Virophagen

Als Virophagen[A. 1] klassifiziert man nicht-taxonomisch einen speziellen Typ vergleichsweise großer Satellitenviren aus dem Phylum Preplasmiviricota, die sich nur in Co-Infektion mit Riesenviren des Phylums Nucleocytoviricota (NCLDVs) als Helferviren in eukaryotischen Wirtszellen replizieren können. Virophagen replizieren (anders als die Begriffliche Anlehnung an Bakteriophagen nahelegen könnte) nicht „in“ anderen Viren, sondern nutzen als Satellitenviren den Syntheseapparat der Helferviren – und treten dabei in eine Konkurrenz zu ihnen.[1][2] Dabei werden Genprodukte des Helfervirus genutzt, die sonst nur bei eukaryotischen Zellen (Eucyten) die Proteinsynthese ermöglichen, daher werden die Helferviren der Virophagen auch Mamaviren[A. 2] genannt. In der Regel wird die Proteinsynthese des Mamavirus wird dabei mehr oder weniger beeinträchtigt.[3][4] Virophagen sind daher (bzgl. der Mamaviren) parasitäre Satellitenviren. Daher werden die Helfer- oder Mamaviren auch als „virale Wirte“, die co-infizierten Eucyten zur Abgrenzung dann auch als „zelluläre Wirte“ bezeichnet.

Die parasitäre Lebensweise von Virophagen nach Mougari, Sahmi-Bounsiar et al. (2019):[5]

Die Einteilung der Viren in Sys­te­matiken ist kontinuier­licher Gegen­stand der For­schung. So existieren neben- und nach­einander ver­schie­dene Virus­klas­sifi­kationen sowie die offi­zielle Virus-Taxo­nomie des Inter­national Com­mit­tee on Taxo­nomy of Viruses (ICTV). Die hier be­han­delte Grup­pe ist als Taxon durch neue For­schungen ob­solet ge­wor­den oder aus an­deren Grün­den nicht Teil der offi­ziel­len Virus-Taxo­nomie.

Sputnik-Virophage

Virophagen sind sowohl bzgl. ihrer Kapsidgröße als auch bzgl. ihres Genoms viel kleiner als ihre Riesenviren-Wirte, aber andererseits viel größer als gewöhnliche Satellitenviren, deren Helferviren ja ebenfalls kleiner als die Riesenviren der NCLDV sind.

Forschungsgeschichte und prominente Beispiele

Der erste Virophage namens Sputnik wurde im Jahr 2008 von Bernard La Scola und Didier Raoult von der Université de la Méditerranée in Marseille in den Rohren eines Kühlwassersystems in Paris entdeckt. Er parasitiert das Acanthamoeba castellanii mamavirus (AcMV, ein Stamm der Spezies Mimivirus bradfordmassiliense).[4]

Die bislang (Stand 2. Oktober 2023) vom International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) offiziell bestätigten Virophagen gehören alle zu einer Familie, den Lavidaviridae, mit zwei Gattungen:

TEM-Aufnahe von ikosa­edrische Guarani-Virionen, gebunden an Mimivirus-Fibrillen („Haare“). Balken 200 nm.[5]
EM-Aufnahme von neu er­zeugten Guarani-Virionen. Balken 500 nm.[5]

Es gibt jedoch – meist aus der Metagenomik – viele weitere Hinweise und Vorschläge zu Virophagen der Lavidaviridae; einen Überblick über die Virophagen geben beispielsweise Zhou et al. (2013),[6] Gong et al. (2016),[7] und Chen et al. (2018):[8]

Einige prominente Beispiele sind:

  • der „Organic-Lake-Virophage“ (engl. „Organic Lake virophage“, OLV),(N,G)[A. 3][2]
  • der „Qinghai-Lake-Virophage“, (engl. „Qinghai Lake virophage“, QLV)[A. 4][9]
  • der „Guarani virophage“[A. 5][10][11][12]
  • die „Dishui-Lake-Virophagen“ 1 bis 8 (DSLV1 bis DSLV8)[A. 6][7][13]
  • die „Yellowstone-Lake-Virophagen“ 1 bis 7 (YSLV1 bis YSLV7)[A. 7][14][15]
  • die TBE-Virophages (TBE: englisch Trout Bog epilimnion) und TBH-Virophagen (TBH: engl. Trout Bog hypolimnion)[A. 8][16]
  • die Pansen-Virophages (sheep rumen virophages, RVPs) mit dem „Schafspansen-Hybrid-Virophagen“ („Sheep Rumen hybrid virophage“ (SRHV))[16][17]
  • Loki’s Castle virophages (LC-Virophagen)[A. 9][18]

Offenbar nicht zu den Lavidaviridae, sondern in einen anderen Zweig der Preplasmiviricota gehört der mutmaßliche Virophage

  • „Preplasmiviricota sp. Gezel-14T“ (PLV ‘Gezel-14T) alias Phaeocystis globosa Virus Virophage (PgVV)[A. 10][19][20][21][5][22]

Weitere Gensequenzen von Virophagen hat man unter anderem auch an folgenden Stellen gefunden:

Eine Liste nicht-klassifizierter Virophagen findet sich in der Taxonomie das National Center for Biotechnology Information (NCBI).[25]

Genom
Vergleich von konservierten Genarchitekturen in den Genomen von Virophagen.[22]

Replikationszyklus
Der intrazelluläre Replikationszyklus von Virophagen.[22]

Der Replikationszyklus der Virophagen[A. 11] unterscheidet sich grundlegend von dem gewöhnlicher Satellitenviren.

Normalerweise initiieren Satellitenviren die Expression und Replikation ihres Genoms im Zellkern der Wirtszelle mit Hilfe ihrer dortigen Maschinerie und geht dann in das Zytoplasma. Dort findet es die Morphogenese-Maschinerie seines Helfervirus, mit der dieses seine Virionen (Virusteilchen) zusammenbaut (Assembly). Diese wird vom Satellitenvirus gekapert, um seine eigenen Nachkommen zu produzieren.[5]

Bei den Virophagen der Familie Lavidaviridae wird angenommen, dass die Replikation der Virophagen vollständig in der Virusfabrik des Riesenvirus-Wirts stattfindet und daher vom Expressions- und Replikationskomplex des Riesenvirus abhängt.[5] Wenn die Wirtszelle nur vom Riesenvirus infiziert wird, baut dieses eine im Zytoplasma eine Virusfabrik (VF) auf, um sich zu replizieren und neue Virionen zu erzeugen. Die Wirtszelle wird am Ende seines Replikationszyklus gewöhnlich lysiert, d. h. unter Freisetzung der Virus-Nachkommenschaft zum Platzen gebracht und so zerstört.[5]

Wenn die Wirtszelle mit einem Riesenvirus und einem Virophagen koinfiziert ist, parasitiert letzterer in der dieser Virusfabrik des Riesenvirus. Die Anwesenheit von Virophagen kann die Infektiosität des Riesenvirus daher ernsthaft beeinträchtigen, indem sie seine Replikationseffizienz verringert und damit indirekt das Überleben der Wirtszelle erhöht.[5]

Lavidaviridae

Die Virophagen der Riesenviren sind im Vergleich zu Satellitenviren anderer Helferviren ebenfalls vergleichsweise riesig und haben auch ein komplexeres Genom.[22]

Gezel-14T

Wie Roitman et al. im Januar 2023 berichteten, wird Phaeocystis-globosa-Virus PgV-14 (PgV-14T, offiziell Tethysvirus hollandense) parasitiert von „Preplasmiviricota sp. Gezel-14T“ (PLV ‘Gezel-14T), einem nahen Verwandten oder Alias von „Phaeocystis globosa virus-virophage“ (PgVV).[19] Gezel-14T ist jedoch kein Mitglied der Preplasmiviricota-Familie Lavidaviridae, zu der alle bis dato bekannten Virophagen gehörten. Die Koinfektion mit Gezel-14T verringert wie für Virophagen üblich die Fitness des viralen Wirts, indem sie die Menge der erzeugten PgV-14T-Virionen zum Zeitpunkt der Freisetzung reduziert – jedoch nicht so stark, dass die Population der Wirtszelluläre Wirtspopulation völlig verschont bleibt. Die Ergebnisse zeigen, dass Gezel-14T-ähnliche PLVs (Polinton-artige Viren, alias Preplasmiviricota) sich ins Phaeocystis-Genome integrierten, was auch beim Virophagen Mavirus beobachtet wurde. Dies legt nahe, dass diese weit verbreiteten Viren zur Integration in zelluläre Wirtsgenome fähig sind.[21]

Provirophagen

Ein Sonderfall ist, wenn sich der Virophage als „Provirophage“ in das Genom des Mamavirus integriert. Sowohl die Virophagen (als Mitglieder der Preplasmiviricota), als auch die Mamaviren (als Riesenviren Mitglieder der Nucleocytoviricota) sind dsDNA-Viren. Der Provirophage wird während der Replikation des Riesenvirus exprimiert. Der Virophage wird dann in der Virusfabrik des Riesenvirus produziert und hemmt die Replikation des Riesenvirus, wodurch wieder das Überleben der Wirtszelle erhöht wird – Abbildung oben, Teil (C). Ein Beispiel ist Sputnik 2, der sich in das Genom seines viralen Wirts, einem Mimivirus, integrieren kann.[5]

Defektive interferierende Viren

In der Funktionsweise ähnlich sind DIVs („Defektive interferierende Viren“, englisch defective interfering viruses, auch defective interfering particles, DIPs). Dies sind natürlich entstandene oder künstlich erzeugte defektive Abarten eines Virus-Wildtyps, die den Wildtyp als Helfervirus benötigen und wie Parasiten dessen Replikation stören können.[26]

Transpovirons

Eine weitere verwandte Klasse mobiler genetischer Elemente sind die Transpovirons, zuerst entdeckt im Genom des „Lentille-Virus“ („Mimivirus lentille“, auch „Acanthamoeba polyphaga lentillevirus“).[27][5][28]

Phylogenie

Eugene V. Koonin und Mart Krupovic schlugen 2017 auf Grundlage von Sequenzen der DNA-Polymerase für die Phylogenie Polinton-ähnlicher mobiler genetischer Elemente (MGEs) und ihrer Abkömmlinge (Viren der Preplasmiviricota) folgendes Szenario vor:[28]

Tectiviridae


   

Polintons (Gruppe 1)


   


Polintons (Gruppe 2)


   

Polinton-ähnliche Viren (PLVs) und Transpovirons


   

Lavidaviridae (Mavirus-ähnliche Virophagen)


   

Bidnaviridae


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Adenoviridae


   

lineare zytoplasmatische Plasmide






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  • Christelle Desnues, Bernard La Scola, Natalya Yutin, Ghislain Fournous, Catherine Robert, Saïd Azza, Priscilla Jardot, Sonia Monteil, Angélique Campocasso, Eugene V. Koonin, Didier Raoult: Provirophages and transpovirons as the diverse mobilome of giant viruses. In: PNAS. Band 109, Nr. 44, 30. Oktober 2012, S. 18078–18083; doi:10.1073/pnas.1208835109 (englisch).
  • Graziele Oliveira, Bernard La Scola, Jônatas Abrahão: Giant virus vs amoeba: fight for supremacy. In: Virology Journal. Band 16, Nr. 1, Artikel 126, veröffentlicht: 4. November 2019; doi:10.1186/s12985-019-1244-3 (Volltext, PDF auf: researchgate.net, englisch).
  • Laurie O'Keefe: Sizing Up Viruses. In: The Scientist. (Volltext als PDF Auf: cdn.the-scientist.com) Illustration zu Didier Raoult: Viruses Reconsidered. In: The Scientist. 28. Februar 2014: Grafische Darstellung der Größenverhältnisse (Volltext, auf: the-scientist.com, englisch).
  • David Paez-Espino, Jinglie Zhou, Simon Roux, et al.: Diversity, evolution, and classification of virophages uncovered through global metagenomics. In: Microbiome. Band 7, Nr. 157, 10. Dezember 2019; doi:10.1186/s40168-019-0768-5 (englisch).

Anmerkungen
  1. Singular: Virophage, der; von lat. virus, -i, n. „Gift, Saft, Schleim“ und altgriechisch φαγεῖν phageín, „fressen“, Virophage bedeutst also „Viren-Esser“
  2. Das erste so bezeichnete Mamavirus ist das Acanthamoeba castellanii mamavirus (AcMV), ein Stamm der Spezies Mimivirus bradfordmassiliense.
  3. OLV parasitiert „Organic Lake Phycodnavirus“ (OLPV, Mesomimiviridae), Fundort: Organic Lake
  4. Fundort von QLV ist der Qinghai-See
  5. Fundort des Guarani-Virophagen ist der Pampulha-See, Belo Horizonte
  6. Die DSL-Virophagen parasitieren offenbar Phycodnaviridae (Dishui Lake phycodnaviruses, DSLPVs) und Mimiviridae (sic!, Dishui Lake large alga viruses, DSLLAVs, daher ist Mimiwiridae wohl s. l. zu verstehen und es handelt sich vermutlich um Algen-infizierende Imitervirales), Fundort Dishui Lake
  7. Die YSLVs sind zu unterscheiden von ihren mutmaßlichen Wirten „Yellowstone Lake Phycodnavirus“ (YSLPV) alias „Yellowstone Lake Mimivirus“ oder „Yellowstone Lake Giant Virus“ (YSLGV), Fundort: Yellowstone Lake
  8. Die TBE- bzw. TBH-Virophagen wurden in den Oberflächenschichten (Epilimnion) respektive in den Tiefen (Hypolimnion) des Moorsees Trout Bog Lake, Wisconsin, gefunden
  9. Die mutmaßlichen LC-Virophagen stammen vom Genite des Schwarzen Rauchers Lokis Schloss
  10. Gezel-14T parasitiert Phaeocystis-globosa-Virus PgV-14 und 16 (PgV-14T und PgV-16T, beide Spezies Tethysvirus hollandense)
  11. Analysiert sind derzeit (2. Oktober 2023) nur Lavidaviridae, es dürfte aber ähnlich für alle Virophagen der Preplasmiviricota gelten

Einzelnachweise
  1. Jan Osterkamp: Freundliche Feinde des Feindes. Auf: spektrum.de – News vom 31. März 2011; zuletzt abgerufen am 29. Juli 2019.
  2. Sheree Yau, Federico M. Lauro, Matthew Z. DeMaere, Mark V. Brown et al.: Virophage control of antarctic algal host–virus dynamics. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 108, Nr. 15, 12. April 2011 (online 28. März 2011), S. 6163–6168; doi:10.1073/pnas.1018221108, PMC 3076838 (freier Volltext), PMID 21444812 (englisch).
  3. Ulrich Kuhnt: Sind Viren Lebewesen?. Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie: Archiv Biologie. Memento im Webarchiv vom 21. Januar 2018.
  4. La Scola et al.: The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. In: Nature. Band 455, 4. September 2008, S. 100–105; doi:10.1038/nature07218 (englisch).
  5. Said Mougari, Dehia Sahmi-Bounsiar, Anthony Levasseur, Philippe Colson, Bernard La Scola: Virophages of Giant Viruses: An Update at Eleven. In: Viruses. Band 11, Nr. 8, 2019, ISSN 1999-4915, S. 733, doi:10.3390/v11080733, PMID 31398856, PMC 6723459 (freier Volltext) – (englisch).
  6. Jinglie Zhou, Weijia Zhang, Shuling Yan et al.: Diversity of Virophages in Metagenomic Data Sets. In: Journal of Virology. Band 87, Nr. 8, Februar 2013, S. 4225–4236, doi:10.1128/JVI.03398-12, PMID 23408616 (englisch).
  7. Chaowen Gong, Weijia Zhang, Xuewen Zhou, Hongming Wang et al.: Novel Virophages Discovered in a Freshwater Lake in China. In: Frontiers in Microbiology. Band 7, 22. Januar 2016, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2016.00005, PMID 26834726 (englisch).
  8. Hao Chen, Weijia Zhang, Xiefei Li, Yingjie Pan, Shuling Yan, Yongjie Wang: The genome of a prasinoviruses-related freshwater virus reveals unusual diversity of phycodnaviruses. In: BMC Genomics. Band 19, Nr. 49, 15. Januar 2018, ISSN 1471-2164, doi:10.1186/s12864-018-4432-4, PMID 29334892, PMC 5769502 (freier Volltext) – (englisch). – Anmerkung: OLV ist hier Abkürzung für Organic Lake Virophage, OlV für Ostreococcus lucimarinus virus (Gattung Prasinovirus).
  9. Seungdae Oh, Dongwan Yoo, Wen-Tso Liu: Metagenomics Reveals a Novel Virophage Population in a Tibetan Mountain Lake. In: Microbes and Environments. Band 31, Nr. 2, Juni 2016, ISSN 1342-6311, S. 173–177, doi:10.1264/jsme2.ME16003, PMID 27151658, PMC 4912154 (freier Volltext) – (englisch).
  10. Clara Rolland, Julien Andreani, Amina Cherif Louazani, Sarah Aherfi, Rania Francis, Rodrigo Rodrigues, Ludmila Santos Silva, Dehia Sahmi, Said Mougari, Nisrine Chelkha, Meriem Bekliz, Lorena Silva, Felipe Assis, Fábio Dornas, Jacques Yaacoub Bou Khalil, Isabelle Pagnier, Christelle Desnues, Anthony Levasseur, Philippe Colson, Jônatas Abrahão, Bernard La Scola: Discovery and Further Studies on Giant Viruses at the IHU Mediterranee Infection That Modified the Perception of the Virosphere. In: MDPI Viruses. Band 11, 4 (März/April), 2019, ISSN 1999-4915, S. 312, doi:10.3390/v11040312, PMID 30935049, PMC 6520786 (freier Volltext).
  11. Said Mougari, Meriem Bekliz, Jonatas Abrahao, Fabrizio Di Pinto, Anthony Levasseur, Bernard La Scola: Guarani Virophage, a New Sputnik-Like Isolate From a Brazilian Lake. In: Frontiers in Microbiology. Band 10, 3. Mai 2019, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2019.01003, PMID 31130943, PMC 6510173 (freier Volltext). – (Volltext als PDF Auf: semanticscholar.orgPDF)
  12. NCBI BioSample: Guarani virophage genome.
  13. Shengzhong Xu, Liang Zhou, Xiaosha Liang, Yifan Zhou, Hao Chen, Shuling Yan, Yongjie Wang: Novel Cell-Virus-Virophage Tripartite Infection Systems Discovered in the Freshwater Lake Dishui Lake in Shanghai, China. In: ASM Jounals: Journal of Virology, Band 94, Nr. 11, 18. Mai 2020, e00149-20; doi:10.1128/JVI.00149-20, PMID 32188734, PMC 7269436 (freier Volltext) (englisch).
  14. Weijia Zhang, Jinglie Zhou, Taigang Liu, Yongxin Yu et al.: Four novel algal virus genomes discovered from Yellowstone Lake metagenomes. In: Scientific Reports. Band 5, Nr. 1, 2015, ISSN 2045-2322, S. 15131, doi:10.1038/srep15131, PMID 26459929 (englisch, Figur 6).
  15. Virus-Host DB: Yellowstone lake mimivirus. Auf: genome.jp; zuletzt abgerufen am 30. September 2023.
  16. Simon Roux, Leong-Keat Chan, Rob Egan, Rex R. Malmstrom, Katherine D. McMahon, Matthew B. Sullivan: Ecogenomics of virophages and their giant virus hosts assessed through time series metagenomics. In: Nature Communications. Band 8, Nr. 858, 11. Oktober 2017, doi:10.1038/s41467-017-01086-2, PMID 29021524, PMC 5636890 (freier Volltext) – (englisch). – (OSTI: DOE Pages Auf: osti.gov Office of Scientific and Technical Information Energieministerium der Vereinigten Staaten, Volltext als PDF Auf: nature.com); siehe insbes. Fig. 1 und Fig. 2. Anm.: In Fig. 2 muss es wie in Fig. 1 YSLV statt YLSV heißen (Yelloxstone Lake Virophage).
  17. Natalya Yutin, Vladimir V. Kapitonov, Eugene V. Koonin: A new family of hybrid virophages from an animal gut metagenome. In: Biology Direct. Band 10, Nr. 19, 25. April 2015, ISSN 1745-6150, doi:10.1186/s13062-015-0054-9, PMID 25909276, PMC 4409740 (freier Volltext) – (englisch).
  18. Disa Bäckström, Natalya Yutin, Steffen L. Jørgensen, Jennah Dharamshi, Felix Homa, Katarzyna Zaremba-Niedwiedzka, Anja Spang, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin, Thijs J. G. Ettema: Virus Genomes from Deep Sea Sediments Expand the Ocean Megavirome and Support Independent Origins of Viral Gigantism. In: mBio. Band 10, Nr. 2, 2019, ISSN 2150-7511, doi:10.1128/mBio.02497-18, PMID 30837339 (englisch).
  19. NCBI Taxonomy Browser: Phaeocystis globosa virus virophage, syn. Preplasmiviricota sp. Gezel-14T (species), Nucleotide: txid1335638[Organism:noexp], Preplasmiviricota sp. Gezel-14T.
  20. NCBI Nucleotide: txid1335638[Organism:noexp] AND PgV-16T.
  21. Sheila Roitman, Andrey Rozenberg, Tali Lavy, Corina P. D. Brussaard, Oded Kleifeld, Oded Béjà: Isolation and infection cycle of a polinton-like virus virophage in an abundant marine alga. In: Nature Microbiology. Band 8, 26. Januar 2023, S. 332–346; doi:10.1038/s41564-022-01305-7 (englisch).
  22. Meriem Bekliz, Philippe Colson, Bernard La Scola: The Expanding Family of Virophages. In: MDPI Viruses. Band 8, Nr. 11 (Special Issue Viruses of Protozoa), 23. November 2016, S. 317; doi:10.3390/v8110317 (englisch).
  23. Meriem Bekliz, Jonathan Verneau, Samia Benamar et al.: A New Zamilon-like Virophage Partial Genome Assembled from a Bioreactor Metagenome. In: Frontiers in Microbiology. Band 6, 27. November 2015, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2015.01308, PMID 26640459 (englisch).
  24. Christopher M. Bellas, Ruben Sommaruga: Polinton-like viruses are abundant in aquatic ecosystems. In: BMC: Microbiome. Band 9, Nr. 13, 12. Januar 2021; doi:10.1186/s40168-020-00956-0.
  25. NCBI Taxonomy Browser: unclassified virophages.
  26. Fighting COVID With COVID: Driving the Disease to Extinction With a Defective Version of the SARS-CoV-2 Virus. Auf: scitechdaily.com vom 20. August 2021.
  27. Natalya Yutin, Didier Raoult, Eugene V. Koonin: Virophages, polintons, and transpovirons: a complex evolutionary network of diverse selfish genetic elements with different reproduction strategies. In: Virology Journal. 10. Jahrgang, Nr. 1, 2013, S. 158, doi:10.1186/1743-422X-10-158, PMID 23701946, PMC 3671162 (freier Volltext) – (englisch).
  28. Eugene V. Koonin, Mart Krupovic: Polintons, virophages and transpovirons: a tangled web linking viruses, transposons and immunity. In: Current Opinion in Virology, Band 25, August 2017, S. 7–15; doi:10.1016/j.coviro.2017.06.008, PMID 28672161, PMC 5610638 (freier Volltext), Epub 30. Juni 2017 (englisch). Siehe insbes. Gig. 3.
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