Polinton-artige Virenvielfalt in aquatischen Ökosystemen

Viren sind die häufigste biologische Einheit auf der Erde und werden oft als potentielle Gefahrenquelle für die Menschheit betrachtet. Man findet sie überall dort, wo es Leben gibt. Zum Beispiel kann ein Tropfen Wasser aus dem Meer, einem See oder einem Fluss mehrere Millionen Viren beinhalten. Es wird vermutet, dass Viren mit allen Lebewesen interagieren können. Die meisten Viren sind allerdings harmlos für den Menschen und infizieren hauptsächlich mikroskopisch kleine Tiere, Pflanzen und Bakterien. Viren vermehren sich, indem sie ihren Bauplan in eine Wirtszelle einschleusen. Diese produziert anschließend neue Virenpartikel. Jeden Tag zerstören Viren eine riesige Anzahl von Mikroorganismen in der Umwelt, was den Energiefluss in Nahrungsnetzen auf globaler Ebene verändert. Kürzlich haben wir sogenannte Polinton-ähnliche Viren im hochalpinen Gossenköllesee in Tirol entdeckt. Wir stellten fest, dass diese auch in vielen anderen Gewässern auf der Erde vorkommen. Allerdings ist noch unklar, welche Organismen von ihnen infiziert werden und wie sie mit ihren Wirtszellen interagieren. Im Rahmen unseres aktuellen Projektes untersuchen wir zuerst die Politon-ähnliche Virendiversität in verschiedenen Fließgewässern und Seen in Tirol. Mittels sogenannter Metagenomanalysen wird die DNA aus zahlreichen Wasserproben entschlüsselt. Mit Hilfe dieser Daten können wir das virale Erbgut und deren Wirtsorganismen identifizieren. Diese Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise auf Kontrollmechanismen von mikrobiellen Gemeinschaften in Süßwasser Ökosystemen. In einer zweiten Projektphase dehnen wir unser Untersuchungsgebiet auf Nordamerika aus. Dort arbeiten wir mit Wissenschaftlern der Universität Minnesota und dem Zentrum für Virologie in Nebraska (USA) zusammen.

Zusammenfassung der Ergebnisse des POLVIRIDAE-Projekts Das POLVIRIDAE-Projekt hatte sich zum Ziel gesetzt, eine wenig bekannte Gruppe von Viren namens Polinton-ähnliche Viren (PLVs) zu erforschen und ihre Rolle bei der Abwehr und Evolution einzelliger eukaryotischer Organismen aufzudecken. PLVs sind ungewöhnlich, da sie an der Grenze zwischen klassischen Viren und mobilen DNA-Fragmenten angesiedelt sind. Einige PLVs existieren als DNA-Segmente, die in das Genom ihres Wirts integriert sind, während andere bekanntermaßen Viruspartikel bilden und somit voll funktionsfähige Viren sind. Bemerkenswert ist, dass mehrere PLVs nun dafür bekannt sind, ihre Wirte gemeinsam mit schädlicheren Riesenviren zu infizieren (sie sind Virophagen), wodurch sie häufig die Replikation der Riesenviren hemmen und das Überleben des Wirts fördern. Dies macht PLVs zu einem zentralen Element für das Verständnis virusgesteuerter Abwehrsysteme und der Virusentwicklung. Ein wichtiger Durchbruch des POLVIRIDAE-Projekts war die Entdeckung, dass PLVs in den Genomen einzelliger eukaryotischer Organismen weit verbreitet sind, darunter Plankton, symbiotische Algen in Korallen und sogar menschliche und pflanzliche Krankheitserreger. Durch die Entwicklung neuer Werkzeuge zum Nachweis von PLVs in eukaryotischer DNA identifizierte das Projekt Tausende von bisher unbekannten viralen Sequenzen, die in Wirtsgenomen eingebettet sind, und zeigte damit, dass PLVs Eukaryoten über lange evolutionäre Zeiträume hinweg wiederholt infiziert haben. Wichtig ist jedoch, dass es sich dabei nicht einfach um genetische Fossilien handelt. Sie sind eng mit bekannten, aktiven PLVs und Virophagen verwandt und zeigen das Potenzial zur Reaktivierung. Diese Arbeit, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, zeigte, dass PLVs eine anhaltende Rolle bei der Gestaltung eukaryotischer Genome und möglicherweise auch bei der eukaryotischen Evolution gespielt haben. Aufbauend auf dieser Entdeckung deckte das POLVIRIDAE-Projekt das gesamte Ausmaß der PLV-Vielfalt in natürlichen Umgebungen auf. Durch die Suche nach Viren in Alpenseen und die Kombination dieser Ergebnisse mit Tausenden von öffentlich zugänglichen Genomdatensätzen stellte das Projekt eine Sammlung von über 50.000 bisher unbekannten Virusgenomen zusammen. Dieser Datensatz enthüllte Dutzende völlig neuer Virusgruppen und ermöglichte den Vorschlag eines neuen evolutionären Rahmens für diese Viren (zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels in Begutachtung). PLVs sind keine einzelne Virusgruppe, sondern repräsentieren mehrere Virusfamilien, die sich in drei große Virusklassen unterteilen lassen. Entscheidend ist, dass mehrere dieser neuen Virusgruppen evolutionäre Verbindungen zwischen PLVs und Riesenviren (den komplexesten bekannten Virusgenomen) herstellen und damit die Hypothese stützen, dass Riesenviren sich aus PLV-ähnlichen Vorfahren entwickelt haben. Diese Ergebnisse unterstreichen ein evolutionäres Netzwerk, das mobile genetische Elemente, PLVs und Riesenviren miteinander verbindet. Zur Unterstützung zukünftiger Forschungsarbeiten hat das Projekt einen frei zugänglichen Referenzdatensatz und ein Software-Tool erstellt, mit dem Forscher weltweit PLVs erkennen und klassifizieren können. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass Polinton-ähnliche Viren reichlich vorhanden und vielfältig sind und wahrscheinlich eine wichtige Rolle in der Evolution und Abwehr einzelliger eukaryotischer Organismen spielen.