Virusse 1: Die ontstaan van virusse
VIRUSSE 1:
Die ontstaan van virusse
François Durand
Wat is ‘n virus?
Die eenvoudigste definisie is dat virus
se mikroskopiese klein sel-parasiete is.
Hulle voorkoms verskil net soveel soos hul gashere en hul herkoms, maar daar is ‘n paar kenmerke wat hulle in gemeen het:
Virusse is baie klein – meestal met ‘n deursnit van minder as 200 nm.
Tweedens is hulle altyd van ‘n gasheersel afhanklik vir voortplanting.
Derdens het geen virus, sover bekend, enige ribosome nie wat ‘n baie belangrike onderdeel van ‘n sel se proteïen-translasie-sisteem is.
Sekere bakteriofage (dit is virusse wat op Archaea en bakterieë parasiteer) het ‘n kop of kapsied waarin die genetiese materiaal van die virus gehuisves word, ‘n nek, ‘n stert en ‘n basisplaat waaraan en kort- en lang stertvesels vasgeheg is. Sommige van hierdie bakteriofage het dekorasieproteïene wat aan die kop vasgeheg is en wat dit stabiliseer. Dit gee die kop van hierdie virusse ‘n kristalagtige voorkoms.
Die stert van hierdie virusse dien as ‘n adsorpsie meganisme wat die spesifieke bakterieë of Archaea wat dit op parasiteer uitken. Daar kom dikwels ‘n selwand-perforerende struktuur soos die sentrale pen, wat onder die basisplaat voorkom, voor. Die stert het ‘n buis in die middel daarvan wat soos ‘n inspuiting werk om die genetiese materiaal van die virus in die gasheersel te spuit. Hierdie tipe virusse word in drie groepe opgedeel: die Myoviridae (het ‘n lang stert wat kan saamtrek), die Podoviridae (het ‘n kort nie-saamtrekbare stert) en die Siphoviridae (het ‘n lang, buigbare, nie saamtrekbare stert).
‘n Basisplaat kom onder aan die stert van die Myoviridae en die Siphoviridae voor. ‘n Verandering van die samestelling van die molekules in die basisplaat veroorsaak die saamtrekking van die stert in die Myoviridae en dus die inspuiting van die virale genetiese materiaal in die gasheersel in. Daar is ‘n aantal vesels aan die basisplaat vasgeheg. Hierdie vesels is verantwoordelik vir die permanente vashegting van die virus aan die gasheersel se buitenste membraan.
Hoe verskil virusse van ware organismes?
Eers moet ons die vraag antwoord van wat ons as lewe beskou en dit is ‘n geweldig moeilik om dit te beskryf of te definieër of konsensus, selfs onder wetenskaplikes, daaroor te kry. En wanneer die filosowe begin deelneem, raak dinge eers kompleks.
Meeste bioloë sal aanvaar dat die volgende kenmerke ‘n lewende organisme beskryf:
‘n Lewende organisme kan groei, voortplant, interne homeostase handhaaf, op prikkels reageer, verskeie metaboliese prosesse uitvoer en het oor tyd geëvolveer.
Meeste virusse daarenteen het slegs twee van hierdie aspekte: hulle kan voortplant en evolveer (verander oor tyd), maar hulle het nie een van die ander vermoëns wat ons in lewende organismes vind nie. Selfs hul voortplanting kan slegs met die hulp van die gasheer se DNS en metaboliese stelsels uitgevoer word wat die hoofrede is hoekom hulle selparasiete is.
Meeste virusse kan nie metaboliese prosesse uitvoer nie – hulle kan byvoorbeeld glad nie ATP vervaardig nie want hulle besit nie mitochondria nie. Hulle het ook nie ribosome nie wat nodig is om boodskapper RNS te bind en polipeptiede en proteïene te vervaardig. Aangesien virusse nie een van hierdie prosesse kan uitvoer wat allerbelangrik vir die onderhouding van lewe is en waarsonder lewe nie kan bestaan nie, moet ons vanuit ‘n biologiese oogpunt virusse as nie-lewende parasities-voortplantende organiese entiteite sien.
Hoe ontstaan virusse?
Dit is moeilik om met ‘n eenvoudige verduideliking vorendag te kom aangesien daar verskillende soorte virusse is – vanaf reuse virusse wat so groot soos selle is, tot prione wat net uit ‘n molekule bestaan. Daar is dus duidelik verskeie wyses waarop hierdie verskillende virusse ontstaan. Sekere virusse kan selfs vir ons ‘n aanduiding gee van hoe die voorsate van organismes gelyk het.
Die eerste leidraad is dat sekere virusse, soos die poliovirus, se genetiese materiaal uit RNS bestaan terwyl ander, soos die herpesvirus s’n, uit DNS bestaan wat aandui dat die eerste groep vanuit die RNS van ‘n gasheer-organisme ontstaan het en die tweede vanuit die DNS van ‘n gasheer-organisme.
Daarbenewens kan die genetiese materiaal van die virus as ‘n dubbelstring, soos in die geval van die griepvirus, of ‘n enkelstring, soos in die geval van die pokkevirus, voorkom. DNS (dsDNS) kom gewoonlik as ‘n dubbelstring voor, maar kan ook as ‘n enkelstring DNS (esDNS) voorkom. Virusse met enkelstring DNS vervaardig dubbelstring DNS binne die besmette gasheersel.
Daar is drie hipoteses oor die ontstaan van virusse: 1. Die Progressiewe- of Ontsnappingshipotese; 2. Die Regressiewe- of Reduksiehipotese; en 3. Die Virus-eerste Hipotese.
Die Progressiewe- of Ontsnappingshipotese: virusse is genetiese materiaal wat die vermoë ontwikkel het om tussen selle te beweeg.
Volgens hierdie hipotese het virusse onstaan toe mobiele genetiese elemente, wat die vermoë gehad het om binne die genoom rond te beweeg, die vermoë ontwikkel het om een sel te verlaat en ‘n ander een binne te dring.
Die voortplanting van retrovirusse soos MIV is ‘n goeie voorbeeld om hierdie proses te illustreer. Retrovirusse besit ‘n enkelstring RNS genoom. Wanneer die virus die gasheersel binnedring, verander ‘n virale ensiem tru-transkriptase die enkelstring RNS in ‘n dubbelstring DNS. Hierdie stuk virale DNS migreer dan tot binne-in die gasheersel se kern waar ‘n ander virale ensiem integrase die nuwe stuk DNS binne die gasheersel se genoom integreer. Die gasheersel se ensiem RNA polimerase vervaardig dan nuwe RNS kopieë en virale proteïene met behulp van die stuk ingevoegde DNS. Membrane vorm rondom hierdie nuwe kopieë RNS en strukturele proteïene en sodoende word nuwe virusse gevorm wat die gasheersel verlaat om die hele proses in ander selle voort te sit.
Om hierdie hipotese beter te verstaan moet ons na die verskynsel van retrotransposons kyk. Retrotransposons is stukkies genetiese materiaal wat vanuit die DNS deur middel van RNS tussengangers losbreek, hulself met behulp van tru-transkriptase dupliseer en weer op ander plekke op die DNS ingeheg kan word. Dit word ‘n permanente kenmerk van die gasheer DNS wat na die volgende geslagte oorgedra word. Stukkies dubbelstring DNS kan ook losbreek en op ander plekke op die DNS molekule weer ingeheg word. ‘n Verbasende hoeveelheid, tot 42% van die menslike genoom, kan op hierdie wyse rondgeskommel word sonder enige ernstige gevolge vir die individu. Lewe is eintlik baie slordiger en lukraak as wat mens dink.
Sogenaamde virusagtige retrotransposons enkodeer ‘n tru-transkriptase ensiem en dikwels ook ‘n integrase ensiem – nes retrovirusse. As hierdie retrotransposons nog ‘n paar strukturele proteïene bykry kan dit die sel verlaat en sodoende ‘n virus word. Die genetiese samestelling van retrovirusse en virusagtige retrotransposons toon groot ooreenkomste.
Die Regressiewe- of Reduksiehipotese: virusse is oorblyfsels van enkelsellige organismes.
Die vorming van virusse kan ook moontlik deur ‘n regressiewe of reduktiewe proses plaasvind. Sekere bakterieë soos Chlamydia en Rickettsia, wat slegs as obligate intersellulêre parasiete bakterieë kan bestaan, het vanuitvrylewende voorouers ontstaan. ‘n Interessante feit is dat die genoom van Rickettsia en mitochondria ooreenkomste toon wat daarop dui dat hulle vanuit ‘n gemeenskaplike voorouer ontstaan het (Andersson et al., 1998). Dit is nog ‘n bevestiging van die endosimbiont teorie en suggereer hoe mitochondria se voorouers in die eerste plek in die sel beland het – eers as prooi maar wat later ‘n simbiont geword het. Hierdie hipotese postuleer verder dat hierdie virusse oorbodige genetiese inligting verloor het in hulle transformasie van vrylewende organisme tot hul huidige parasitiese status wat ‘n parasitiese voortplantingstrategie insluit.
Die nukleositoplasmiese groot DNS virusse soos die pokkevirus en Mimivirus, een van die grootste virusse wat sovêr ontdek is, is die beste voorbeelde wat hierdie hipotese bevestig. Mimivirus is baie groter as ander virruse en is omtrent so groot soos ‘n bakterium. Waarteenoor die genoom van virusse soos die poliovirus amper 200 000 basispare bevat, het Mimivirus ‘n genoom van 1.2 miljoen basispare. Die interne kompleksiteit van hierdie groot virusse is ook heelwat meer kompleks as dié van ander virusse en omdat hulle ‘n groot hoeveelheid virale ensieme besit is hulle minder afhanklik van die gasheersel vir voortplanting. Na die ontdekking van Mimivirus in 2006, was nog groter virusse ontdek – die sogenaamde Megavirusse en in 2013 was nog groter amoeba-besmettende virusse ontdek wat die Pandoravirusse genoem word (Philippe et al., 2013). Hierdie reuse virusse met genome van tot 2.5 miljoen basispare, vorm die oorgang tussen parasitiese eukariotiese organismes en gewone virusse.
Volgens hierdie hipotese het hierdie virusse van vrylewende voorouers ontstaan wat oorspronklik as prooi vir die gasheersel gedien het maar later weerstandig teen die gasheersel se verteringsensieme geword het en ‘n simbiotiese lewenswyse binne die sel ontwikkel het. Die simbiotiese lewenswyse het later in ‘n parasitiese een verander soos wat die een organisme meer afhanklik van die ander geword het. Hulle het van hulle essensiële gene verloor wat hulle vermoë om onafhanklik voort te plant ontneem het en hulle in obligate intersellulêre parasiete verander het.
Die Virus-eerste Hipotese: virusse is die voorgangers van hul huidige gasheerselle of het saam met hulle ontstaan.
Daar is ‘n spesifieke groep virusse vir elkeen van die Domeine Archaea, Bacteria en Eukaria wat hulle parasiteer en word die archaeale, bakteriële en die die eukariotiese bakterieë genoem. Volgens die voorafgaande twee hipoteses het virusse vanuit reeds bestaande lewensvorme ontstaan, maar wat daarvan as virusse hoër lewensvorme voorafgegaan het? Na als, lewe moes uit een of ander organiese voorganger, iewers op die grens van lewe en nie-lewe, ontstaan het. Navorsers soos Kooinin en Martin (2005) postuleer dat virusagtige RNS, in ‘n voorsellige wêreld, as die eerste self-repliserende organiese eenhede ontstaan het en mettertyd meer en meer kompleks geword, totdat dit met die ontstaan van sekere ensieme wat membrane en ander strukture gevorm het, oorsprong aan die eerste selle gegee het. Volgens hierdie hipotese het sekere van hierdie RNS stringe as selparasiete bly voortbestaan na die eerste ware selle gevorm het, en sodoende die eerste virusse geword. Daar word ook gepostuleer dat die membraan-gebonde kern van die sel deur die insluiting van ‘n virus in ‘n bakteriële sel bewerkstellig kon word (Villarreal en DeFilippis, 2000 en Bell, 2001). Dit sal die ontstaan van die eukariotiese sel vanuit ‘n prokariotiese voorouer verduidelik.
Dit is moontlik dat nie een van hierdie hipoteses 100% korrek is nie en dat virusse moontlik verskeie kere op verskillende wyses ontstaan het, selfs op maniere waaraan ons nog nie gedink het nie.
Verwysings:
Andersson, S. G. E. et al. (1998). The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Nature 396:133–143.
Bell, P. J. L. (2001) Viral eukaryogenesis: Was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus? Journal of Molecular Evolution 53:251–256.
Koonin, E. V. & Martin, W. (2005) On the origin of genomes and cells within inorganic compartments. Trends in Genetics 21:647–654.
Philippe, N.; Legendre, M.; Doutre, G.; Couté, Y.; Poirot, O.; Lescot, M.; Arslan, D.; Seltzer, V.; Bertaux, L.; Bruley, C.: Garin, J.; Claverie J-M. & Abergel, C. (2013). Pandoraviruses: Amoeba viruses with genomes Up to 2.5 Mb reaching that of parasitic eukaryotes. Science 341(6143):281-286.
Villarreal, L. P. & DeFilippis, V. R. (2000) A hypothesis for DNA viruses as the origin of eukaryotic replication proteins. Journal of Virology 74:7079–7084.
Wessner, D. R. (2010). The Origins of Viruses. Nature Education 3(9):37.
Lees meer oor virusse in Afrikaans:
Virus. Wikipedia. https://af.wikipedia.org/wiki/Virus
Virus. Wêreldspektrum (1982) 28:155-156.