HomeSaluteVirus e parassitiGli scienziati scoprono i misteri di come si evolvono i virus

Gli scienziati scoprono i misteri di come si evolvono i virus

Un team internazionale di ricercatori ha gettato nuova luce sulle prime fasi dell’evoluzione virale.

Guscio proteicoCredito: ETH Zürich / Stephan Tetter

Il team afferma che i risultati dello studio hanno implicazioni per il trattamento dei virus in futuro. Ricercatori delle Università di York e Leeds, in collaborazione con l’Hilvert Laboratory dell’ETH di Zurigo, hanno studiato la struttura, l’assemblaggio e l’evoluzione di un ‘contenitore’ composto da un enzima batterico per comprendere l’evoluzione dei virus.

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Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, descrive in dettaglio la trasformazione strutturale di queste particelle simili a virus in “contenitori” di proteine ​​più grandi. Rivela anche che l’imballaggio del carico genetico in questi contenitori diventa più efficiente durante le fasi successive dell’evoluzione. I ricercatori mostrano che ciò è dovuto al fatto che il genoma all’interno evolve i segni distintivi di un meccanismo ampiamente utilizzato dai virus naturali, incluso SAES-CoV-2, per regolare il loro assemblaggio. Quel meccanismo è stato una scoperta congiunta delle squadre di York e Leeds. Il Professor Reidun Twarock, dei dipartimenti di matematica e biologia dell’Università di York e del Centro interdisciplinare per l’analisi dei sistemi della Università di York, ha dichiarato: “Utilizzando una nuova tecnica interdisciplinare sviluppata nel nostro team finanziato dal Wellcome Trust a Leeds e dalla York, siamo stati in grado di dimostrare che questo sistema artificiale ha evoluto le caratteristiche molecolari di un “meccanismo di assemblaggio del virus”, consentendo un confezionamento efficiente del suo carico genetico”. Nella sua evoluzione, la particella artificiale simile a un virus impacchetta e protegge efficacemente più copie del proprio RNA messaggero codificante.

Il Professor Peter Stockley dell’Astbury Center for Structural Molecular Biology dell’Università di Leeds, ha dichiarato: “La cosa notevole è che questa particella artificiale simile a un virus si evolve per essere più efficiente nell’impacchettare l’RNA. La nostra collaborazione mostra che, seguendo i passaggi evolutivi, gli RNA messaggeri incapsulati incorporano più segnali di confezionamento rispetto agli RNA di partenza.

“In altre parole, il fenomeno su cui abbiamo lavorato nei virus naturali “evolve” in una particella artificiale e i risultati in questo articolo descrivono quindi un processo che potrebbe essersi verificato nella prima evoluzione dei virus. Questa comprensione ci consente di sfruttare questi contenitori come veicoli di consegna per scopi terapeutici genici”.

Le origini dei virus: come si sono evoluti i virus? 

Ma come si sono evoluti i virus? Sono una forma semplificata di qualcosa che esisteva molto tempo fa o il culmine finale di elementi genetici più piccoli uniti insieme?

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La storia evolutiva dei virus rappresenta un argomento affascinante, anche se oscuro, per virologi e biologi cellulari . A causa della grande diversità tra i virus, i biologi hanno avuto difficoltà a classificare queste entità e a metterle in relazione con l’albero della vita convenzionale. Possono rappresentare elementi genetici che hanno acquisito la capacità di muoversi tra le cellule. Possono rappresentare organismi precedentemente a vita libera che sono diventati parassiti. Potrebbero essere i precursori della vita come la conosciamo.

Le basi dei virus
Sappiamo che i virus sono piuttosto diversi. A differenza di tutte le altre entità biologiche, alcuni virus, come il poliovirus, hanno genomi di RNA e alcuni, come l’herpesvirus, hanno genomi di DNA. Inoltre, alcuni virus (come il virus dell’influenza) hanno genomi a singolo filamento, mentre altri (come il vaiolo) hanno genomi a doppio filamento. Le loro strutture e strategie di replica sono ugualmente diverse. I virus, tuttavia, condividono alcune caratteristiche: in primo luogo, sono generalmente piuttosto piccoli, con un diametro inferiore a 200 nanometri (nm). In secondo luogo, possono replicarsi solo all’interno di una cellula ospite. In terzo luogo, nessun virus noto contiene ribosomi, un componente necessario del meccanismo di traduzione delle proteine ​​di una cellula.
I virus sono vivi?
Un diagramma schematico mostra due gruppi di organismi: organismi che codificano il capside e organismi che codificano i ribosomi.  I due gruppi sono mostrati su una sfera divisa a metà e le linee che si irradiano da dove le due metà si incontrano rappresentano diversi taxa all'interno dei due gruppi.  La metà superiore della sfera rappresenta gli organismi che codificano il capside, che sono virus, e include virus di Archaea, virus di batteri e virus di Eukarya.  La metà inferiore della sfera rappresenta organismi che codificano i ribosomi e include batteri, archei ed eucarya.

Figura 1

Per considerare questa domanda, dobbiamo avere una buona comprensione di cosa intendiamo per “vita”. Sebbene le definizioni specifiche possano variare, i biologi generalmente concordano sul fatto che tutti gli organismi viventi mostrano diverse proprietà chiave: possono crescere, riprodursi, mantenere un’omeostasi interna , rispondere agli stimoli ed eseguire vari processi metabolici. Inoltre, le popolazioni di organismi viventi si evolvono nel tempo.

I virus sono conformi a questi criteri? Sì e no. Probabilmente tutti ci rendiamo conto che i virus si riproducono in qualche modo. Possiamo essere infettati da un piccolo numero di particelle virali, ad esempio inalando le particelle espulse quando un’altra persona tossisce, e poi ammalarci diversi giorni dopo mentre i virus si replicano all’interno del nostro corpo. Allo stesso modo, probabilmente tutti ci rendiamo conto che i virus si evolvono nel tempo. Abbiamo bisogno di un vaccino antinfluenzale ogni anno principalmente perché il virus dell’influenza cambia, o si evolve, da un anno all’altro (Nelson & Holmes 2007).

I virus, tuttavia, non svolgono processi metabolici. In particolare, i virus differiscono dagli organismi viventi in quanto non possono generare ATP. I virus inoltre non possiedono i macchinari necessari per la traduzione, come menzionato sopra. Non possiedono ribosomi e non possono formare indipendentemente proteine ​​da molecole di RNA messaggero. A causa di queste limitazioni, i virus possono replicarsi solo all’interno di una cellula ospite vivente. Pertanto, i virus sono obbligati ad essere parassiti intracellulari. Secondo una rigorosa definizione di vita, sono non viventi. Non tutti, però, sono necessariamente d’accordo con questa conclusione. Forse i virus rappresentano un diverso tipo di organismo sull’albero della vita — gli organismi che codificano il capside, o CEO (Figura 1; Raoult & Forterre 2008).

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Da dove vengono i virus?

C’è molto dibattito tra i virologi su questa domanda. Sono state articolate tre ipotesi principali: 1. L’ipotesi progressiva o di fuga, afferma che i virus sono nati da elementi genetici che hanno acquisito la capacità di muoversi tra le cellule; 2. l’ipotesi regressiva, o di riduzione, afferma che i virus sono residui di organismi cellulari e 3. l’ipotesi del primo virus afferma che i virus sono precedenti o coevoluti con i loro attuali ospiti cellulari.

L’ipotesi progressista
Secondo questa ipotesi, i virus si sono originati attraverso un processo progressivo. Elementi genetici mobili, pezzi di materiale genetico in grado di muoversi all’interno di un genoma, hanno acquisito la capacità di uscire da una cellula ed entrare in un’altra. Per concettualizzare questa trasformazione, esaminiamo la replicazione dei retrovirus, la famiglia di virus a cui appartiene l’HIV. I retrovirus hanno un genoma a RNA a filamento singolo. Quando il virus entra in una cellula ospite, un enzima virale, la trascrittasi inversa, converte l’RNA a singolo filamento in DNA a doppio filamento. Questo DNA virale migra quindi nel nucleo della cellula ospite. Un altro enzima virale, l’integrasi, inserisce il DNA virale appena formato nel genoma della cellula ospite. I geni virali possono quindi essere trascritti e tradotti. L’RNA polimerasi della cellula ospite può produrre nuove copie del genoma dell’RNA a singolo filamento del virus. I virus della progenie si assemblano ed escono dalla cellula per ricominciare il processo. Questo processo rispecchia molto da vicino il movimento di un componente importante, sebbene alquanto insolito, della maggior parte dei genomi eucariotici : i retrotrasposoni. Questi elementi genetici mobili costituiscono un sorprendente 42% del genoma umano (Lander et al. 2001) e possono muoversi all’interno del genoma tramite un intermedio di RNA. Come i retrovirus, alcune classi di retrotrasposoni, i retrotrasposoni di tipo virale, codificano una trascrittasi inversa e, spesso, un’integrasi. Con questi enzimi, questi elementi possono essere trascritti in RNA, retrotrascritti in DNA e quindi integrati in una nuova posizione all’interno del genoma. Possiamo ipotizzare che l’acquisizione di poche proteine ​​strutturali potrebbe consentire all’elemento di uscire da una cellula ed entrare in una nuova cellula, diventando così un agente infettivo. In effetti, le strutture genetiche dei retrovirus e dei retrotrasposoni di tipo virale mostrano notevoli somiglianze.
L’ipotesi regressiva

In contrasto con il processo progressivo appena descritto, i virus possono aver avuto origine tramite un processo regressivo o riduttivo. I microbiologi generalmente concordano sul fatto che alcuni batteri che sono parassiti intracellulari obbligati, come le specie Chlamydia e Rickettsia, si sono evoluti da antenati a vita libera. Infatti, studi genomici indicano che i mitocondri delle cellule eucariotiche e Rickettsia prowazekii possono condividere un antenato comune a vita libera (Andersson et al . 1998). Ne consegue, quindi, che i virus esistenti potrebbero essersi evoluti da organismi più complessi, possibilmente a vita libera, che hanno perso informazioni genetiche nel tempo, poiché hanno adottato un approccio parassitario alla replicazione. I virus di un particolare gruppo, i virus a DNA grande nucleocitoplasmatico (NCLDV), illustrano meglio questa ipotesi. Questi virus, che includono il virus del vaiolo e il gigante di tutti i virus recentemente scoperto, Mimivirus, sono molto più grandi della maggior parte dei virus (La Scola et al . 2003). Un tipico poxvirus a forma di mattone, per esempio, può essere largo 200 nm e lungo 300 nm. Circa il doppio di quella dimensione, Mimivirus mostra un diametro totale di circa 750 nm (Xiao et al . 2005). Viceversa, virus influenzale di forma sferica possono avere un diametro di soli 80 nm e le particelle di poliovirus hanno un diametro di soli 30 nm, circa 10.000 volte più piccole di un granello di sale. I NCLDV possiedono anche grandi genomi. Di nuovo, i genomi del poxvirus spesso si avvicinano a 200.000 paia di basi e Mimivirus ha un genoma di 1,2 milioni di paia di basi; mentre il poliovirus ha un genoma di soli 7.500 nucleotidi in totale. Oltre alle loro grandi dimensioni, i NCLDV presentano una maggiore complessità rispetto ad altri virus e dipendono meno dal loro host per la replica rispetto ad altri virus. Le particelle di poxvirus, ad esempio, includono un gran numero di enzimi virali e fattori correlati che consentono al virus di produrre RNA messaggero funzionale all’interno del citoplasma della cellula ospite. A causa delle dimensioni e della complessità degli NCLDV, alcuni virologi hanno ipotizzato che questi virus possano discendere da antenati più complessi. Secondo i sostenitori di questa ipotesi, gli organismi autonomi inizialmente hanno sviluppato una relazione simbiotica. Nel tempo, la relazione è diventata parassitaria, poiché un organismo è diventato sempre più dipendente dall’altro. Quando il parassita, una volta a vita libera, è diventato più dipendente dall’ospite, ha perso i geni precedentemente essenziali. Alla fine non è stato in grado di replicarsi autonomamente, diventando un parassita intracellulare obbligato, un virus. L’analisi del gigante Mimivirus può supportare questa ipotesi. Questo virus contiene un repertorio relativamente ampio di geni putativi associati alla traduzione, geni che potrebbero essere i resti di un sistema di traduzione precedentemente completo. interessante, Rickettsia prowazekii (Raoult et al . 2004).

L’ipotesi del primo virus

Sia l’ipotesi progressiva che quella regressiva presuppongono che le cellule esistessero prima dei virus. E se i virus esistessero prima? Recentemente, diversi ricercatori hanno proposto che i virus possano essere stati le prime entità a replicarsi. Koonin e Martin (2005) hanno postulato che i virus esistessero in un mondo precellulare come unità autoreplicanti. Nel tempo queste unità, sostengono, sono diventate più organizzate e più complesse. Alla fine, gli enzimi per la sintesi delle membrane e delle pareti cellulari si sono evoluti, determinando la formazione di cellule. I virus, quindi, potrebbero essere esistiti prima dei batteri, degli archei o degli eucarioti (Figura 4; Prangishvili et al . 2006). La maggior parte dei biologi ora concorda sul fatto che le primissime molecole replicanti consistessero di RNA, non di DNA. Sappiamo anche che alcune molecole di RNA, i ribozimi, esibiscono proprietà enzimatiche ; possono catalizzare reazioni chimiche. Forse, semplici molecole di RNA replicanti, esistenti prima che si formasse la prima cellula, hanno sviluppato la capacità di infettare le prime cellule. Gli odierni virus a RNA a singolo filamento potrebbero essere discendenti di queste molecole di RNA precellulari?Altri hanno sostenuto che i precursori degli odierni NCLDV hanno portato all’emergere di cellule eucariotiche. Villarreal e DeFilippis (2000) e Bell (2001) hanno descritto modelli che spiegano questa proposta. Forse, entrambi i gruppi postulano, l’attuale nucleo nelle cellule eucariotiche è nato da un evento di tipo endosimbiotico in cui un virus a DNA complesso e avvolto è diventato un residente permanente di una cellula eucariotica emergente.

Nessuna singola ipotesi può essere corretta
Da dove vengono i virus non è una domanda semplice a cui rispondere. Si può sostenere in modo abbastanza convincente che alcuni virus, come i retrovirus, siano sorti attraverso un processo progressivo. Gli elementi genetici mobili hanno acquisito la capacità di viaggiare tra le cellule, diventando agenti infettivi. Si può anche sostenere che i grandi virus sono sorti attraverso un processo regressivo per cui entità un tempo indipendenti hanno perso geni chiave nel tempo e hanno adottato una strategia di replicazione parassitaria. Infine, l’idea che i virus abbiano dato origine alla vita come la conosciamo presenta possibilità molto intriganti. Forse i virus di oggi sono sorti più volte, attraverso molteplici meccanismi. Forse tutti i virus sono sorti tramite un meccanismo ancora da scoprire. La ricerca di base di oggi in campi come la microbiologia, la genomica e la biologia strutturale può fornirci risposte a questa domanda fondamentale.

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