In plaats van de hypothese (1) waarbij het virus op de markt van Wuhan oversprong van dier naar mens, de zogenaamde ‘spillover’, lijkt nu de hypothese (2) waarbij het virus uit het laboratorium ‘ontsnapt’ zou zijn het meest waarschijnlijk volgens de FBI.
Deze laatste hypothese kan nog ontleed worden in:
2a. een scenario waarbij een mens door een dier in het laboratorium besmet raakte (ook een spillover dus) of 2b. een scenario waarbij een mens door een virus, dat met de techniek van gain-of-function gemanipuleerd was, besmet raakte.
Analyse van het virus laat zien dat er, in tegenstelling tot andere natuurlijke virussen, een Furin Cleavage Site in zit die er uitsluitend in het lab aan toegevoegd zou kunnen zijn. Dit is voor velen een argument om aan te nemen dat SARS2 een virus is dat in het laboratorium tot stand kwam.
Compilatie van SARS-CoV-2-spikemutaties die voorkomen bij mensen en dieren. Rode bollen: Verenigd Koninkrijk (VK) variant, Blauwe bollen: Zuid-Afrikaanse (ZA) variant, Magenta: zowel UK/ZA varianten, Gele bollen: dieren zoals aangegeven in de inzet. NTD: Amino-terminaal domein. RBD: Receptor Bindend domein. Zichtbaar is ook de Furin Cleavage Site. Uit: R.F. Garry, Mutations arising in SARS-CoV-2 spike on sustained human-to-human transmission and human-to-animal passage Januari 2021. Virological.org
Gain-of-function is een manier om bestaande virussen nieuwe mutaties te laten ondergaan. Deze gemuteerde virussen zouden de mens ziek kunnen maken. Dit kan zowel dienen voor het bestuderen en voorspellen van het mutatie-gedrag van een virus als voor het vervaardigen van vaccins. Voor virologen is dit een tamelijk gebruikelijke manier om virussen te manipuleren en het is niet moeilijk in te zien dat als hier iets fout gaat dat er pandemieën uit kunnen voortkomen. De veiligheidsmaatregelen moeten daarom heel streng gerespecteerd worden en dat worden ze over het algemeen waarschijnlijk ook wel, hoewel er ook in Nederland wel eens ongelukken gebeuren.
Er kan ontzettend veel gezegd worden over de waarschijnlijkheid van de ene of de andere hypothese, of over de drie verschillende manieren (1, 2a, 2b) waarop de evenementen tot de besmetting geleid hebben. Het is zeker dat er in Wuhan besmette mensen rondgelopen hebben die of direct, besmet en wel, uit het laboratorium gestapt zijn, of zoals de gangbare hypothese wilde, op de markt van Wuhan besmet zijn geraakt.
Laten we als voorbeeld een onderzoeker volgen van het WCDC (Wuhan Center for Disease Control and Prevention). Jun-Hua Tian deed in 2013 en daarvoor onderzoek op een Hantavirus dat ook bij vleermuizen voorkomt en waar bij besmetting zich heftige symptomen voordoen bij de mens. Dit is geen coronavirus, maar hij ging er waarschijnlijk wel grotten voor in, ook al lijkt het erop dat voor deze studie de vleermuizen gevangen zijn in verschillende steden. Een film op YouTube, een documentaire over zijn veldonderzoek, waarbij verschillende wilde dieren als vleermuizen en teken in grotten gevangen worden, laat zien onder wat voor bijzondere, maar gevaarlijke omstandigheden hij werkte en we horen hem vertellen hoe bang hij soms was besmet te raken.
Nu weten we niet of deze onderzoeker de techniek van ‘gain-of-function’ toepaste. Waarschijnlijk niet, want dat zou uitsluitend in het WIV (Wuhan Institute of Virology) gedaan zijn. Dit neemt echter niet weg dat het onderzoek van Jun-Hua Tian, ook al gaat het ‘slechts’ om het vangen en ontleden van vleermuizen, extreem riskant is en heus niet alleen voor hemzelf, maar ook voor zijn omgeving.
Zowel Amerika als Europa betaalden mee aan het ‘gain-of-function’ onderzoek aan het WIV in Wuhan. Er kunnen dus eigenlijk geen beschuldigingen over en weer plaatsvinden. Het onderzoek naar de oorsprong van het virus mag echter niet belemmerd worden.
Een belangrijke factor in evolutie is de mutatiesnelheid. Deze wordt bepaald door hoeveel fouten er optreden tijdens de reproductie van een cel of organisme, tijdens de replicatie van zijn DNA. Hoe betrouwbaarder de polymerase die het DNA kopieert, hoe minder fouten er gemaakt worden. De DNA-polymerase wordt daarbij ook gekenmerkt door proofreading. Zodra het enzym ontdekt een fout gemaakt te hebben, keert het om, knipt de fout eruit, vervangt de foute base door de goede en gaat weer verder. Ondanks de eigenschap van proofreading worden er toch nog fouten gemaakt die in het DNA sluipen. Gaat het om eencelligen dan heeft dit mutatie en evolutie tot gevolg. Bij meercelligen is er sprake van mutatie en evolutie wanneer de fouten in de geslachtscellen ingevoerd worden. Zodra de mutatie deel uitmaakt van het fenotype, d.w.z. zodra de mutatie gefixeerd is, kan er door selectiedruk geselecteerd worden op de nieuwe eigenschappen van het gemuteerde organisme en is er sprake van evolutie. Mutaties die gefixeerd worden vormen de substitutie snelheid ofwel de evolutiesnelheid. Substitutie snelheid wordt vaak gebruikt bij het classificeren van virussen en organismen.
In het geval van virussen is de hoge evolutiesnelheid een gevolg van grote populaties, korte generaties en hoge mutatiesnelheid. Zoals hierboven beschreven is mutatie afhankelijk van het aantal fouten dat gemaakt wordt. RNA virussen hebben een hogere mutatiesnelheid dan DNA virussen; ze maken nu eenmaal meer kopieerfouten. Maar, ook in het geval van RNA replicatie bij virussen kan er sprake zijn van proofreading.
Het SARS-CoV-2 virus heeft, net als andere coronavirussen, een groot genoom. Het bevat zo’n 30.000 basen waarschijnlijk dankzij proofreading. Het heeft een mutatiesnelheid van 1.12 × 10−3 mutations per site per jaar. Dat zou iets meer zijn dan 2 mutaties per maand in het hele genoom.
Fig. 1 SARS-CoV-2-mutatiefrequentie in verschillende geografische gebieden. Acht nieuwe terugkerende hotspots-mutaties (namelijk 1397, 2891, 14408, 17746,17857, 18060, 23403 en 28881) en 5 reeds in de literatuur gerapporteerde hotspots (namelijk 3036, 8782, 11083, 28144 en 26143) werden onderverdeeld in 4 geografische gebieden: Azië (n = 71), Oceanië (n = 15), Europa (n = 101), Noord-Amerika (n = 33). De grafiek toont de cumulatieve mutatiefrequentie van alle gegeven mutaties die in elk geografisch gebied aanwezig zijn. Mutatie locaties in virale genen worden in de legende vermeld, evenals de eiwitten (d.w.z. niet-structureel eiwit, nsp) die deze mutaties presenteren. De figuur laat zien dat genomen van Europese en Noord-Amerikaanse patiënten een toename in mutatiefrequentie vertonen in vergelijking met Azië. Europa en Noord-Amerika vertonen een verschillend patroon van mutaties vertonen: mutatie 14408 (rood), 23403 (zwart), 28881 (elektrisch blauw) en 26143 (licht groen) zijn voornamelijk aanwezig in Europa, terwijl 18060 (roze), 17857 (paars) en 17746 (lichtblauw) voornamelijk aanwezig zijn in Noord-Amerika (Pacchetti et al. 2020)
Zoals door Gert Korthof beschreven in zijn post op Evolutie blog (Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?), kan er in een immuun verzwakte patiënt een nieuwe variant ontstaan. We hebben daar de mogelijkheid bediscussieerd dat een virus, wanneer het vrij spel heeft, kan muteren en diversifiëren zoveel het wil. Een hoge mutatiesnelheid door kopieerfouten is een risico voor een virus want, zoals besproken in voorgaande post op dit blog, bestaat er een trade off: maakt het virus te veel fouten dan kan het vlug muteren en zich snel aanpassen aan nieuwe omstandigheden, maar het riskeert ook door een catastrofe aan fouten virulentie te verliezen of zelfs te verdwijnen en uit te sterven. Over het algemeen zijn mutaties in virussen schadelijk en het gemuteerde virus sterft uit. Dan zijn er de neutrale mutaties en vervolgens slechts enkele die gunstig zijn. Een virus dat een immuun verzwakte patiënt infecteert kan vrij muteren en is daarbij vrijwel onafhankelijk van hoe besmettelijk het moet zijn om over te kunnen springen op een andere gastheer. Het blijft immers in de patiënt. Uiteindelijk zal er een virus vrijkomen dat besmettelijker kan zijn dan het originele virus waarmee de patiënt geïnfecteerd raakte.
Een interessant gegeven wordt beschreven door het artikel van P. Simmonds et al. 2019. Endogene virale elementen (EVE’s) in het genoom van zoogdieren, vogels en andere eukaryoten laten zien dat virussen vergelijkbaar zijn met hedendaagse virussoorten die al tientallen miljoenen jaren geleden bestonden. Een voorbeeld: het HBV (virus dat hepatitis B veroorzaakt) werd gevonden in het genoom van mensen die 2500-3000 jaar geleden in Europa en Centraal-Azië leefden. Deze antieke virussen kwamen duidelijk overeen (‘matched’) met de HBV virussen van vandaag en verschilden slechts voor 1,3 – 3% van de moderne HBV virussen. De substitutie snelheid van de antieke HBV virussen ligt ongeveer 100x lager (8.04 × 10−6 SSY – Substitutions per Site per Year – tot 1.51 × 10−5 SSY in de antieke virussen tegen 7.72 × 10−4 SSY in de huidige virussen).
Dergelijke studies wijzen uit dat virussen van lang geleden een lage substitutie snelheid bezitten, terwijl virussen uit recentere perioden of hedendaagse virussen veel hogere substitutie snelheden vertonen. Wanneer virale evolutie wordt gemeten over korte tijdschalen, worden typisch snelle opeenvolgingen van verandering waargenomen. Echter, over langere tijdschalen, zijn de evolutionaire snelheden van virussen verschillende orden van grootte langzamer en naderen die van hun gastheren. Over de langste tijdschalen (100 miljoen tot 1 miljard jaar) waren substitutie snelheden voor DNA- en RNA-virussen van welke soort ook, bijzonder vergelijkbaar namelijk snelheden van 1–5 × 10−9 SSY; deze waarden komen op hun beurt nauw overeen met de gemiddelde substitutie snelheden van 2,2 × 10−9 SSY bij het genoom van zoogdieren. Er bestaat tot nog toe geen duidelijke verklaring van dit fenomeen. Misschien is de meest algemeen aanvaarde verklaring wel dat snelheidsmetingen op korte termijn processen op populatieniveau vastleggen, inclusief schadelijke transitorische mutaties en gunstige maar transitorische shortsighted aanpassingen voor hun huidige host die dus geen lange termijn kennen. De substitutie-snelheden op lange termijn daarentegen geven beter de werkelijke fixatiesnelheid van mutaties over macro-evolutionaire tijdschalen weer.
Fig. 2 Benaderingen om de evolutie van het RNA-virus te bestuderen. Het Venn-diagram illustreert de twee historische, en grotendeels parallelle, onderzoeksgebieden in virus evolutie – de experimentele en de vergelijkende – die aan het eind van de jaren zeventig ontstonden. Ze overlappen elkaar in het algemeen alleen bij de studie van een beperkt aantal virusoverdracht gebeurtenissen tussen de verschillende hosts, waarbij vaak sprake is van een aanzienlijk knelpunt (bottleneck) in de populatie. Door het gebruik van in vitro of in vivo modelsystemen, richten experimentele studies zich grotendeels op de evolutie op korte termijn, met name die welke plaatsvindt binnen individuele gastheren. Daarentegen behandelen vergelijkende benaderingen interhost, epidemiologische schaal dynamiek die meerdere ronden van interhost transmissie met zich meebrengt en zijn meestal gebaseerd op fylogenetische analyses. De auteurs van het artikel waar deze illustratie uitkomt (Geoghegan et al. 2018) suggereren dat een nieuwe evolutionaire genetica-benadering nodig is om deze kloof te overbruggen.
Deze laatste verklaring doet denken aan de intra-host besmettingen met SARS-CoV-2 van patiënten met een verzwakt immuunsysteem, zoals beschreven door Gert Korthof. Deze besmettingen zouden veel mutaties voortbrengen (veel varianten) die vergelijkbaar zijn met de korte termijn metingen hierboven beschreven. Kijkt men op langere termijn – naar de besmettingen tussen verschillende gastheren – dan is de mutatiesnelheid veel lager. Op de lange termijn worden immers mutaties vastgelegd die het virus een ‘goede’ besmettingsgraad verschaft. Dat laatste is gedurende intra-host reproductie niet nodig, het virus muteert immers in het wilde weg. Inter-host reproductie is daarentegen afhankelijk van een (sterke) besmettingsgraad – de juiste mutaties daarvoor worden geselecteerd door een bottleneck en gefixeerd (zie fig.2).
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.
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?
Na in het voorgaand blog de evolutie van geslachtsverschillen in Volvox bekeken te hebben, botste ik in Wikipedia tegen een verwijzing naar artikelen van Philip John Livingstone Bell aan. Zijn werk is puur theoretisch en behandelt de oorsprong van de eukaryotische cel, van mitose, meiose en dus het ontstaan van seks. Eukaryoten zijn alle cellen en organismen die wij gewoonlijk waarnemen, ze hebben een celkern. Prokaryoten zijn voornamelijk bacteriën. Virussen vormen een apart hoofdstuk, maar lijken een enorm belangrijke zo niet fundamentele rol te hebben gespeeld in het ontstaan van de eukaryotische cel zoals Bell in zijn theorie laat zien.
Een blog biedt eigenlijk niet genoeg ruimte voor een uitgebreide verhandeling van mitose en meiose. Kort gezegd is mitose de celdeling in de eukaryotische cel waarbij de lineaire chromosomen (DNA) eerst verdubbeld en vervolgens eerlijk verdeeld worden over de dochtercellen. De meiose daarentegen bestaat uit twee delingen: een die de chromosomen verdubbelt (waarna er het essentiële fenomeen van crossing –over plaatsvindt waarbij de genen van vaders en moeders kant uitgewisseld worden), en een tweede die zonder verdubbeling van de chromosomen plaatsheeft, waardoor er een zogenaamd gehalveerd genoom ontstaan ofwel haploïde cellen, de geslachtscellen.
Mitose van geïnfecteerde cellen en ‘binary fission’ van niet geïnfecteerde cellen.
Dit ingewikkelde maar vrijwel universele mechanisme (althans voor wat betreft de eukaryoten) is volgens Bell ontstaan uit drie organismen: een virus, een Archaea (een soort oerbacteriën zonder dubbel membraan) en bacteriën. De Archaea, of de voorloper ervan, bood het cytoplasma dat het virus kon infecteren en waar het zijn genetisch materiaal kon deponeren en repliceren met behulp van eigen polymerasen en/of reverse transcriptase en ribosomen of met die van de gastheer. Een bacterie, waarschijnlijk de alfa-proteobacterie, vormde de eerste mitochondriën.
De theorie van Bell stelt dat het virus met zijn RNA of DNA de gastcel infecteerde, waarna het lineaire chromosoom (met centromeer) van dit virus repliceerde en, zodra deze cel fuseerde met een niet geïnfecteerde cel, zich deelde zodat de twee chromosomen zich over de twee dochtercellen verdeelden. Door meerdere infecties met verschillende maar verwante virussen zou het aantal chromosomen toegenomen zijn. Deze proto-eukaryotische, of eigenlijk reeds volwaardige eukaryotische cellen konden daardoor licht verschillen in genetische opmaak (we noemen ze + en – cellen met elk n chromosomen). Hun cellen konden fuseren (lees ‘bevruchten’) en zo een cel voortbrengen met 2n chromosomen. Zodra daar wederom twee celdelingen op volgden hebben we opnieuw twee haploïde cellen + en twee haploïde cellen -. Dit is exact hetzelfde als meiose.
Meiose in geïnfecteerde cellen. a en alfa corresponderen met + en – in de tekst
Dit is een pure theorie die zich echter wel baseert op wat men nu nog terugziet in de tegenwoordige wereld tijdens infectie met het pox-virus. De theorie stelt dus niet alleen dat zowel mitose als meiose een ‘uitvinding’ zou zijn die dankzij de virussen heeft kunnen voorvallen, maar ook dat de celkern van oorsprong vrijwel uitsluitend viraal RNA of DNA bevatte. Op het blog van Gert Korthof is er een levendige discussie over of virussen nu wel of niet als levende organismen moeten worden beschouwd. Patrick Forterre, een gevierd viroloog, is daar een voorstander van en gezien hun mogelijke belang in het ontstaan van mitose en meiose, hebben de virussen wel een speciaal ereplaatsje verdiend.
Uit: Sex and the eukaryotic cell cycle is consistent with a viral ancestry for the eukaryotic nucleus. Philip John Livingstone Bell. Journal of Theoretical Biology 243 (2006) 54–63.
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.
Het is eigenlijk een voor de hand liggend gegeven, maar ik las er kort geleden pas over. De honingbij produceert honing met de bedoeling deze vroeg of laat te eten. Maar in de industrie wordt de honing weggehaald en krijgen de bijen er suikerstroop voor in de plaats. Je kunt het eigenlijk wel verwachten dat er bijzondere stoffen in honing zitten die ten goede komen aan de gezondheid van de bij. Maar er is nu pas een wetenschappelijk artikel uitgekomen in PNAS dat laat zien dat honing meerdere stofjes bevat die specifiek detoxificerende genen tot uitdrukking laat komen. Deze stofjes komen ten goede aan de afweer tegen ziekteverwekkers maar ook tegen pesticiden.
Rond het verbod op drie neonicotinoiden, landbouwpesticiden die de bijensterfte zouden veroorzaken, is momenteel veel discussie. Er zouden behalve de neonicotinoiden wel eens veel meer oorzaken kunnen zijn voor de bijensterfte. Er wordt vaker gesproken van de varroamijt, schimmels, parasieten, virussen en verschillende andere mogelijke oorzaken. Het zou ook een samenloop kunnen zijn van al deze en meer factoren, waarbij de pesticiden de zieke bijen de nekslag geven. Dat er zoveel factoren meespelen is al langer bekend. Maar nu blijkt dat door het vervangen van honing door suikerstroop de bijen minder weerstand hebben, zou men wel eens dichter bij een oplossing kunnen komen. Het zou mooi zijn als alleen de overtollige honing weggehaald werd zoals men vroeger deed. Maar dan moet ook de vraag naar honing verminderen. Consumenten zouden daarom eigenlijk geen honing meer moeten kopen. Daar zouden de bijenstichting en andere organisaties wel degelijk voor kunnen vechten.
Een van de auteurs van het artikel in PNAS zei:
“If I were a beekeeper, I would at least try to give them some honey year-round,” Professor Berenbaum said. “Because if you look at the history of Apis mellifera [European honey bees], this species did not evolve with high-fructose corn syrup. It is clear that honey bees are highly adapted to consuming honey as part of their diet,” she said.
Er werd kort geleden in een blogartikel geopperd dat de verminderde weerstand van de bijen ook te wijten zou kunnen zijn aan een virus dat immunodeficientie zou veroorzaken. Er is geen enkele aanwijzing voor dat een dergelijk virus bestaat, maar het zou een hoop kunnen verklaren. Er bestaan wel verschillende bijenvirussen waarvan enkele met CCD te maken zouden kunnen hebben, maar de tests laten zien dat oorzaak en gevolg niet duidelijk zijn in deze gevallen.
Dat er immunodeficientie ten grondslag ligt aan CCD is, zoals het gebrek aan honing als voedsel laat zien, niet nieuw. Daarbij zou het behalve om gebrek aan honing om “stress” gaan. Maar er wordt ook geopperd dat het om besmettingen kan gaan en daarbij om ziekteverwekkers die besmettelijk zijn.
De auteur van het blogartikel Yanega schrijft dat men al langer weet van de bijensterfte die veel verschillende namen kreeg in het verleden. Reeds sinds 1869 was er af en toe sprake van grootschalige bijensterfte. Het bestaan van een HIV maar dan voor bijen, ofwel een BIV, zou veel kunnen verklaren. Yanega stelt in ieder geval voor er naar te zoeken.
CVS of ME treft naar schatting zo’n 17 miljoen mensen wereldwijd. De oorzaak van de ziekte was lang onbekend, maar in 2009 publiceerde Mikovits in Science een mogelijk verband met het XMRV virus, een retrovirus. Dit virus werd aangetroffen in 67% van mensen met CVS en slechts in 3,7% van gezonde mensen. Maar veel collega-wetenschappers vonden deze resultaten niet, en vonden geen verband tussen CVS en XMRV. Sindsdien is er aanhoudende discussie over de waarde van deze publicatie.
het XMretrovirus
Het blijkt nu uit een onderzoek door Pathak en Coffin, dat het virus XMRV eigenlijk een virus is dat recent ontstaan is in kweken van laboratoria. Het virus werd in eerste instantie ontdekt in menselijke prostaatkankercellen. Deze cellen werden in muizen ingebracht om ze daar door te kunnen laten groeien. Ze werden van muis tot muis overgeplant om de cellijn te laten overleven. Door monsters vanaf 1990 te bestuderen, konden de onderzoekers aantonen dat dit virus eerst nog niet bestond. Ze vonden daarentegen wel de voorouders van dit virus. Later kwamen ze ook het nieuwe virus tegen dat ontstaan was uit de recombinatie van twee muizenvirussen.
Na de veelvuldige passages hebben twee muizenvirussen zich samengevoegd tot het nieuwe (menselijke of muizen-) XMRV-virus, dat de prostaatcellen besemette. Daarna nam de prostaatkweek het virus mee naar de volgende muis.
De verschillende cellijnen in het laboratorium, en die ook Mikovits gebruikte kunnen dus besmet geweest zijn met dit virus. In het artikel in Science door Mikovits werden inderdaad cellijnen gebruikt voor de kweek van hun monsters. Dit verklaart natuurlijk nog niet de discrepantie tussen patiënten en gezonde mensen.
Mikovits, die het verband legde tussen CVS en XMRV, is door Science verzocht haar artikel terug te trekken. Maar Mikovits weigert totdat er meer duidelijkheid is. Mikovits werkt voor het WPI (Whittemore Peterson Institute) dat inmiddels een grote business is geworden. Het Instituut ontvangt enorm veel gelden van sponsors en test bovendien de aanwezigheid van het virus bij ME-patiënten. Ze vragen daar 549$ voor en raden positieve patiënten daarna aan medicijnen tegen retrovirussen te gebruiken (zoals die tegen HIV).
Mikovits wordt door haar patiënten aanbeden maar komt in de wetenschappelijke wereld steeds meer alleen te staan.
Sinds de ontdekking van het mimivirus en het mamavirus, twee reuzenvirussen, wordt er opnieuw veel gedebatteerd over het al dan niet rekenen van virussen tot de levende organismen. Patrick Forterre, een microbioloog aan het Instituut Pasteur in Parijs, wijdt er een omvangrijk artikel aan.
Virussen bezitten geen eigen cel en metabolisme waardoor ze cellen moeten infecteren om
Het mamavirus. Hier is de rand van de virusfabriek te zien met bovenin de geproduceerde virusdeeltjes en onderin de virusfabriek.
zich te vermenigvuldigen. Hebben ze de cel eenmaal geïnfecteerd dan kapen ze de hele kopieerfabriek van deze cel om nieuwe kopieën van zichzelf te maken. Dit gebeurt in een duidelijk afgetekende regio van de cel die de virusfabriek genoemd wordt. In 2003 werd het mimivirus ontdekt. Dit enorme virus werd tot dan toe door virusjagers weggezeefd samen met de bacteriën omdat het zo groot is. Dit virus infecteert een amoebe (Entamoeba haemolytica). Het mamavirus, dat nog groter is, werd in 2008 ontdekt en infecteert een andere amoebe (Acanthamoeba polyphaga). Dit mamavirus wordt op zijn beurt geïnfecteerd door een heel klein virusje dat Spoetnik genaamd werd. Spoetnik kaapt de virusfabriek van het mamavirus binnen de geïnfecteerde amoebe. Het mamavirus maakt daardoor foute kopieën van zichzelf en wordt ‘ziek’. Dit is de eerste keer dat er een virofaag ontdekt is. Het feit dat een virus ziek kan worden is voor de onderzoekers een goede reden om virussen tot de levende organismen te rekenen.
mamavirus in een amoebe. De donkere vlek is de virusfabriek. De zwarte stippen zijn de virusdeeltjes.
Patrick Forterre stelt voor het leven in te delen in capside-coderende organismen (virussen ofwel virocellen) en ribosoom-coderende organismen (alle andere organismen ofwel ribocellen). Een virus wordt in zijn afbeeldingen altijd weergegeven als onderdeel van de geïnfecteerde cel. De fase waarin het virus binnen de cel is, zou de levende fase van zijn levenscyclus zijn. Hierbij moet gedacht worden aan levenscyclussen van planten met sporen, waarbij de virions ofwel virusdeeltjes een soort sporen zouden zijn. Er wordt aan virussen een grote rol toebedeeld in de evolutie van het eerste leven (zie ook ‘LUCA en virussen‘). Virussen zouden ontstaan kunnen zijn uit de eerste cellijnen die de ‘struggle for life’ verloren hebben. Slechts een enkele lijn overleefde. De virussen infecteerden ook de afstammelingen van LUCA en liftten zo mee met de eerste winnende cellijnen. Hij legt de nadruk op het feit dat virussen specifieke eiwitten hebben die niet homoloog zijn met eiwitten van (hedendaagse) cellen wat zou kunnen betekenen dat de virussen inderdaad voortkomen uit cellijnen die eerder dan LUCA leefden. Deze specifieke eiwitten zijn onder andere betrokken in het metabolisme van DNA dus virussen zouden aan de oorsprong van het DNA kunnen staan. Er is door andere auteurs ook gesuggereerd dat reuzenvirussen de eerste celkernen vormden.
Het is onmogelijk een boom van leven te maken voor virussen omdat er teveel genen uitgewisseld worden met onder andere plasmiden. Voorlopig blijft de boom van leven zoals we hem nu kennen, maar de wereld van virussen zou gezien kunnen worden als een soort omhulsel van de stam en de vertakkingen.
We zijn gewend te denken aan een boom van leven waarin er bij de stam ‘lage’ organismen voorkomen en bovenaan ‘hogere’ organismen. Zo maken velen nog de fout te beweren dat wij van de aap afstammen, terwijl wij afstammen van een gemeenschappelijke voorouder met de aap. De aap is dus net zo ‘ver’ geëvolueerd als wij mensen. Dit geldt ook voor onze afstamming van de eerste ééncellige. Vaak wordt er gedacht dat alle levende organismen afstammen van een bacterie zoals we die nu kennen. Nu is er een groep Franse wetenschappers die al sinds enige jaren hypothesen formuleert over de wortel van de boom van het leven. Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA; last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.
De hoofddomeinen van het leven bestaan uit prokaryoten (bacteriën en Archaea) en eukaryoten. De prokaryoten (= ‘vóór’ de celkern) hebben (nog) geen nucleus terwijl de eukaryoten (=’echte’ celkern) deze wel bezitten. Eukaryoten vormen alle ééncellige en meercellige organismen waarvan de cel een nucleus bevat, dat wil zeggen alle organismen die geen bacteriën of Archaea zijn. De term prokaryoten is volgens de auteurs gedateerd omdat de term prokaryoten suggereert dat deze laatste organismen vóór de eukaryoten leefden.
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.
Uit artikel van Patrick Forterre (zie onderaan).
De hypothetische LUCA is volgens de auteurs een cel met een nucleus die in plaats van DNA zoals in alle tegenwoordige eukaryoten een kern met RNA bevatte. Deze hypothese is gebaseerd op de theorie van de RNA-wereld. Van deze protoeukaryoten stammen de eukaryoten en de prokaryoten af. De prokaryoten zouden de eigenschap van de celkern verloren hebben terwijl de eucaryoten deze behouden hebben. Het eerste leven wordt voorgesteld als een gemengde gemeenschap van allerlei verschillende protoeucaryoten die met minichromosen van RNA een nog onduidelijke verhouding hadden tussen fenotype en genotype.
Het RNA zou in deze eerste organismen omgezet zijn in DNA door virussen. Virussen, die in de RNA-wereld ook uit RNA bestonden en deze ‘jonge’ cellen infecteerden, vormden DNA omdat dit beter bestand was tegen de verdedigingsmechanismen van de cel. Deze hypothese wordt versterkt doordat vele virussen ook vandaag nog genen voor enzymen bevatten die van belang zijn voor de synthese van precursoren van het DNA. Een dergelijk DNA-virus zou zijn litische vermogen kunnen verliezen en permanent in de cel aanwezig kunnen blijven als lineair of circulair chromosomaal element (plasmiden). Via retrotranscriptie zou het cellulaire RNA deel hebben kunnen gaan uitmaken van het groeiende plasmide. Dit DNA zou stabieler zijn en het zou voor de cel een selectief voordeel betekenen al zijn RNA om te zetten in DNA.
Omdat Eukaryoten, Archaea en bacteriën alle drie verschillende ribosomen hebben wordt er voorgesteld dat ze afstammen van protoeucaryoten die ooit door drie verschillende virussen geïnfecteerd werden. Het gaat hier duidelijk om theorieën die goed kunnen verklaren hoe er drie zulke verschillende domeinen van de boom van het leven konden ontstaan uit één gemeenschappelijke voorouder. Tot nu toe was men daar nog niet in geslaagd.
Uit:
Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: A hypothesis for the origin of cellular domain
The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution and genetic legacy of an elusive forerunner Nicolas Glansdorff,Ying XuandBernard Labedan http://www.biology-direct.com/content/3/1/29#B11
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.
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.
zich te vermenigvuldigen. Hebben ze de cel eenmaal geïnfecteerd dan kapen ze de hele kopieerfabriek van deze cel om nieuwe kopieën van zichzelf te maken. Dit gebeurt in een duidelijk afgetekende regio van de cel die de virusfabriek genoemd wordt. In 2003 werd het mimivirus ontdekt. Dit enorme virus werd tot dan toe door virusjagers weggezeefd samen met de bacteriën omdat het zo groot is. Dit virus infecteert een amoebe (Entamoeba haemolytica). Het mamavirus, dat nog groter is, werd in 2008 ontdekt en infecteert een andere amoebe (Acanthamoeba polyphaga). Dit mamavirus wordt op zijn beurt geïnfecteerd door een heel klein virusje dat Spoetnik genaamd werd. Spoetnik kaapt de virusfabriek van het mamavirus binnen de geïnfecteerde amoebe. Het mamavirus maakt daardoor foute kopieën van zichzelf en wordt ‘ziek’. Dit is de eerste keer dat er een virofaag ontdekt is. Het feit dat een virus ziek kan worden is voor de onderzoekers een goede reden om virussen tot de levende organismen te rekenen.
Op zoek naar de klepel 
Laatste reacties