Virus en evolutie

‘… probably all the organic beings which have ever lived on this earth have descended from some one primordial form, into which life was first breathed.’

Charles Darwin1

Darwin baseerde zijn evolutietheorie op een nauwgezette observatie van de zichtbare natuur. Over de bron van het leven kon hij slechts speculeren. Paleontologisch onderzoek geeft steun aan de theorie maar is sterk afhankelijk van de conservering van fossiele bodemschatten. Hiaten zijn onvermijdelijk. In het bijzonder geldt dit voor onderzoek naar die vormen van leven die weinig of geen sporen nalaten, zoals weekdieren en ééncelligen zonder skelet.

In de jaren zestig van de vorige eeuw werd ontdekt dat biomoleculen evolueren en er derhalve sprake moet zijn van een moleculaire evolutie.2 De ware explosie aan sequentiedata van de afgelopen decennia van eiwitten, RNA en complete genomen, heeft dit beeld bevestigd. De sequentiedata werpen nieuw licht op de stamboom van de cel, de basisvorm van leven op aarde (figuur 1).3,4

Uit de beschikbare sequenties valt onder meer af te leiden dat sommige cellulaire mechanismen, zoals dat van DNA-replicatie, meer dan eens binnen de evolutie tot ontwikkeling zijn gekomen: zo wordt DNA-replicatie in bacteriën door wezenlijk andere enzymen verzorgd dan in eukaryote cellen. Dit impliceert dat DNA als drager van erfelijkheid pas na de afsplitsing tot ontwikkeling kwam. Voor andere mechanismen, zoals dat van eiwit-translatie, geldt dit niet. Translatie-eiwitten zijn min of meer geconserveerd binnen de 3 centrale orden (Bacteria, Archaea, Eukarya) en zijn vermoedelijk afkomstig van eenzelfde stam: de laatste gemeenschappelijke oercel (zie figuur 1). Dit impliceert enerzijds dat er een gemeenschappelijke oercel geweest moet zijn, maar dat de ontwikkeling van bepaalde levensvormen na de afsplitsing niet heeft stilgestaan. Anderzijds impliceert dit dat in de gemeenschappelijke oercel een alternatief erfelijk systeem bestaan moet hebben, dat gebaseerd was op RNA en dat op den duur is vervangen door DNA. Over de oercel is echter weinig tot niets bekend.

Horizontale overdracht van genetisch materiaal

Overerving via de verticale lijn (erfelijkheid) is een wezenlijk principe dat zorg draagt voor conservering van biologische functies. Mutatie, genduplicatie en -deletie kunnen daarbij leiden tot verfijning en complexering van biologische functies. Uiteindelijk leidt dit tot verdere specialisatie van de cel. Dit proces van voortgaande specialisatie is geleidelijk en levert daardoor een zogenaamde biologische klok op waarbij de oorsprong van een molecule min of meer uit de sequentie afleidbaar is. Zo is het ribosomaal RNA binnen de 3 orden geconserveerd. Hetzelfde geldt voor de familie van ‘toll like receptors’ (TLR’s) binnen eukaryote levensvormen. Deze receptoren zijn ook geconserveerd, maar kunnen uiteenlopende functies vervullen, variërend van embryogenese tot afweer. Men spreekt van parallelle evolutie.

Het wijd verbreid voorkomen van parallelle evolutie is voor tweeërlei uitleg vatbaar: (a) de betrokken cellen of organismen hebben een gemeenschappelijke bron: de gepostuleerde oercel, of (b) er vindt naast verticale overerving ook horizontale overdracht van genen plaats tussen verschillende levensvormen: ‘horizontal gene transfer’. Voor het bestaan van beide mechanismen zijn sterke aanwijzingen.

Transities

Evolutie door middel van mutaties is een geleidelijk proces waarbij weinig-succesvolle mutaties door selectie worden geëlimineerd. Binnen de celbiologie wordt echter een sprongsgewijze ontwikkeling waargenomen, die niet of slechts ten dele verklaard kan worden door mutatie. Deze zogenaamde transities maken aannemelijk dat overdracht heeft plaatsgevonden van functionele genen afkomstig van niet-verwante organismen. Een bekend voorbeeld is de transitie veroorzaakt door endosymbiose van bacteriën en eukaryote cellen, waardoor in de eukaryote cellen bacterieachtige, gespecialiseerde celorganellen ontstaan zijn, zoals mitochondriën voor ademhaling en de chloroplast voor fotosynthese.

Van een aantal transities was tot voor kort volstrekt onduidelijk hoe deze herleid konden worden naar reeds bestaande moleculaire structuren binnen de celbiologie. Deze constatering heeft de evolutiebiologen lange tijd hoofdbrekers gekost en vormde de brandstof voor het idee van ‘intelligent design’. Met de stormachtige groei aan sequentiedata is hierin verandering gekomen. Aan virussen – die niet tot de 3 centrale orden behoren – wordt inmiddels een centrale rol bij deze transities toebedacht.

Virussen zijn lang beschouwd als ontspoorde cellulaire elementen met een parasitaire voortplanting, immers: zonder cel geen virus. De recente informatie over genoom- en eiwitsequenties schept echter een geheel ander beeld: virussen bevatten sequenties die nergens anders in de biosfeer worden aangetroffen, wat moeilijk te verenigen is met het idee van een cellulaire oorsprong van virussen.

Een virale wereld

Uit de microbiologische exploratie van de wereldzeeën is gebleken dat deze 10⁷ virussen/ml bevatten, dat wil zeggen in totaal circa 10³¹ virusdeeltjes.5,6 Met deze ontdekking vormen virussen het talrijkste en in termen van biomassa (organisch gebonden koolstof) ook het op één na omvangrijkste onderdeel van de biosfeer, direct volgend op de biomassa van de prokaryoten (Bacteria en Archaea). Virussen worden weliswaar niet als levende organismen beschouwd, maar vormen wel een wezenlijk onderdeel van de biosfeer.

Het omvangrijkst in aantal en diversiteit zijn de RNA-virussen, die door hun ‘slordig’ replicatiemechanisme bovendien de grootste genetische diversiteit tonen.6 Tezamen vormen alle virussen veruit het grootste reservoir van genetische diversiteit op aarde.

Uit onderzoek in de oceaan is gebleken dat virussen vooral succesvol zijn wanneer een bepaald organisme binnen een ecosysteem de overhand krijgt: wat virussen doen is ‘killing the winner’.5 Zo spelen virussen een cruciale rol in de handhaving van een ecologisch evenwicht. Virussen veroorzaken echter meer: zij vormen een belangrijke, misschien wel de belangrijkste schakel in transities binnen de evolutie van de cel.

Virussen en evolutie

Belangrijke transities binnen de cel waarbij virussen direct waren betrokken, zijn de ontwikkeling en introductie van DNA als drager van erfelijke informatie, inclusief de DNA-replicerende enzymen DNA-polymerase, primase en helicase.7,8 Hiernaast worden virussen verantwoordelijk gehouden voor het ontstaan van de celkern van de eukaryote cel.7 Archetypevormen van erfelijkheid op basis van RNA zijn vervangen door een complete DNA-machinerie. Een tussenvorm met de geleidelijke ontwikkeling van DNA-replicerende enzymen vanuit het RNA-replicatiemechanisme van een oercel lijkt op basis van het grote verschil in sequenties uitgesloten.8 Een aannemelijker verklaring is dat deze machinerie in de cel is geïntroduceerd door horizontale genoverdracht vanuit andere, dan de op dat moment bestaande cellulaire levensvormen, namelijk vanuit virussen. Dit impliceert dat zich binnen de wereld van RNA-virussen wél een transitie naar DNA-replicatie heeft kunnen voltrekken en daar bestaan goede aanwijzingen voor.7,8

Door de macht van hun aantal, hun compacte genoom, gecombineerd met het ‘slordig’ replicatiemechanisme van RNA-virussen, kunnen virussen veel sneller evolueren dan complexe celsystemen. Virussen hebben een op zichzelf staande evolutie, die aan de geïnfecteerde cel geheel nieuwe mogelijkheden kan bieden, mits de cel in leven blijft. Dat nieuwe cellulaire eigenschappen soms direct van virussen afkomstig zijn, is aannemelijk geworden uit sequentiegegevens van virussen zelf.8 Virussen zijn verder bij uitstek toegerust om hun genetisch materiaal op cellen over te dragen (horizontale genoverdracht).

Virussequenties in het humaan genoom

Het humaan-genoomproject leverde aanvankelijk een teleurstelling op: circa 90% van het genoom bleek niet te coderen voor functionele genen: men sprak van ‘junk-DNA’. Het beschikbaar komen van virale sequenties leverde echter een verrassend resultaat op: bijna de helft van het junk-DNA is te herleiden tot sequenties van retro-elementen: retrovirussen en daarvan afgeleide retrotransposons.9 Aan retrovirussen wordt een plastische rol toegedacht bij de vorming van het cellulair genoom: het genoom van retrovirussen kan op uiteenlopende plaatsen in dat van de gastheer integreren en vervolgens overspringen (transpositie) naar een andere plek in het genoom, waarbij de genvolgorde zal veranderen. Hiernaast wordt aan retrovirussen een directe rol toegedacht bij genregulatie.9 Door hun integratie in het genoom kan zo ook de functie van genen veranderen en parallelle evolutie ontstaan.

Endogene retrovirussen In de kiembaan aanwezige retrovirussen worden endogene retrovirussen genoemd. Ze kunnen soms nog actief en functioneel zijn (zie verder). Endogene retrovirussen kunnen beschouwd worden als reminiscenties van horizontale genoverdracht. Bestudeert men de genetische evolutie van apen en primaten, dan blijkt de afgrenzing van nieuwe soorten gepaard te zijn gegaan met innesteling van nieuwe retrovirussen in het genoom.10 Daarnaast blijkt dat door de activiteit van endogene ‘reverse’-transcriptasen (wellicht afkomstig van endogene retrovirussen) het RNA van andere RNA-virussen omgezet wordt in DNA dat wordt geïntegreerd in het genoom van de gastheer.11,12 Dergelijke omzettingen vinden ook plaats in de kiembaan en slaan een brug tussen de werelden van RNA en DNA, maar ook tussen horizontale en verticale overerving.12 Dit van virussen afkomstig DNA kan initieel als junk-DNA overerven, maar door het eerder genoemde proces van transpositie en recombinatie uiteindelijk op een plek in het genoom belanden waar het in combinatie met andere genen tot nieuwe genproducten kan leiden die de gastheer evolutionair voordeel bieden. Voorbeelden van betrekkelijk recente datum (10-45 miljoen jaar geleden) zijn de ontwikkeling van specifieke immuniteit en van de placenta. De voor het immuunsysteem zo belangrijke enzymen RAG1 en RAG2 (recombinasen) zijn afgeleid van het enzym integrase van retrovirussen dat in een vroeger stadium van de evolutie is ontstaan en kennelijk de bron vormde voor de RAG’s.13

Een tweede voorbeeld vormt de ontwikkeling van de placenta. Moeders en hun nakomelingen zijn genetisch verschillend en een immunologische barrière moet afstoting voorkómen, iets dat in een ei is opgelost door vorming van een inerte eierschaal. Tijdens de placentatie komt een genproduct van een humaan endogeen retrovirus tot expressie waaraan een actieve rol wordt toebedacht bij het voorkómen van afstoting van de vrucht.14

Conclusie

Een sluitende verklaring voor het ontstaan van leven op aarde is ver weg en waarschijnlijk niet realiseerbaar. De moleculaire biologie levert echter nieuwe inzichten die het mogelijk maken om ver in de tijd terug te gaan en de bron van het leven te naderen. De 3 orden van het leven (Bacteria, Archaea, Eukarya) tonen overeenkomsten die een gemeenschappelijke oercel veronderstellen met verticale overdracht van erfelijke eigenschappen. Daarnaast zijn er onoverbrugbare verschillen die niet zonder het postuleren van aanvullende bronnen en horizontale genoverdracht verklaarbaar zijn. Het is zeer aannemelijk en gedeeltelijk vaststaand dat virussen hierbij een cruciale rol hebben gespeeld door genoverdracht en ook door het bewerkstelligen van transities binnen de celbiologie. Dit veronderstelt een op zichzelf staande evolutie van virussen, die ook blijkt uit het bestaan van moleculen en structuren die uniek zijn voor virussen, zoals virale capsiden (figuur 2). De icosaëderstructuur die in de figuur wordt weergegeven, wordt bij tal van virussen aangetroffen, maar niet elders binnen de biosfeer. Het is dan ook moeilijk voorstelbaar dat de icosaëder oorspronkelijk een cellulair product was dat door virussen is aangewend voor eigen gebruik.

De afweer tegen virussen die universeel in de biosfeer wordt aangetroffen, zal de horizontale genoverdracht hebben afgeremd waardoor meer ruimte is ontstaan voor een op specificiteit van de cel gerichte verticale evolutie. Horizontale en verticale genoverdracht lijken daarmee een verschillend effect te ressorteren en elkaar af te wisselen.6

Keren we terug naar Darwin, dan valt in de eerste plaats op dat de virussen niet zijn weggeselecteerd en dus binnen de evolutie bestaansrecht hebben. In de tweede plaats blijkt dat het succes van virussen niet louter op fitheid en virulentie kan berusten, zoals ‘survival of the fittest’ wel eens doet veronderstellen. Veel vaker berust het succes van de virus-gastheerrelatie op een subtiele co-habitatie met de cel, die uiteindelijk het substraat vormt voor virusgroei. In dit perspectief zijn niet de letale, maar juist de milde en chronische infecties succesvol, mits deze de functie van de geïnfecteerde cel niet te zeer belemmeren en kansen bieden voor integratie van viraal erfelijk materiaal in het gastheergenoom. Virussen vormen zo dominante spelers binnen de evolutie en zijn, op macroniveau beschouwd, niet slechts een vijand van hun gastheer.