Wissenschaftler legen Beweise für ein milliardenjähriges Wettrüsten zwischen Viren und ihren Wirten vor

Forscher haben ein neues Evolutionsmodell für den Ursprung eines Königreichs von Viren namens Bamfordvirae vorgeschlagen, das auf ein Milliarden Jahre dauerndes evolutionäres Wettrüsten zwischen zwei Gruppen innerhalb dieses Königreichs und ihren Wirten hindeutet.

Ihre Studie, die heute als Reviewed Preprint in veröffentlicht wurde eLifebietet nach Ansicht der Herausgeber überzeugende Analysen, die unser Verständnis der tiefen Evolutionsgeschichte von Viren, der Wechselwirkung zwischen Viren und den ersten Eukaryoten (Organismen mit Zellen, die einen Zellkern enthalten) und der Diversifizierung viraler Abstammungslinien voranbringen.

Viren im Königreich Bamfordvirae bilden eine der vielfältigsten Gruppen, die lebende Organismen infizieren. Dazu gehören die Nucleocytoplasmic Large DNA-Viren (NCLDVs; die größten bisher charakterisierten Viren), Virophagen (virale Parasiten anderer Viren), Adenoviren (häufige Viren, die Erkältungs- und grippeähnliche Symptome verursachen) sowie Mavericks- und Polinton-ähnliche Viren (beide virusähnliche mobile genetische Elemente, die die Genome ihrer Wirte besiedeln).

Es gibt zwei Haupthypothesen für die Ursprünge dieser Viren: die „nukleare Flucht“- und die „Virophagen-zuerst“-Hypothese. Die Nuclear-Escape-Hypothese besagt, dass ein Maverick-ähnlicher Vorfahr von Wirten stammt (endogen), aus dem Wirtszellkern entkommen ist und Adenoviren und NCLDVs hervorgebracht hat. Im Gegensatz dazu legt die Virophagen-zuerst-Hypothese nahe, dass sich NCLDVs gemeinsam mit frühen Virophagen entwickelt haben. Mavericks entwickelten sich dann aus körpereigenen Virophagen, wobei später Adenoviren aus dem Wirtskern austraten.

„Trotz dieser vorgeschlagenen Szenarien bleibt die Diversifizierung der Viren im Bamfordvirae-Königreich eine große offene Frage in der Virusevolution. Um ein besseres Verständnis ihrer Geschichte zu erlangen, wollten wir die Vorhersagen sowohl des nuklearen Flucht- als auch des Virophagen-zuerst-Modells testen , und erwägen Sie alternative Szenarien bezüglich des Ursprungs verschiedener Abstammungslinien“, sagt José Gabriel Niño Barreat, Postdoctoral Research Assistant an der University of Oxford, UK.

Barreat ist neben Aris Katzourakis, Professor für Evolution und Genomik am Fachbereich Biologie der Universität Oxford, Co-Autor der Studie.

Barreat und Katzourakis verwendeten zwei Hypothesentestmethoden (Maximum-Likelihood- und Bayes’sche Rahmen), um die Plausibilität der nuklearen Flucht mit alternativen Evolutionsszenarien zu vergleichen. Sie konzentrierten sich auf vier Schlüsselproteine, die Viren dieser Abstammungslinie gemeinsam haben und an der Bildung viraler Kapside beteiligt sind: Haupt- und Nebenkapsidproteine, DNA-verpackende ATPase und Protease.

Sie wandten zwei weitere Methoden an, die genetische Daten verwenden, um verwurzelte Phylogenien abzuschätzen und auf den evolutionären Verlauf der verschiedenen Abstammungslinien zu schließen. Dann bewerteten sie, ob Adenoviren und NCLDVs von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, wie durch das nukleare Fluchtszenario vorhergesagt.

Ihre Analysen ergaben starke Beweise gegen eine Schwesterbeziehung zwischen Adenoviren und NCLDVs, wie sie von der Nuclear-Escape-Hypothese nahegelegt werden. Stattdessen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Adenoviren von einem gemeinsamen Vorfahren mit Mavericks abstammen, unter Ausschluss von NCLDVs. Im Widerspruch zu einem Virophagen-zuerst-Szenario stellten die Forscher fest, dass der jüngste gemeinsame Vorfahre von Mavericks und Adenoviren kein Virophage war. Ihre Arbeit schließt die Virophagen-zuerst-Hypothese jedoch nicht vollständig aus und ist damit diejenige, die am besten durch aktuelle phylogenetische Analysen gestützt wird.

Darüber hinaus bietet ihre Arbeit Unterstützung für die Positionierung der Ahnenwurzel der Bamfordvirae zwischen Virophagen und den anderen viralen Abstammungslinien. Diese Positionierung wies das Team auf ein neues Modell für die evolutionären Ursprünge dieser Viren hin.

„Das Modell schlägt vor, dass der Vorfahr der Bamfordvirae nicht aus einer Invasion des eukaryotischen Zellkerns stammt, und dass es sich um ein nicht-virophages DNA-Virus mit einem kleinen Genom handelt“, sagt Co-Autor Aris Katzourakis. „Der Lebensstil von Virophagen hätte sich zu einem späteren Zeitpunkt entwickelt, als diese zu spezialisierten Parasiten der angestammten NCLDVs wurden.“

Katzourakis fügt hinzu, dass der relative Zeitpunkt der Ereignisse darauf hindeutet, dass der jüngste gemeinsame Vorfahre des Bamfordvirae-Königreichs vor mehr als einer Milliarde Jahren existierte und sich bis in die Anfangsstadien des eukaryotischen Lebens erstreckte. Eine absolute Zeitskala für die genaue Datierung dieser Ereignisse ist jedoch derzeit nicht verfügbar.

Eine weitere Einschränkung der Studie besteht darin, dass das phylogenetische Signal in den analysierten Proteindaten möglicherweise durch die tiefen Unterschiede und die extreme Vielfalt in dieser Linie verdeckt wurde. Die Autoren waren jedoch in der Lage, robust zwischen alternativen Szenarien zu unterscheiden, und der Fokus auf den Ursprung und die Entwicklung des viralen Kapsids bietet eine einfache Möglichkeit, die verfügbaren Daten zu erklären.

„Diese Arbeit trägt zu unserem Wissen darüber bei, wie Viren verschiedene evolutionäre Strategien entwickeln, um beispielsweise Parasiten anderer Viren wie Virophagen oder viraler Giganten wie NCLDVs zu werden“, sagt Barreat. „Viren spielen nicht nur eine wichtige Rolle in den Ökosystemen der Erde, sondern es wird auch immer deutlicher, dass Viren möglicherweise zu großen evolutionären Übergängen in der Geschichte des Lebens beigetragen haben. Daher bietet das Verständnis der tiefen Evolutionsgeschichte von Viren mehr Kontext für diese alten Interaktionen und die Akteure beteiligt.“

„Die Entschlüsselung der Wechselwirkungen zwischen Viren und ihren Wirten bietet ein Fenster in die tiefe evolutionäre Vergangenheit, die die Ursprünge dieser beiden biologischen Einheiten beleuchtet“, schließt Katzourakis.