I virus giganti che scuotono l’albero della vita

Ricordate la curiosa malattia pietrificante che colpisce Jorah Mormont in Game of Thrones? Potrebbe essere stata provocata da un virus gigante di recente scoperta chiamato "Medusavirus".

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I medusavorus antenati delle cellele eucariote?
Nella foto: Jorah Mormont colpito da un medusavirus che trasforma le sue cellula in pietra

Quando nel 1917 Felix d’Herelle, una figura fondamentale nella storia della biologia molecolare, scoprì il primo batteriofago nei soldati francesi, scrive Carl Zimmer in Un pianeta di virus, “molti scienziati si rifiutarono di credere che esistesse davvero una cosa del genereUn secolo dopo, è chiaro che Herelle aveva trovato la forma di vita più abbondante sulla Terra. Inoltre, i virus marini hanno un’enorme influenza sul pianeta. I fagi marini influenzano l’ecologia degli oceani del mondo. Lasciano il segno sul clima globale della Terra. E hanno svolto un ruolo cruciale nell’evoluzione della vita per miliardi di anni. Sono, in altre parole, la matrice vivente della biologia“.

Gli scienziati hanno iniziato a chiedersi se alcuni dei geni presenti negli organismi viventi provengono effettivamente da antichi virus. Nel 2013, la scoperta di due virus giganti, diversi da qualsiasi altra cosa vista prima, ha reso più labile il confine tra il mondo virale e quello cellulare. Questi pandoravirus sono grandi quanto i batteri e contengono genomi più complessi di quelli presenti in alcuni organismi eucariotici (le cui cellule contengono nuclei, a differenza degli altri due regni di organismi viventi, batteri e archei). La loro strana forma ad anfora e l’enorme genoma atipico hanno portato gli scienziati a chiedersi da dove venissero.

I virus non sono tradizionalmente considerati vivi”, scrive Sarah Zang su The Atlantic, “perché non dispongono di tutta l’attrezzatura necessaria per replicarsi per conto proprio. Ma gli scienziati ora hanno trovato virus giganti dotati geni che codofificano la costruzione di proteine, che sono necessari per la replicazione.

Nell’edizione dell’11 giugno 2018 di Nature Communications, i ricercatori hanno proposto che queste anomalie della natura, i pandovirus, sembrano essere fabbriche di nuovi geni – come se fossero innovatori evolutivi che continuano a scuotere i rami sull’albero della vita.

Questi virus giganti contengono un gran numero di geni orfani, cioè geni che codificano proteine ​​che non hanno equivalenti in altri organismi viventi (questo succedeva già nei due pandoravirus scoperti in precedenza). Questa caratteristica inspiegabile è al centro di molti dibattiti sull’origine dei virus. Ciò che ha maggiormente sorpreso ricercatori è il fatto i geni orfani differiscono da un pandoravirus all’altro, cosa che rende estremamente improbabile che siano stati ereditati da un antenato comune!

 

Se gli organismi viventi avessero ereditato i geni dai virus, sarebbe un’inversione radicale delle ipotesi precedenti sulla loro origine“, continua Zang. “Storicamente, gli scienziati hanno sempre pensato che i virus potrebbero essere versioni degenerate delle cellule viventi che hanno perso la maggior parte dei loro apparati cellulari, conservando solo la capsula proteica e il materiale genetico. O che i virus potrebbero essere semplici frammenti di cellule che si sono staccate e non sono in grado di replicarsi da sole.

Ma se gli istoni e gli enzimi per la sintesi del DNA fossero originati dai virus, allora quesi potrebbero essere stati presenti quando la vita è iniziata nella zuppa primordiale. Potrebbero essere una delle ragioni per cui esiste la vita su questo pianeta“.

La nuova scoperta del Medusavirus, scrive Zang, rappresenta un indizio di evoluzione verso una vita più complessa e poiché sono stati scoperti sempre più virus giganti, gli scienziati hanno iniziato a chiedersi se alcuni dei geni presenti negli organismi viventi provengano effettivamente da antichi virus

L’articolo pubblicato nel Journal of Virology nel 2019 è diventato, oer così dire, virale a causa della capacità del Medusavirus di trasformare l’ameba in “pietra“. Tuttavia, la più grande scoperta è la possibile relazione tra il Medusavirus e l’evoluzione della vita complessa.

Un team di scienziati guidato dal virologo Masaharu Takemura dell’Università di Scienze di Tokyo e Hiroyuki Ogata dell’Università di Kyoto, in Giappone, hanno scoperto un virus gigante che, proprio come il mitico mostro Medusa, può trasformare un’ameba in una cisti simile a una pietra. Isolato in una sorgente termale in Giappone e soprannominato Medusavirus, questo virus infetta una specie di ameba conosciuta come Acanthamoeba castellanii e gli fa sviluppare un guscio duro e petroso.

Con il Medusavirus, gli scienziati hanno scoperto che si verifica la replicazione del DNA nel nucleo dell’ameba ospite e hanno osservato prove di scambio di informazioni genetiche tra l’ospite e il virus mentre coevolvono. Hanno anche scoperto che il gigantesco virus ospita nel suo antico genoma alcune delle complesse proteine ​​che costituiscono i mattoni di organismi eucariotici come animali, piante e umani.

Comprendere la presenza di queste proteine ​​nel genoma del virus potrebbe aiutare gli scienziati ad affrontare alcune delle domande più difficili sulle nostre origini. In effetti, “la ricerca genomica effettuata sul virus gigante indica che esiste probabilmente una relazione tra il Medusavirus e l’origine della vita eucariotica“, afferma Takemura.

 

Medusavirus
Una ricostruzione 3D del Medusavirus mostra le migliaia di punte esterne, che sporgono a circa 14 nanometri dalla superficie della particella. Credito: G. Yoshikawa  et al. / J. Virol.  (CC BY 4.0)

Un virus non ha i “macchinari” necessari per replicarsi.

Per farlo, una volta entrato all’interno della sua cellula ospite, rilascia il suo genoma che “dirotta” il meccanismo replicativo della cellula. Quando un virus invade un organismo, utilizza alcuni dei geni ospiti per replicarsi. Questo può lasciare un segno, come un’impronta digitale, sul DNA dell’ospite, che viene poi trasmesso per generazioni. L’ospite interagisce anche con il virus e il virus adotta nuove sequenze che vengono preservate nel tempo. L’ospite e il virus coevolvono, ed è questa “coevoluzione” che è in prima linea in questo studio approfondito.

I virus sono classificati in base alle loro caratteristiche genetiche, ovvero al modo in cui generano mRNA per produrre proteine ​​e materiale genetico.

Il Medusavirus è un virus nucleocitoplasmatico del DNA di grandi dimensioni, che appartiene a un gruppo di virus eucariotici scoperti di recente con grandi e complessi genomi di DNA a doppio filamento (dsDNA). È interessante perché, a differenza della maggior parte dei virus, contiene geni che codificano per le proteine ​​coinvolte nell’imballaggio del DNA.

Il Medusavirus ha un set completo di istoni, che sono proteine ​​che si sono evolute per mantenere il DNA ripiegato all’interno del nucleo e regolare l’espressione genica. Ciò è particolarmente strano se si considera che i virus non hanno un nucleo; ciò potrebbe significare che durante la coevoluzione, il virus potrebbe aver acquisito i geni che codificano questi istoni. Con questi risultati, questo studio afferma anche che il Medusavirus è una famiglia di virus completamente diversa.

Quando il Medusavirus pietrifica l’ameba, lo fa modificando la cellula direttamente dal suo nucleo. Il virus trasferisce il suo DNA per avviare la replicazione e utilizza la propria DNA polimerasi (enzima che sintetizza il DNA) e gli istoni, ma nel complesso si affida all’ospite per completare il processo.

I risultati di dell’analisi evolutiva condotta dagli autori suggeriscono che nell’albero dell’evoluzione, la DNA polimerasi del Medusavirus si trova all’origine della DNA polimerasi trovata negli eucarioti.

Come osserva uno degli autori, il dott. Genki Yoshikwa dell’Università di Kyoto, ciò potrebbe significare che la nostra DNA polimerasi “probabilmente ha avuto origine dal Medusavirus o da uno dei suoi parenti”.

Fonte: CNRS / Aix arseille UniversitéTokyo University of Science