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#Neues aus der Industrie
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Im genomischen Schatten lauern: Wie Riesenviren die genetische Evolution von Organismen antreiben
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Viren sind winzige Eindringlinge, die eine Vielzahl von Krankheiten verursachen, von Tollwut bis zum Tomatenfleckenwelke-Virus und seit kurzem auch COVID-19 beim Menschen. Aber Viren können mehr tun, als nur Krankheiten hervorrufen - und nicht alle Viren sind winzig.
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Große Viren, insbesondere solche aus der Familie der nukleo-zytoplasmatischen Großviren, können ihr Genom in das ihres Wirts integrieren - was die genetische Ausstattung dieses Organismus dramatisch verändert. Diese Familie der DNA-Viren, die auch als "Riesen"-Viren bezeichnet werden, ist in wissenschaftlichen Kreisen schon seit geraumer Zeit bekannt, aber das Ausmass, in dem sie eukaryotische Organismen befallen, ist bis heute ein Rätsel.
"Viren spielen eine zentrale Rolle in der Evolution des Lebens auf der Erde. Sie prägen die Evolution des zellulären Lebens unter anderem durch einen Prozess namens Endogenisierung, bei dem sie neues genomisches Material in ihre Wirte einbringen. Wenn ein riesiges Virus in das Genom einer Wirtsalge endogenisiert, schafft es eine enorme Menge an Rohmaterial, mit dem die Evolution arbeiten kann", sagte Frank Aylward, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Biowissenschaften am Virginia Tech College of Science und ein Partner des Global Change Center, das im Fralin Life Sciences Institute untergebracht ist.
Mohammad 'Monir' Moniruzzaman, ein Postdoktorand in Aylwards Labor, untersucht endogene virale Elemente, d.h. Fragmente oder ganze Sequenzen roher viraler DNA, die in das Genom des infizierten Wirtes eingefügt wurden.
Gemeinsam haben Aylward und Moniruzzaman kürzlich entdeckt, dass endogene virale Elemente, die von Riesenviren stammen, in Chlorophyten-Grünalgen viel häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Ihre Ergebnisse werden heute (18. November 2020) in Nature veröffentlicht.
Chlorophyten, eine Gruppe von Grünalgen, sind eine wichtige Gruppe von photosynthetischen Organismen, die in vielen Ökosystemen an der Basis der Nahrungskette stehen und auf dem gesamten Planeten große Mengen an Nahrung und Sauerstoff produzieren. Chlorophyten gedeihen in unseren Seen und Teichen - und ihre Dynamik mit den riesigen Viren sowie ihre einzigartige Evolutionsgeschichte standen im Mittelpunkt der Forschung von Aylward und Moniruzzaman.
Chlorophyt-Algen sind enge Verwandte der Landpflanzen, und die Untersuchung ihrer Wechselwirkungen mit Riesenviren könnte etwas Licht auf die Rollen werfen, die die Viren während der frühen Evolution der Pflanzen spielten.
"Wir wissen jetzt, dass endogene virale Elemente in allen Chlorophyten vorkommen, was Sie vermuten lässt, dass auch Pflanzen mit diesen riesigen Viren interagieren könnten. Es gibt einige Daten, die darauf hindeuten, dass einige frühe Pflanzen, wie Moose und Farne, diese Endogenisierungsereignisse im Laufe der Evolution erlebt haben. Aber wir sind uns nicht genau über das Ausmass dieses Phänomens bei anderen frühen Pflanzen sicher", sagte Moniruzzaman, der Erstautor dieser Publikation.
Um mehr über die Prävalenz endogener viraler Elemente in Algen zu erfahren, führten Moniruzzaman und Aylward eine bioinformatische Analyse der sequenzierten Genome verschiedener Algengruppen durch.
Sie entdeckten, dass 24 der 65 analysierten Genome einige Arten von viralen Signaturen in ihren Genomen aufwiesen, die aus der wiederholten Endogenisierung verschiedener Viren stammten. Bei einem Algenorganismus, Tetrabaena socialis, fanden die Forscher heraus, dass etwa 10 Prozent seiner Gene von einem Virus aus der Familie der nukleozytoplasmatischen großen DNA-Viren stammten.
Obwohl die Endogenisierung von Viren gut untersucht ist, beschränkten sich die Studien meist auf kleine RNA-Viren, wie das Human Immunodeficiency Virus (HIV), das Retrovirus, das für die Entstehung des erworbenen Immundefektsyndroms (AIDS) verantwortlich ist.
Die Studie von Aylward und Moniruzzaman ist eine der ersten, die große eukaryotische DNA-Viren ins Rampenlicht rückt, was eine große Veränderung auf diesem Gebiet bedeutet.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines AaV, eines Riesenvirus, das eine einzellige Alge infiziert und abtötet, die schädliche Algenblüten verursacht. Riesenviren, die zur gleichen Gruppe wie das AaV gehören, können ihr Genom häufig in das Genom ihres Wirts einbauen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Chuan Xiao und Yuejiao Xian, University of Texas at El Paso; Steven W. Wilhelm und Eric R. Gann, University of Tennessee, Knoxville.
"Diese großen endogenen viralen Elemente sind viel häufiger anzutreffen als bisher angenommen. Jetzt, da wir eine systematische Analyse haben, werden andere Forscher wirklich anfangen, darauf zu achten. Diese Studie zeigt, dass endogene virale Elemente ziemlich häufig vorkommen, und so könnte es sich möglicherweise um einen gemeinsamen Mechanismus der Genomevolution handeln. Ich denke, dass diese Ergebnisse unseren Blick auf die Rolle der Riesenviren als bloße Erreger der Wirtssterblichkeit auf bedeutende Akteure der Wirtsgenom-Evolution erweitern werden", sagte Moniruzzaman.
Jetzt, da Moniruzzaman und Aylward bestätigt haben, dass die Endogenisierung bei größeren Viren stattfindet, fragen sie sich, unter welchen Bedingungen diese Viren überhaupt EVEs in Grünalgen injizieren - und warum die Wirte keine Anzeichen zeigen, sie abzuweisen.
"Wir wissen nicht, was der Mechanismus ist oder wie die DNA aufrechterhalten wird, aber es ist möglich, dass die Endogenisierung ein zufälliger, fast zufälliger Prozess ist. Und wenn die virale DNA einmal endogenisiert ist, kann sie die evolutionäre Dynamik des Wirts verändern und die Evolution dieser Abstammungslinie weiter beeinflussen", sagte Aylward.
Die Idee, dass zwischen dem Wirt und seinem Virus eine potenziell vorteilhafte Beziehung im Spiel ist, ist für Moniruzzaman von besonderem Interesse.
"Es könnte einen Grund dafür geben, warum der Wirt diese viralen Genome in sich trägt. Es ist nicht so, dass diese viralen Gene die Wirte dazu bringen, erfolglos oder unfähig zu werden, in der Umwelt zu überleben. Das ist es also: Sind die körpereigenen viralen Elemente für den Wirt von Vorteil? Und wie kommen sie dort hinein und bleiben dort drin", fragte Moniruzzaman.