Lag de oorsprong van leven bij virussen?

Foto door Chantal Abergel en Jean-Michel Claverie Drie recent ontdekte reuzevirussen — mimivirus (boven), pandoravirus (midden) and pithovirus (onder)

De theorieën over de oorsprong van het leven lopen uiteen, maar over één ding is men het eens. Er bestond ooit een RNA-wereld waarin er zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA. De laatste katalyseerde de replicatie van de eerste en zo ontstonden er de eerste replicatoren. Nu bevatten onze cellen DNA (deoxyribonucleic acid) als opslag voor informatie, terwijl veel verschillende soorten RNA (ribonucleic acid) bijvoorbeeld als boodschapper (RNAm) of drager van aminozuren (RNAt) dient. Er is blijkbaar een moment geweest waarop het RNA omgezet is in DNA. Nu geldt het dogma in de biologie dat DNA omgeschreven wordt in RNA dat op haar beurt weer afgelezen wordt voor de vorming van eiwitten. Er bestaat slechts één uitzondering, en dat is het enzym reverse transcriptase dat alleen door retrovirussen gecodeerd wordt. (Er is een andere reverse transcriptase die telomeren synthetiseert, zie de reactie van Gert Korthof).

Al een tijdje bestudeert de viroloog Patrick Forterre de mogelijkheid dat retrovirussen aan de oorsprong van de eerste cellen heeft bijgedragen. Ik schreef al eerder over zijn werk en theorie en de details kun je in dit eerdere blog lezen. Hij stelt dat de retrovirussen DNA maakten en daarmee cellen infecteerden die vervolgens dit stabielere DNA gebruikten als informatieopslag.

Nu is er recent een enorm virus ontdekt, het pithovirus, dat nog groter is dan veel bacteriën. De afmeting is meer dan 1,5 micron en het draagt zo’n 500 genen waarvan vele niet gerelateerd zijn aan de ons reeds bekende genen. Voordat dit virus werd gevonden, wist men al van andere grote virussen zoals het mimivirus en pandoravirus die ook veel niet gerelateerde genen bevatten. Zo langzaamaan begon zich een andere theorie te vormen.

Men dacht vroeger dat virussen zich later hebben ontwikkeld dan cellen, omdat alle toen bekende virussen voor hun replicatie of vermenigvuldiging afhankelijk waren van cellen. Het zou dus wel eens omgekeerd kunnen zijn, namelijk, dat virussen eerder ontstonden dan cellen. Ze zouden in eerste instantie in de RNA-wereld geleefd hebben die bestond uit zelfzuchtige RNA’s die de boventoon gingen voeren. Deze werden omsloten door capsiden, bestaande uit proteïnen.

Een argument voor de The Virus World Theory stelt dat virussen genetisch gezien een grotere diversiteit hebben dan cellen. Waren ze afgeleid van cellen, dan zou er een kleinere diversiteit zijn dan die we aantreffen bij cellen. Eugene Koonin is voorstander van The Virus World Theory, terwijl Patrick Forterre denkt dat virussen hun opmars maakten nadat er voorlopers van bacteriën, Archaea en Eukaryoten, die hij protoeucaryoten noemt, hun intrede deden. Hij onderstreept daarbij dat virussen op het toneel verschenen voordat LUCA (Last Universal Common Ancestor) bestond. Abergel en Claverie, een echtpaar van virologen, beweren daarentegen dat virussen afstammen van uitgestorven cellijnen. Er was geen unieke cellijn volgens hen, maar een waren een heleboel verschillende cellijnen die allemaal uitgestorven zijn. De virussen bevatten nog steeds de antieke genen van deze uitgestorven cellen.

Kortom, er is in Frankrijk een flinke discussie gaande rond dit onderwerp. Daar wordt heel wat ge-e-maild over virussen. Het zou leuk zijn als deze discussie wat meer open was, zodat wij hem konden volgen. Misschien hebben ze allemaal gelijk en verschenen virussen tegelijk met cellen, met het daarop volgende uitsterven van bepaalde cellen waar antieke infecterende virussen nog steeds een overblijfsel van zijn. Het zou zomaar kunnen.

Uit: Hints of Life’s Start Found in a Giant Virus. QuantaMagazine

 

 

 

Een hybride virus

Er is in april van dit jaar in een meer (Boiling Springs Lake) een virus ontdekt dat uit DNA bestaat maar dat een gen bevat dat codeert voor de capside (of eiwitmantel) van een RNA-virus. Dit virus wordt beschouwd als een hybride. Deze vondst laat zien dat de grenzen tussen de verschillende typen virussen relatief makkelijk kunnen vervagen. Hoewel het ontstaan van dit virus in het bijzonder relatief recent is, geeft het wel een concreet voorbeeld van hoe de conversie van “RNA-wereld” naar de “DNA-wereld” mogelijk is geweest.

Een retrovirus

Er bestaan drie grote indelingen van virussen. De DNA-virussen, de RNA-virussen en de retrovirussen. Tot nu toe waren deze groepen duidelijk verschillend. DNA-virussen kunnen enkelstrengs of dubbelstrengs zijn. Na infectie gebruiken deze virussen de DNA-polymerase van de cel om nieuwe kopieën van zichzelf te maken. RNA-virussen doen hetzelfde en maken gebruik van de RNA-polymerase van de cel om zich te vermenigvuldigen. Retrovirussen daarentegen bestaan uit RNA dat wordt ‘teruggezet’ in DNA. Dit gebeurt door middel van de door het virus gecodeerde reverse transcriptase; een enzym dat RNA omzet in DNA. Dit DNA wordt daarna in het DNA van de gastcel gezet en kan daar korter of langer verblijven voordat het weer getranscribeerd wordt in vele RNA-kopieën.

Het gevonden hybride virus (BSL-RDHV) bestaat uit enkelstrengs DNA en bevat een gen dat codeert voor de capside van een RNA-virus. Er wordt verondersteld dat er ooit infectie geweest is van een enkele gastcel met zowel een DNA-virus, een RNA- virus en een retrovirus. Daarbij is een stukje RNA dat voor het capside van dat virus codeerde omgezet in DNA en in het DNA van een DNA-virus terecht gekomen. Het is hoe dan ook genoeg dat er reverse transcriptases aanwezig waren om dit RNA om te zetten in DNA.

De drie virussen, drie domeinen theorie. Gestippelde lijnen geven RNA cellijnen aan en vette lijnen geven DNA cellijnen aan. FvA, FvB en FvE zijn de grondlegger virussen voor Archaea, Bacteriën en Eukarya resp.

Dit hybride virus is ook interessant binnen de discussie over de RNA / DNA / proteïne-wereld. Lang voordat deze vondst gedaan werd beschreef Patrick Forterre al een scenario over de passage van een RNA-wereld naar een DNA-wereld (zie een voorgaand blog daarover). De RNA-wereld is een hypothetische wereld waarin de eerste replicators RNA moleculen waren. Deze wereld wordt door vele wetenschappers als een onvermijdelijke stap in de evolutie naar leven gezien. Om te verklaren hoe deze wereld vervolgens gebruik ging maken van DNA heeft Forterre een model geschetst waarin de eerste protocellen die gebruik maakten van RNA, geïnfecteerd werden door DNA-virussen. Op deze manier zou LUCA (Last Universal Common Ancestor) geïnfecteerd geraakt zijn met drie DNA-virussen die de grondleggers vormden voor de drie domeinen van het leven, bacteria, archaea en eucarya.

Voor wie nieuwsgierig is naar wat Eugene Koonin en Patrick Forterre er over te zeggen hebben zie ook de reviews onderaan het artikel in Biology Direct.

Uit: BiologyDirect, NatureNews.

Een geothermale of hydrothermale oorsprong van leven

Er bestaat een verschil van mening tussen wetenschappers over waar zich de eerste cellen op Aarde hebben gevormd. De vraag is namelijk of ze zich eerst ontwikkelden in geothermale plassen of in zout water. Deze vraag heeft te maken met het feit dat de eerste cellen waarschijnlijk niet in staat waren hun osmose te regelen. In de huidige organismen zijn daar vrij complexe moleculen voor nodig die Natrium en Kalium in en uit de cel pompen en de eerste cellen moeten zo simpel zijn geweest dat ze nog geen beschikking hadden over deze complexe pompen.

De natrium/kalium pomp. De binnekant van de cel is negatief geladen vergeleken met de buitenkant van de cel.

Alle tegenwoordige een- of meercellige organismen beschikken over pompen die zich in het membraan van de cel bevinden. Deze pompen zijn opgebouwd uit verschillende subuniteiten van eiwitten. Ze pompen Kalium (K+) de cel in, en Natrium (Na+) de cel uit. Eiwitkanalen laten vervolgens sommige ionen passief het membraan door waarbij zich het membraanpotentiaal vormt: de binnenkant van de cel is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van het membraan. Het potentiaal bedraagt -60 tot -80 millivolt. Dit potentiaal staat aan de basis van transport door het membraan van andere ionen of moleculen, maar vormt ook de basis voor het actiepotentiaal in neuronen.

Het zoutgehalte (NaCl) van het milieu waarin cellen zich bevinden is gelijk aan dat van zeewater (9 promille). Ons bloed heeft dus een fysiologische waarde van 0.9 %. Maar de hoeveelheid Natrium in de cel ligt veel lager. Het omgekeerde geldt voor Kalium. Dit verschil wordt in stand gehouden door de ionenpompen.
Al de verschillende pompen (want er zijn er meer), dragen bij aan de osmose van de cel. Dat betekent dat de cel mooi rond blijft en niet ‘verschrompelt’ of uitzet en knapt.

geothermale bron

E.V. Koonin beschrijft onlangs in een artikel dat de membranen van de eerste cellen zeker nog geen ionenpompen bezaten en ze waren waarschijnlijk erg doorlatend. Om te kunnen vaststellen waar de eerste cel geboren werd keek hij naar de inhoud aan ionen in de hedendaagse cel. Om meer precies te zijn keek hij naar de eiwitten die bacteriën produceren en welke organische ionen nodig zijn voor hun functioneren. Het blijkt dat de benodigde ionen overeenkomen met welke te vinden zijn in de stagnerende plassen bij geothermische bronnen. Het gaat dan onder andere om kalium, fosfaat, zink en mangaan en een kleine hoeveelheid natrium, wat volgens hem betekent dat de cellen daar ontstaan zijn.

hydrothermale bron

Nu bestaat er al sinds zo’n 20 jaar het idee dat de eerste cellen ontstonden in of bij Hydrothermal vents, black smokers of hydrothermale bronnen. Deze onderwaterbronnen bevinden zich op grote diepte in de oceaan. Er is geen daglicht en de bacteriën die men daar tegenkomt ademen H2S in plaats van O2. Nu heeft men de interessante hypothese ontwikkeld dat de poriën in de schoorstenen van deze bronnen heel goed mini-compartementjes konden vormen voor de opeenhoping van de eerste moleculen die belangrijk zijn voor het leven (zie ook een voorgaande blog) zoals nucleotiden, waaronder ATP en vervolgens de polymeren daarvan als RNA en DNA. De wanden van deze schoorstenen bevatten ook een gradiënt aan protonen waardoor er energie beschikbaar is voor de vorming van macromoleculen. Kortom, deze compartementjes zouden fungeren als cellen. Pas daarna vormde zich het lipiden-membraan zoals alle levende cellen dat bezitten en konden de eerste cellen zich losmaken van de schoorsteen. Deze hypothese is erg belangrijk en wordt door velen omarmd. Het is mogelijk dat de eerste cellen functioneerden met het zoutgehalte van het zeewater. De ionenpompen fungeren nu als generatoren van het membraanpotentiaal, maar hun primaire functie was wellicht die van osmose. Voor de harde wand van de compartimenten is er geen regulering van de osmose nodig en konden deze ‘vaste’ cellen heel goed leven zonder osmose en ionenpompen.

Het zal vast een nieuwe discussie in gang zetten. Deze is eigenlijk al gestart tussen Koonin, voorstander van de geothermale oorsprong, en Nick Lane, voorstander van een begin in hydrothermale bronnen. Nick Lane beweert dat het verschil in concentraties in en rond de cel nu juist kenmerkend zijn van dynamisme, van leven. Een cel die in evenwicht is met zijn omgeving leeft volgens hem niet.

Uit ScienceNews.org, NatureNews. PNAS (Koonin)

 Met dank aan Rob van der Vlugt