De evolutionaire rol die virussen spelen vergeleken met hun ziekteverwekkendheid is enorm. Van de geschatte 100 miljoen verschillende soorten virussen zoals vermeld in het vorige hoofdstuk, zijn er slechts zo'n 200[1], met andere woorden slechts 0,0002%, in staat om ziekten bij mensen te veroorzaken.
Deze 200 virussen zijn slechts soms ziekteverwekkend, de meeste dragers zijn asymptomatisch. Bovendien kunnen sommige van deze 200 gedocumenteerde virale "ziekteverwekkers" ook gunstige effecten teweegbrengen; bijvoorbeeld in het geval van het wijdverspreide herpesvirus en cytomegalovirus (CMV).
Voorstelling van het HSV-1-herpesvirus
Herpesvirussen, zoals het herpessimplexvirus en het cytomegalovirus, zijn bekende voorbeelden van viromen die door respectievelijk meer dan 50% en tot 90% van de bevolking worden gedragen. Hoewel deze virussen ziekteverwekkend kunnen worden als de immuniteit wordt onderdrukt, kunnen ze ook nuttige immunologische prikkels verschaffen aan een gastheer met een robuust immuunsysteem.[2]Het herpesvirus en het cytomegalovirus staan niet op zichzelf. Van een veelvoorkomend virus zoals de griep, waarvan tot voor kort werd gedacht dat het louter een ziekteveroorzakend agens was, is nu bekend dat het voordelen biedt door mensen socialer te maken[3]. Opmerkelijk is dat sommige deelnemers aan dit onderzoek sociale voordelen haalden uit het virus zonder symptomen te ervaren.
De voordelen van virussen zijn talrijk, ze versterken bijvoorbeeld de verdediging van hun gastheer tegen bacteriële infecties[4], helpen alternatieve koolstofmetabolismepaden tijdens infectie[5] en stimuleren de productie van hitteschok-eiwitten[6] (HSP's) tijdens perioden van stress[7]. Hitteschok-eiwitten zijn betrokken bij verschillende fundamentele processen zoals:
Hitteschok-eiwitten zijn belangrijke factoren die de overleving, differentiatie en dood van cellen reguleren. Toenemend bewijs toont aan dat sommige hitteschok-eiwitten niet alleen betrokken zijn bij aangeboren cellulaire immuniteit, maar ook bij antigen-presentatie tijdens de adaptieve immuunrespons. Hitteschok-eiwitten dienen ook als potentiële biomarkers voor sommige ziekten.[8]Een nog indrukwekkender voorbeeld van synergie tussen virus en gastheer is te zien bij sluipwespen, die virussen hebben "gedomesticeerd" die zich niet buiten de wesp kunnen voortplanten. Wanneer deze virussen in een prooi worden geïnjecteerd, neutraliseren ze het immuunsysteem van de gastheer, zodat het de eitjes die de wesp in diens lichaam legt niet aanvalt:
Tijdens het parasiteren, injecteren wespen polydnavirussen in hun gastheer, die vervolgens virale genproducten tot expressie brengen die de afweer, groei en ontwikkeling van de gastheer veranderen om de omstandigheden voor de ontwikkeling van de nakomelingen van de wesp te optimaliseren.[9]
Levenscyclus van sluipwespen en polydnavirussen die parasiteren op een larvengastheer van een lepidoptera
In 1936 creëerden [d'Hérel en] Georgi Eliava faagtherapie in Tbilisi in het Eliava Instituut, dat vandaag de dag nog steeds bestaat. Op piekmomenten produceerden tot 1.200 werknemers tonnen bacteriële virussen. Ze produceerden pillen, pleisters en behandelden 18.000 soldaten tijdens de Fins-Russische oorlog in 1939 met een cocktail van bacteriële virussen tegen antrax met een succespercentage van 80 procent, waardoor amputaties werden voorkomen. In 1963 werden tot 30.000 kinderen behandeld, sommigen zelfs met behulp van bacteriële virussen als profylaxe.[10]Ter referentie: onbehandelde inhalatie-antrax heeft een sterftecijfer van 80 procent of hoger[11].
Bovenstaande voorbeelden laten zien hoe gangbaar en essentieel virussen zijn in dierlijke levensvormen, inclusief mensen. Maar hetzelfde geldt voor planten:
virussen werden over het algemeen niet opgenomen in de lijsten van heilzame microben. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat deze ook in planten een belangrijke en bevorderlijke rol kunnen spelen.[12]Een van de belangrijkste doelen van virussen die door botanici worden gebruikt, is om de schoonheid van een bepaalde plant te veredelen:
Enkele van de bekendste gunstige virussen die in planten worden gebruikt, zijn virussen die de schoonheid van sierplanten veredelen. Het tulpenmozaïekvirus was de eerste op een lange lijst van virussen die het uiterlijk van planten veranderen. Maar veel andere waardevolle sierplanten danken hun waarde, op zijn minst gedeeltelijk, aan de virussen die deze planten infecteren.[13]
Gouache vóór 1640 - effect van het tulpenmozaïekvirus: witte strepen in de rode bloemblaadjes
[virussen] zijn betrokken bij het bieden van weerstand aan planten tegen droogte, koude en hete bodemtemperaturen .... verhogen hun waarde, groeipotentieel of verminderen de noodzaak om chemische meststoffen of pesticiden te gebruiken.[14]Net als in het geval van het menselijk genoom, maken virussen al heel lang onderdeel uit van het plantengenoom:
Studies naar virusbiodiversiteit tonen aan dat planten geïnfecteerd zijn met veel virussen die geen duidelijke schadelijke effecten hebben op hun gastheer [...] Deze virussen hebben zeer lange associaties met hun gastheerplanten en worden verticaal overgedragen gedurende misschien wel duizenden jaren, wat duidelijk positieve interacties impliceert.[15]Endogene retrovirussen
Hoewel de lijst van voordelen die exogene virussen hun gastheren bieden aanzienlijk is, valt deze in het niet in vergelijking met endogene retrovirussen, hierna afgekort tot ERV's.
Eerder zagen we de sleutelrol die ERV's hebben gespeeld bij het ontstaan van een aantal nieuwe complexe taxa: wallaby's, mensen, mensapen, gewervelden, eukaryoten, gewervelde kaken, beenvissen, schubdieren en natuurlijk de placentadieren.[16]
Voor wat betreft de placentadieren zagen we hoe ERV's de drijvende kracht waren achter hun ontstaan, waaronder vrijwel alle zoogdieren. Voordien waren voortplantingsstrategieën gebaseerd op het leggen van eieren.
Net als de meeste exogene virussen veroorzaken ERV's geen ziekte:
De meeste sequenties van ERV's hebben in de loop der tijd talloze mutaties verworven en hebben daarom geen eiwitcoderend vermogen of de mogelijkheid om besmettelijke virusdeeltjes te genereren.[17]Maar het feit dat de vele virale genoomsequenties in ons DNA niet ziekteverwekkend zijn, betekent niet dat ze nutteloos en obsoleet zijn. In feite biedt de integratie van ERV's in het genoom van de gastheer voordelen:
Endogene menselijke retrovirussen lijken dus nog steeds actieve genen te bevatten, die waarschijnlijk door de gastheer ten behoeve van zichzelf werden ondermijnd en moeten worden beschouwd als volwaardige menselijke genen.[18]ERV's maken deel uit van wat bekend staat als "junk-DNA"[19], wat decennia lang beschouwd werd als nutteloos DNA dat bewaard was gebleven door "evolutionaire selectie." Dit type DNA maakt ongeveer 90%[20] van ons genoom uit. Tegenwoordig wordt het echter niet-coderend DNA genoemd, omdat moderne genomica heeft aangetoond dat junk-DNA helemaal geen junk-DNA is. Een prominent voorbeeld biedt de "gen-woestijn":
Gen-woestijnen zijn regio's van het genoom die verstoken zijn van eiwitcoderende genen. Oorspronkelijk werd gedacht dat ze "junk"-DNA bevatten omdat ze geen eiwitten konden maken. Sindsdien worden gen-woestijnen in verband gebracht met verschillende essentiële regulerende functies, waaronder distale versterking en het behoud van overerving. Zo wordt een toenemend aantal risico's die leiden tot een aantal ernstige ziekten, waaronder verschillende kankers, toegeschreven aan afwijkingen die worden aangetroffen in gen-woestijnen.[21]
Daarnaast is de algemene overtuiging dat ERV's niet-coderend zijn over het algemeen waar, maar er bestaan nog steeds uitzonderingen. Van het humane ERV K[22] is bijvoorbeeld bekend dat het codeert voor HDTV[23].
Van de 500 env-genen[24], kunnen er 16 coderen voor eiwitten en deze worden overvloedig getranscribeerd in belangrijke organen zoals de hersenen, schildklier en bijnieren:
Transcriptoom van de coderende retrovirale envelopgenen van het menselijk genoom in 19 menselijke weefsels
Een gedetailleerde studie van de subfamilie humaan endogeen retrovirus K (HML2) toonde aan dat 6 (17%) van de 35 onderzochte kopieën met volledige lengte een vorm van niet-allelische homologe recombinatie ondergingen na insertie, ondanks hun vrij recente oorsprong (<20 miljoen jaar geleden). Gezien het feit dat deze subfamilie slechts een kleine fractie (<<1%) van de menselijke ERV's uitmaakt, benadrukken deze gegevens de potentieel grote bijdrage van endogene retrovirussen aan de opbouw van genoomarchitectuur op een grote tijdschaal.[36]Ondanks het feit dat genomica nog maar kort geleden werd ontwikkeld, zijn er al talloze voorbeelden van gunstige effecten die worden veroorzaakt door endogene virussen. ERV's spelen bijvoorbeeld een fundamentele rol in de bescherming van hun gastheren tegen voortdurende epidemieën:
[ERV's] ondersteunen de antivirale immuunrespons via tal van mechanismen. Deze omvatten de verbetering van cellulaire detectiewegen, regulatie van virale genexpressie, blokkade van ingangsreceptoren en directe beperking van assemblage van virusdeeltjes.[25]Een ander voorbeeld van de gunstige werking van ERV's is hun betrokkenheid bij het reguleren van de expressie van nuttige coderende genen:
"In 1996 kon Roy J. Britten van het California Institute of Technology tien voorbeelden geven van hoe endogene virale sequenties in het genoom helpen bij het reguleren van de expressie van nuttige genen. Zeven van de tien voorbeelden hadden betrekking op mensen".[26]ERV's worden ook ingezet bij het opsporen en bestrijden van kanker:
Cytotoxische T-cellen en Natural Killer-cellen zijn belangrijke effectoren van tumorsurveillance. Ze zijn gewapend met granzyme en perforine om tumorcellen direct te doden. Een recente studie waarbij een set van 66 ERV's als referentie werd gebruikt, toonde aan dat 8 ervan positief gecorreleerd waren met granzyme- en perforine-expressie in borstkankerweefsels, wat een potentiële rol impliceert voor ERV's in immuunsurveillance.[27]Bovendien zijn ERV's vanaf het vroegste stadium noodzakelijk voor de embryonale ontwikkeling:
"[...] toen Corrado Spadafora [...] een medicijn toepaste dat reverse transcriptase blokkeert in dit vroege stadium van de embryogenese bij muizen, stopte de ontwikkeling van het embryo bij vier cellen. Het lijkt erop dat endogene virussen een zeer belangrijke, hoewel nog steeds volledig onbegrepen, rol spelen in het vroege stadium van de embryogenese van zoogdieren.[28]Misschien verklaart de fundamentele rol van ERV's bij morfogenese, die in het bovenstaande citaat wordt benadrukt, waarom virussen ook een cruciale rol speelden in wat kan worden beschouwd als de grootste evolutionaire sprong, namelijk de overgang van eencellige naar meercellige organismen:
Alle bekende celfusie-moleculen hebben een virale oorsprong, wat suggereert dat ze van vitaal belang waren voor de intercellulaire communicatiesystemen die meercelligheid mogelijk maakten. Zonder het vermogen tot celfusie zouden zich kolonies kunnen vormen, maar niets dat zelfs maar zo complex is als een spons zou mogelijk geweest zijn.[29]Het bovenstaande laat zien hoe alomtegenwoordig virussen zijn in onze genetische code en de cruciale rol die ze spelen. Dit perspectief geeft een andere draai aan de brandende vraag of virussen al dan niet levensvormen zijn. Het antwoord op deze vraag hangt sterk af van de definitie die men aan het woord "leven" geeft.
Virussen hebben bijgedragen aan het menselijk genoom en hebben gunstige veranderingen geïntroduceerd; bacteriën en virussen hebben veel belangrijke genen overgedragen naar het eukaryotisch genoom die evolutie en soortvorming mogelijk hebben gemaakt (Joseph, 2009a, b), terwijl virussen vaak aanzienlijke voordelen bieden aan de gastheer en vaak door de gastheer worden ondermijnd ten voordele van de gastheer (Lorenc en Makalowski. 2003; Miller et al., 1999; Parseval en Heidmann 2005). Virussen veroorzaken dus meestal geen ziekte in de gastheer, maar bieden de gastheer voordelen. Bovendien voegen ze genen en regulerende elementen aan het genoom van de gastheer toe en hebben een actieve rol gespeeld in de evolutie door bij te dragen aan het ontstaan van de mens (Joseph 2009a, b).[30]In het licht van bovenstaand citaat lijken virussen eigenlijk fundamenteler dan het leven zelf; ze zijn de dragers van informatie - de genetische codes - waaruit biologisch leven voortspruit. Virussen zijn meer dan leven: ze vormen de bron van het leven; ze zijn de informatieve voorlopers en initiatoren van elke levensvorm.
Zoals we kunnen zien aan de hand van de bovenstaande beschrijving van het viroom[31], is het niet overdreven om te zeggen dat het viroom de taal vormt van al het leven op aarde. We zwemmen letterlijk in een enorme zee van genomische informatie die essentieel was voor het ontstaan en de bloei van het leven op deze kostbare aarde en die nog steeds probeert om alle soorten te helpen overleven. De matrix van organismen die deel uitmaken van het microbioom heeft een viremische informatiestroom opgebouwd, die het mogelijk heeft gemaakt dat er aanpassing en biodiversiteit op de planeet heeft plaatsgevonden. En diezelfde viremische informatiestroom is verantwoordelijk voor de opbouw van de menselijke soort.[32]ERV's zijn betrokken bij talrijke fundamentele functies, waaronder het wijzigen en bevorderen van het amylasegen, het tot expressie brengen van gastheergenen of het mogelijk maken van splicinggebeurtenissen:
Van de endogene retro-elementen die hun functies tot op zekere hoogte hebben behouden, hebben vele zich aangepast en zijn symbiont geworden in hun gastheersoort. [...] ERV's die mee-evolueren met hun gastheren omvatten onder andere de bijdrage van een ERV enhancer aan het veranderen van de weefselspecificiteit van het menselijke amylasegen[33] van pancreas- naar parotis-specifieke expressie, wat bijdraagt aan de speekselklierspecifieke regulatie van dit gen. Promotors van ERV's worden door hun gastheren gebruikt als promotors voor de expressie van gastheergenen, of om specifieke splicinggebeurtenissen mogelijk te maken.[34]Een ander voorbeeld betreft de betrokkenheid van transponeerbare elementen (sequenties van virale oorsprong) bij een aantal essentiële processen, van immuniteit tot de regulering van apoptose (celdood)[35]:
Functionele classificatie van eiwitten van Transponeerbare Elementen.
Woolhouse, Mark et al. (2012). "Human viruses: discovery and emergence." Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences vol. 367,1604 (2012): 2864-71.
[2] Tokuyama, Maria et al. (2018). "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS, 115 (50) 12565-12572;
[3] Reiber C. et al. (2010) "Change in human social behavior in response to a common vaccine". Ann Epidemiol. 20(10):729-33.
[4] Sherman LA, Pauw P. (1976) "Infection of Synechococcus cedrorum by the cyanophage AS-1M. II. Protein and DNA synthesis". Virology.;71(1):17-27
[5] Sullivan MB et al. (2005) "Three Prochlorococcus Cyanophage Genomes: Signature Features and Ecological Interpretations" PLOS Biology 3(5): e144
[6] Belangrijke eiwitten die betrokken zijn bij eiwitvouwing, transport en assemblage. HSP's zijn ook betrokken bij apoptose en immuunrespons.
[7] Wan, Q. et al. (2020). "Stress proteins: the biological functions in virus infection, present and challenges for target-based antiviral drug development". Sig Transduct Target 5, 125
[8] Ibid
[9] Burke, G. R. et al. (2012). ''Polydnaviruses of Parasitic Wasps: Domestication of Viruses To Act as Gene Delivery Vectors''. Insects, 3(1), 91 - 119.
[10] K. Moelling (2020) "Viruses More Friends than Foes" Electroanalysis 32, 669.
[11] FDA Editors (2018) "anthrax" FDA
[12] Roossinck, M.J. (2015) "Beneficial viruses for crops" Molecular Plant Pathology 16: 331-333.
[13] Ibid
[14] Ibid
[15] Roossinck, M.J. (2012) "Plant virus metagenomics: biodiversity and ecology" Annu. Rev. Genet. 46, 357 - 367
[16] Zie Hoofdstuk 9 - "Het raadsel van soortvorming"
[17] Tokuyama, Maria et al. (2018) "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS, 115 (50) 12565-12572
[18] de Parseval N. et al. (2005) "Human endogenous retroviruses: from infectious elements to human genes". Cytogenet Genome Res. 110(1-4):318-32
[19] TR, ed. (2005) "The Evolution of the Genome" Elsevier. pp. 29 - 31
[20] Ponting, C.P. (2011) "What fraction of the human genome is functional?" Genome Research. 21 (11): 1769 - 76
[21] Ovcharenko, Ivan et al. (2004) "Evolution and Functional Classification of Vertebrate Gene Deserts" Genome Research 15 (1): 137 - 145
[22] Boller K. et al. (1993) "Evidence that HERV-K is the endogenous retrovirus sequence that codes for the human teratocarcinoma-derived retrovirus HTDV".Virology. 196(1):349-53
[23] Van virus afkomstige deeltjes van Humaan Teratocarcinoom
[24] Genen van virale oorsprong
[25] Srinivasachar Badarinarayan S., Sauter D. (2021) "Switching Sides: How Endogenous Retroviruses Protect Us from Viral Infections" J Virol. 95(12):e02299-20
[26] Ibid
[27] Tokuyama M et al. (2018) "ERVmap analysis reveals genome-wide transcription of human endogenous retroviruses". PNAS 115:12565 - 72
[28] Ibid
[29] Wikipedia contribuanten (2021) "Multicellular organism" Wikipedia
[30] Wickramasinghe, 2013
[31] Assemblage van virussen die geassocieerd worden met een bepaald ecosysteem
[32] David Skripac (2021) "Our Species is Being Genetically Modified: Humanity's March Toward Extinction?" Global Research
[33] Enzym dat zetmeel in suikers omzet
[34] Eiden M. V. (2008) "Endogenous retroviruses--aiding and abetting genomic plasticity" Cellular and molecular life sciences 65(21), 3325 - 3328
[35] Lorenc, Anna et al. (2003) "Transposable Elements and Vertebrate Protein Diversity" Genetica 118. 183-91. 10.1023
[36] Feschotte, C., Gilbert, C. (2012) "Endogenous viruses: insights into viral evolution and impact on host biology" Nat Rev Genet 13, 283 - 296
Commentaar: Lees ook:
Massa-Extincties, Evolutionaire Sprongen en Virale Informatie