Een trade-off is gebaseerd op de beschikbaarheid van een bepaalde hoeveelheid energie. Wordt er veel energie gestoken in een parameter van het bestudeerde systeem dan kan er vanzelf niet al teveel overblijven voor een andere parameter. De term wordt veel gebruikt in economie. In een evolutionaire trade-off is er een balans tussen twee tegenstrijdige selectie-drukken. Een voorbeeld van evolutionaire trade-off is de eendagsvlieg, die in zijn volwassen reproductieve vorm geen functionerende darm heeft en maar één dag leeft. Dit komt doordat de energiebron voor onnodige voedingsapparatuur naar organen voor vliegen en voortplanting gegaan zijn. (Een voorbeeld van Richard Dawkins).
In deze blogpost wordt de mogelijke trade-off van virussen met hun host belicht. Een virus is niet meer dan een relatief korte RNA- of DNA-molecuul verpakt in een omhulsel. Laten we daarom eerst eens bekijken wat deze moleculen zijn en waartoe ze in staat zijn.
De primordiale wereld en de rol van RNA
Sommige wetenschappers veronderstellen dat pre-biologische moleculen chemische reactie-cyclussen ondergingen die zich onafhankelijk konden voltrekken. Er zouden verschillende chemische cyclussen plaatsgevonden kunnen hebben op de vroege Aarde zo rond 3,8 miljard jaar geleden. Als ze dezelfde bouwstenen gebruikt zouden hebben om hun cyclussen te voltrekken, dan moeten ze met elkaar gewedijverd hebben. De meest efficiënte cyclus zou de minder efficiënte cyclussen overvleugeld hebben. Ook bij de eerste zelf-replicerende moleculen was er dus sprake van selectie. Deze chemische evolutie ging vooraf aan de biologische evolutie.
Er is lang gedacht over welke moleculen de eerste en belangrijkste waren in deze primordiale cyclussen. Waren het DNA, RNA of proteïnen? In levende cellen is het het DNA dat de code voor proteïnen draagt die via het mRNA wordt afgelezen. In de jaren ’80 ontdekte Thomas Cech daarentegen dat RNA een soort moleculair hybride is en inderdaad ook code draagt voor proteïnen maar ook enzymatische activiteit heeft en andere moleculen kan veranderen. Maar wat vooral van belang was voor de theorie van de primordiale wereld, was dat RNA ook een loop kon maken en zijn eigen code kon bewerken zonder hulp van enzymen. De bioloog Gerald Joyce nam het RNA van Cech en liet het los op DNA. Hij kreeg natuurlijk vrijwel geen reactie, maar hij liet het evolueren (nam steeds de fractie RNA moleculen die het efficiëntste waren in het splitsen van DNA) en kreeg uiteindelijk, na twee jaar, RNA moleculen die net zo goed DNA konden splitsen als hun eigen RNA. Het bleek later dat RNA veel reacties kan voltooien en aminozuren kan binden en wordt daarom als de hoofdrolspeler gezien van de primordiale wereld ofwel de “RNA-wereld”. Het RNA kon zowel de rol van DNA als de rol van eiwitten vervullen. Met de daadwerkelijk opkomst van door RNA gecodeerde enzymen kon hetzelfde RNA nog vlugger gekopieerd worden en daarmee zijn efficiëntie verhogen. Ook het dubbelstrengs DNA zou door toevoeging en kleine veranderingen uit het enkelstrengs RNA ontstaan kunnen zijn. Het DNA is veel stabieler en heeft de functie van informatieopslag van onder andere onze genen.
Een virus is een streng RNA of een DNA-molecuul dat door een membraan of envelop omhuld is. Om zich te kunnen reproduceren is een virus totaal afhankelijk van zijn gastheer. Dat kan een bacterie, eencellige of meercellige eukaryoot zijn. Reproductie is een van de kenmerken van ‘leven’. Er zijn nog vele andere kenmerken, die ik hier niet wil noemen, om het eenvoudig te houden. Virussen worden beschouwd als niet-cellulair leven. Ze bezitten immers genen, maar voor hun metabolisme zijn ze geheel afhankelijk van een gastheer. Nadat ze gebruik gemaakt hebben van de replicatie machine van de gastheercel, assembleren ze vanzelf. Deze eigenschap versterkt het vermoeden dat ze als zelf-assemblerende organische moleculen aan de wieg hebben gestaan van het eerste leven.
Trade-off in virussen
Er bestaat de hypothese van een trade-off voor virussen. Daarbij gaat een toename in virulentie ten koste van besmettingskans en andersom. Er ontstaat een balans, een trade-off van twee tegenstrijdige selectiedrukken: één die de pathogeen aanzet om meer te groeien en zodoende de gastheer meer uit te buiten, en één die ervoor zorgt dat de gastheer lang genoeg kan overleven om soortgenoten te besmetten. Wanneer als gevolg van een genetische mutatie een virus virulenter wordt en zijn gastheer zo ziek maakt dat hij overlijdt, dan verdwijnt het virus met de dood van zijn gastheer. Is het virus afhankelijk van een levende gastheer die rondloopt om zoveel mogelijk mensen te besmetten, dan moet het virus niet dodelijk zijn. Het griepvirus maakt de gastheer licht ziek omdat zijn levenscyclus afhangt van het niezen van zijn gastheer op een volgende gastheer. Voor een aantal virus-gastheer systemen is de hypothese aangetoond (waaronder HIV bij mensen en myxomatose in konijnen ). Deze systemen vinden een positieve correlatie tussen virulentie en besmetting.
Fig. 1 Trade-off van een virus Elke toename van virulentie (groen) zou moeten worden gecompenseerd door een afname in besmettelijkheid (rood) en andersom. Gaat een van deze twee paramaters buiten de range (stippellijn) van optimale fitness (blauw) dan heeft het virus een lage fitness (ook in blauw), wat kan betekenen dat het virus verdwijnt.
Het is daarentegen ook mogelijk dat het virus vooral wedijvert met andere ziekteverwekkers in de gastheer. In dat geval wordt het lastig om de trade-off hypothese te bestuderen.
Op Twitter kwam ik deze grafiek tegen gepost door @AdamJKucharski, mathematicus en epidemiologist
Adam Kucharski illustreert hier dat wanneer een parameter zoals besmettelijkheid 50% toeneemt dan neemt het aantal doden exponentieel toe. Wanneer uitsluitend de virulentie met 50% toeneemt dan gaat het aantal doden recht evenredig omhoog. Als de besmettelijkheid hoog is, en als de trade-off van toepassing is op dit virus, dan zou de virulentie moeten dalen. Het zou kunnen dat wanneer de besmettelijkheid toeneemt en de virulentie inderdaad vermindert het virus minder doden veroorzaakt. Om te weten of er in het geval van Covid19 een trade-off systeem is tussen SARS-Cov-2 en de mens, moet er bijgehouden worden hoeveel mensen er sterven ten opzichte van het aantal positieven. Gegevens zoals het aantal mensen dat sterft, dat wordt opgenomen in het ziekenhuis of dat in de loop van de tijd positief test op het virus, worden gebruikt om in te schatten hoe gemakkelijk het virus zich verspreidt. Deze gegevens bepalen de R-waarde. Als de R-waarde hoger is dan één, neemt het aantal gevallen exponentieel toe, maar als het R-nummer lager is, zal de ziekte zich uiteindelijk niet meer verspreiden, omdat er niet genoeg nieuwe mensen worden geïnfecteerd om de uitbraak in stand te houden.
Gezien vanuit het virus is de trade-off een prima deal, het reproduceert zich net zo goed en behoudt dus zijn fitness zowel met hoge besmettingskans en lage virulentie als met het omgekeerde. Natuurlijke selectie bepaalt hoe deze waarden liggen. De interactie virus-gastheer is afhankelijk van vele factoren die mij onbekend zijn, maar die zeker te maken hebben met waarden aan de kant van de gastheer zoals bevolkingsdichtheid, immuniteit van de mensen, seizoen, bewegingsvrijheid van de mensen en waarden aan de kant van het virus zoals de besmettelijkheid en virulentie.
Het is te hopen dat er voor SARS-Cov-2 en de mens ook een trade-off bestaat en dat we deze kunnen doorbreken door de besmettelijkheid zodanig te verlagen dat deze een extreem lage fitness oplevert. Dat gebeurt wanneer we immuun oftewel gevaccineerd zullen zijn.
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.
Elk levend organisme is tegelijkertijd een fossiel. Het draagt tot in de microscopische structuur van zijn proteïnen, de sporen, zoniet de stigma’s van zijn voorouders. Jacques Monod: Toeval en onvermijdelijkheid
The poetry of Science
Twee uitblinkende wetenschappers van vandaag, Richard Dawkins (evolutiebioloog) en Neil deGrasse Tyson (astrofysicus), praten over de schoonheid van de wetenschap. Dit gesprek werd opgenomen aan de Howard University van Washington DC, 28 september 2010. Deze conversatie is zo ontspannen dat ze zo plaats gehad zou kunnen hebben voor een haardvuur, ook zonder publiek. Over waarom de wetenschap niet alleen een optie is, maar de enige werkelijkheid is die we bezitten. Het filmpje duurt ongeveer een uur, daarna zijn er vragen van het publiek.
RT @aeonmag: The French American pianist and recent Sophia Club New York artist @tepferdan finds an intersection between music and computer… 2 weeks ago
Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.
Op zoek naar de klepel 
Laatste reacties