Mimivirus rex

Het Mimivirus doet de traditionele scheiding in de microbiologie tussen virus en bacterie vervagen. Het is reusachtig en heeft ongelofelijk veel genen. Wat moet een virus nou met 900 genen?

Hester van Santen

Alsof je in de keuken een muis vindt die zo groot is als de kat, dat is de verbazing die het Mimivirus in wetenschappelijke gelederen opwekt. Een volkomen normaal ogend, ietwat hoekig virus – maar dan tien keer zo groot als gewoonlijk.

Het virus werd in 2003 beschreven. Maar pas nu begint duidelijk te worden hoe afwijkend het virus eigenlijk is en trekken virologen hun volledige repertoire aan overtreffende trappen uit de kast. “Totaal onverwacht”, “een schokgolf door de virologenwereld”, “een nieuw hoofdstuk in virus-genomics”, heette het het afgelopen jaar in de wetenschappelijke tijdschriften.

Mimivirus is met een diameter van 750 nanometer veruit het grootste virus ooit gevonden, en ook zijn 911 genen vormen een record. De meeste virussen – poliovirus, hepatitis, griep – meten tussen de 20 tot 120 nanometer; griepvirussen hebben (afhankelijk van het type) tien of elf genen. Ze vallen bij Mimi in het niet. Mimivirus is het eerste virus dat zo groot is als de kleinste bacteriën, en dat hóórt gewoonweg niet. Intrigerender is dat het monsterlijke virusdeeltje ook net zoveel genen heeft als een bacterie, met ongekende functies bovendien. Mimivirus heeft een flink aantal genen die coderen voor de productie van eiwitten. Dat is een taak die elk virus per definitie overlaat aan zijn gastheer.

Dat leidt, drie jaar na de eerste berichten over Mimivirus, tot vergaande uitspraken. De Franse hoogleraar medische bioinformatica Jean-Michel Claverie, mede-auteur van die eerste publicatie over het virus (Science, 28 maart 2003) schreef drie maanden geleden in het tijdschrift Virus Research dat Mimivirus de grenzen tussen virussen en cellulaire organismen (zoals bacteriën) zodanig vervaagt dat het tijd wordt voor een totaal nieuwe classificatie van de microbiologische wereld.

girus

Mimivirus is volgens hem geen virus, maar een gigantisch ‘girus’ dat ontstond toen de stamboom van het leven nog slechts een stronkje was. In die vroegere tijden, denkt Claverie, was Mimivirus een primitief cellulair organisme. Een levend ding dus, dat zijn eigen eiwitten bouwt en zijn eigen genen vermenigvuldigt. Het betekent dat Mimivirus ooit leefde – terwijl virussen algemeen beschouwd worden als niet meer dan ingewikkelde complexen van organische moleculen. Claverie noemde het vorige maand in Virus Research “een serieuze slag” voor de scheiding tussen de cellulaire wereld en de virussen. “Dit is het enige virus dat een direct verband heeft met de stamboom van het leven”, licht hij per e-mail toe.

Wat is Mimivirus? Dat is de belangrijkste vraag die behandeld wordt in de ruim twintig wetenschappelijke artikelen die tot nu over het reuzenvirus verschenen. En daar komt bij: hoe uniek is dit? Kunnen we een virus nog wel beschouwen als een “supergestroomlijnde, minimalistische zak genen”? En hoeveel weten we überhaupt van de evolutie van virussen?

De opschudding heeft even op zich laten wachten, want het was al in 1992 dat Mimivirus voor het eerst de aandacht van de wetenschap trok. Een ziekenhuis in de Noord-Engelse industriestad Bradford kampte destijds met een uitbraak van longontsteking en ging op zoek naar de ziekteverwekker. Toen in de koeltoren van de ziekenhuiswaterleiding amoebes werden gevonden, kwamen die terecht op het bureau van Timothy Rowbotham, een microbioloog in Leeds. Want koeltorens zijn beruchte broeiplaatsen voor amoebes vol Legionella-bacteriën (die de veteranenziekte veroorzaken) en Rowbotham was een kenner op het gebied van Legionella-achtige bacteriën in amoebes. Hij vond een aantal bacteriesoorten, waarvan één onbekende kleine ronde die zich niet liet kweken. Dat komt vaker voor. De ‘Bradford-coccus’ belandde in de ijskast.

Toen Rowbothams lab eind jaren negentig werd opgeheven, gaf hij de inhoud van de vriezer aan bevriende klinisch microbiologen in Marseille. Een van hen, Bernard La Scola, probeerde de bacterie te karakteriseren op basis van de genetische code voor het ribosoom, de bacteriële eiwitproductie-eenheid. Die methode was inmiddels gemeengoed, maar steeds mislukte het. Onder de elektronenmicroscoop bleek waarom: de Bradford-coccus had de typische twintigvlakkige vorm die kenmerkend is voor veel virussen. Maar dan wel met een diameter van 500 nanometer – 750 als je zijn vacht van eiwitharen meerekent. 0,75 micrometer dus, een kanjer! Het is een van de weinige virussen die zichtbaar is met een lichtmicroscoop.

Niet allee het uiterlijk van de coccus bleek virusachtig: ook de genetische code leek niet op een bekende bacterie, en het ding viel tijdens de infectie van zijn amoebe-gastheer tijdelijk uiteen. Dat doen bacteriën niet. Virussen wel, omdat ze hun eiwitmantel steeds opnieuw opbouwen. De coccus werd omgedoopt in Mimivirus, voor Mimicking Microbe: het virus dat een bacterie nadoet. Maar inderdaad, ontegenzeggelijk een virus. Met een virale manier van vermenigvuldigen, een virale eiwitmantel. Bacteriën zijn compleet anders: hun buitenwand is niet van eiwit en ze vermenigvuldigen zich door deling.

Er kwam een eerste korte Science-publicatie (28 maart 2003) over dit giant virus in amoebae, waarin de biologen in Marseille al schatten dat het virus negenhonderd genen zou hebben. Toch bleef het stil. Jean-Michel Claverie vanuit Marseille, die sinds de ontdekking met de microbiologen is blijven samenwerken: “Virologen zijn erg conservatief. Het veld was niet klaar voor een totaal nieuw soort virus. En zover we nu weten, vormt het Mimivirus geen gevaar voor de volksgezondheid.” Prof. Eugene Koonin, een evolutionair viroloog van het invloedrijke informatica-instituut NCBI in Maryland die ook veel over het Mimivirus heeft gepubliceerd, zegt nu over de Franse studie: “Er stond weinig informatie in en ik denk dat er wat zorgen waren over mogelijke artefacten.”

aandacht

Uiteindelijk, toen de biologen uit Marseille in november 2004 het genoom van het virus in Science publiceerden, kwam die aandacht er wel. Niet zozeer van virologen, maar vooral van de kleine schare evolutiebiologen die zich bezighouden met de vroege oorsprong van het leven. Mimivirus bleek zestien genen te bevatten die betrokken worden bij de productie van eiwitten (‘translatie’). Dat was bij geen enkel ander virus vertoond.

Het genoom bood verder een set DNA-reparatie-genen waarvan er vier nooit eerder in een DNA-virus gevonden waren, enzymen voor allerlei opbouw- en afbraakprocessen, en een voor een virus unieke set van drie soorten topoïsomerases. Dat zijn enzymen die zorgen dat DNA niet in de knoop raakt bij ingewikkelde processen als vermenigvuldiging.

In Science beschreven de Fransen nog iets merkwaardigs: Mimivirus’ genen hebben verwanten die zich overal in de boom van het leven ophouden. Neem het trio van topoïsomerases van Mimivirus: de één heeft zijn naaste familielid onder de pokkenvirussen, de tweede lijkt op een eencellige parasiet die verlammingen bij konijnen veroorzaakt, en de derde heeft het meest weg van een menselijke darmbacterie. In de stamboom die Claverie cum suis produceerden, op basis van zeven Mimivirus-genen, belandde het virus in het midden, aan de voet dus. Vandaar dat zij stellen: Mimivirus heeft een oeroude geschiedenis (drie miljard jaar pakweg) en moet beschouwd worden als een organisme, op basis van zijn uitgebreide lijst functies van zijn genen. Claverie: “Zeker weten!”

Het virus staat overigens niet helemaal alleen op die plek: algemeen wordt erkend dat Mimivirus verwanten heeft onder een diverse groep van virussen, de ‘nucleocytoplasmatische grote DNA-virussen’ (NCLDV’s) waartoe onder andere ook het pokkenvirus behoort. Die zijn, zoals de naam zegt, vrij groot en ze delen met Mimivirus een kenmerkende groep genen. Volgens Claverie delen ze de herkomst van Mimi.

Maar de plaats op de stamboom die de wetenschappers uit Marseille aan Mimivirus en de andere NCLDV’s toekennen, wordt door anderen betwist. “Mimivirus bakent zeker geen nieuw koninkrijk van het leven af, maar verdient wel de titel van koning der genenrovers.” Zo vatte David Moreira, evolutiebioloog uit Parijs, zijn kritiek in mei 2005 samen in Science. Dat het in het inwendige van Mimivirus lijkt op een naar oud geld riekend interieur met Engels servies, Afrikaans houtsnijwerk en Chinese vazen, betekent volgens Moreira nog niet dat Mimivirus die genetische verzameling van zijn exotische voorouders geërfd – hij kan haar ook best her en der bijeen hebben geplunderd. Genen sprokkelen is voor een mens schier onmogelijk, maar virussen zijn er goed in. Ze nemen zonder moeite genen over van gastheren, of van elkaar.

Mimivirus, zo betoogt David Moreira uit Parijs, is niks meer of minder dan een hyper-promiscue meestersprokkelaar. En de Amerikaanse hoogleraar Eugene Koonin schreef vorig jaar in Current Biology dat het geen kunst dat het virus aan de basis van de stamboom uitkomt, als het ding een hutspot is van allerlei ingepikte genen. In een toelichtende e-mail: “Ik vermoed dat die centrale positie een artefact is.”

Hij en zijn collega Lakshminarayan Iyer betogen in het al eerder genoemde aprilnummer van Virus Research (een thema-uitgave die helemaal gewijd was aan ‘complexe virusgenomen’) dat Mimivirus en de andere grote NCLDV’s níet afstammen van iets cellulairs. Ze stellen dat Mimivirus en de andere NCLDV’s een gezamenlijke voorouder hebben die wél heel oud is – zij denken dat die ontstaan is in de tijd van de eerste eukaryoten, de cellen met een kern. Die wordt meestal geschat op ruim twee miljard jaar geleden, hoewel er over de precieze gang van zaken nogal wat discussie is. Die voorouder zou volgens Koonin & Iyer zo’n vijftig genen gehad hebben – al een vrij complex genoom dus, waarna het virus zich verder ontwikkelde en groeide door uitwisseling van genen. Met andere virussen, en vervolgens met cellulaire gastheren.

“niet mee eens”, schrijft Claverie in zijn elektronische reactie. Hij ziet Mimivirus nog steeds bij voorkeur als een ‘levend fossiel’. “Het lijkt waarschijnlijk dat dit virus (en dus alle NCLDV’s die ermee verwant zijn) zijn ontstaan door reductieve evolutie vanuit een cellulair, parasitair organisme.” Ook híj voelt zich gesteund door de genoomanalyse van Mimi, die vooralsnog niet hard mee werkt om het beeld van een willekeurige ‘zak genen’ te steunen.

Zo staat de gastheer van Mimi, de amoebe Acanthamoeba polyphaga, níet hoog op de lijst van genetische verwanten van Mimivirus. Dat is een argument tegen smokkel, want stelen doet een virus graag bij zijn gastheer. Ten tweede is ruim dertig procent van Mimivirus’ genen afgeleid van een ander Mimivirus-gen, en dat geldt vooral voor genen die belast zijn met het overleven in de gastheercel. Dat duidt op efficiënt genengebruik – en op ouderdom, zegt Claverie. Ook wiskundige analyse van het genetische ‘woordgebruik’ zou niet op recente gensmokkel duiden. En ten slotte gebruikt de helft van Mimivirus’ genen ook nog eens dezelfde genetische schakelaar. Dat is erg veel: geen enkel virus haalt dat verder. Geen willekeurig bijeen gepakt genoom dus, zegt Marseille.

bezwaar

Maar of dat dan betekent dat Mimivirus ontstond uit een vroeg-cellulair organisme? Bioinformaticus Claverie komt zelf in dat eerder genoemde februarinummer van Virus Research, al met een kanttekening. “Het grootste bezwaar van dit scenario is dat je moet bedenken hoe iets kan overgaan van vermenigvuldiging door celdeling naar een virale manier van replicatie.”

Koonin gaat in zijn e-mail ook in tegen Claveries interpretatie van Mimivirus’ genoom: “Ik onderschat helemaal niet dat duplicatie óók belangrijk was bij de ontwikkeling van dat genoom.” Maar dat sluit volgens Koonin niet uit dat Mimivirus die genen éérst ‘gesmokkeld’ heeft, en dat ze daarna gekopieerd zijn.

Ook Koonin heeft nog wel wat uit te leggen: waarom zijn Mimivirus en sommige andere grote virussen zo groot geworden, en wat moeten ze met al die genen? Het is een vraag die hij maar moeilijk kan beantwoorden. Maar hij benadrukt in een inleiding in het complexe-virussen-themanummer dat Mimivirus niet alleen staat. De laatste paar jaar zijn er allerlei, uiteenlopende soorten virussen gevonden die niet zo minimalistisch zijn als het griepvirus met zijn elftal genen. Hij vermoedt dat Mimivirus zijn bijzondere positie binnen de NCLDV’s te danken heeft aan een bijzondere selectiestrategie waarin niet snelle voortplanting belangrijk is, maar de overleving van de nakomelingen. Het is in de populatiebiologie een bekend concept. “Maar bijna al het empirische werk over de populatiebiologie van virussen moet nog gedaan worden”, voegt hij er aan toe.

Ook volgens de Franse prof kan alles nog, in het obscure vakgebied van de evolutiebiologie van virussen. Claverie: “We weten helemaal niet hoe virussen in de evolutie zijn ontstaan. Het kan zijn dat ze een gezamenlijke voorouder hebben, of dat verschillende groepen ieder hun eigen, oeroude afstammingslijn hebben. Het is heel erg in discussie.” Er zijn serieuze theorieën over cellen die hun systeem van DNA-replicatie van virussen hebben overgenomen; dat de overgang van RNA naar DNA in virussen plaatsvond; dat virussen de voorloper van de celkern vormden.

Na het DNA van mensen, kippen, muizen en rijstplanten worden echter steeds meer virale genomen in kaart gebracht. Evolutionair virologen, die hun onderzoeksobjecten wel “het ondergeschoven kindje van de genoomrevolutie” (Genome Biology, maart 2005) noemen, zien nu dat hun vakgebied “in een stroomversnelling is geraakt” (Virus Research, april 2006). Voorlopig levert dat vooral vragen op. Eén antwoord hebben ze: een virus is geen zak genen, en al helemaal geen minimalistische.