De wetenschappelijke ontdekking dat virussen vaak en onverwacht van soort naar soort gaan, verandert ons begrip van hun evolutionaire geschiedenis en kan verontrustende gevolgen hebben in de vorm van nieuwe ziekten.
Wanneer er nieuwe soorten ontstaan, waar komen hun virussen dan vandaan? Virussen, die niet veel meer zijn dan een kudde vrij graasend genetisch materiaal, hebben de cellulaire structuren en bronnen van hun gastheren dringend nodig om zich keer op keer te reproduceren. Een virus zonder host is niets.
Vanwege deze afhankelijkheid blijven sommige virussen tijdens de evolutie trouw aan hun gastheren, muteren en veranderen ze lichtjes elke keer dat de gastheer in een nieuwe soort verandert. Dit proces wordt co-divergentie genoemd. Mensen en chimpansees hebben bijvoorbeeld iets verschillende hepatitis B-virussen, die beide hoogstwaarschijnlijk zijn gemuteerd van de versie die de gemeenschappelijke voorouder van mensen en apen meer dan vier miljoen jaar geleden infecteerde.
Een andere optie, de transitie tussen soorten, treedt op wanneer een virus migreert naar een volledig nieuw type host dat niets te maken heeft met de vorige. Dit type virale evolutie wordt in verband gebracht met ernstige nieuwe ziekten zoals vogelgriep, HIV, ebola en SARS. En aangezien dergelijke ziekten buitengewoon gevaarlijk zijn, hebben we het geluk dat overgang tussen soorten nogal zeldzaam is.
Maar onlangs, toen wetenschappers in Australië de eerste studie van de langetermijnevolutie van duizenden verschillende virussen uitvoerden, kwamen ze tot de verrassende conclusie dat de overgang tussen soorten veel belangrijker is en veel vaker voorkomt dan we hadden gedacht. Verandering van soorten is de drijvende kracht achter de meeste belangrijke evolutionaire neoplasmata bij virussen. Ondertussen is co-divergentie minder wijdverbreid dan we hadden verwacht, en veroorzaakt het voornamelijk geleidelijke veranderingen.
"Ze hebben zeer overtuigend aangetoond dat co-divergentie eerder uitzondering dan regel is", zegt evolutiebioloog Pleuni Pennings, assistent-professor aan de Universiteit van San Francisco en niet betrokken bij de Australische studie.
Deze bevindingen betekenen geenszins dat nieuwe ziekten die voortkomen uit de transitie tussen soorten een ernstiger en directere bedreiging vormen dan de geneeskunde veronderstelde. Ze laten echter zien dat de evolutionaire dynamiek van virussen verrassend complex kan zijn. Als wetenschappers de frequentie van de overgang van virussen naar nieuwe gastheren onderschatten, wordt het in dit geval een zeer belangrijke prioriteit om te onderzoeken welke virussen hiervoor het meest vatbaar zijn.
Er zijn veel redenen waarom het onwaarschijnlijk is dat sprongen tussen soorten een significante impact hebben op de evolutie van virussen. De obstakels die voorkomen dat een virus met succes overgaat op een gastheer van een andere soort, zijn zeer ernstig en formidabel. Als het virus het genetisch materiaal van de gastheer niet kan manipuleren en zich kan voortplanten, is dit een doodlopende weg, het einde van een tak. Het virus heeft mogelijk vele pogingen nodig om een nieuwe gastheer te infecteren, die het al decennia of zelfs langer uitvoert, waarbij het op dit moment overeenkomstige mutaties accumuleert. Hij doet dit totdat hij zich laat gelden en zich begint te vermenigvuldigen en verspreiden.
Promotie video:
Afgelopen voorjaar gaf bijvoorbeeld een groep biologen en biomedische onderzoekers onder leiding van Susan VandeWoude, hoogleraar vergelijkende geneeskunde aan de Universiteit van Colorado, een voorbeeld van wat een onvolledige transitie tussen soorten zou kunnen worden genoemd. Vandewood doet onderzoek naar lentivirussen. Dit is het type retrovirus waartoe hiv behoort. De dragers zijn poema's en rode Noord-Amerikaanse lynxen. De professor vond samen met haar onderzoeksteam voortdurend een bepaald lentivirus van de rode lynx bij een poema in Californië en Florida. Maar elke keer gaven de genetische gegevens aan dat dit virus verscheen als gevolg van contact van een poema met een geïnfecteerde lynx, bijvoorbeeld wanneer de poema een lynx at, en niet van een andere geïnfecteerde poema die het verspreidde. De concentratie van het virus in cougars was ook laag, wat erop wijst datdat het virus moeilijk te reproduceren is.
Kortom, het virus ging een nieuwe katachtige gastheer binnen, maar het organisme van de gastheer was niet erg geschikt voor de parasiet en het kon zich er niet goed op vestigen. "Bij veel van de overgangen was er geen bewijs dat het nieuwe virus zich in cougars vermenigvuldigde", merkt Vandewood op. (Daarentegen ontdekte het team van Vandewood dat een bepaalde vorm van het lynxvirus migreerde naar de panters van Florida, die de variant overdroegen die ze hadden aangepast.) Aangezien lentivirusovergangen van de ene katachtige soort naar de andere zo vaak voorkomen, kan het in de loop van de tijd behoorlijk sterk muteren, waarna de poema zal een geschikte habitat voor hem worden. Maar tot nu toe is dit niet gebeurd, hoewel er voldoende kansen waren.
Bovendien, wanneer virussen met succes van de ene soort naar de andere springen, kunnen ze het slachtoffer worden van hun eigen succes. Dit geldt vooral voor kleine geïsoleerde populaties (zo zijn er veel nieuwe soorten geboren). Gevaarlijke virussen kunnen beschikbare hosts zeer snel vernietigen, waarna ze vanzelf verdwijnen.
Om deze reden kunnen virologen met een hoge mate van vertrouwen zeggen dat zelfs als interspecies vaak over een groot tijdsbestek springen, het gelijktijdig divergeren van virussen en hun gastheren de norm kan zijn. Maar er is weinig experimenteel bewijs om deze aanname te ondersteunen. “Ideale co-divergentie is een van die verschijnselen waarover je kunt leren. Maar als je goede voorbeelden probeert te vinden van deze co-divergentie, blijkt dat ze heel, heel zeldzaam zijn”, zegt Pennings.
Professor biologie aan de Universiteit van Sydney, Edward Holmes, en zijn Australische collega's besloten dit mysterie op te lossen. Met behulp van gegevens over het virale genoom reconstrueerden ze de evolutionaire geschiedenis van 19 grote virale families, die elk 23 tot 142 virussen bevatten die in verschillende gastheren leven, van zoogdieren tot vissen en planten. Ze creëerden fylogenetische (evolutionaire) schema's voor virusfamilies en voor hun gastheersoort, en vergeleken ze vervolgens. Wetenschappers redeneerden als volgt: als een virus in feite samen met zijn gastheer omleidt en ermee evolueert, dan zou in dit geval het fylogenetische schema van het virus vergelijkbaar moeten zijn met dat van zijn gastheer, aangezien de voorouders van het virus de voorouders van de gastheer moesten infecteren. Maar als het virus van host naar host springt,de evolutionaire patronen van gastheren en virussen zullen er anders uitzien. Hoe anders is het? Het hangt af van het aantal overgangen tussen soorten.
In hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift PLOS Pathogens, meldden ze dat in alle 19 virusfamilies de overgangen tussen soorten wijdverspreid waren. Holmes zei dat het geen verrassing voor hem was dat elke virale familie die ze bestudeerden eruitzag alsof het interspecies-sprongen maakte. Maar hij was verbaasd over hoe vaak ze in hun geschiedenis zulke sprongen maakten. "Ze doen het allemaal," zei Holmes. "En dit is iets buitengewoons."
Verwijzend naar de vraag waarom wetenschappers zich niet eerder realiseerden hoe belangrijk interspecifieke overgangen zijn voor de evolutie van het virus, legde Holmes uit dat in het verleden auteurs van fylogenetische studies het probleem vaak te eng hebben overwogen door een vrij klein aantal gastheersoorten en virussen te bestuderen en dit in een kort tijdsbestek te doen. … Over 10 of 20 jaar krijg je misschien geen interspecies-sprong. "En in een miljoen jaar is dit zeker gebeurd," zei Holmes.
Zijn baanbrekende aanpak "biedt een kijkje in de langdurige relatie tussen gastheren en virussen", zei John Denn, universitair hoofddocent biologie aan Queens College, over de studie.
Begrijpen hoe en waarom overgangen tussen soorten plaatsvinden, werd geholpen door de observatie van RNA-virussen door Holmes en zijn collega's (die RNA als genetisch materiaal gebruiken). Ze concludeerden dat dergelijke virussen veel vaker soorten kruisen dan DNA-virussen (die DNA gebruiken). "Dit is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat ze een hogere mutatiesnelheid hebben", zei Vandewood. Met een combinatie van een kleiner genoom en een hogere mutatiesnelheid heeft het RNA-virus een betere kans om zich aan te passen aan de omgeving van de nieuwe gastheer.
Bovendien verklaart Holmes deze trend door de verschillende levenscycli van RNA- en DNA-virussen. Infecties met de deelname van RNA-virussen zijn vaak moeilijk, maar ze zijn van korte duur, dat wil zeggen dat de ziekte vrij snel komt en gaat, zoals het geval is bij griep of verkoudheid. Deze vergankelijkheid leidt ertoe dat het virus de kans misloopt om deel uit te maken van de opkomende gastheersoort. "Bij een gevaarlijk virus houdt het schadelijke effect dagen of weken aan", zegt Holmes. “En gemiddeld genomen is co-divergentie in dergelijke gevallen zeldzaam. Het is alleen dat het virus vrij snel verdwijnt."
Maar infecties met het DNA-virus zijn vaak chronisch. Wanneer een deel van de gastheerpopulatie afwijkt van zijn typische vorm om een nieuwe soort te creëren, is de kans groter dat het virus wordt meegenomen, aangezien er veel meer gastheren zijn geïnfecteerd. De kans op co-divergentie tussen het virus en zijn nieuwe gastheer neemt dus toe.
De levensstijl van de gastheer speelt ook een rol bij de transitie van virussen en bij de co-divergentie van deze interspeciesprongen. "We weten dat de grootte en dichtheid van de gastheerpopulatie erg belangrijk zijn, en die factor bepaalt hoeveel virussen ze dragen", zegt Holmes. Als voorbeeld noemt hij vleermuizen. Vleermuizen hebben de neiging om een groot aantal verschillende virussen te dragen, maar dit komt deels door het feit dat er een groot aantal vleermuizen is. Zulke grote populaties hebben meer kans om het virus op te vangen. "Er is een heel simpele ecologische regel: hoe meer gastheren, hoe gevaarlijker virussen ze kunnen dragen", merkt Holmes op. "Het virus heeft alleen een betere kans om een kwetsbare gastheer te vinden."
In 1975 schreef Francis L. Black van de Yale University een onderzoeksartikel dat een diepgaand inzicht gaf in hoe de dynamiek van de gastheerpopulatie de menselijke ziekte beïnvloedt. Na bestudering van de nogal geïsoleerde en kleine gemeenschappen van de Amazone-aboriginals, hebben wetenschappers ontdekt dat chronische virale infecties bij deze mensen vrij vaak voorkomen, maar dat acute infecties meestal afwezig zijn. Isolatie beschermt deze stammen tegen nieuwe virussen. De paar gevaarlijke virussen die niettemin in de inheemse gemeenschappen terechtkwamen, stierven snel uit. Ze hadden maar weinig gastheren om te overleven en daarom verdwenen de virussen vrij snel.
De bevinding dat interspecifieke overgangen vaak voorkomen, baart grote bezorgdheid, aangezien ze in verband worden gebracht met gevaarlijke nieuwe ziekten. In het verleden waren er veel sprongen en die kwamen vaak voor. Dus wat heeft de toekomst voor ons in petto - hetzelfde, maar in grote hoeveelheden?
Niet nodig. "Statistieken van interspecies-overgangen uit het verleden voorspellen niet altijd nauwkeurig de toekomst, vooral als het om mensen gaat", zegt Pennings. Onze levensstijl is tegenwoordig ook anders dan mensen slechts een paar eeuwen geleden leefden, en daarom lijkt het risico op het oplopen van nieuwe ziekten voor ons anders te zijn.
Een persoon is ook drager van een groot aantal virussen. Onze populaties zijn te groot en we zijn ongelooflijk mobiel, wat betekent dat we vrij gemakkelijk en eenvoudig virussen overbrengen naar nieuwe gevoelige gastheren. “We doen veel dingen die de kans op virusoverdracht vergroten. We houden ervan om onze neus te porren op plaatsen waar we niet zouden moeten gaan, we nemen te vaak risico's, we eten wat we niet zouden moeten eten”, zegt Vandewood. "We zijn waarschijnlijk de ergste overtreders van de regels, en daarom worden we meestal het doelwit van interspeciesprongen - simpelweg omdat we soms krankzinnige handelingen plegen."
Dergelijke krankzinnige handelingen leiden vaak tot botsingen met andere soorten. Hoe vaker we dit doen, hoe meer we worden blootgesteld aan nieuwe virussen. De soorten waarmee we in contact komen, brengen ons het vaakst in gevaar. "We raken eerder besmet met iets van muizen dan met tijgers", zegt Pennings.
Verder onderzoek naar de geschiedenis van de evolutie van virussen zal wetenschappers echter helpen begrijpen of er soorten zijn waaraan we meer aandacht moeten besteden als bronnen van nieuwe infecties. (Epidemiologen houden virussen die van pluimvee op mensen worden overgedragen al nauwlettend in de gaten, omdat ze bang zijn voor vogelgriep.) Virussen van planten, vissen en zoogdieren zijn waarschijnlijk net zo gevaarlijk voor mensen. Het is evengoed mogelijk dat wetenschappers bij onderzoek om de volgende epidemie te voorspellen, hun aandacht zullen beperken tot enkele hoogrisicogroepen.
Holmes heeft een ander standpunt. "Ik denk niet dat prognoses in dit geval effectief kunnen zijn", zegt hij. "Ik begrijp waarom dit wordt gedaan, maar het aantal nieuwe virussen dat we detecteren is enorm, en daarom zijn voorspellingen in dit geval gewoon niet geschikt."
Gelukkig is dit soort analyse gemakkelijker geworden met de komst en ontwikkeling van metagenomica, zoals de tak van genomics wordt genoemd, die niet het genoom van een individueel organisme bestudeert, maar de totaliteit van genomische informatie die uit de omgeving wordt verkregen. Als onderdeel van dergelijk onderzoek selecteren Holmes en collega's genomische sequenties uit een verscheidenheid aan beschikbare databases. Ze hebben geen fysieke monsters van virussen nodig, en dat is op zichzelf al een innovatie op het gebied van onderzoek. "Virologie gaat naar een nieuwe fase waarin metagenomica kan worden gebruikt om massaal te samplen om te zien wat er is", zegt Holmes.
Hij merkt ook op dat er tegenwoordig meer nieuwe informatie over virussen beschikbaar is en dat de fylogenetische schema's die door hem en zijn collega's zijn gemaakt in de nabije toekomst grote veranderingen zullen ondergaan. "Over drie jaar zullen deze schema's veel completer zijn, omdat we zoveel nieuwe monsters van deze virussen zullen vinden", belooft Holmes.
Mallory Locklear
