831 DOI: 10.1073/pnas.0905115106
General Information:
Bigot, Y., Samain, S., Augé-Gouillou, C., & Federici, B. (2008). Molecular evidence for the evolution of ichnoviruses from ascoviruses by symbiogenesis BMC Evolutionary Biology, 8 (1) DOI: 10.1186/1471-2148-8-253
Tillman, P., Styer, E., & Hamm, J. (2004). Transmission of Ascovirus from (Lepidoptera: Noctuidae) by Three Parasitoids and Effects of Virus on Survival of Parasitoid (Hymenoptera: Braconidae) Environmental Entomology, 33 (3), 633-643 DOI: 10.1603/0046-225X-33.3.633
Bigot Y, Rabouille A, Doury G, Sizaret PY, Delbost F, Hamelin MH, & Periquet G (1997). Biological and molecular features of the relationships between Diadromus pulchellus ascovirus, a parasitoid hymenopteran wasp (Diadromus pulchellus) and its lepidopteran host, Acrolepiopsis assectella. The Journal of general virology, 78 ( Pt 5) , 1149-63 PMID: 9152436
Renault S, Petit A, Bénédet F, Bigot S, & Bigot Y (2002). Effects of the Diadromus pulchellus ascovirus, DpAV-4, on the hemocytic encapsulation response and capsule melanization of the leek-moth pupa, Acrolepiopsis assectella. Journal of insect physiology, 48 (3), 297-302 PMID: 12770103

Deel dit:

Joe Ballenger is een landbouwwetenschapper die onkruidbestrijding bestudeert aan de Universiteit van Wyoming. Hij heeft een Master in Entomologie. Hij was medeoprichter van het succesvolle Ask an Entomologist-project!. In zijn vrije tijd houdt hij van koken en klimmen.

Biology Fortified, Inc. is een onafhankelijke non-profitorganisatie. Onze missie is om de publieke discussie over biotechnologie en andere kwesties in voedsel en landbouw te vergroten.


Dankbetuigingen

The author thanks J. Butler, B. Howell and the organizers of the 2018 Boston College Intersections Villa Faculty Writing Retreat for the opportunity to complete major portions of this manuscript R. Gifford, L. Mulder and J. Henzy for helpful discussions S. Whelan and V. Simon for providing offices for writing while on sabbatical leave at Harvard Medical School and the Icahn School of Medicine at Mount Sinai, respectively. Work in the author’s laboratory is supported by grants from the US National Institutes of Health (AI083118) and the US Department of Defense/Congressionally Directed Medical Research Programs (PR172274).

Reviewer information

Nature Reviews Microbiology thanks A. Dupressoir, C. Feschotte, J. Frank and other anonymous reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.