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Anche i virus si ammalano d’influenza

Recenti studi nell’ambito della virologia hanno portato alla scoperta di alcuni virus sono capaci di parassitare altri virioni molto più grandi di loro. Gli studiosi li hanno ribattezzati virofagi.

I virus giganti

Nell’immaginario collettivo i virus sono piccole entità capaci di infettare cellule molto più grandi di loro, spaziando dalle cellule procariotiche a quelle eucariotiche. Sebbene questa credenza trovi molteplici esempi in natura, essa non è del tutto corretta.

Prendiamo ad esempio uno dei batteri più piccoli fino ad oggi conosciuto: Mycoplasma genitalium. Questo piccolo procariote, capace di infettare il tessuto ciliato del tratto respiratorio e urogentitale dei primati, non supera i 0.6, 0.7 μm di grandezza, il suo genoma è lungo circa 0.58 megabasi (ovvero 580.000 paia di basi) e al suo interno vi sono 475 geni.

A questo punto, consideriamo i generi di virus più grandi: i Pandoravirus e i Pithovirus. I primi vantano il record per il genoma più grande (compreso fra 1.9 e 2.5 megabasi) mentre i secondi si distinguono per l’eccezionale stazza (circa 1.5 μm). Confrontando il batterio M. genitalium con questi due pesi massimi del mondo virale, saltano subito all’occhio le differenze di grandezza fisica e genomica. Nonostante ciò, il piccolo batterio ha qualcosa che i virus non hanno: la capacità di vivere e di replicarsi in autonomia. Sono proprio queste due caratteristiche, sommate anche alla capacità del batterio di mantenere una determinata omeostasi, che portano i virus ad essere considerati delle entità non vive.

Anche i virus giganti, dunque, hanno bisogno di infettare una cellula in maniera tale da produrre gli elementi del proprio capside (il rivestimento proteico) e di replicare il proprio genoma. Può sembrare dunque paradossale constatare come questi virus giganti, per loro natura dipendenti da altri microorganismi, possano venire sfruttati a loro volta da virioni più piccoli.

I virofagi, i parassiti dei parassiti

Inizialmente il mondo della virologia è stato colto di sorpresa dalla scoperta dei virus giganti, imponenti per dimensione e organizzazione. Successivamente è stato stupito dall’identificazione dei virofagi: virus di piccole dimensioni (se rapportati ai virus giganti) che parassitavano i loro cugini più grandi.

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Il primo virofago, individuato nel 2008, è stato stato trovato in associazione con il  mega-virus Acanthamoeba castellanii mamavirus (qui di seguito chiamato semplicemente “mamavirus”), facente parte del genere virale dei mimivirus. Mamavirus e il virofago sono stati identificati all’interno di un’ameba (un organismo unicellulare) prelevato da un campione di acqua di un impianto di raffreddamento a “Les Halles”, nei pressi di Parigi. Quando i ricercatori si sono resi conto che il virus più piccolo era dipendente dal più grande mamavirus, hanno deciso di dargli il nome di “Sputnik” che in russo significa “compagno di viaggio”. Successivamente Sputnik è stato definito come “virofago”: un virus che infetta altri virus, per analogia con i batteriofagi che sono invece virioni che infettano i batteri.

Dal 2008 sono stati identificati circa 18 virofagi (tabella 1) di cui però solo 5 sono stati effettivamente isolati in coltura. Degli altri 13 si conosce solo la sequenza del genoma, dato che sono stati individuati nel corso di lavori di metagenomica. I 5 virofagi isolati, compreso Sputnik, hanno dimostrato di non poter vivere senza il loro compagno più ingombrante in quanto quest’ultimo fornisce loro un mezzo di ingresso all’interno della cellula ospite e un validissimo aiutante per la replicazione. Ironia della sorte vuole che non tutti i virofagi siano così generosi con il proprio virus gigante: Sputnik, ad esempio, risulta deleterio per mamavirus in quanto ne ostacola la replicazione, e riduce del 70% la capacità di questo mega-virus di infettare altre cellule.

I virofagi identificati (Meriem Bekliz et al, 2016)

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La struttura dei virofagi

Il rivestimento proteico che racchiude il genoma di tutti i virofagi isolati, chiamato capside, ha un diametro compreso fra 35 e 74 nm.

Sputnik è stato l’unico virofago di cui è stata studiata approfonditamente la struttura, attraverso la microscopia crio-elettronica. Si è scoperto che il capside di questo virus è formato da un totale di  272 capsomeri, ovvero le unità proteiche che formano  il capside. Di questi 272, 12 capsomeri sono di forma pentamerica e 260 di forma esamerica. Da questi ultimi, si protendono verso l’esterno dei filamenti di lunghezza pari a 5.5 nm, mentre i capsomeri pentamerici sono dotati di cavità centrali che si pensa possano servire al DNA, contenuto nel capside, per entrare o uscire. Infine, si è notato che subito al di sotto del capside vi è la presenza di un doppio strato fosfolipidico dello spessore di circa 4nm.

Il ciclo replicativo di Sputnik

Come nel caso della struttura, Sputnik è l’unico virofago di cui si è indagato il ciclo replicativo, sebbene questo non sia ad oggi conosciuto nei sui minimi particolari. Come è stato accennato qui sopra, Sputnik ha bisogno del suo virus gigante, mamavirus, per entrare all’interno della cellula ospite, l’ameba Acanyhamoeba polyphaga. È stato infatti dimostrato che Sputnik non riesce ad entrare all’interno della cellula in maniera indipendente. Si ritiene che questo virofago si agganci alle fibrille che protendono da mamavirus e attraverso di queste si faccia trainare all’interno dell’ospite. Questa teoria è stata dimostrata dai fatti perchè Sputnik non riusciva più ad entrare nell’ameba, se il mamavirus veniva privato di fondamentali componenti delle fibrille.

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Una volta all’interno della cellula, Sputnik va a sfruttare la fabbrica virale costruita da mamavirus per replicarsi. Le fabbriche virali sono delle zone circoscritte del citoplasma, estremamente dense, nelle quali avviene la sintesi dei nuovi virioni. A circa 16 ore dall’infezione le amebe si trovano ripiene fino all’orlo di mamavirus e di Sputnik perciò lisano, riversando all’esterno i due tipi di virioni pronti per infettare, sempre insieme, altre cellule.

Metagenomica e virofagi

Grazie alle nuove tecniche di sequenziamento del DNA (Next Generation Sequencing) è stato molto semplice riuscire ad ottenere la corretta successione di nucleotidi che compone il genoma dei virofagi.

I lavori di metagenomica attraverso i quali sono stati identificati la maggior parte dei virofagi consistono proprio nel sequenziamento casuale del DNA di tutti i microorganismi prelevati in un certo luogo. Per rendere più comprensibile il concetto basta immaginare di essere in una biblioteca e di voler trovare quei libri, fra i tanti classici che sono già noti, che non si sono mai letti. Poniamo che ogni libro sia un microorganismo e che ciò che vi sia scritto dentro non sia altro che la sequenza delle basi che compongono il suo genoma. Normalmente, quello che si farebbe è leggere il titolo di ogni tomo in maniera da scegliere dagli scaffali della biblioteca solo i volumi di nostro interesse. Nell’approccio metagenomico questo processo non è contemplato: si leggono tutti i libri presenti nella biblioteca e alla fine ci si rende conto di quali volumi fossero effettivamente sconosciuti.

Questo procedimento può sembrare estremamente lungo ma non è così: i sequenziatori di nuova generazione sono capaci di sfornare dati in quantità enormi e a basso costo. In questa maniera non solo ci si può rendere conto della presenza di organismi ignoti, ma si può anche ricostruire con grande fedeltà la composizione di una data comunità microbica in un preciso luogo e tempo.

La metagenomica sta dando risultati inaspettati ed eccitanti in moltissimi campi della biologia ed ha potuto gettare luce, per esempio, sul particolare mondo dei virofagi. Qui di seguito riportiamo le scoperte effettuate sul genoma di Sputnik, tralasciando quelle compiute sugli altri virofagi, grazie agli approcci metagenomici, dal momento che esse risultano essere scarse.

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Il genoma di Sputnik

 Sebbene di dimensioni non eccezionali, il genoma del piccolo Sputnik ha destato la sorpresa dei virologi che lo studiavano, in quanto sembrerebbe avere caratteristiche chimeriche. Per genoma chimerico si intende il fatto che esso risulterebbe il frutto della somma di 3 diversi genomi: quello di mamavirus, quello di un plasmide virale e quello di una nuova famiglia di virus non ancora identificata. Diciamo immediatamente che il genoma di Sputnik consiste di 18.343 paia di basi, è circolare, a doppio filamento e le proteine che può codificare sono 21. Tre di questi ventuno geni (ORF 6, 12 e 13) sono condivisi con i mimivirus/mamavirus.

Si pensa che Sputnik li abbia acquisiti dal suo compagno Acanthamoeba castellanii mamavirus all’interno delle fabbriche virali che il virus gigante costruisce. In queste regioni produttive possono avvenire eventi di ricombinazione fra il genoma del virofago e quello del mamavirus. Questa ipotesi di trasferimento ha portato a fare interessanti speculazioni sul ruolo dei virofagi nel passaggio di geni fra virus giganti diversi e perfino fra batteri e virus giganti.

ORF10 è un altro gene interessante in quanto deriverebbe dal plasmide di un antico virus che infettava i primi eucarioti. La proteina codificata da ORF10 è un’integrasi: un enzima capace di inserire il DNA virale all’interno del genoma della cellula. Si pensa che questo gene possa essere stato “rubato” da Sputnik quando il virofago si è trovato ad infettare una cellula eucariote al cui interno vi era questo plasmide. La presenza dell’integrasi va a rafforzare l’idea sopra esposta per cui Sputnik potrebbe essere in grado di veicolare porzioni di DNA fra microorganismi diversi.

ORF3, ORF13 e ORF14, infine, fanno pensare che Sputnik potrebbe essere il rappresentante di una nuova famiglia di virus non ancora individuata. Il dubbio è sorto quando ci si è accorti che questi geni sono estremamente simili ad alcuni, mai identificati prima, che sono stati scoperti attraverso lavori di metagenomica effettuati nelle acque oceaniche.

Il genoma di Sputnik (Bernard La Scola et al, 2008)

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I geni conservati nei virofagi

Studiando il genoma dei vari virofagi fino ad oggi conosciuti, si è notato che 6 geni erano comuni a tutti i rappresentanti di questa famiglia e codificavano per:

  • MCP, la principale proteina che forma il capside del virofago,
  • mCP, un’altra proteina che forma il capside ma con un’importanza minore rispetto a MCP,
  • FtsK-HerA, che si occupa dell’impacchettamento del DNA all’interno del guscio proteico, utilizza ATP,
  • PRO, una cisteina proteasi,
  • S3H, una DNA elicasi/primasi.

 

La presenza di questi geni all’interno dei virofagi va a rafforzare l’idea di un’origine monofiletica dei virofagi, che farebbero parte di una nuova famiglia chiamata Lavidavirida (il prefisso Lavida sta per Large Virus-Dependent or Associated virus).

I virus giganti si difendono dall’invasore, il MIMIVIRE 

Come già ripetuto più volte nel corso di questo rapido excursus, Sputink è uno dei 18 virofagi identificati fino ad oggi. Fra questi, Zamilion, trovato in un campione di terreno tunisino, ha portato i ricercatori a scoprire un sistema di difesa dei virus giganti nei confronti dei virofagi.

Prima di procedere però facciamo un passo indietro.

Il numero di virus giganti identificati dai ricercatori nel corso di questi anni sta cominciando a diventare considerevole e fra i generi di mega-virus trovati uno dei più importanti è sicuramente quello dei mimivirus. Dato il numero considerevole dei mimivirus descritti è stato possibile riuscire a categorizzarli in 3 diversi “lineage” chiamati A, B, C. Sputnik riesce ad infettare con successo tutti i mimivirus di questi 3 lineage, ma Zamilion non segue lo stesso esempio. Esso infatti riesce a parassitare solamente i mimivirus della classe B e C, mentre quelli del lineage A riescono a resistergli.

Come mai?

Andando a studiare il genoma di Zamilion e dei mimivirus del lineage A si è scoperto che questi virus giganti hanno all’interno del loro DNA alcune sequenze del genoma di Zamilion, che possono essere ripetute fino a 4 volte. La presenza di queste stringhe di DNA suggerisce la presenza di un sistema immunitario in mimivirus che riuscirebbe a riconoscere la presenza del genoma di Zamilion e a distruggerlo. Questo sistema di riconoscimento e di degradazione è chiamato MIMIVIRE (MIMIvirus Virophage Resistant Element) e si discosta dal più noto sistema CRISPR-Cas trovato nei procarioti. Ad esempio, il sistema MIMIVIRE non presenta sequenze omologhe nella funzione a quella dei protospacer, che invece rivestono un ruolo fondamentale in CRISPR-cas.

I virofagi hanno permesso di vedere sotto un’altra luce il mondo dei virus e in particolar modo quello dei virus giganti. Se tradizionalmente si pensava ai virioni unicamente come assalitori di cellule più grandi di loro, oggi bisogna pensare alla possibilità di interazioni complesse e di sfruttamento fra i vari rappresentanti di questo mondo di non-viventi. I virus giganti in particolare, hanno dimostrato di essere vulnerabili a parassiti come i virofagi e sotto questo aspetto sembrano molto più simili ad organismi di complessità maggiore.

I virofagi, infine, possono rappresentare un veicolo interessante di segmenti di DNA fra virus giganti e cellule di tipo diverso. Questa possibilità potrebbe essere indagata nell’ottica di una ricerca biotecnologica applicata ai più disparati aspetti della biologia moderna.

BIBLIOGRAFIA 
  • Bekliz M, Colson P, La Scola B, The expanding family of virophages. Viruses 2016, 8, 317
  • La Scola B et al. The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. Nature 2008, vol 455
  • Marie V, Lin J, Cannibalistic viruses in the aquatic environment: role of virophages in manipulating microbial communities. J. Environ. Sci. Technol 2016
  • Katzourakis A, Aswad A, The origins of giant viruses, viophages and their relatives in host genomes. BMC Biology 2014

 

A cura di Giovanni Sestini. Revisionato da Davide Maspero.

 

 

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About the Author : Giovanni Sestini

Futuro biotecnologo. Curioso e organizzato. Amante della storia moderna. Appassionato di libri di avventura.

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