Paläovirologie

von Lara Winckler (Laborjournal-Ausgabe 01, 2011)

Viren sind klein, infektiös und strenggenommen keine Lebewesen. Sie bestehen aus DNA oder RNA, welche die Informationen zu ihrer Replikation und zur Reproduktion enthält. Ohne eigenen Stoffwechsel, Zytoplasma, Ribosomen oder Mitochondrien jedoch können sie selbst weder Nukleinsäuren replizieren noch Proteine herstellen. Doch wozu gibt es genügend andere, die das können? Viren infizieren Wirtszellen und programmieren diese dergestalt um, dass sie fortan nur noch Virionen produzieren – die Transportform der Viren, bestehend aus Nukleinsäure und einer Proteinhülle (Kapsid).

Manche Viren, wie die Retroviren, inserieren die eigene DNA in die ihrer Wirtszelle und werden, sofern sie in die Keimbahn gelangen, als Teil des Wirtsgenoms an die Nachkommen vererbt. Man nimmt an, dass rund acht Prozent des menschlichen Genoms ursprünglich von endogenisierten Retroviren stammen. Andere Viren replizieren im Wirtszellkern und landen dabei hin und wieder auch – versehentlich – im Wirtsgenom. So geschehen bei einigen Hepadnaviren.

Hepadnaviridae, zu denen die Hepatitits B-Viren gehören, sind kompakte (3.000 bp), teilweise doppelsträngige DNA-Viren, die zahlreiche Säugetiere und Vögel infizieren und jedes Jahr für rund 600.000 Todesfälle verantwortlich zeichnen. Hepadnaviren replizieren im Wirtszellkern über eine revers transkribierte RNA-Zwischenstufe. Obwohl sie das Wirtsgenom nicht in die Replikation mit einbeziehen, verbringen sie doch viel Zeit Wange an Wange mit ihm; zufällige chromosomale Integrationen sind daher durchaus möglich. Tatsächlich findet man in Leber- und anderen Zellen chronisch HBV-Infizierter jede Menge Integrationen.

Dennoch waren die Evolutionsgenetiker Cédric Feschotte und Clément Gilbert, Uni Texas in Arlington, überrascht, als sie im Zebrafink-Genom (Taeniopygia guttata) Fragmente von Hepadnaviridae fanden. Den Fund machten sie eher zufällig: Spät nachts führte Cédric Feschotte in GenBank einen Datenbank-Abgleich mit dem Enten-Hepatitis-B-Virus (DHBV) durch. „Ich spielte nur herum“, erinnert er sich, und er erwartete nicht, viel zu finden. Doch er fand etwas: Insgesamt 15 Hepadnavirenfragmente, verteilt auf 10 der 33 Zebrafinken-Chromosomen. Er nannte sie endogenous zebra finch HBVs (eZHBVs).

Wann hatten die Viren die Vögel infiziert? Und wieso zeigten diese keine Anzeichen von Erkrankung?


Viren sind älter als gedacht

Die Virusfragmente waren bis zu 75 Prozent mit dem DBHV-Genom identisch und deckten rund 70 Prozent desselben ab. Die hohe Mutationsrate freilebender Hepadnaviren eingerechnet könnten die endogenisierten Viren also ein paar tausend Jahre alt sein. Doch evolvieren Viren in Freiheit viel schneller – so schnell, dass man ihre Evolution, Alter und Ursprung durch vergleichende Analysen kaum nachvollziehen kann. Die endogenisierten Viren dagegen sind im Wirtsgenom gefangen und durch Mutationen inaktiviert.

Hier beginnt die Arbeit der Paläovirologen. Feschotte und Gilbert machten sich auf die Suche nach viralen Sequenzen, die zu verschiedenen evolutionären Zeitpunkten im Wirtsgenom fossilisiert wurden – die endogenisierten Viren dienten ihnen als fossile Momentaufnahmen ihrer Evolution. Zu diesem Behufe sammelten sie Gewebeproben von fünf mit Zebrafinken näher und entfernter verwandten Arten: dem Olivnektarvogel (Cyanomitra olivacea), dem Junko (Junco hyemalis), einem nordamerikanischen Vogel aus der Familie der Ammern, der Gouldamadine (Chloebia gouldiae) und der Muskatamadine (Lonchura punctulata) sowie dem Gürtelgrasfinken (Poephila cincta) aus der Familie der Prachtfinken.

Wenn ein Virus in die Wirts-DNA inseriert, so tut es dies an zufälliger Stelle. Wenn also ein virales Fragment in zwei miteinander verwandten Vögeln an demselben (orthologen, also vererbten) Lokus sitzt, kann man davon ausgehen, dass die Integration evolutiv vor der Trennung der beiden Spezies passiert sein musste – dass ein und dasselbe Virusfragment zweimal an exakt dieselbe Stelle inseriert, ist extrem unwahrwahrscheinlich.

Feschotte und Gilbert fanden solche identischen Virusfragmente in vier der fünf untersuchten Vogelarten – nur bei dem am entferntesten mit dem Zebrafinken verwandten Olivnektarvogel fehlten sie. Da sich Cyanomitra olivacea vor etwa 35 Mio. Jahren von den anderen Arten abspaltete und der nächstälteste Verwandte, Junco hyemalis, die Virusfragmente bereits besaß, schlossen die Forscher, dass die erste Hepadnaviridae-Insertion vor 35 bis 25 Mio. Jahren – als der Junko divergierte – stattgefunden haben musste.

Mit Hilfe der molecular clock-Methode bestätigten die beiden Paläovirologen ihre Ergebnisse: Die molekulare Uhr setzt für jede Art eine konstante Rate genetischer Mutationen voraus. So kann man das Alter einer Art bestimmen – also den Zeitpunkt, als fossile und moderne DNA noch identisch waren. Da das Virus Teil des Finkengenoms war, verwendeten Feschotte und Gilbert die Standard-Mutationsrate für Vögel und errechneten so, dass die ersten Hepadnaviren das Vogelgenom vor 19 bis 40 Mio. Jahren geentert hatten (PLoS Biology, 28.9.2010).

Rechnet man die große Ähnlichkeit der fossilen Fragmente mit modernen Hepadnaviren (75 Prozent) dazu, so kann man auf Langzeit-Substitutionsraten von 10-8 Substitutionen pro Jahr und Base schließen, was rund 1000-mal langsamer ist als die Kurzzeit-Substitutionsraten, die anhand zirkulierender Hepadnaviren abgeschätzt worden waren.

Die unterschiedlichen Substitutionsraten können die Forscher noch nicht erklären, aber sie haben eine Verdächtige: der Reversen Transkriptase fehlt jede Korrekturfunktion, sie ist sehr fehleranfällig. Die Änderung der Transkriptions-Genauigkeit der RT im Lauf der Evolution könnte also dabei eine Rolle spielen.



Letzte Änderungen: 21.02.2011