arbitrium

Virussen communiceren met elkaar en met hun nakomelingen door middel van een korte proteïne. De hoeveelheid van dit eiwit bepaalt of de gastheercel lyse ondergaat of dat het virus de cel spaart. Dit eiwit, dat kort geleden ontdekt is, wordt arbitrium genoemd.

bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)

Wanneer virussen hun gastheer infecteren, gaat dit een veel gevallen gepaard met de kaping door het virus van de replicatie- en translatieprocessen van de gastheercel. Er worden dan opnieuw alle bestanddelen van het virus aangemaakt die zich samenstellen tot nieuwe virussen. Wanneer deze vrijkomen barst de cel open; er vindt lyse plaats en de cel gaat dood. Maar het genetisch materiaal van het virus kan ook deel uit gaan maken van dat van de gastheer. Het plaatst zich in het DNA van de gastheer en blijft slapende. Het virus veroorzaakt dan geen dood van de geïnfecteerde cellen, maar wordt na iedere celdeling doorgegeven aan de dochtercellen. Het virus lift zo mee op het DNA van de gastheercel. Dit is de lysogene cyclus, niet te verwarren dus met de eerder beschreven lyse cyclus.

lytische cyclus en lysogene cyclus

Jaren heeft men onderzoek gedaan naar hoe deze keuze gemaakt werd. Men zocht vooral naar intracellulaire signaalwegen en genetische circuits in de gastheercel. Ook de onderzoekers van deze studie zochten naar moleculaire signalen tussen bacteriecellen en ontdekten zo het relatief korte eiwit verantwoordelijk voor de keuze (“arbitrium”) tussen lyse en lysogeen. Zij werkten niet zoals gewoonlijk met het bacteriofaag lambda, het meest bekende bacterievirus, en het bacterie E. Coli, maar met Bacillus subtilis en vier verschillende fagen. Ze infecteerden de bacteriën met de fagen en screenden het medium op zoek naar molecuulsignalen geproduceerd door de bacteriën. In plaats daarvan vonden ze een molecuul dat geproduceerd werd door een van de vier fagen: phi3T. Ze noemden het arbitrium.

Arbitrium wordt vrijgegeven na digestie met enzymen van een proteïne die door de faag gecodeerd is. Het korte eiwit arbitrium verspreidt door het medium en wordt vervolgens door specifieke kanalen in het membraan doorgelaten tot het plasma van een nabijgelegen bacteriecel. Arbitrium inhibeert een faagfactor die op haar beurt een gen activeert dat het lyse-proces stimuleert via een onbekend mechanisme. Het lyse-proces wordt door arbitrium dus verminderd of stilgelegd.

De onderzoekers zagen dat er vergelijkbare arbitrium systemen zijn in wel 100 bestudeerde fagen, waarbij elke faag alleen door zijn eigen geproduceerde arbitrium geregeld werd. De verschillende arbitrium-peptiden verschillen immers in hun samenstelling van aminozuren. Het is dus duidelijk dat een bepaalde faag in eerste instantie zich door lyse snel vermenigvuldigt, maar naarmate de concentratie van arbitrium toeneemt zal de lysogene cyclus de overhand krijgen. Dit overlevingsmechanisme is gebaseerd op het feit dat de faag zich alleen blijvend kan handhaven mits er genoeg gastheercellen overblijven. De lyse doodt de cellen en het tijdig stopzetten daarvan verzekert het virus van overleving omdat zijn gastheer blijft doorleven.

Vooralsnog is dit mechanisme van betekenis in bacteriofagen en bacteriën, maar het is waarschijnlijk dat er ook voor virussen en eukaryoten een dergelijk mechanisme bestaat.

Dit feedbacksysteem waarin elke faag zich vermenigvuldigt door productie van een eigen eiwit waaraan alleen hijzelf en zijn eigen nakomelingen gehoorzamen, geeft aan dat fagen uiterst bepalend zijn voor de biosfeer. Zij hebben hun evolutie onder eigen controle. Daarbij is het interessant te bedenken dat virussen zich samen met de eerste preprokaryoten ontwikkelden, zoals de hypothesen van Patrick Forterre stellen. Kunnen we, nu we weten dat ze communiceren met hun nakomelingen, ook spreken van levende virussen? Zou de kennis over het arbitrium systeem kunnen helpen in de strijd tegen resistente bacteriën?

Ref:

Erez, Zohar; Steinberger-Levy, Ida; Shamir, Maya; Doron, Shany; Stokar-Avihail, Avigail; Peleg, Yoav; Melamed, Sarah; Leavitt, Azita; Savidor, Alon (2017-01-18). “Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21049. ISSN 1476-4687.

Davidson, Alan R. (2017-01-18). “Virology: Phages make a group decision”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21118. ISSN 1476-4687.

Primordiale samenwerking

In dit blog zijn verschillende berichten opgenomen over het RNA, over het ribozym dat uit RNA bestaat en de RNA-wereld. Er is nu opnieuw interessant nieuws over dit primordiale RNA en daar moet wel een blogbericht op volgen. In deze hypothetische uit RNA-bestaande oerwereld, die bestond voordat het DNA zich vormde, werden RNA-moleculen gerepliceerd. Deze replicatie begon wellicht met de simpele aaneenrijging van de eerste basen tot een enkele streng van RNA. Maar mettertijd ontstonden er langere en complexere moleculen die het ribozym konden vormen. Dit laatste RNA-molecule heeft een enzymatische functie en kan de replicatie van het RNA zelf bespoedigen. Ook in de moleculaire wereld is er sprake van efficiënte en minder efficiënte replicatoren die de strijd om grondstoffen wel of niet ‘winnen’. Dit bepaalt uiteindelijk welke moleculen er ‘overleven’.

Hypercycle

Wiskunde-modellen wijzen uit dat replicatie van het eigen molecuul zou uitlopen op een enorme accumulatie van mutaties die het molecuul stuk zouden doen gaan. Reeds in 1971 kwam men uitsluitend via redeneringen tot de slotsom dat er netwerken moesten bestaan van moleculen die elkaars katalyse stimuleerden. Zo ontstond het idee van hypercyclussen waarin molecuul A molecuul B helpt zichzelf te kopiëren, en B helpt C weer, enzovoort totdat de laatste van de cyclus A weer helpt. Dit was allemaal pure theorie. Nu toont het onderzoek aan dat er inderdaad iets dergelijks plaatsvindt in het laboratorium. Het gaat daarbij niet echt om replicatie maar om kleinere fragmenten van verschillende uit bacteriën-geïsoleerde ribozymen die elkaars assemblage katalyseren. Twee fragmenten vormen het ribozym nummer 1 en stimuleren de assemblage van de fragmenten voor ribozym 2 dat op zijn beurt hetzelfde doet voor ribozym 3. Zonder elkaars hulp assembleren ze ook, maar dan veel langzamer.

Het bleek vervolgens dat ook meerdere varianten van dit type ribozym elkaars fragmenten heel efficiënt assembleerden. Bij het samenvoegen van de fragmenten van 48 verschillende varianten van het ribozym ontstonden er enorme netwerken die de assemblage bespoedigden.

Ondanks het feit dat iedereen het er over eens is dat deze studie een indrukwekkend resultaat heeft opgeleverd, bestaat er de kritiek dat het hier niet gaat om zelf replicerende moleculen. Het gaat inderdaad om de assemblage van bestaande fragmenten. Ook Nick Lane, een autoriteit op het gebied van het ontstaan van leven, is onder de indruk, maar betwijfelt of deze netwerken stabiel genoeg zijn om in de primordiale wereld te overleven.

 

Uit: Nature, Nature News & Views, Ed Yong

 

Mos

Laatst vond ik in een vaas op het terras deze mossen. De vaas met pas aangekochte plant komt waarschijnlijk uit een noordelijk land, want mos zie je hier niet veel. Het mooie is dat ze nu ‘in bloei’ staan. Het zijn bijzondere plantjes omdat ze een stadium in de evolutie vertegenwoordigen. Ik maakte er de volgende foto’s van.

Op internet zijn ook mooie foto’s te vinden zoals deze van Victor Bos:

Mossen waren de eerste landplanten. Het groene plantje, het mos, is haploïde en heeft maar één set cromosomen. In de rijpe gametofyt (de mosplant) vormen zich zaad- en eicellen. Na de bevruchting ontstaat het steeltje met doosje ofwel de sporofyt die de korte maar enige diploïde fase van de plant is, met een dubbele set chromosomen dus. In dit doosje worden de haploïde sporen aangemaakt. Wanneer deze sporen vrijkomen produceren ze een voorkiem die zich vasthecht. Er ontstaat opnieuw een haploïde mosplant en de cirkel is rond.

Van internet: Levenscyclus van mos.

Mei 2010