I virus hanno creato il nucleo? La risposta potrebbe essere vicina.
Per quanto diverse possano essere le cellule di animali, piante, funghi e protozoi, condividono tutte una caratteristica importante: un nucleo. Hanno anche altri organelli, come i mitocondri produttori di energia, ma la presenza di un nucleo – una sacca porosa ben definita piena di materiale genetico – è ciò che ha ispirato il biologo Édouard Chatton nel 1925 a coniare il termine eucarioti, che si riferiva a esseri viventi con un "vero nocciolo". Tutto il resto ha etichettato procarioti, per tutta la vita "prima del kernel". Questa dicotomia tra vita nucleata e non nucleare divenne fondamentale per la biologia.
Nessuno sa esattamente come il nucleo si sia evoluto e abbia creato quella divisione. Tuttavia, prove crescenti hanno convinto alcuni ricercatori che il nucleo potrebbe essere nato da una partnership simbiotica molto simile a quella che si ritiene abbia prodotto i mitocondri. Una differenza cruciale, tuttavia, è che il partner responsabile del nucleo potrebbe non essere affatto una cellula, ma un virus.
"Quello che siamo è un classico caso di ciò che chiamano complessità emergente", ha spiegato Philip Bell , il capo della ricerca per la società di biotecnologia del lievito MicroBioGen. Bell ha proposto un'origine virale per il nucleo eucariotico nel 2001 e ha aggiornato la teoria a settembre. "Sono tre organismi che si sono uniti per creare una nuova comunità, che alla fine si è integrata a tal punto da diventare, effettivamente, una nuova forma di vita".
Lui e altri ricercatori traggono la loro fiducia da scoperte come la dimostrazione che i virus giganti costruiscono "fabbriche virali" all'interno delle cellule procariotiche – compartimenti che, proprio come il nucleo, disaccoppiano i processi di trascrizione (lettura dei geni) e traduzione (costruzione di proteine). "Penso che ora sia il modello più forte", ha detto.
La maggior parte dei ricercatori che studiano le origini degli eucarioti potrebbero non essere d'accordo con lui; alcuni la descrivono ancora come un'idea marginale. Ma i sostenitori di un'origine virale sottolineano che diverse scoperte recenti si allineano convenientemente con un modello virale e credono che le prove conclusive a loro favore siano finalmente a portata di mano.
Un regalo virale o un attacco
Gli scienziati generalmente pensano che gli eucarioti siano apparsi per la prima volta sulla scena tra 2,5 miliardi e 1,5 miliardi di anni fa, quando le prove suggeriscono che un batterio si è stabilito all'interno di un diverso tipo di procariota, un archeone, e ne è diventato il mitocondrio. Ma un mistero più profondo circonda l'emergere del nucleo; nessuno sa nemmeno se quell'antico archeone fosse già una specie di proto-eucariota con un nucleo, o se il nucleo sia venuto dopo.
Qualsiasi storia sull'origine del nucleo eucariotico deve spiegare molte delle sue caratteristiche. C'è la natura della struttura, per cominciare: le sue membrane interne ed esterne annidate ei pori che collegano il suo interno al resto della cellula. C'è anche il modo curioso in cui compartimenta l'espressione dei geni al suo interno, ma lascia all'esterno la costruzione delle proteine. E una storia dell'origine davvero convincente deve anche spiegare perché il nucleo esiste – quali pressioni evolutive hanno spinto quelle antiche cellule a murare i loro genomi.
Per la maggior parte del secolo scorso e più, le congetture sull'origine del nucleo non hanno risposto ad almeno una di queste domande. Ma verso la fine del 21 ° secolo, due ricercatori hanno avuto in modo indipendente l'idea che i virus fossero responsabili del nucleo.
In Giappone, Masaharu Takemura (allora ricercatore associato all'Università di Nagoya) stava studiando la biochimica delle DNA polimerasi – enzimi che le cellule usano per copiare il DNA – quando si è interessato alla loro evoluzione. "Ho eseguito un'analisi filogenetica delle DNA polimerasi, comprese quelle eucariotiche, batteriche, archeologiche e virali", ha ricordato Takemura, ora biologo molecolare e virologo presso la Tokyo University of Science, in una e-mail. La sua analisi ha rivelato che un gruppo di virus (i poxvirus) aveva DNA polimerasi che erano sorprendentemente simili a una delle principali classi di polimerasi degli eucarioti. Ha ipotizzato che l'enzima eucariotico abbia avuto origine come contributo di alcuni antichi poxvirus.
Takemura sapeva anche che i poxvirus creano e si replicano all'interno di compartimenti all'interno delle cellule che infettano. Questa combinazione di fatti lo ha portato a teorizzare che il nucleo della cellula eucariotica fosse derivato da uno di questi compartimenti ancestrali del poxvirus – una proposta che ha pubblicato sul Journal of Molecular Evolution nel maggio 2001.
Nel frattempo, in Australia, Bell era arrivata a una conclusione simile per ragioni diverse. Da studente laureato all'inizio degli anni '90, si era interessato alle teorie sull'origine del nucleo, in particolare all'idea che, come i mitocondri, avrebbe potuto iniziare come un endosimbionte. "Cinque minuti di ricerca e io dico, 'Cribbio, se è un endosimbionta, non è batterico'", ha ricordato. C'erano troppe differenze tra i genomi batterici ed eucariotici, secondo lui, come il fatto che gli eucarioti hanno cromosomi lineari mentre i batteri tendono ad avere cromosomi lineari.
Ma quando ha esaminato i genomi virali, ha riscontrato sorprendenti somiglianze tra la struttura del genoma dei poxvirus e degli eucarioti. "Mi ci sono voluti nove anni per pubblicare la prima versione del modello", ha osservato. Poi ci sono voluti 18 mesi avanti e indietro per pubblicare l'articolo sul Journal of Molecular Evolution … quattro numeri dopo l'articolo di Takemura.
Ora, quasi 20 anni dopo, sia Takemura che Bell hanno aggiornato in modo indipendente le loro ipotesi. La revisione di Takemura è stata pubblicata online su Frontiers in Microbiology il 3 settembre, Bell's in Virus Research il 20 settembre . "Me l'ha fatto di nuovo", disse Bell ridendo.
Entrambi gli scienziati hanno citato le recenti scoperte che coinvolgono uno straordinario gruppo di "virus giganti" come una delle ragioni principali degli aggiornamenti. Questi virus erano totalmente sconosciuti quando Takemura e Bell pubblicarono le loro ipotesi iniziali. I loro genomi, che hanno più di 1 milione di paia di basi, rivaleggiano con quelli di piccoli batteri a vita libera e trasportano versioni virali di geni per proteine coinvolte nei processi essenziali nelle cellule. (Ci sono alcune prove che le versioni eucariotiche di molte di queste proteine provenissero da questi virus.)
Ma soprattutto, questi virus giganti si replicano all'interno di compartimenti complessi e auto-costruiti nel citoplasma di una cellula ospite, motivo per cui questi virus, come i poxvirus, sono classificati come virus nucleocitoplasmatici a DNA di grandi dimensioni (NCLDV). Per questi virus giganti, i compartimenti che creano sono "fabbriche virali grandi come un nucleo eucariotico", ha detto Patrick Forterre , un biologo evoluzionista presso l'Istituto Pasteur di Parigi. Significativamente, le fabbriche virali prodotte dagli NCLDV che infettano gli eucarioti hanno anche membrane interne ed esterne come il nucleo. I virus giganti sono ciò che secondo Forterre , Takemura e Bell sono responsabili dell'origine del nucleo.
Ci sono due possibili modi in cui il nucleo potrebbe provenire da virus giganti, secondo Forterre. "O le fabbriche virali sono diventate il nucleo, o le cellule proto-eucariotiche … hanno imparato dal virus per diventare una sorta di fabbrica virale per proteggere i cromosomi", ha detto.
Takemura pensa che quest'ultima sia più probabile: che un virus sia stato più un contributore involontario alle cellule eucariotiche, sia come stimolo per la costruzione di una barriera genetica da parte di un archeone sia come fonte di alcuni geni necessari per costruirla.
Secondo la sua ipotesi, molto tempo fa, un virus gigante ha costruito una fabbrica virale, racchiudendo il proprio genoma ma anche quello del suo archeone ospite. Ma a differenza della maggior parte delle cellule infette, questo ospite è riuscito a rubare il trucco di costruzione della barriera del virus e ha costruito il proprio compartimento, uno che difendeva il suo genoma dal virus. Nel tempo, questa barriera semipermanente si è evoluta nel nucleo come lo conosciamo.
Bell preferisce la versione in cui una fabbrica virale diventa direttamente il nucleo, poiché il processo rispecchia più da vicino il comportamento noto dei virus che infettano i procarioti oggi. "Sono più come l' invasione degli ultracorpi ", ha detto.
Crede che un antico virus gigante abbia infettato un archeone e creato una fabbrica virale ma non ha ucciso la sua cellula ospite. Invece, la struttura è riuscita a restare. "E poi il virus, che è un ladro di geni, ha rubato i geni dall'archaea e ne ha completamente distrutto il genoma", ha spiegato. Questo è un tema comune con i virus, specialmente quelli giganti: prendono i geni dai loro ospiti, il che li rende meno dipendenti dai loro ospiti. Ciò potrebbe anche aiutare a spiegare perché così tanti geni mitocondriali si sono spostati nel nucleo: "Nel corso degli anni ha rubato i geni dai mitocondri e ha iniziato a controllarli anche loro".
Quindi, in un certo senso, "il virus indossa la cellula dell'archeone come un mantello", ha detto Bell. E se quel modello è corretto, ha sottolineato, "si potrebbe dire che al centro di ogni cellula umana c'è un virus".
Origini contestate
Da quelle prime pubblicazioni di Takemura e Bell, diverse scoperte si sono allineate bene con l'idea di un'origine virale per il nucleo. Sono stati scoperti interi rami dell'albero genealogico dei virus giganti , ad esempio, ampliando la nostra comprensione della loro evoluzione e, in particolare, dei geni essenziali che hanno scambiato con i loro ospiti – quelli che hanno rubato o, in alcuni casi, forse dati a cellule.
Inoltre, nel 2017 i ricercatori hanno scoperto un virus che ha costruito una fabbrica virale all'interno di un ospite batterico. Fino ad allora, le fabbriche virali sembravano essere esclusive dei virus che infettano gli eucarioti, quindi trovarne uno in un procariota rafforzò l'idea che qualcosa di simile potesse essere accaduto molto tempo fa per avviare la formazione di un nucleo.
Nel caso di quel virus, "questa struttura simile al nucleo non è basata sulla membrana", ha detto Takemura, il che lo distingue da molte fabbriche virali e nuclei eucariotici. Tuttavia, ritiene che questa istanza di un virus che costruisce un "compartimento" protettivo attorno al suo genoma all'interno delle cellule procariotiche "suggerisce fortemente che nella cellula eucariotica ancestrale … si è verificato lo stesso tipo di compartimentazione da virus".
Proprio quest'anno, i ricercatori hanno individuato pori nelle fabbriche virali a doppia membrana dei coronavirus, che ricordano stranamente i pori trovati nei nuclei cellulari. "Se questo risultato regge, e supponendo che la proteina che forma i pori non sia derivata da un genoma eucariotico, allora smussa un argomento contro il modello del virus", ha scritto David A. Baum , un biologo evoluzionista presso l'Università del Wisconsin, Madison, in una e-mail.
Tuttavia, Baum non condivide l'idea che i virus abbiano qualcosa a che fare con l'origine del nucleo. Per lui, l'idea complica solo le cose. "Quale problema nell'eucariogenesi richiede virus come soluzione?" scrisse.
Baum, insieme a suo cugino Buzz Baum , biologo cellulare dell'University College di Londra, ha proposto un'ipotesi diversa : che il nucleo sia in realtà un residuo della membrana esterna dell'archeone ancestrale. In sostanza, pensano che un archeone ancestrale abbia iniziato a raggiungere il mondo circostante e ad associarsi ai batteri attraverso queste bolle esplorative di membrana. Nel corso del tempo, le bolle sono cresciute e sono cresciute, fino a quando si sono fuse di nuovo insieme, generando una nuova membrana esterna e pieghe della membrana interna che hanno dato origine ad altri compartimenti intracellulari. "I parenti viventi più vicini degli eucarioti hanno estese protuberanze extracellulari" che interagiscono con i procarioti, ha osservato David Baum, "molto sorprendentemente simili al modello che abbiamo proposto".
Per quanto riguarda le prove che i virus hanno fornito agli eucarioti alcune delle loro proteine nucleari più essenziali, la sua preoccupazione principale è che è molto difficile essere sicuri della direzionalità. "I virus sono i cleptomani per eccellenza", ha detto, quindi prendono costantemente i geni dai loro ospiti. “Penso che dobbiamo stare molto attenti a chiederci se troviamo somiglianze tra virus ed eucarioti. Non sappiamo se l'hanno dato agli eucarioti o se gli eucarioti lo hanno dato loro ".
Purificación López-García , ecologa microbica dell'Università Paris-Saclay e direttore della ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, non è altrettanto convinta che gli eucarioti si basino su quelle che erano originariamente proteine virali. "Non ci sono prove che esista una relazione omologa tra virus e cellule e nuclei eucariotici", ha detto.
Eppure López-García non è d'accordo nemmeno con il modello sfacciato dei Baum. Lei ei suoi colleghi non pensano che gli eucarioti siano iniziati con un archeone che inghiottiva batteri che sarebbero diventati mitocondri. Invece, a loro avviso, l'archeone viveva già all'interno di un batterio più grande , il risultato di un precedente evento endosimbiotico. "Quindi nel nostro modello, il nucleo deriverebbe da questo archeone e il citoplasma deriverebbe da un batterio", e questo duo ha preso in considerazione i futuri mitocondri, ha spiegato.
Ma Takemura dice che queste altre ipotesi sono errate, perché nella migliore delle ipotesi "spiegano solo il fenomeno che il nucleo è emerso" – mancano del razionale evolutivo per il motivo per cui il genoma è stato inscatolato e perché le parti che producono proteine sono state escluse. Questo è un punto critico anche per Bell: non vede come nessuna delle altre ipotesi spieghi la separazione tra trascrizione e traduzione.
L'origine virale ha più senso e ha le prove più forti, ha detto Forterre. "Non penso che siano davvero seri", ha detto delle teorie opposte. "Direi che i virus giocano un ruolo importante in questa storia."
In attesa di scoperta
Ci vorranno molte più prove per convincere scienziati come i Baums e López-García ad avvicinarsi al punto di vista di Forterre. Ma due decenni di progressi nella tecnologia potrebbero finalmente portare questa prova a portata di mano.
Proprio quest'anno, i ricercatori giapponesi hanno annunciato che dopo più di un decennio di tentativi, avevano finalmente isolato e coltivato Lokiarchaeota , un archaea del tipo che si ritiene facesse parte della partnership eucariotica originale. Ciò potrebbe aprire la porta alla scoperta di virus che infettano questi nostri lontani parenti e visualizzare esattamente come sono effettivamente quelle infezioni.
"Se dovessi trovare una nuova classe di virus che infettano il Lokiarchaeota, che è entrato nelle cellule e si è accampato lì e ha aperto i pori per facilitare il rapido flusso di trascrizioni nel citoplasma, sarebbe una prova convincente che i virus hanno dato origine al nucleo, ha detto David Baum.
Bell ha notato che un tesoro di virus giganti è stato recentemente sequenziato dagli stessi sedimenti di acque profonde in cui è stato scoperto il Lokiarchaeota. Spera che qualcuno testerà se qualcuno di questi virus può infettare gli archei e, in tal caso, se costruiscono fabbriche virali simili a quelle prodotte dagli NCLDV che infettano gli eucarioti. Dimostrarlo, ha detto, sarebbe "game over".
Anche Takemura spera che esista un tale virus. "La scoperta di virus archeologici che costruiscono strutture simili a nuclei e a base di membrane nelle cellule archeologiche sarà la prova più forte dell'origine virale del nucleo", ha detto.
Fino a quando questo tipo di prove straordinarie non sarà disponibile, l'eucariogenesi virale rimarrà probabilmente controversa. Ma anche se non finisce per vincere la battaglia per l'accettazione, ogni test della teoria rivela frammenti del nostro passato evolutivo e, per questo motivo, ci stiamo avvicinando sempre di più all'apprendimento della verità su da dove veniamo .
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/did-viruses-create-the-nucleus-the-answer-may-be-near-20201125/ in data Wed, 25 Nov 2020 14:58:58 +0000.