Ein Forschungsteam des Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen hat eine Entdeckung gemacht, die etablierte Vorstellungen über Viren grundlegend verändert. Demnach können sogenannte Riesenviren dauerhaft im Erbgut mehrzelliger Organismen verborgen bleiben, über Generationen hinweg vererbt werden und unter bestimmten Bedingungen erneut aktiv werden.
Die Ergebnisse stammen aus Untersuchungen an Braunalgen und liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Viren sich an ihre Wirte anpassen und langfristig in Ökosystemen bestehen können.
Riesenviren bleiben im Erbgut der Wirte verborgen
Riesenviren zählen zu den komplexesten bekannten Virenformen. Sie verfügen über große Genome und besitzen teilweise mehr Gene als einige Bakterienarten. Bislang ging die Forschung jedoch davon aus, dass diese Viren ausschließlich als frei existierende Partikel in der Umwelt auftreten.
Die neue Studie zeigt nun, dass sich vollständige Virusgenome dauerhaft in das Erbgut einer mehrzelligen Braunalge integrieren können. Untersucht wurde die Modellalge Ectocarpus, die in der Meeresbiologie häufig zur Erforschung komplexer Entwicklungsprozesse eingesetzt wird.
Die Forschenden entdeckten sogenannte „giant endogenous viral elements“ (GEVEs) – vollständige Virussequenzen, die fest in die Chromosomen der Alge eingebaut sind. Anders als bislang vermutete „genetische Fossilien“ bleiben diese Elemente funktionsfähig und können erneut infektiöse Viruspartikel produzieren.
Viren werden wie ein genetisches Merkmal vererbt
Besonders bemerkenswert ist die Art der Weitergabe. Die integrierten Viren werden stabil über die Keimbahn an nachfolgende Generationen übertragen und verhalten sich damit ähnlich wie ein genetisches Merkmal oder „Supergen“.
Damit nutzen die Viren zwei verschiedene Strategien gleichzeitig:
- Vertikale Übertragung durch Vererbung im Genom
- Horizontale Übertragung über infektiöse Viruspartikel
Eine solche Kombination wurde bei Riesenviren in mehrzelligen Organismen bisher nicht nachgewiesen.
Aktivierung nur unter bestimmten Bedingungen
Die Forschenden stellten außerdem fest, dass das Virus nicht zufällig aktiv wird. Die Reaktivierung erfolgt nur in speziellen Fortpflanzungszellen der Alge und hängt zusätzlich von bestimmten Temperaturbedingungen ab.
Sobald das Virus aktiviert wird, verwandelt es die betroffenen Zellen in Produktionsstätten für neue Viruspartikel. Gleichzeitig verhindert es die Bildung von Gameten und Sporen und blockiert damit die Fortpflanzung des Wirtsorganismus. Außerhalb dieser eng definierten Bedingungen bleibt das Virus vollständig inaktiv.
Moderne Genomtechnik bestätigt die Ergebnisse
Zur Analyse nutzte das Team verschiedene molekularbiologische Verfahren, darunter Long-Read-Sequenzierung, Transkriptomanalysen sowie CRISPR/Cas-Geneditierung.
Durch das gezielte Entfernen der viralen Sequenzen konnten die Forschenden nachweisen, dass tatsächlich die integrierten Virusbestandteile für die Bildung infektiöser Partikel verantwortlich sind – und nicht externe Viren aus der Umgebung.
Bedeutung für Klimaforschung und Meeresökologie
Braunalgen gehören zu den ökologisch wichtigsten Organismen in marinen Küstenregionen. Ähnlich wie Wälder an Land bilden sie Lebensräume für zahlreiche Arten und spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf.
Da viele Braunalgenpopulationen bereits unter den Folgen des Klimawandels leiden, könnten die neu entdeckten Virusmechanismen auch Auswirkungen auf die Stabilität mariner Ökosysteme haben. Veränderungen der Wassertemperatur könnten beispielsweise beeinflussen, wann die verborgenen Viren aktiv werden.
Neues Modell für die Virologie
Die Ergebnisse eröffnen zugleich neue Perspektiven für die Grundlagenforschung. Bisher war virale Latenz vor allem von Herpesviren oder Retroviren wie HIV bekannt. Dass auch große DNA-Viren vergleichbare Strategien in mehrzelligen Wirten nutzen, erweitert das Verständnis der Virus-Evolution erheblich.
Das sogenannte Ectocarpus-Phaeovirus-System könnte künftig als neues Modellsystem dienen, um Mechanismen der viralen Ruhephasen, Vererbung und Reaktivierung genauer zu untersuchen. Damit liefert die Studie nicht nur wichtige Erkenntnisse für die Meeresbiologie, sondern auch für die allgemeine Virologie und Evolutionsforschung.
