Origen dels virus i com ells van “inventar” l’ADN

19 octubre 2020

Click here for the English version: Origin of viruses and how they “invented” DNA

Aquestes setmanes o mesos que malvivim tots pendents d’un virus, el SAR-CoV-2 òbviament, m’ha semblat oportú fer una mica de cerca bibliogràfica repassant aquest tema intrigant de l’origen d’aquests organismes tan singulars i tan diferents dels altres sers vius.

Recordem QUÈ SÓN els virus

Els virus són organismes no cel·lulars, o sigui, no són cèl·lules: ni procariotes com els bacteris i arqueus, ni eucariotes com protistes, fongs, plantes i animals. Per tant, els virus no tenen una estructura interna complexa amb molt diversos components com tenen les cèl·lules, i sobretot no tenen tota l’activitat metabòlica que comporta el manteniment i reproducció dels organismes cel·lulars. 

Del punt de vista funcional, els virus són agents infecciosos submicroscòpics, que només es poden reproduir dins de cèl·lules, d’altres organismes hostes és clar. Per tant, són paràsits intracel·lulars, i n’hi ha de tots els organismes cel·lulars possibles, des dels arqueus i bacteris a tots els tipus d’eucariotes. Els virus es troben en qualsevol ecosistema i són les entitats biològiques més abundants a la Terra (Edwards & Rohwer 2005).

Els organismes cel·lulars tenen les característiques pròpies de la definició de sers vius, com tenir un cicle biològic, metabolisme, créixer, adaptar-se al medi, respondre als estímuls, reproduir-se i evolucionar. El concepte de ser viu també ha estat definit com a qualsevol sistema autònom amb capacitats evolutives (Peretó 2005). En principi, els virus no tenen bastants d’aquests trets, motiu pel qual a vegades es qüestiona si es poden anomenar “sers vius”. Tanmateix, sí que poden reproduir-se, a expenses d’altres, i evolucionar, i en estar íntimament relacionats en el seu cicle biològic als organismes cel·lulars, no veig com podrien ser considerats com “sers no vius”. Seria com dir que són organismes no biològics, que evidentment no és cert.

En la seva fase extracel·lular són partícules inerts, els virions, quasi tots de mides entre 20 i 300 nm, més petits que la majoria de bacteris. L’estructura dels virions es limita a una capa protectora de proteïna, la càpsida, i el material genètic dins, o RNA o DNA. La càpsida pot ser helicoïdal, polièdrica o esfèrica, i dóna la morfologia que s’observa al microscopi electrònic. Addicionalment, els virions d’alguns virus (d’animals sobretot) tenen una estructura externa, un embolcall, tipus membrana, amb proteïnes i fosfolípids. Altres virus tenen estructures més complexes, com alguns bacteriòfags (Figura 1).

L’adherència i/o entrada dels virions a la cèl·lula hoste té lloc per diversos mètodes, per tal que el seu material genètic entri dins. Allà la informació d’aquest material genètic s’expressarà, gràcies a la maquinària biosintética de la cèl·lula i farà més còpies del virus, les quals un cop fora la cèl·lula, seran més virions que podran infectar altres cèl·lules.

Figura 1. Alguns dels diferents tipus morfològics de virus (esquerra a dreta): helicoïdals (ex. virus del mosaic del tabac), polièdrics (ex. adenovirus), esfèrics (ex. grip), i complexes com els bacteriòfags.

La classificació dels virus es basa sobretot en el tipus de material genètic dels virus, o sigui el genoma, si és DNA o RNA, si aquest és de cadena senzilla o doble, i de l’estratègia de replicació d’aquest genoma i de biosíntesi del mRNA (Figura 2). Alguns exemples d’aquestes 6 classes de virus són (Madigan et al, 2019):

  • Classe I            bacteriòfags lambda i T4, herpes animal
  • Classe II           bacteriòfag fX174
  • Classe III          rotavirus gastrointestinal
  • Classe IV         poliovirus, coronavirus
  • Classe V          grip, ràbia
  • Classe VI         retrovirus com el HIV

A vegades s’afegeix una classe VII (a la classificació de Baltimore, el descobridor dels retrovirus), que són virus de DNA parcialment de doble cadena i que fan un RNA intermediari per replicar-se. Ex: el de l’hepatitis B.

Figura 2. Els sis tipus de virus segons el seu genoma (DNA o RNA, cadena doble o única) i el sistema de replicació i de generació del mRNA. Per convenció el mRNA és d’orientació (+) (tret de Madigan et al., 2019).

Possibles TEORIES DE L’ORIGEN dels virus

El seu origen sempre ha estat una mica enigmàtic, donades les característiques d’aquests organismes no cel·lulars. Encara que els virus són molt diversos i per tant es pot pensar en diferents punts d’origen independents, la similitud de les seves estructures i una càpsida de proteïna que embolcalla un àcid nucleic suggereixen com a mínim un mecanisme comú per explicar el seu origen.

Les 3 hipòtesis més referenciades per explicar com es van originar els virus són: 

a) Serien formes derivades d’organismes unicel·lulars paràsits d’altres, que evolutivament s’haurien reduït al mínim.

b) Serien fragments de material genètic que haurien escapat al control cel·lular esdevenint paràsits.

c) Serien relíquies de formes precel·lulars, o sigui dels protobionts.

De fet, la hipòtesi a) té com a argument a favor de l’existència de paràsits intracel·lulars com els Mycoplasma (bacteris Tenericutes) o els Microsporidia (fongs eucariòtics), però aquests microorganismes mantenen algunes característiques cel·lulars, com la síntesi de proteïnes, i mai arriben a l’extrem dels virus. A més, no es coneix cap estadi intermedi entre cèl·lules i virus.

La hipòtesi b) té a favor l’existència dels plasmidis i els transposons, que poden ser considerats com a precursors virals i el fet que sovint els virus poden integrar gens cel·lulars. Però és difícil d’explicar com aquests àcids nucleics alliberats haurien incorporat un embolcall proteic. A més, aleshores caldria esperar afinitats evolutives entre els virus i els hostes del mateix domini. Per exemple, bacteriòfags (fags) i bacteris, amb la qual cosa els fags haurien de tenir algunes semblances evolutives amb els bacteris, i en canvi hi ha proteïnes dels fags (com del T4) més semblants a proteïnes eucariotes que als seus homòlegs bacterians (Gadelle et al, 2003). És més, la majoria de proteïnes virals no tenen homòlegs cel·lulars a cap dels 3 dominis (Forterre 2006).

La hipòtesi c) té en contra el fet que tots els virus actuals són paràsits obligats, i requereixen un estadi de desenvolupament intracel·lular per al seu desenvolupament. Tanmateix, com veurem a continuació, és la hipòtesi que cada cop va guanyant més reconeixement.

Dos arguments clars a favor de l’hipòtesi c) i en contra les altres són:

  • Hi ha virus de tots els grups d’organismes cel·lulars, la qual cosa fa que la hipòtesi b) sigui difícil d’explicar.
  • Hi ha virus de DNA i de RNA, la qual cosa fa que la hipòtesi a) sigui inversemblant.

De totes maneres, cal tenir en compte que les crítiques fetes a qualsevol d’aquestes hipòtesis es fan en el context de la biosfera actual, on els virus “moderns” necessiten cèl·lules “modernes” per replicar-se, on les cèl·lules actuals no poden revertir a formes virals, o on el DNA lliure no pot captar proteïnes de les cèl·lules actuals per formar càpsides, etc. Però les coses podrien haver estat molt diferents abans de la formació de les cèl·lules “modernes” d’arqueus, bacteris i eucariotes. En aquest sentit, estem menys constrets per la realitat actual a l’hora de proposar escenaris evolutius nous per a l’origen dels virus (Forterre 2006).

Ràpid repàs de l’ORIGEN DE LA VIDA

Per veure les possibilitats de la hipòtesi c) d’origen dels virus a partir de les formes protocel·lulars, anem a repassar la que avui dia és la més probable hipòtesi de l’origen dels sers vius a la Terra. Podeu veure unes bones revisions de tot això que ara sintetitzaré als llibres de Zubay (2000), de Schopf (2002)i de Ribas de Pouplana (2004), i a l’article de Peretó (2005), entre altres.

La química prebiòtica fou el conjunt de reaccions per les quals s’originaren els components biològics per síntesi abiòtica. Com és conegut, en una primera fase, que els anys 1920-30 ja van postular Oparin (Miller et al., 1997) i Haldane (Tirard 2017), i que els experiments de Urey i Miller el 1953 (Bada & Lazcano, 2003) en van aportar el suport experimental, se suposa que a partir de les molècules bàsiques de l’atmosfera primitiva (aigua, metà, amoni, nitrogen i altres) se sintetitzaren els monòmers orgànics com aminoàcids, monosacàrids i àcids orgànics, amb les fonts d’energia de la Terra primitiva. També s’està evidenciant cada cop més la importància de l’aportació de matèria orgànica procedent de cometes i meteorits (Oró 2001). En una segona fase, les macromolècules biogèniques es podrien haver format per polimerització dels monòmers, segurament sobre un suport inorgànic.

Un cop hi hagueren suficients compostos orgànics prebiòtics (no confondre amb els “prebiòtics”, terme de nutrició per als substrats utilitzats per la microbiota que donen beneficis per a la salut), les fases de protobionts prèvies a les cèl·lules hagueren d’estar relacionats amb les 3 propietats bàsiques dels sers vius: 

  • l’establiment d’estructures embolcall, o sigui membranes
  • la transformació de nutrients i energia, o sigui un mínim metabolisme
  • un mecanisme hereditari, o sigui la capacitat de replicar-se i transferir les característiques als descendents.

Com veiem a l’esquema de la Figura 3, la hipòtesi actual és que aquestes fases foren en aquest ordre, de tal manera que dins unes estructures amb embolcall (vesícules amfifíliques) començaren a generar-se mecanismes de reaccions protobioenergètiques que esdevingueren sistemes autònoms, els quals començaren a adquirir característiques hereditàries basats en el RNA (el món RNA), i que posteriorment el DNA, més estable, acabaria substituint al RNA com a molècula gènica. El paper del RNA és suportat per la varietat de RNAs existents a les cèl·lules i per les característiques catalítiques d’alguns d’aquests, els ribozims, a més de ser molècula gènica (Peretó 2005). 

Figura 3. Esquema de la hipotètica transició de la química prebiòtica a les cèl·lules, sense escala temporal però que podria haver estat al voltant de fa 4000 M anys. Aquestes fases de protobionts inclouen (d’esquerra a dreta) l’origen de sistemes autònoms amb protometabolisme sense material genètic, les primeres protocèl·lules amb pre-RNA i després RNA més proteïnes (el món RNA, amb “ribòcits”), i a continuació la incorporació del DNA, fins arribar al LUCA (últim avantpassat universal comú) amb les característiques biològiques conegudes. B: bacteris; A: arqueus; E: eucariotes (tret de Peretó 2005).

L’origen dels VIRUS: relíquies dels protobionts

Com hem comentat abans, aquesta és la hipòtesi més versemblant actualment.

Reprenent el que ara comentàvem de l’origen de la vida, de fet, en aquest món RNA es podrien distingir com dues fases (Figura 4). La primera començaria quan el RNA com a tal hauria esdevingut el material genètic portador d’informació però com veiem segur que abans (el món “pre-RNA”) hi podria haver hagut protobionts (o protocèl·lules) amb altres molècules “genètiques”, ja siguin àcids nucleics o altres molècules, i aquest primer protobiont amb RNA hauria suposat un coll d’ampolla o punt de trencament, que hauria començat a predominar sobre els anteriors, que s’haurien anat extingint. Com sabem, aquest fenomen és molt usual a l’evolució. En una segona fase del món RNA, haurien aparegut els ribosomes com a màquines de síntesi de proteïnes, que haurien permès una ràpida evolució cap a formes cel·lulars més eficients, enfront de l’ús de pèptids o altres maneres de sintetitzar proteïnes menys eficients (Forterre 2005). Finalment en alguna de les línies de protobionts, el DNA hauria acabat substituint el RNA com a material genètic, essent també un punt de trencament en la línia evolutiva.

Doncs bé, com veiem (Figura 4), alguns dels llinatges podrien sobreviure parasitant els individus exitosos de la següent fase: serien els virus. A cada fase hi hauria un punt crític d’origen (punts de trencament o colls d’ampolla, línies negres) a partir d’un organisme novedós que originaria molts llinatges. Alguns d’aquests, enlloc d’extingir-se, podrien sobreviure com a llinatges vírics (línies blanques) en parasitar els llinatges protocel·lulars exitosos de la següent fase (Forterre 2005).

Figura 4. Hipòtesi de les fases de l’evolució dels protobionts del món RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

En ambdues fases del món RNA molt diversos organismes (els llinatges representats a la Figura 4) haurien coexistit: preses, predadors, de vida lliure i paràsits. Per tant és probable que protocèl·lules i entitats semblants a virus haguessin coexistit, i d’aquesta manera s’haurien originat els virus RNA (Figura 5). Veiem com a la primera fase coexistirien diferents llinatges de protobionts RNA, amb diversos mecanismes de producció de proteïnes (els petits cercles interns ratllats, Fig. 5A), inclòs l’avantpassat del sistema de ribosomes actual (les 2 subunitats negres). Aquest llinatge (en blau, Fig. 5B) hauria eliminat els seus competidors. Alguns llinatges d’aquesta primera fase (verd i vermell) haurien sobreviscut com paràsits intracel·lulars amb una fase extracel·lular al seu cicle biològic. Finalment aquests paràsits haurien perdut la seva pròpia maquinària de síntesi de proteïnes i esdevingut virus RNA (Fig. 5C). 

A més, actualment hi ha virus RNA de cadena senzilla i de doble cadena i amb diferents maneres de replicar-se (Figura 2), com devia passar en aquest món RNA amb molt diversos llinatges. I més encara, els virus RNA de doble cadena de bacteris i de eucariotes tenen estructures similars i les seves RNA-polimerases-RNA-dependents són homòlogues. Aquest model implica un origen polifilètic per a les diferents superfamílies de virus RNA, i quan els protobionts haurien passat a ser de DNA, el parasitisme d’aquests virus s’hauria mantingut, donant lloc a tots els diversos virus RNA que actualment observem als organismes cel·lulars. Aquest model pot ser acomodat per explicar els virus DNA a partir de llinatges de protobionts DNA (Forterre 2005).

Figura 5. Hipòtesi de l’origen dels virus RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

El DNA, inventat per alguns virus ?

Se sap que el DNA acabà substituint al RNA com a material genètic al llarg d’aquests primers estadis de l’evolució per dos motius: a) El DNA és més estable que el RNA perquè el 2’O d la ribosa és molt reactiu, podent trencar l’enllaç fosfodièster; i b) La desaminació de la citosina a uracil és una reacció química espontània freqüent que pot ser reparada al DNA però no al RNA, per raons òbvies: l’uracil és propi del RNA.

Als sers vius actuals, els precursors del DNA, els desoxiribonucleòtids (dNTPs) es formen sobretot gràcies a les ribonucleòtid reductases que redueixen la ribosa dels ribonucleòtids (rNTPs) a desoxiribosa. Se sintetitzen a partir dels gràcies a enzims complexos, que degueren aparèixer a la segona fase del món RNA, ja que el DNA no es pogué formar només a partir de RNAs, encara que fossin ribozims.

Però què passa amb la timina del DNA enlloc de l’uracil del RNA ?

El fet que actualment el dTMP es produeix a partir del dUMP i no per reducció del TTP suggereix que el U-DNA podria haver estat un intermediari en la transició de RNA a DNA i per tant hi hauria hagut un “món U-DNA”. Doncs resulta que alguns virus bacterians tenen DNA amb uracil, o sigui U-DNA enlloc de l’usual T-DNA. De fet, als virus actuals podem trobar força diversitat de DNAs, alguns amb U-DNA, molts altres amb T-DNA i alguns altres amb hidroximetilcitosina-DNA (Figura 6), i a més els virus DNA tenen una gran varietat de mecanismes de replicació i d’enzims per passar d’un tipus a l’altre. Seria el que es pot anomenar “virosfera”, que dóna peu a pensar en el seu origen en aquestes etapes de protobionts. Per tant, el DNA tal com el veiem amb timina, podria haver estat un invent d’alguns virus (Forterre 2006).

Figura 6. Esquema de l’evolució dels genomes des del RNA als genomes modificats de DNA. Tots els tipus són presents a la “virosfera” però als organismes cel·lulars només hi es el T-DNA. RNR: ribonucleòtid reductasa; TdS: timidílic sintasa; HmcT: hidroximetilcitosina transferasa. (tret de Forterre 2006). 

Hipòtesi de la transferència del DNA dels virus DNA als organismes cel·lulars

Un virus DNA (Figura 7A, genoma vermell) podria haver infectat una protocèl·lula RNA (genoma blau) i podria haver coevolucionat (Fig. 7B), de tal manera que els gens RNA haurien estat progressivament transferits al DNA d’origen viral per retrotranscripció (Fig. 7C, fletxa blanca) i el genoma viral hauria evolucionat esdevenint un plasmidi DNA dins una protocèl·lula RNA, però finalment (Fig. 7D) el plasmidi DNA predominaria sobre el genoma RNA, per la seva major eficàcia genètica i acabaria essent un precromosoma de DNA. 

Per un mecanisme similar (Figura 7 E-G) es podria explicar la formació de plasmidis DNA en protocèl·lules de DNA. En qualsevol cas, aquestes protocèl·lules resultants serien procariotes. Tenint en compte tot això, la formació de cèl·lules eucariotes, a banda de la coneguda teoria de la simbiosi d’arqueus i bacteris, també es podria hipotetitzar com la formació del nucli, en protocèl·lules RNA, a partir de la captació de virus DNA embolcallats per la formació de membranes intracel·lulars, donant lloc a la membrana nuclear, de forma similar a la formació dels embolcalls dels virus animals (Forterre 2005, idem 2006).

Figura 7. Models hipotètics de la transferència del DNA dels virus a les protocèl·lules RNA (esquerra A-D) per formar cèl·lules DNA, i de la formació de plasmidis (dreta E-G) a partir de virus DNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

Hi ha altres explicacions possibles per explicar l’origen dels virus, amb arguments a favor de les altres hipòtesis comentades al principi, però crec que la que hem vist, on els virus serien formes que provenen dels protobionts, cada cop té més pes. Una altra hipòtesi curiosa és que els virus s’haurien originat a partir de proteïnes autoreplicants com els prions que s’haurien acoblat amb RNA. Vegeu Lupi & Dadalti (2007) per a més informació.

CONCLUSIÓ

Com hem vist, els virus, amb la seva gran diversitat i essent presents a tots els organismes cel·lulars, serien els descendents o romanents o relíquies d’aquestes formes de protobionts dels primers temps de la vida a la Terra. Com en altres sers vius, l’evolució impulsada pel conjunt de factors de variabilitat genètica, i sobretot la selecció natural, hauria donat resultat al que ara veiem. Els virus porten molt més temps evolucionant que nosaltres, són presents en tots els ecosistemes del planeta i són les entitats biològiques més abundants. Per tant podríem dir que en principi deuen ser més espavilats que nosaltres. Haurem de seguir aprenent a conviure amb ells, com aquest 2020 estem veient amb el SARS-CoV-2, i tot plegat malgrat que dubtem de la seva inclusió en la definició de sers vius.

BIBLIOGRAFIA

Bada JL, Lazcano A (2003) Prebiotic soup – Revisiting the Miller experiment. Science 300, 745-746.

Edwards RA & Rohwer F (2005) Viral metagenomics. Nature Rev Microbiol 3, 504-510

Forterre P (2005) The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. Biochimie 87, 9–10, 793-803. 

Forterre P (2006) The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions. Virus Research 117, 1, 5-16.

Gadelle D, Filée J, Buhler C, Forterre P (2003) Phylogenomics of type II DNA topoisomerases. Bioessays 25, 232-242

Lupi O, Dadalti P, Cruz E, Goodheart C (2007) Did the first virus self-assemble from self-replicating prion proteins and RNA? Medical Hypotheses 69, 4, 724-730.

Madigan MT, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA (2019) Brock biology of microorganisms. Pearson Ed Ltd.

Miller SL, Schopf JW, Lazcano A (1997) Oparin’s “Origin of Life”: sixty years later. J Mol Evol 44, 351-353.

Oró J (2001) Cometary molecules and Life’s origin. In: Chela-Flores J, Owen T, Raulin F (eds) First steps in the origin of life in the universe. Springer, Dordrecht.

Peretó J (2005) Controversies on the origin of life. Internat Microbiol 8, 23-31

Ribas de Pouplana L (2004) The Genetic Code and the Origin of Life. Ed. Kluwer Academic – Landes Bioscience, ISBN 0-306-47843-9. 

Schopf JW (ed.) (2002) Life’s Origin. The beginnings of biological evolution. Univ. California Press, ISBN 0-520-23390-5.

Tirard S (2017) J.B.S. Haldane and the origin of life. J Genetics 96, 735-739.

Zubay G (2000) Origins of life on the Earth and in the Cosmos. Academic Press, ISBN 978-0-12-781910-5.

About Albert Bordons

Professor at "Universitat Rovira i Virgili" in Tarragona. Born in Barcelona 1951. Scientific areas: microbiology, biochemistry, biotechnology, oenology. I like: nature, biological sciences, photography, mountains, ... Languages: catalan (first one), spanish, french, english and some italian.

Posted on 19 Octubre 2020, in Evolució, Genètica i biologia molecular, origen vida and tagged , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink. 1 comentari.

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Lluís Rabell

Activista, polític, company

Blog Cátedra de Historia y Patrimonio Naval

“Quien domina el mar, domina todas las cosas” (Temístocles)

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Life Secrets

For my students

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

A %d bloguers els agrada això: