Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 16 Min.

LEBEN: DIE WAHRE NATUR DER VIREN


Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung - epaper ⋅ Ausgabe 2/2018 vom 27.04.2018

Lange haben Biologen die Viren vernachlässigt. Doch allmählich entdecken sie, wie ungeheuer vielfältig und zugleich allgegenwärtig diese sind. Und sie fragen sich, ob es sich bei Viren womöglich doch um lebendige Organismen handelt.


Artikelbild für den Artikel "LEBEN: DIE WAHRE NATUR DER VIREN" aus der Ausgabe 2/2018 von Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung, Ausgabe 2/2018

Patrick Forterre leitet das Laboratoire Biologie Moléculaire du Gène Chez les Extrêmophiles (Labor für Genetische Molekularbiologie von Extremophilen) am Institut Pasteur in Paris.


►► spektrum.de/artikel/1478205

► Viren führten in der Biologie lange ein Schattendasein. Mediziner beschäftigten sich zwar mit ihrer Infektiosität, und die Molekularbiologen haben mit ihnen die ...

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 5,99€
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 2/2018 von BIOCHEMIE: WIE ENTSTAND DAS LEBEN?. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
BIOCHEMIE: WIE ENTSTAND DAS LEBEN?
Titelbild der Ausgabe 2/2018 von ZELLBIOLOGIE: FASZINIERENDE RIESENVIREN. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
ZELLBIOLOGIE: FASZINIERENDE RIESENVIREN
Titelbild der Ausgabe 2/2018 von KONTINGENZ: EVOLUTION ZWISCHEN ZUFALL UND WIEDERHOLUNG. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
KONTINGENZ: EVOLUTION ZWISCHEN ZUFALL UND WIEDERHOLUNG
Titelbild der Ausgabe 2/2018 von BAKTERIENGENETIK: DIE RÄTSEL DES CRISPR/CAS-SYSTEMS. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
BAKTERIENGENETIK: DIE RÄTSEL DES CRISPR/CAS-SYSTEMS
Titelbild der Ausgabe 2/2018 von NUTZTIERHALTUNG: TICKENDE ZEITBOMBE. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
NUTZTIERHALTUNG: TICKENDE ZEITBOMBE
Titelbild der Ausgabe 2/2018 von BAKTERIOPHAGEN: VIREN STATT ANTIBIOTIKA. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
BAKTERIOPHAGEN: VIREN STATT ANTIBIOTIKA
Vorheriger Artikel
BIOCHEMIE: WIE ENTSTAND DAS LEBEN?
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel ZELLBIOLOGIE: FASZINIERENDE RIESENVIREN
aus dieser Ausgabe

... großen molekularen Mechanismen des Lebens ergründet. Evolutionsforscher schenkten den Viren hingegen wenig Aufmerksamkeit. Allenfalls ließen sich an ihnen manche Evolutionsprozesse nachstellen, aber sie eigneten sich kaum dazu, den Stammbaum des Lebens zu rekonstruieren, so glaubten viele. Die meisten Biologen zuckten zusammen, wenn einem Virologen das Wort »Lebenszyklus« im Zusammenhang mit seinen Forschungsobjekten entschlüpfte. Für sie stand fest: Viren sind nicht lebendig!

Doch so einfach verhält es sich keineswegs. Ob man die Viren zu den Lebewesen zählt oder nicht, wirkt sich auch auf die Forschungspraxis aus. Wer ihnen Lebendigkeit abspricht, klammert sie gewöhnlich von Szenarien zur Evolutionsgeschichte und dem Ursprung des Lebens aus. Daher kommen Viren in einer erheblichen Anzahl wissenschaftlicher Arbeiten zu solchen Themen überhaupt nicht vor. Umgekehrt neigen Virusforscher dazu, sie als lebendig einzustufen – besonders wenn sie ihre diversen Erscheinungsformen und ihre Bedeutung in Ökosystemen untersuchen.

Die Frage, ob die Viren leben oder nicht, stellt sich heute mehr denn je. Erheblich tragen hierzu das neue Forschungsfeld der viralen Ökologie und die Entdeckung von Riesenviren bei. Offenbar gibt es Viren in sehr viel größerer Zahl und Vielfalt als früher vermutet.

Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt Virionen des Grippevirus (rotbraun) beim Verlassen einer Tierzelle. Sie transportieren das genetische Material des Virus. Während ihrer Herstellung wird aus der infizierten Zelle eine »Viruszelle«: ein vom Virusgenom gesteuerter Hybrid.


STEVE GSCHMEISSNER / SCIENCE PHOTO LIBRARY

AUF EINEN BLICK: VIREN ALS EVOLUTIONSMOTOR

1 Noch bis vor Kurzem haben Biologen den Viren Lebendigkeit abgesprochen. Seit der Entdeckung der Riesenviren und der viralen Allgegenwart steht das Diktum jedoch zunehmend in Frage.

2 Die ersten Viren könnten vor den Bakterien, Archaeen und Eukaryoten aufgetreten sein, also älter sein als die drei heutigen Domänen des Lebens.

3 Ihre eigene Evolution geschah vermutlich mit Hilfe von ihnen infizierter Zellen. In diesem Zusammenhang könnten sie sogar die DNA »erfunden« haben.

Dabei schien der Sachverhalt Ende des 20. Jahrhunderts entschieden. Damals deklarierten das Internationale Komitee zur Taxonomie der Viren und sein damaliger Präsident Marc Van Regenmortel, Viren seien keine Lebewesen. Als Hauptargument wurde das Fehlen eines viralen Stoffwechsels angeführt. Es hieß, sie seien inerte Objekte, und sämtliche beobachtete Aktivität ginge auf die infizierten Zellen zurück. Viren würden auch nicht selbstständig evolvieren, sondern ihre Wirte würden das für sie bewerkstelligen.

Aus dieser zellzentristischen Sicht betrachtete man nur die Wechselbeziehungen der Viren mit zellulär organisierten Lebewesen. Dabei unterschieden die Forscher zwischen negativen, krank machenden Interaktionen und positiven Kontakten, bei denen das Virus etwa als Vehikel zum Gentransfer zwischen Zellen dient. Schon der französische Medizinnobelpreisträger von 1965 André Lwoff (1902–1994) hatte erklärt, nur zelluläre Organismen könnten lebendig sein. In seinem Gefolge hielten zahlreiche Forscher Viren für Komplexe aus Makromolekülen, also für Gebilde, die eher Zellorganellen ähnelten als irgendwelchen Lebewesen.

Doch Anfang des neuen Jahrtausends entfachte die Entdeckung von Riesenviren erneut eine heftige Diskussion über die Natur von Viren (sieheSpektrum Mai 2012, S. 14). War es wirklich vertretbar, ein Etwas als leblos einzustufen, dessen Genom die Information für deutlich mehr Proteine trägt als manche Bakterien? Virale Giganten können sogar selbst von kleineren Viren, so genannten Virophagen (»Virusfressern«), infiziert werden. Wie kann etwas erkranken, was gar nicht lebt?

Immerhin sind diese großen Gebilde wirkliche Viren, somit zwangsläufig Parasiten. Vermehren können sie sich nur mit Hilfe von Zellen, denn allein vermögen sie ihre eigenen Proteine nicht zu bilden. Deswegen rechnet ein Teil der Forscher sie bis heute nicht zu den Lebewesen. Für andere ist die Entdeckung allerdings revolutionär. Ihnen stellen sich neue Fragen wie: Wo liegt die Grenze, wenn kleine Viren keine Lebensformen darstellen, die Riesenviren aber schon? Sie zwei verschiedenen Kategorien zuzuweisen, erscheint unsinnig, weil sie ein Kontinuum bilden von den kleinsten bekannten Viren mit lediglich zwei Genen bis zu den Pandoraviridae mit mehr als 2000.

Außer weiteren Meldungen zu Riesenviren gab es zwischen 1990 und 2010 allerdings noch andere sensationelle Entdeckungen, die ein völlig neues Licht auf die Welt der Viren werfen. So erkannten Molekularökologen, dass Viruspartikel, so genannte Virionen, in allen erdenklichen Umwelten vorkommen und allgegenwärtig sind. Man schätzt inzwischen, dass Virionen die Gesamtzahl der auf der Erde vorhandenen Zellen 10- bis 100-fach übertreffen. Sie finden sich massenhaft im Salz- und Süßwasser ebenso wie am Land und sowohl in extrem heißen wie extrem kalten Biotopen. Wir selbst und unser Inneres sind von ihnen übersät. Sie parasitieren unsere Zellen, etwa die Papillomviren unsere Schleimhäute, und verschiedenste Bakteriophagen befallen die Darmflora.

Die enorme Menge an Viruspartikeln überall in der Natur wurde offenkundig, als Mikrobiologen Anfang dieses Jahrhunderts damit anfingen, in großem Stil DNA aus Bodenproben zu sequenzieren. Denn das meiste derart erfasste Erbmaterial stammt von Viren. Von daher ist es wohl nicht übertrieben anzunehmen, dass das Gros der genetischen Information der Erde viraler Herkunft ist. Dass jedoch leblose Entitäten dergleichen hätten leisten können, also einen Großteil der für Leben so charakteristischen Erbinformation hervorbrachten, ist grundsätzlich nicht vorstellbar.

Die Entdeckung der Archaeen brachte die Einteilung des Lebens in zwei Bereiche ins Wanken
In den 1960er Jahren, als sich die Molekularbiologen daran- machten, die Biologie zu revolutionieren, teilten sie die Lebewesen in zwei große Gruppen ein. Fortan galt: Es gibt die so genannten Eukaryoten (Eukaryonten), das sind alle zellulären Organismen mit echten, membranumschlossenen Zellkernen, darunter die Tiere, Pilze und Pflanzen; die anderen Formen ohne einen abgegrenzten Zellkern zählen zu den Prokaryoten (Prokaryonten), nach damaliger Kenntnis nur die Bakterien. Die strenge Zweiteilung traf auch die Viren. Man unterschied jetzt zwischen echten Viren, die Eukaryoten infizieren; und Bakteriophagen, die Bakterien befallen. Letztere heißen heute meist einfach nur Phagen. Diese Unterscheidung führte dazu, dass viele sich fragten: »Sind Phagen nun eigentlich Viren oder nicht?«

Die schlichte Einteilung des Lebens in zwei Bereiche geriet ins Wanken, als Carl Woese (1928–2012), Wolfram Zillig (1925–2005), David Prangishvili (* 1948) und ihre Kollegen in den 1980er Jahren eine dritte Domäne von Organismen entdeckten: die Archaeen, zunächst Archaebakterien oder Urbakterien genannt. Auch diese besitzen eigene Viren, die teils sehr spezifisch aussehen. Manche davon produzieren zitronen- oder flaschenförmige Partikel, andere Fädchen, deren Enden an Krebszangen erinnern. Dergleichen hatte man noch nie gesehen.

Die meisten Biologen focht die Entdeckung zunächst allerdings wenig an. Sie stellten die Archaeen einfach zu den Prokaryoten, obwohl sie genau genommen mehr Eukaryoten ähneln. Und deren Viren bezeichneten Virologen alter Schule als Bakteriophagen, sehr zum Leidwesen der Archaeenexperten.

Die Zweiteilung in Viren und Phagen hielten jene Forscher für wissenschaftlich gut untermauert. Ihrer Ansicht nach waren die beiden Gruppen nicht miteinander verwandt, hatten nicht einmal einen gemeinsamen evolutionären Ursprung. Denn nach einer Theorie aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entstanden Phagen einst aus Genomfragmenten von Urzeitbakterien. Indem sie sich eine Proteinhülle zulegten, wurden daraus eigenständige Viruspartikel. Entsprechend sollten die Viren der Eukaryoten aus Chromosomenfragmenten ihrer Wirte hervorgegangen sein, quasi als Akt der Rebellion. Hiernach waren Viren nichts weiter als Nebenprodukte zellulärer Aktivität. Man glaubte auch, dass die so genannten Prophagen und Proviren in unserem Erbgut diese Entwicklungsgeschichte widerspiegeln. Es handelt sich dabei um im Genom von Bakterien und Eukaryoten integrierte genetische Fragmente, die sich unter Stressbedingungen in infektiöse Viren umwandeln können.

Doch 1999 wiesen zwei Forscherteams – um Dennis Bamford von der Universität Helsinki und Roger Burnett vom Wistar Institute in Philadelphia – in proteinkristallografischen Untersuchungen nach, dass Adenoviren in einigen Merkmalen völlig unerwarteterweise dem kleinen Bakteriophagen PRD1 ähneln. Erstere, die unter anderem Atemwegsinfektionen verursachen, sind ziemlich groß. Wie bei PRD1 besteht ihr Erbgut aus DNA. Das Kapsid (die Kapsel) beider Viren ist aus homologen – abstammungsgleichen – Proteinen aufgebaut. Deren Peptidketten falten sich bei beiden zu einer komplexen räumlichen Struktur übereinander, die als DJR (double jelly roll, »doppelte Biskuitrolle«) bezeichnet wird. Eine voneinander unabhängige Entstehung wäre sehr unwahrscheinlich. Zudem benutzen beide Viren Pumpenproteine, um ihre DNA ins Innere der Virionen zu packen, und auch die sind homolog, haben also dieselbe Herkunft.


Unerwartete Ähnlichkeiten zwischen Adenoviren und einem Phagen: Hatten sie etwa sehr früh einen gemeinsamen Vorfahren?


Das muss bedeuten: Entweder war ein Virus vom DJR-Typ von Bakterien zu Eukaryoten übergewechselt oder umgekehrt; oder aber die beiden Viren haben einen gemeinsamen Virusvorfahren. Dieser müsste dann schon zu Zeiten von LUCA existiert haben, dem unbekannten letzten gemeinsamen Vorfahren (last universal common ancestor) aller heutigen Organismen. Bisher kennen Forscher kein Beispiel dafür, dass ein Virus zu einer anderen Domäne des Lebens gewechselt wäre. Die Aminosäuresequenzen der wichtigsten Kapsidproteine beider Virusgruppen ähneln sich nämlich gar nicht. Diese Moleküle gehen evolutionär somit schon sehr lange getrennte Wege. Sie behielten aber offenbar die ursprüngliche, gleiche räumliche Struktur bei und dazu ihre Fähigkeit, Ikosaederkapside zu bilden.

Giganten unter den Viren

Die Riesenviren sind viel größer als die »klassischen« Viren und kodieren wesentlich mehr Proteine: das Mimivirus etwa 1000, das Pandoravirus rund 2500 und das Pithovirus etwa 500. Dagegen kodiert das HI-Virus nur 9 Proteine und das Rhinovirus lediglich ein Polyprotein, aus dem 9 Proteine entstehen. Das BakteriumEscherichia coli wiederum kodiert 4300 Proteine und menschliche Zellen etwa 20000.

POUR LA SCIENCE NOVEMBER 2016

Kapside aus DJR-Proteinen entdeckten Forscher dann ebenfalls bei Viren von Archaeen, die in heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks beziehungsweise in Salzseen leben. Dieser Proteintyp bildet auch die Kapseln der meisten ikosaedrischen Riesenviren, die Eukaryoten infizieren, und sogar die von deren eigenen Virophagen. Solche Proteine und die zugehörigen Verpackungspumpen kennzeichnen eine umfangreiche Gruppe von Viren aller drei Lebensdomänen, die demnach entfernt miteinander verwandt sein müssen.


Es dürfte mehrere Urviren gegeben haben, die LUCA vorausgingen, dem letzten gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Zellen


Groß war die Überraschung, als sich Anfang dieses Jahrhunderts herausstellte, dass die Kapsidproteine von Bakteriophagen des Kopf-Schwanz-Typs mit denen von Herpesviren verwandt sind. Erstere (Hongkongtyp genannt) erinnern mit ihren »Beinchen« und dem großen ikosaedrischen »Kopf« an Mondlandefähren (siehe Bild S. 21). Die Kopfform ähnelt zwar derjenigen der Kapside von PRD1 und von Adenoviren, doch die beteiligten Proteine haben nichts miteinander zu tun. Vielmehr stellt der Hongkongtyp eine zweite universale Virusgruppe dar.

Auch sie dürfte schon zu Zeiten von LUCA existiert haben. Aus all dem folgt, dass die Viren polyphyletisch sein müssen, also nicht sämtlich derselben Wurzel entstammen. Es scheint verschiedene Urviren, mehrere virale LUCAs, gegeben zu haben, und die meisten von ihnen gingen dem zellulären LUCA sicherlich voraus. Das bedeutet allerdings keineswegs, dass Viren die ältesten Erscheinungsformen von Leben auf der Erde waren. Schließlich können sie ohne Wirtszellen und deren Ribosomen, an denen die Proteine entstehen, nicht existieren.

Entsprechend schlugen 2008 Didier Raoult – dessen Labor an der Aix-Marseille Université unter anderem Riesenviren erforscht – und ich als Definition vor: Viren sind Kapside kodierende Organismen. Und da ein Kapsid aus mindestens einer Art von Protein besteht, konnten Viren, wie wir sie heute kennen, nicht vor den Proteinen bekannter Machart existiert haben, somit auch nicht vor den Ribosomen. Diese Proteinfabriken in den Zellen wiederum sind so komplex aufgebaut, dass sie sicherlich erst nach einer längeren Evolution urzeitlicher Zellen auftraten.

Die Befunde meiner Kollegen zu den Viruskapseln begeistern mich schon deswegen, weil ich selbst aus ganz anderen Gründen seit Langem davon überzeugt bin, dass Viren sehr alt sind. Anfang der 1980er Jahre forschte ich am Institut Jacques Monod in Paris über die Replikation, also Verdoppelung der DNA. Ich interessierte mich für DNA-Topoisomerasen, Enzyme, welche die DNA-Stränge räumlich verändern, somit zum Beispiel ver- oder entdrillen. Nun hatte 1979 an der University of California in San Francisco ein Forscherteam unter Leitung von Bruce Alberts gezeigt, dass der Bakteriophage T4 – ein Kopf-Schwanz-Phage, derEscherichia-coli -Bakterien infiziert – eine völlig andere DNA-Topoisomerase kodiert als sein Wirt. Sein Enzym passt eher zu Eukaryoten als zu Bakterien. So postulierte ich 1991, Viren könnten einer frühen, inzwischen verschwundenen zellulären Domäne des Lebens entstammen. Die These fand damals kaum Beachtung. Das änderte sich erst mit der Entdeckung der Riesenviren.

Möglicherweise ist die DNA sogar viralen Ursprungs. Wie sich nämlich zeigt, kommen bei Viren recht oft Enzyme zum Manipulieren von DNA vor, darunter Polymerasen und Helikasen, deren genetische Kodes sich von denen ihrer Wirte stark unterscheiden. Die gemeinsame Wurzel dieser Enzyme müsste demnach sehr weit zurückliegen, was meines Erachtens für eine frühe virale DNA-Welt sprechen könnte. Bereits in ihr hätten die Enzymlinien begonnen, sich auseinanderzuentwickeln. In Anlehnung an das »Out of Africa«-Szenario für denHomo sapiens , das sich in der großen genetischen Vielfalt der Afrikaner spiegelt, könnte man für die DNA eine »Out of viruses«-Hypothese vertreten.

DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist bekanntlich eine modifizierte Form von RNA (Ribonukleinsäure). Angenommen, es gab zunächst eine urzeitliche virale RNA-Welt, und bei einigen jener RNA-Viren wären spontan entsprechende Modifikationen des Erbguts zu DNA aufgetreten: Das hätte ihnen sicherlich zum Vorteil gereicht, da die Abwehrenzyme ihrer Wirte nur virale RNA-Genome zerstören konnten.

Große Gen-Erfinder

Die meisten neuen Gene entstehen aus zufällig auftretenden so genannten Protogenen, die kleine, nutzlose Peptide kodieren. Das zeigt die vergleichende Genomforschung. Sofern solch ein Molekül der Zelle allerdings irgendwann doch Vorteile bringt, kann daraus ein Gen für ein funktionales Protein werden. Der Vorgang wurde für Hefen und Taufliegen beschrieben, gilt vermutlich aber ähnlich auch für Bakterien, Archaeen und Viruszellen, somit Viren.

Im Viruszellstadium exprimieren und vervielfältigen Viren ihr Genom, wobei sich dieses teils verändert. Das könnte erklären, wieso die Überzahl ihrer Gene nicht mit den bekannten zellulären Genen – also welchen von Bakterien, Archaeen oder Eukaryoten – verwandt sind: Die Viren haben sie erst erfunden.

Die Viruszelle

Zur Produktion neuer Viruspartikel kapern alle Viren Zellen. In einer vom Mimivirus infizierten eukaryotischen Zelle (oben) entsteht dazu eine »Virusfabrik «: Das Virion umhüllt sich mit einem Stück Zellmembran (1 ) und dringt so in die Zelle ein; sein Kapsid und die Bläschenmembran verschmelzen, das Gebilde öffnet sich und entlässt das virale Genom ins Zellinnere (2 ), wo es erstmals transkribiert wird; jetzt bildet sich unter Verwendung von zellulärem Material eine Virusfabrik (3 ); diese produziert Kapside (4 ) und packt in jedes ein Virusgenom; die Virionen werden fertig gestellt (5 ), brechen die Zelle auf und kommen frei (6 ).

Bei prokaryotischen Zellen stellt die ganze Zelle eine Virusfabrik dar (unten). Im gezeigten Beispiel wirdSulfolobus , eine Archaee, vom Virus SIRV2 infiziert: Letzteres entlässt sein Genom in die Zelle; das Genom des Archaeons wird zerstört und das des Virus vermehrt; nun entstehen neue Viren; an der Zellmembran bilden sich pyramidenförmige Auswüchse, die sich schließlich öffnen und die neuen Viren entlassen.

POUR LA SCIENCE NOVEMBER 2016

Ähnlich ist die DNA vieler heutiger Bakteriophagen in einer Weise abgewandelt, dass bestimmte Bakterienenzyme ihr nichts anhaben können. Zum Beispiel ist dann ein Baustein durch einen leicht andersartigen ausgetauscht. Vielleicht geschah bei einem frühen Virus tatsächlich eine Umwandlung von einem RNA- in ein DNA-Genom. Und danach hätten die DNA-Viren immer komplexere und vielfältigere Replikationsmechanismen ausgebildet – die zelluläre Organismen schließlich übernahmen.

Das könnte einen rätselhaften Widerspruch erklären. Die Ribosomen von allen drei Domänen des Lebens einerseits ebenso wie die RNA-Syntheseenzyme – die RNA-Polymerasen – andererseits ähneln sich untereinander so stark, dass man sie auf den letzten gemeinsamen Vorfahren LUCA zurückzuführen vermag. Hingegen sind die DNA-Replikationsmaschinerien der Bakterien einerseits und die von Archaeen und Eukaryoten andererseits nicht homolog, leiten sich also nicht von einem gemeinsamen Ursprung her. Das ließ einige Forscher spekulieren, LUCA könnte noch ein RNA-Genom gehabt haben. Doch nach der »Out of viruses«-Hypothese könnten zwei verschiedene virale DNA-Replikationsmechanismen unabhängig voneinander auf Zellen transferiert worden sein. Den einen Mechanismus erwarb ein Bakterienvorläufer, den anderen ein gemeinsamer Vorfahr der Archaeen und Eukaryoten. In klassischer Manier evolutionären Wettrüstens hätten die Zellen Nutzen aus einer zuvor gegen sie gerichteten Erfindung ihrer viralen Gegner gezogen.

Die Aversion mancher Biologen gegen die neue Virushypothese beruht auf einer alten Begriffsverwirrung
Während einige meiner Fachkollegen diese Hypothese interessiert aufnahmen, wiesen andere sie heftig zurück. Ich bekam zu hören, Viren, diese passiven Entitäten und Nebenprodukte der zellulären Evolution, könnten nichts »erfunden« haben, also auch nicht DNA. Ich begriff, dass die Aggressivität, die ich erfuhr und mit der man den Viren jede Kreativität absprach, mit einer alten Begriffsverwirrung zusammenhing: Oft wird nicht sauber zwischen Virus und Virion unterschieden.

Das hängt mit der Entdeckungsgeschichte zusammen. Zuerst hatte man die infektiösen Agenzien identifiziert, die Virionen. Im Gegensatz zu Bakterien konnten irgendwelche winzigen, gefährlichen Partikel selbst feinste Porzellanfilter passieren. Viele Menschen stellen sich unter Viren immer noch kleine, stachelige, unheimliche Kugeln oder Ähnliches vor. Eine 2006 publizierte Arbeit von Jean-Michel Claverie von der Aix-Marseille Université half mir bei meinen Überlegungen weiter. Darin kritisierte er die Unschärfe der beiden Begriffe und schlug für das Mimivirus, ein Riesenvirus, vor, besser von einer Virusfabrik zu sprechen, die in infizierten Zellen entsteht und Virionen produziert (siehe »Die Viruszelle«, S. 19, oben).

Virus generell mit Virusfabrik gleichzusetzen, hielt ich allerdings für problematisch. In infizierten Bakterien und Archaeen bildet sich keine mikroskopisch erkennbare, abgegrenzte »Fabrik«. Vielmehr okkupieren die betreffenden Viren das gesamte Zellinnere, um ihre Virionen zu produzieren (siehe »Die Viruszelle«, unten). Die Lösung fand ich dann in einem Artikel von André Lwoff: 1953 schrieb er, ein Bakteriophage würde das infizierte Bakterium zu einer »Virusfabrik« machen, die Virionen herstellt. In diesem Bild ist die Fabrik also gewissermaßen das Virus. Für infizierte Zellen prägte ich nun das Wort »Viruszelle « (englisch »virocell«). Das bedeutet, die Zelle wird zu einem anderen Organismus. Sie ist nun keine Archaee (oder Archaeon), kein Bakterium und kein Eukaryot mehr, sondern ein Virus in Form eines zellulären Organismus.

Wenn ein Virus für seine Vermehrung sorgt, ist das infizierte Bakterium oft längst tot
Das Konzept der Viruszelle widerspricht zentralen Argumenten, wonach die Viren keine Lebewesen sind und sich deshalb nicht selbst erzeugen und weiterentwickeln können. Aber nach der neuen Auffassung erbringen nicht die Zellen (ob Bakterien, Archaeen oder Eukaryoten) die Virusbildung. Bakterien sind zu dem Zeitpunkt oft sogar schon tot, speziell wenn ihr Genom zerstört wurde. Wie soll ein toter Organismus Viruspartikel produzieren? Nein – die Viren selbst sorgen dank der Viruszelle nach den darwinschen Gesetzen für ihre Bildung und Evolution.

Nach diesem Konzept hätten Viren einen Stoffwechsel. Sie kapern den biochemischen Apparat der infizierten Zelle und richten damit spezifische Verhältnisse ein, die allein der Virionenproduktion dienen (siehe »Die Viruszelle «). Manche Viren nutzen hierbei wirtseigene Enzyme, aber viele kodieren diese selbst, zuweilen sogar eine große Anzahl davon. Ich neige sehr dazu, Viren als lebendig einzustufen. Mir ist jedoch bewusst, dass diese Haltung andere Fragen nach sich zieht wie: Sind dann vielleicht selbst Plasmide lebendig oder gar Gene?

Evolution des Zellkerns

Möglicherweise haben Viren hierbei mitgewirkt.

Die Virusfabriken, die DNA-Viren in Eukaryotenzellen etablieren, ähneln in mancher Hinsicht deren Zellkern. Gewissermaßen entwickelt sich in der infizierten Zelle vorübergehend ein Mikroorganismus, das eigentliche Virus. Dieses produziert mit den Ressourcen der Zelle Virionen (Viruspartikel), die in die Umwelt gelangen und neue Wirtszellen suchen.

Alle Viren benötigen zur Produktion ihrer Proteine zwar die zelluläre Translationsmaschinerie, sprich die Ribosomen; doch DNA-Viren von Eukaryoten sind von ihren Wirten in unterschiedlichem Maß abhängig. Manche benötigen nur Proteine für ihre Virusfabrik, andere sämtliche Funktionen des Zellkerns. Letztere müssen ihre DNA in den Kern einschleusen. Einige bauen sie dort sogar ein, so dass die Zelle sie mit dem eigenen Genom vervielfacht. Immer jedoch werden die Genabschriften, die RNA-Matrizen, außerhalb des Zellkerns in Proteine übersetzt. Virale Proteine besorgen dann den Zusammenbau neuer Virionen.

Die unabhängigsten Viren, wie das Mimivirus, bringen die gesamte Maschinerie für diese Vorgänge quasi selbst mit. Andere, wie wahrscheinlich die Marseilleviridae, holen sich einige wenige zelluläre Proteine zur Unterstützung.

Eine Virusfabrik stellt ein veritables Zellkompartiment dar. Sie wirkt tatsächlich wie ein temporärer Mikroorganismus und enthält keine Organellen des Wirts, keine Mitochondrien und auch nicht dessen Ribosomen. Bei manchen Viren, etwa dem Erreger der Pocken, ist das Gebilde von einer Lipidmembran umgeben. Ebenso bilden die Mimiviridae und das Pithovirus eine Grenzschicht aus.

Der Virusfabrik und dem Zellkern ist vieles gemeinsam: Unter Ausschluss der Energie liefernden Organellen grenzen beide die Transkription und DNA-Replikation in ein bestimmtes Kompartiment ein. Beide erscheinen wie Parasiten des Zytoplasmas, denn sie sind auf dessen Zutaten angewiesen. Des Weiteren laufen in beiden Strukturen sämtliche Phasen der DNA-Replikation ab. Und die jeweiligen Enzyme, die sich bei den Viren und Eukaryoten stark voneinander unterscheiden, erkennen dabei nur die regulatorischen Signale ihrer eigenen Herkunft. Wie die reifen viralen Boten-RNAs, die direkte Vorlage für die Proteinherstellung, aus der Virusfabrik ins Zytoplasma gelangen, bleibt noch zu klären. Fest steht, dass sie gegenüber zellulären RNAs bevorzugt werden, so dass nun vor allem Virusproteine entstehen.

All dem zufolge könnte der Zellkern der Eukaryoten durchaus von einem urzeitlichen Virus abstammen, das sich in frühen Zellen eingenistet hat – zum beiderseitigen Nutzen.

Chantal Abergel undJean-Michel Claverie sind Mikrobiologen an der Aix-Marseille Université und am CNRS (Centre national de la recherche scientifique).

Zunächst hielt man Erscheinungen wie diese für die eigentlichen Viren. Heute bezeichnet man die infektiösen Partikel, die für ihre Verbreitung sorgen, meist als Virionen. Denn bei »Viren« handelt es sich um einen biologischen Prozess in mehreren Phasen. Die Illustration zeigt einen typischen T-Phagen. Mit seinen Beinchen dockt er an ein Bakterium an und injiziert sein Erbmaterial, das der Kopf enthält, durch das Schwanzrohr in die Zelle.


Und was ist nun ein Virus? Das Virion gehört dazu, die Virusfabrik auch und ebenso ein in ein Zellgenom integriertes virales Genom. Doch darf man diese Erscheinungen mit dem Phänomen Virus gleichsetzen? Sogar Philosophen befassen sich mit dieser Frage, unter ihnen John Dupré von der University of Exeter und Thomas Pradeu von der Université de Bordeaux. Sie würden die Viren nicht als physisch distinkte Objekte begreifen, sondern als einen Vorgang, ein Entwicklungsgeschehen, das alle Phasen des viralen Zyklus umfasst. In diesem Sinn könnte man jeden Organismus als Prozess ansehen. Die Vorstellung passt zu der von Raoult und mir 2008 vorgeschlagenen Definition, wonach Viren Kapside kodierende Organismen sind. Heute würde ich lieber sagen: Es sind Organismen, die Virionen produzieren, die Markenzeichen ihrer Verbreitung.

Wenn man Viren so definiert, dann muss man bei der Frage nach ihrer Herkunft die Ursprünge der Proteinsynthese klären. Ich könnte mir vorstellen, dass lange vor LUCA, in einem RNA-Zellen-Zeitalter, unterschiedliche Virionentypen auftraten. Unter Umgehung der damals noch sehr plumpen Mechanismen der Zellteilung hätten Virionen es bestimmten Gengruppen ermöglicht, sich zu reproduzieren und zu vervielfältigen.

Vielleicht entstanden gleich nach den DJR-Viren (mit den »Biskuitrollen«-Proteinen) Riesenviren. Sie infizierten gemeinsame Vorfahren der Archaeen und Eukaryoten und wurden durch neue Gene, die sie selbst schufen, immer größer. Einige jener Gene mögen sie auf Eukaryotenvorläufer übertragen haben, womit sie an der Entstehung der modernen Eukaryotenzelle beteiligt gewesen wären, die auf diese Weise ihrerseits immer größer wurden. Insbesondere der Zellkern der Eukaryoten und die Virusfabrik von Riesenviren erscheinen in mancher Hinsicht dermaßen ähnlich, dass Forscher einen Zusammenhang nicht ausschließen (siehe »Evolution des Zellkerns«, links).

Viren wären demzufolge prozessuale Entitäten, die sich stets weiterentwickeln. Das Leben an sich ist ein historischer Vorgang, der sich auf unserem Planeten seit mehr als dreieinhalb Milliarden Jahren vollzieht und permanent neue, eng miteinander verzahnte, verschachtelte Teilprozesse hervorbringt. Welche davon nun lebendig sind, ist oft nicht leicht zu entscheiden. Die Mitochondrien etwa, die »Kraftwerke« der Zellen, sind Zellorganellen, die von Bakterien abstammen, welche ihre Eigenständigkeit immer mehr eingebüßt haben. Viele Biologen dürften ein intrazelluläres Bakterium lebendig nennen, ein Mitochondrium nicht.
Doch in welchem Augenblick der Evolution ging die Eigenschaft verloren? Ich persönlich finde, die Diskussion um die Lebendigkeit verschiedener biologischer Erscheinungen hat einen vitalistischen Beigeschmack, als wäre dies ein geheiligtes Attribut, das nicht leichtfertig verliehen werden darf. Wenn man den Begriff »lebendig« denn unbedingt verwenden möchte, sollte er ebenso für alle sekundären Prozesse gelten, die an dem evolutionären Vorgang teilhaben, den wir Leben nennen.

QUELLEN

Forterre, P.: Microbes from Hell. The University of Chicago Press, 2016

Forterre, P.: To Be or Not to Be Alive: How Recent Discoveries Challenge the Traditional Definitions of Viruses and Life. In: Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 59, S. 100–108, 2016

Forterre, P., Gaïa, M.: Giant Viruses and the Origin of Modern Eukaryotes. In: Current Opinion in Microbiology 31, S. 44–49, 2016

Zimmer, C.: A Planet of Viruses. The University of Chicago Press, 2. Auflage 2015