Die wissenschaftliche Entdeckung, dass Viren häufig und unerwartet von Art zu Art wandern, verändert unser Verständnis ihrer Evolutionsgeschichte und könnte besorgniserregende Folgen in Form neuer Krankheiten haben.
Woher kommen ihre Viren, wenn sich neue Arten bilden? Viren, die kaum mehr als eine Herde frei weidenden genetischen Materials sind, benötigen dringend die zellulären Strukturen und Ressourcen ihres Wirts, um sich immer wieder zu vermehren. Ein Virus ohne Host ist nichts.
Aufgrund dieser Abhängigkeit bleiben einige Viren ihren Wirten während der gesamten Evolution treu und mutieren und verändern sich jedes Mal geringfügig, wenn sich der Wirt in eine neue Spezies verwandelt. Dieser Prozess wird als Co-Divergenz bezeichnet. Menschen und Schimpansen haben zum Beispiel leicht unterschiedliche Hepatitis-B-Viren, die höchstwahrscheinlich von der Version mutiert sind, die den gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Affen vor mehr als vier Millionen Jahren infiziert hat.
Eine andere Option, die als Interspezies-Übergang bezeichnet wird, tritt auf, wenn ein Virus auf einen völlig neuen Hosttyp migriert, der nichts mit dem vorherigen zu tun hat. Diese Art der Virusentwicklung ist mit schwerwiegenden neuen Krankheiten wie Aviärer Influenza, HIV, Ebola und SARS verbunden. Und da solche Krankheiten äußerst gefährlich sind, haben wir das Glück, dass der Übergang zwischen den Arten ziemlich selten vorkommt.
Als Wissenschaftler in Australien kürzlich die erste Studie zur Langzeitentwicklung von Tausenden verschiedener Viren durchführten, kamen sie jedoch zu dem erstaunlichen Schluss, dass der Übergang zwischen Arten viel wichtiger ist und viel häufiger stattfindet, als wir es uns vorgestellt haben. Der Artenwechsel ist die treibende Kraft hinter den meisten großen evolutionären Neoplasien bei Viren. In der Zwischenzeit ist die Ko-Divergenz weniger verbreitet als erwartet und führt hauptsächlich zu allmählichen Veränderungen.
"Sie haben sehr überzeugend gezeigt, dass Ko-Divergenz eher die Ausnahme als die Regel ist", sagte der Evolutionsbiologe Pleuni Pennings, Assistenzprofessor an der Universität von San Francisco und nicht an der australischen Studie beteiligt.
Diese Ergebnisse bedeuten keineswegs, dass neue Krankheiten, die sich aus dem Übergang zwischen Arten ergeben, eine ernstere und unmittelbar drohende Bedrohung darstellen als von der Medizin angenommen. Sie zeigen jedoch, dass die Evolutionsdynamik von Viren überraschend komplex sein kann. Wenn Wissenschaftler die Häufigkeit des Übergangs von Viren zu neuen Wirten unterschätzt haben, wird es in diesem Fall zu einer sehr wichtigen Priorität, zu untersuchen, welche Viren dafür am anfälligsten sind.
Es gibt viele Gründe, warum Interspeziesprünge wahrscheinlich keinen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung von Viren haben. Die Hindernisse, die verhindern, dass ein Virus erfolgreich von einer anderen Spezies auf einen Wirt übertragen wird, sind sehr schwerwiegend und gewaltig. Wenn das Virus nicht in der Lage ist, das genetische Material des Wirts zu manipulieren und sich zu reproduzieren, ist dies eine Sackgasse, das Ende eines Zweigs. Das Virus benötigt möglicherweise viele Versuche, einen neuen Wirt zu infizieren, den es seit Jahrzehnten oder noch länger herstellt, und akkumuliert zu diesem Zeitpunkt entsprechende Mutationen. Er tut dies, bis er sich behauptet und beginnt, sich zu vermehren und zu verbreiten.
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Im vergangenen Frühjahr gab beispielsweise eine Gruppe von Biologen und biomedizinischen Forschern unter der Leitung von Susan VandeWoude, Professorin für Vergleichende Medizin an der Universität von Colorado, ein Beispiel für einen so genannten unvollständigen Übergang zwischen Arten. Vandewood erforscht Lentiviren. Dies ist die Art von Retrovirus, zu der HIV gehört. Seine Träger sind Pumas und rote nordamerikanische Luchse. Die Professorin fand zusammen mit ihrem Forschungsteam in einem Puma in Kalifornien und Florida ständig ein bestimmtes Lentivirus des roten Luchses. Aber jedes Mal, wenn die genetischen Daten darauf hinwiesen, dass dieses Virus als Ergebnis des Kontakts eines Pumas mit einem infizierten Luchs auftrat, beispielsweise wenn der Puma einen Luchs aß, und nicht von einem anderen infizierten Puma, der ihn verbreitete. Die Konzentration des Virus in Pumas war ebenfalls niedrig, was darauf hinweistdass das Virus schwer zu reproduzieren ist.
Kurz gesagt, das Virus trat in einen neuen Katzenwirt ein, aber der Organismus des Wirts war für den Parasiten nicht sehr geeignet und konnte sich nicht richtig darauf niederlassen. "In vielen Übergängen gab es keine Hinweise darauf, dass sich das neue Virus in Pumas vermehrt", stellt Vandewood fest. (Im Gegensatz dazu stellte Vandewoods Team fest, dass eine bestimmte Form des Luchsvirus zu den Florida-Panthern migrierte, die die von ihnen angepasste Variante übermittelten.) Da Lentivirus-Übergänge von einer Katzenart zu einer anderen so häufig auftreten, kann es im Laufe der Zeit ziemlich stark mutieren, wonach der Puma wird ein geeigneter Lebensraum für ihn. Dies ist jedoch bisher nicht geschehen, obwohl es viele solcher Möglichkeiten gab.
Wenn Viren erfolgreich von einer Art zur anderen springen, können sie außerdem Opfer ihres eigenen Erfolgs werden. Dies gilt hauptsächlich für kleine isolierte Populationen (so viele neue Arten wurden geboren). Gefährliche Viren können sehr schnell verfügbare Wirte zerstören, wonach sie von selbst verschwinden.
Aus diesem Grund können Virologen mit einem hohen Maß an Sicherheit sagen, dass selbst wenn Interspeziesprünge über einen weiten Zeitraum häufig auftreten, eine gemeinsame Divergenz von Viren und ihren Wirten die Norm sein kann. Es gibt jedoch nur wenige experimentelle Beweise, die diese Annahme stützen. „Die ideale Ko-Divergenz ist eines dieser Phänomene, über die man lernen kann. Wenn Sie jedoch versuchen, gute Beispiele für diese Art der Ko-Divergenz zu finden, stellt sich heraus, dass sie sehr, sehr selten sind “, sagt Pennings.
Der Biologieprofessor an der Universität von Sydney, Edward Holmes, und seine australischen Kollegen beschlossen, dieses Rätsel zu lösen. Mithilfe von Daten zum Virusgenom rekonstruierten sie die Evolutionsgeschichte von 19 großen Virusfamilien, von denen jede 23 bis 142 Viren enthält, die in einer Vielzahl von Wirten leben, von Säugetieren bis zu Fischen und Pflanzen. Sie erstellten phylogenetische (evolutionäre) Schemata für Virusfamilien und für ihre Wirtsspezies und verglichen sie dann. Wissenschaftler argumentierten wie folgt: Wenn ein Virus im Wesentlichen mit seinem Wirt zusammenlenkt und sich mit ihm entwickelt, sollte in diesem Fall das phylogenetische Schema des Virus dem Schema seines Wirts ähnlich sein, da die Vorfahren des Virus die Vorfahren des Wirts infiziert haben müssen. Aber wenn der Virus von Host zu Host springt,Die Evolutionsmuster von Wirten und Viren werden unterschiedlich aussehen. Wie anders ist es? Dies hängt von der Anzahl der Übergänge zwischen den Arten ab.
In ihrer Arbeit, die in der Zeitschrift PLOS Pathogens veröffentlicht wurde, berichteten sie, dass in allen 19 Familien von Viren Übergänge zwischen Arten weit verbreitet waren. Holmes sagte, es sei keine Überraschung für ihn, dass jede von ihnen untersuchte Virusfamilie so aussah, als würde sie einen Sprung zwischen den Arten machen. Aber er war überrascht, wie oft sie im Laufe ihrer Geschichte solche Sprünge machten. "Sie alle machen es", sagte Holmes. "Und das ist etwas Außergewöhnliches."
In Bezug auf die Frage, warum Wissenschaftler bisher nicht erkannt haben, wie wichtig interspezifische Übergänge für die Evolution des Virus sind, erklärte Holmes, dass Autoren phylogenetischer Studien das Problem in der Vergangenheit oft zu eng betrachtet haben, indem sie eine relativ kleine Anzahl von Wirtsspezies und Viren untersuchten und dies in einem kurzen Zeitrahmen taten … In 10 oder 20 Jahren erhalten Sie möglicherweise keinen Interspeziesprung. "Und in einer Million Jahren ist dies definitiv passiert", sagte Holmes.
Sein innovativer Ansatz "bietet Einblick in langfristige Beziehungen zwischen Wirten und Viren", sagte John Denn, Associate Professor für Biologie am Queens College, der Studie.
Holmes und seine Kollegen beobachteten, wie und warum es zu Übergängen zwischen Spezies kommt, indem sie RNA-Viren (die RNA als genetisches Material verwenden) beobachteten. Sie kamen zu dem Schluss, dass solche Viren viel häufiger speziesübergreifend sind als DNA-Viren (die DNA verwenden). "Dies ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sie eine höhere Mutationsrate haben", sagte Vandewood. Mit einer Kombination aus einem kleineren Genom und einer höheren Mutationsrate hat das RNA-Virus eine bessere Chance, sich an die Umgebung des neuen Wirts anzupassen.
Darüber hinaus erklärt Holmes diesen Trend durch die unterschiedlichen Lebenszyklen von RNA- und DNA-Viren. Infektionen mit Beteiligung von RNA-Viren sind oft schwierig, aber nur von kurzer Dauer, dh die Krankheit kommt und geht ziemlich schnell, wie dies bei der Grippe oder der Erkältung der Fall ist. Diese Vergänglichkeit führt dazu, dass das Virus möglicherweise die Gelegenheit verpasst, Teil der aufkommenden Wirtsspezies zu werden. "Bei einem gefährlichen Virus hält die schädliche Wirkung Tage oder Wochen an", sagt Holmes. „Und im Durchschnitt ist eine Ko-Divergenz in solchen Fällen selten. Es ist nur so, dass der Virus ziemlich schnell verschwindet."
Infektionen mit dem DNA-Virus sind jedoch häufig chronisch. Wenn ein Teil der Wirtspopulation von seiner typischen Form abweicht, um eine neue Art zu erzeugen, ist es wahrscheinlicher, dass er das Virus mitnimmt, da viel mehr Wirte infiziert sind. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit einer Ko-Divergenz zwischen dem Virus und seinem neuen Wirt.
Der Lebensstil des Wirts spielt auch eine Rolle beim Übergang von Viren und bei der Ko-Divergenz dieser Interspeziesprünge. "Wir wissen, dass die Größe und Dichte der Wirtspopulation sehr wichtig sind und dieser Faktor bestimmt, wie viele Viren sie tragen", sagt Holmes. Als Beispiel nennt er Fledermäuse. Fledermäuse neigen dazu, eine große Anzahl verschiedener Viren zu tragen, aber dies ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass es eine große Anzahl von Fledermäusen gibt. Solche großen Populationen fangen das Virus eher ab. "Es gibt eine sehr einfache ökologische Regel: Je mehr Wirte, desto gefährlicher können Viren sein", bemerkt Holmes. "Es ist nur so, dass der Virus eine bessere Chance hat, einen anfälligen Host zu finden."
1975 schrieb Francis L. Black von der Yale University ein Forschungspapier, das ein tiefgreifendes Verständnis der Auswirkungen der Dynamik der Wirtspopulation auf menschliche Krankheiten lieferte. Wissenschaftler haben die eher isolierten und kleinen Gemeinschaften der Ureinwohner des Amazonas untersucht und festgestellt, dass chronische Virusinfektionen bei diesen Menschen ziemlich häufig auftreten, akute Infektionen jedoch größtenteils fehlen. Die Isolation schützt diese Stämme vor neuen Viren. Diese wenigen gefährlichen Viren, die dennoch in die indigenen Gemeinschaften gelangten, starben bald aus. Sie hatten nur wenige Wirte, um zu überleben, und daher verschwanden die Viren ziemlich schnell.
Die Feststellung, dass interspezifische Übergänge häufig auftreten, kann erhebliche Bedenken hervorrufen, da sie mit gefährlichen neuen Krankheiten verbunden sind. In der Vergangenheit gab es viele Sprünge und sie kamen häufig vor. Was hat die Zukunft für uns zu bieten - das Gleiche, aber in großen Mengen?
Nicht unbedingt. „Statistiken über Übergänge zwischen Arten aus der Vergangenheit sagen die Zukunft nicht immer genau voraus, insbesondere wenn es um Menschen geht“, sagt Pennings. Unser heutiger Lebensstil unterscheidet sich auch von dem, wie die Menschen noch vor wenigen Jahrhunderten lebten, und daher scheint das Risiko, an neuen Krankheiten zu erkranken, für uns anders zu sein.
Eine Person ist auch Träger einer großen Anzahl von Viren. Unsere Populationen sind zu groß und wir sind unglaublich mobil, was bedeutet, dass wir Viren ganz einfach und einfach an neue anfällige Wirte übertragen können. „Wir tun viele Dinge, die die Wahrscheinlichkeit einer Virusübertragung erhöhen. Wir lieben es, unsere Nase an Orten zu stechen, an denen wir nicht hingehen sollten, wir gehen zu oft Risiken ein, wir essen, was wir nicht essen sollten “, sagt Vandewood. "Wir sind wahrscheinlich die schlimmsten Verstöße gegen die Regeln, und deshalb werden wir meistens zum Gegenstand von Interspeziesprüngen - einfach weil wir manchmal wahnsinnige Handlungen begehen."
Solche wahnsinnigen Handlungen führen oft zu Kollisionen mit anderen Arten. Je öfter wir dies tun, desto mehr sind wir neuen Viren ausgesetzt. Die Arten, mit denen wir in Kontakt kommen, gefährden uns am häufigsten. "Wir werden eher mit Mäusen als mit Tigern infiziert", sagt Pennings.
Weitere Forschungen zur Geschichte der Evolution von Viren werden den Wissenschaftlern jedoch helfen, zu verstehen, ob es Arten gibt, denen wir als Quellen für neue Infektionen mehr Aufmerksamkeit schenken sollten. (Epidemiologen überwachen Viren, die vom Geflügel auf den Menschen übertragen werden, bereits genau, weil sie die Vogelgrippe fürchten.) Viren von Pflanzen, Fischen und Säugetieren sind für den Menschen wahrscheinlich genauso gefährlich. Es ist ebenso möglich, dass Wissenschaftler in der Forschung zur Vorhersage der nächsten Epidemie ihren Fokus auf einige wenige Risikogruppen beschränken.
Holmes hat einen anderen Standpunkt. "Ich denke nicht, dass Prognosen in diesem Fall effektiv sein können", sagt er. "Ich verstehe, warum dies getan wird, aber die Anzahl der neuen Viren, die wir entdecken, ist riesig, und daher sind Prognosen in diesem Fall einfach ungeeignet."
Glücklicherweise ist diese Art der Analyse mit dem Aufkommen und der Entwicklung der Metagenomik, wie der Zweig der Genomik genannt wird, einfacher geworden, der nicht das Genom eines einzelnen Organismus untersucht, sondern die Gesamtheit der aus der Umwelt gewonnenen genomischen Informationen. Im Rahmen dieser Forschung wählen Holmes und Kollegen Genomsequenzen aus einer Vielzahl verfügbarer Datenbanken aus. Sie benötigen keine physischen Proben von Viren, und dies ist an sich eine Innovation auf dem Gebiet der Forschung. "Die Virologie betritt ein neues Stadium, in dem mithilfe der Metagenomik massiv Proben entnommen werden können, um zu sehen, was sich dort befindet", sagt Holmes.
Er stellt außerdem fest, dass heute mehr neue Informationen über Viren verfügbar sind und daher die von ihm und seinen Kollegen in naher Zukunft erstellten phylogenetischen Schemata wesentliche Änderungen erfahren werden. "In drei Jahren werden diese Schemata viel vollständiger sein, weil wir so viele neue Proben dieser Viren finden werden", verspricht Holmes.
Mallory Locklear
