Virus che replicano il genoma a pezzi per la sopravvivenza

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La replicazione alternativa dei virus che sparpagliano il genoma. Un principio classico della virologia è che i virus infettano cellule singole e si replicano al loro interno. Ma studi recenti hanno dimostrato che alcuni di essi spargono i loro geni tra molte cellule, da cui creano poi nuovi virus completi condividendo i prodotti dei geni.Per un virus, che è un genoma compatto ben confezionato in un rivestimento di proteine, sopravvivere significa invadere una cellula, impadronirsi del suo macchinario per produrre le proteine per riprodursi e poi diffondersi ad altre cellule.

Potrebbe sembrare ovvio che per riuscirci l’intero piccolo genoma di un virus debba trovarsi all’interno di una cellula infettata. Uno studio pubblicato di recente su “eLife”, tuttavia, ribalta l’idea.Alcuni virus non si limitano a dividersi in segmenti multipli che infettano separatamente le cellule ospiti, ma, come hanno scoperto i ricercatori francesi, possono prosperare spargendo i loro genomi come tessere di un puzzle in molte cellule ospiti.

Qualcosa – probabilmente la diffusione di molecole tra le cellule infette – ne permette la replicazione, l’autoassemblaggio in particelle virali complete e la propagazione dell’infezione.”È possibile avere tutti i prodotti genetici necessari per produrre nuovi virus all’interno di una cellula che in realtà non contiene tutti i segmenti genici”, ha spiegato Christopher Brooke, virologo all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign.

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(Rune Fisker for Quanta Magazine)

“La concezione classica della virologia presuppone che il ciclo di replicazione virale avvenga all’interno delle singole cellule”, ha detto Anne Sicard, autrice del nuovo studio e fitopatologa all’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) di Montpellier. Ma nel caso del virus “multipartito” che lei e i suoi colleghi hanno esaminato, “sembra che non sia così. I segmenti infettano le cellule in modo indipendente e si accumulano in modo indipendente nelle cellule ospiti della pianta”. Ha aggiunto: “Di fatto dimostra che il virus non funziona a livello di singola cellula, ma a livello multicellulare”.

I virus multipartiti sono noti da oltre mezzo secolo, cioè da quando i ricercatori si sono resi conto che un virus può essere composto da due o più pezzi indipendenti, tutti vitali ai fini dell’infezione. Un pezzo, per esempio, può servire a produrre enzimi virali essenziali, mentre un altro è necessario per realizzare il capside in cui le particelle virali (o virioni) sono imballate e trasportate verso altre cellule.

Ma essere multipartiti comporta notevoli rischi. Non è difficile che parti del genoma vadano perse o dimenticate, interrompendo il resto del ciclo dell’infezione. Poiché i segmenti si trovano spesso in proporzioni diverse – alcuni possono essere comuni, e altri rari – quelli rari possono essere persi con particolare facilità.

Da quando li hanno scoperti, gli scienziati si sono quindi posti molte domande sui virus multipartiti “Perché mai un virus dovrebbe fare così? Perché spezzettare il genoma? Quali sono i vantaggi di avere segmenti confezionati separatamente?”, si chiede Mark P. Zwart, studioso dell’evoluzione dei virus al Netherlands Institute of Ecology.Per cercare di rispondere a queste domande, i teorici hanno sviluppato modelli per definire le circostanze in cui questo stile di vita multipartita potrebbe essersi evoluto da un antenato virale più tipico, presupponendo che a infettare una cellula debba essere l’insieme completo dei segmenti virali.

Ma i risultati sono stati sconcertanti. Uno studio del 2012 ha concluso che, quali che possano essere i benefici della multipartizione, gli svantaggi sono così grandi che non dovrebbero poter esistere virus con più di quattro segmenti. Eppure si sapeva che alcuni virus multipartiti – come il Faba bean necrotic stunt virus (FBNSV) – avevano fino a otto segmenti, ciascuno trasportato in una particella diversa. In linea teorica, non avrebbero potuto evolversi. Che cosa ne può spiegare l’esistenza?

Anne Sicard, autrice principale dello studio (Anne Sicard)
Anne Sicard, autrice principale dello studio (Anne Sicard)

“Abbiamo pensato che il modo in cui concettualizziamo questi virus dovesse essere sbagliato”, ha detto Stéphane Blanc, virologo vegetale dell’INRA e autore senior del nuovo studio. Hanno così deciso di verificare il presupposto chiave che tutti i segmenti debbano essere presenti all’interno di una cellula perché l’infezione abbia successo. “Non lo si è fatto prima perché sembrava così evidente che di fatto nessuno lo ha testato”, ha detto.

Quello che hanno trovato esaminando le infezioni da FBNSV li ha lasciati stupefatti. Etichettando due segmenti virali alla volta con sonde fluorescenti di diverso colore, il team ha potuto constatare che la maggior parte delle singole cellule vegetali ospiti esaminate non conteneva l’intera gamma di segmenti virali. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che una proteina necessaria per la replicazione virale era presente anche in cellule che in cui mancava il segmento di genoma che la codificava.

Ne hanno dedotto che i prodotti genici delle particelle del virus – molecole di RNA messaggero o proteine – devono essere condivise tra le cellule, in modo che ogni particella possa replicarsi e confezionarsi in un capside per poi diffondersi. In che modo esattamente questi componenti indispensabili siano condivisi tra le cellule vegetali non è del tutto chiaro, ma Blanc e il suo team lo stanno studiando.

La risposta potrebbe coinvolgere i plasmodesmi, reti di canali microscopici che si estendono attraverso le pareti cellulari delle piante e permettono a cellule adiacenti di condividere altre proteine.

Questa nuova comprensione spiega come un virus multipartito può sostenere infezioni all’interno di una pianta, ma apre nuovi misteri su come si diffonde. FBNSV, per esempio, per trasmettersi dipende dagli afidi che mangiano le piante di fagioli faba. Ma questi piccoli insetti devono acquisire tutti insieme gli otto segmenti di FBNSV e introdurli nella stessa pianta per trasmettere con successo l’infezione. Si può supporre che buona parte degli eventi infettivi non riesca perché gli afidi raccolgono solo un sottoinsieme delle otto particelle.

La scoperta “diminuisce il problema a livello dell’ospite perché le particelle non devono raggiungere tutte le cellule insieme, ma abbiamo ancora un problema di trasmissione tra ospite e ospite”, ha detto Blanc.

Anche il motivo per cui un virus dovrebbe avvantaggiarsi di uno stile di vita multipartito è oggetto di dibattito. Un’ipotesi, dice Blanc, è che la suddivisione del genoma permette a ciascun segmento di variare la frequenza di regolazione dell’espressione genica in un rapido ed efficace, perché il livello di attività di un certo gene può dipendere dal numero delle sue copie in una cellula. Ogni volta che il virus infetta un nuovo ospite, la frequenza dei segmenti cambia, e questo potrebbe consentire al virus di testare quale livello di espressione genica funziona meglio in un nuovo ambiente cellulare.

Eric Freundt, virologo all’Università di Tampa, ipotizza che se le difese innate di una pianta ospite distruggono solo le cellule che esprimono particolari proteine virali, allora la distribuzione dei geni per le proteine in particelle diverse potrebbe garantire che in alcune cellule il virus non venga individuato. Un’altra possibilità, suggerisce Freundt, è che la distribuzione in punta di piedi permetta di evitare una “risposta proteica dispiegata” che può uccidere le cellule, travolte da un virus che cerca di produrre tutte le sue proteine nello stesso momento. Distribuendo il suo genoma fra molte cellule vegetali, il virus può evitare di sopraffare il meccanismo di ogni singola cellula.

La trasmissione dei virus multipartiti da una pianta all'altra avviene grazie agli afidi. (Science Photo Library / AGF)
La trasmissione dei virus multipartiti da una pianta all’altra avviene grazie agli afidi. (Science Photo Library / AGF)

Tuttavia, Blanc e Freundt sono pronti a riconoscere che queste sono solo ipotesi. “La ragione della loro evoluzione è ancora un mistero”, dice Blanc.

Zwart sottolinea che la maggior parte delle idee sui vantaggi della multipartizione riguardano in realtà la segmentazione del genoma, non la suddivisione del virus in diverse unità infettive. La separazione in segmenti del genoma permette a virus diversi di ricombinare facilmente varie forme vantaggiose dei loro geni.

Arvind Varsani, un virologo all’Arizona State University, è d’accordo. “Da una prospettiva di modularità, si possono vedere i vantaggi dei virus multicomponente in cui ogni modulo può essere indipendente”, dice. In una pianta infettata da più virus, “è possibile ottenere elementi utili molto più rapidamente e adattarsi all’ambiente mescolandoli e abbinandoli”.

La prova della forza di questa strategia si trova nel virus dell’influenza, un maestro del riassortimento. Anche il genoma dell’influenza ha otto segmenti, anche se sono tutti confezionati insieme in un capside virale. Ciò consente di raccogliere i benefici della segmentazione senza pagare tutti i costi della multipartizione.

Ma l’influenza potrebbe essere simile a FBNSV più di quanto sembri a prima vista. Brooke ha scoperto che, a seconda del ceppo, solo una piccola frazione (dall’uno al 10 per cento) delle particelle del virus influenzale contiene copie funzionali di tutti e otto i segmenti del genoma. “La stragrande maggioranza delle particelle influenzali sono incomplete, o quelle che noi chiamiamo semi-infettive, particelle che da sole non sono in grado di avviare la replicazione produttiva”, ha spiegato. “Questa è stata una sorpresa perché suggerisce che questo virus, che è di enorme successo e molto trasmissibile, deve la sua esistenza in buona parte a queste particelle che non possono replicarsi da sole”.

E prevede: “Chiedersi in che modo i virus operano come popolazioni invece che come singole particelle di virioni alla fine si rivelerà importante per molti sistemi virali differenti”.

Parte di questa importanza è concettuale: pensare che il DNA all’interno di un singolo capside virale definisca il suo genoma potrebbe essere riduttivo. Sarebbe forse meglio immaginare un genoma virale come una suite di geni rappresentati in un’intera popolazione virale. I teorici ne stanno già approfondendo le implicazioni.

Zwart si aspetta che presto salteranno fuori nuovi modelli teorici per esplorare queste intuizioni, relativi per esempio ai possibili modi di inquadrare l’evoluzione di questi virus in termini di molteplici livelli di selezione naturale. All’interno di una singola pianta ospite, le forze di selezione naturale locali permettono al virus di bilanciare con successo i tassi di produzione dei suoi segmenti. Ma quando il virus passa a una nuova pianta, deve essere in grado di adattarsi anche a al nuovo ambiente che lo ospita, e dunque deve mantenere una certa versatilità. Un livello di selezione più elevato può quindi a volte temperare il livello locale e riequilibrare il rapporto tra i segmenti in modo più uniforme.

“C’è un’enorme ricchezza in tutte queste dinamiche”, dice Zwart. “E’ davvero affascinante”.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 21 maggio 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

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