Virologie Evelien Floor
HC28-29 evolutie en ontstaan van virussen
Virus evolutie
Evolutie is de constante verandering van virale populaties onder selectieve druk. Dit gebeurt onder
positieve en negatieve selectie druk, deze druk wordt uitgeoefend op mutanten die al in de populatie
aanwezig zijn. Door deze aanwezige mutanten kan evolutie plaatsvinden.
Twee verschillende kijken op evolutie:
• Darwin: levende organismen zijn perfect aangepast om te overleven en reproduceren in hun
omgeving
• Richard dawkins: levende organismen zijn perfect aangepast om te overleven en reproduceren
in de omgeving van hun voorouders. Deze omgeving heeft de soorten geselecteerd en evolutie
treedt pas op als de omstandigheden wijzigen
Virus evolutie is niet snel, wanneer de omstandigheden in de niche constant blijven zal er geen evolutie
optreden. Virussen hebben wel de capaciteit tot snelle evolutie maar als het virus al perfect is
aangepast aan de heersende omstandigheden is evolutie niet nodig. Deze aanpassing is alleen nodig
wanneer de omstandigheden waarin ze verkeren veranderen. Ze hebben de mogelijkheid tot evolutie
door: snelle generatietijd, hoge mutatie frequentie en productie van grote aantallen nakomelingen.
Als gevolg van deze eigenschappen ontstaat er een grote diversiteit in virus populaties. Een populatie
is bijvoorbeeld de nakomelingschap uit 1 geïnfecteerde cel of de populatie in 1 geïnfecteerd persoon.
Alle virussen in de populatie kunnen verschillen door factoren die bijdragen aan diversiteit: mutaties,
recombinatie en herschikking, selectie en grootte van het nakomelingschap.
Nakomelingschap
Virussen produceren grote aantallen nakomelingschap:
• Poliovirus: 104 virions per cel
• HIV geïnfecteerd persoon: 109 virions per dag
• HBV geïnfecteerd persoon: 1011 virions per dag, titer van 108 virions per µl bloed
Nieuw gevormde virussen hebben ook een halfwaardetijd, deze verschilt per soort.
Mutatie frequentie
Cellen hebben een mutatie frequentie van 10-9 tot 10-10: voor elke miljard nucleotiden die wordt
gerepliceerd wordt er 1 verkeerd geïncorporeerd. DNA virussen hebben een mutatie frequentie van
10-6 tot 10-8. RNA virussen hebben de hoogste mutatie frequentie van 10-4 tot 10-5: voor elke 10.000
nucleotiden (10 kb) die wordt gerepliceerd wordt er 1 fout geïncorporeerd. Als er dus 10.000 virussen
de cel uit komen, verschillen alle virussen van elkaar door 1 puntmutatie.
Deze hoge mutatie frequentie is het gevolg van het feit dat RNA polymerases fouten maken. In de
eerste plaats hebben deze RNA polymerases inherente lage betrouwbaarheid, ze zijn geselecteerd in
de evolutie om fouten te maken en niet om RNAs identiek maken met de template. Hierdoor kunnen
de polymerases diversiteit genereren. Omdat deze polymerase is geselecteerd om fouten te maken, is
proofreading niet wenselijk. De belangrijkste factor is dus inherente lage betrouwbaarheid van de
polymerase en dan pas de proofreading.
De consequentie hiervan is dat het genoom van een virus niet beschreven kan worden als een unieke
structuur. Het is het gewogen gemiddelde van een groot aantal verschillende individuele sequenties.
Er zijn maar weinig virussen die 100% aan de consensussequentie voldoen. Het genoom van virussen
cirkelt rondom de consensus. Dit idee wordt beschreven met het concept quasi species: virale
populaties zijn dynamische verdelingen van niet-identieke maar gerelateerde replica’s. Juist de creatie
van diversiteit binnen de populatie is de belangrijkst verklaring grondslag aan het overleven van
virussen. Deze diversiteit geeft het virus aanpassingsvermogen.
1
, Virologie Evelien Floor
Antimutators
Mutaties die ervoor zorgen dat de betrouwbaarheid van polymerase verhoogd en deze dus minder
fouten maakt, verlagen de fitness van het virus. Mutaties die de betrouwbaarheid van de polymerases
verhogen worden antimutators genoemd. Dit soort mutaties kunnen geselecteerd worden door de
virus populatie bloot te stellen aan antivirale middelen die ervoor zorgen dat de polymerase verkeerde
nucleotiden gaat inbouwen. Als door deze middelen de betrouwbaarheid naar beneden gaat kan het
virus enkel herstellen door virussen te maken die de betrouwbaarheid verhogen.
In HIV kan met behulp van een reverese transcriptase remmer een mutant ontstaan met een 3.2-
voudige verlaging van mutatie frequentie. Met deze drug hebben de partikels een voordeel maar in
vivo hebben ze een groei nadeel. Ribavirine zorgt voor een 6-voudige verlaging van mutatie frequentie
van 3Dpol. Mutanten met deze mutatie worden daarom geselecteerd. Echter worden ze in de normale
situatie weg gecompeteerd. Polymerases zijn dus geselecteerd om met een bepaalde mutatie
frequentie te werken.
Error threshold
Te veel fouten maken is ook niet
wenselijk. RdRps hebben dus het
optimum opgezocht. Eén op de drie
mutaties op de wobble positie geeft
geen verandering in het eiwit. Op
positie 1 of 2 zorgt dit wel voor
verandering van het codon. Elke
verandering in de eiwitstructuur
kan nadelig zijn voor de functie. Bij
een te veel aan mutaties is de kans
dus groter dat het mis gaat. Er moet
daarom een optimum gevonden
worden: de error threshold. Dit zijn
het aantal mutaties dat kunnen plaatsvinden zo dat de nakomelingschap niet te veel aangetast wordt
en dus niet minder infectieus wordt. Dit ligt rond de 2 mutaties per genoom. Meer is wel mogelijk maar
dan neemt het aantal niet infectieuze nakomeling toe.
Alle virussen leven dus op het randje van error catastrofe, gaan ze te ver over dit randje dan stort de
zaak in. RNA virus evolutie en populatie diversiteit heeft een optimum voor maximale fitness en
virulentie. Mutator en antimutator mutaties verlagen de fitness van het virus.
Selectie
In de gastheer is er selectie door het innate en adaptieve immuunsysteem. Virussen hebben manieren
ontwikkeld om zich hier aan te onttrekken: antigene variatie. Ook milieu zoals luchtvochtigheid,
straling en temperatuur zorgen voor selectie. Viruspopulaties worden gevormd door selectie uit de
omgeving. In evolutie is er geen enkel ander doel dan overleven, de soort wordt dus niet steeds beter.
Veranderingen die optreden komen tot stand omdat binnen de populatie op dat moment de minst
goed aangepaste virussen worden weg geselecteerd.
Bottleneck
De genetisch bottleneck is een andere factor dat invloed heeft op virus evolutie. Als er extreme selectie
druk is op kleine populaties leidt dit tot verlies van diversiteit en accumulatie van niet-geselecteerde
mutaties (founder effect). Meerdere passages door een bottleneck vermindert dus de fitness.
In het lab kunnen herhaaldelijke bottlenecks nagebootst worden. Dit wordt gedaan door een enkele
plaque te nemen en daar weer een nieuwe plaque assay mee te doen, dit wordt meerdere malen
herhaald. Vervolgens kan deze virus populatie getest worden op fitness. Deze is dan afgenomen.
2
HC28-29 evolutie en ontstaan van virussen
Virus evolutie
Evolutie is de constante verandering van virale populaties onder selectieve druk. Dit gebeurt onder
positieve en negatieve selectie druk, deze druk wordt uitgeoefend op mutanten die al in de populatie
aanwezig zijn. Door deze aanwezige mutanten kan evolutie plaatsvinden.
Twee verschillende kijken op evolutie:
• Darwin: levende organismen zijn perfect aangepast om te overleven en reproduceren in hun
omgeving
• Richard dawkins: levende organismen zijn perfect aangepast om te overleven en reproduceren
in de omgeving van hun voorouders. Deze omgeving heeft de soorten geselecteerd en evolutie
treedt pas op als de omstandigheden wijzigen
Virus evolutie is niet snel, wanneer de omstandigheden in de niche constant blijven zal er geen evolutie
optreden. Virussen hebben wel de capaciteit tot snelle evolutie maar als het virus al perfect is
aangepast aan de heersende omstandigheden is evolutie niet nodig. Deze aanpassing is alleen nodig
wanneer de omstandigheden waarin ze verkeren veranderen. Ze hebben de mogelijkheid tot evolutie
door: snelle generatietijd, hoge mutatie frequentie en productie van grote aantallen nakomelingen.
Als gevolg van deze eigenschappen ontstaat er een grote diversiteit in virus populaties. Een populatie
is bijvoorbeeld de nakomelingschap uit 1 geïnfecteerde cel of de populatie in 1 geïnfecteerd persoon.
Alle virussen in de populatie kunnen verschillen door factoren die bijdragen aan diversiteit: mutaties,
recombinatie en herschikking, selectie en grootte van het nakomelingschap.
Nakomelingschap
Virussen produceren grote aantallen nakomelingschap:
• Poliovirus: 104 virions per cel
• HIV geïnfecteerd persoon: 109 virions per dag
• HBV geïnfecteerd persoon: 1011 virions per dag, titer van 108 virions per µl bloed
Nieuw gevormde virussen hebben ook een halfwaardetijd, deze verschilt per soort.
Mutatie frequentie
Cellen hebben een mutatie frequentie van 10-9 tot 10-10: voor elke miljard nucleotiden die wordt
gerepliceerd wordt er 1 verkeerd geïncorporeerd. DNA virussen hebben een mutatie frequentie van
10-6 tot 10-8. RNA virussen hebben de hoogste mutatie frequentie van 10-4 tot 10-5: voor elke 10.000
nucleotiden (10 kb) die wordt gerepliceerd wordt er 1 fout geïncorporeerd. Als er dus 10.000 virussen
de cel uit komen, verschillen alle virussen van elkaar door 1 puntmutatie.
Deze hoge mutatie frequentie is het gevolg van het feit dat RNA polymerases fouten maken. In de
eerste plaats hebben deze RNA polymerases inherente lage betrouwbaarheid, ze zijn geselecteerd in
de evolutie om fouten te maken en niet om RNAs identiek maken met de template. Hierdoor kunnen
de polymerases diversiteit genereren. Omdat deze polymerase is geselecteerd om fouten te maken, is
proofreading niet wenselijk. De belangrijkste factor is dus inherente lage betrouwbaarheid van de
polymerase en dan pas de proofreading.
De consequentie hiervan is dat het genoom van een virus niet beschreven kan worden als een unieke
structuur. Het is het gewogen gemiddelde van een groot aantal verschillende individuele sequenties.
Er zijn maar weinig virussen die 100% aan de consensussequentie voldoen. Het genoom van virussen
cirkelt rondom de consensus. Dit idee wordt beschreven met het concept quasi species: virale
populaties zijn dynamische verdelingen van niet-identieke maar gerelateerde replica’s. Juist de creatie
van diversiteit binnen de populatie is de belangrijkst verklaring grondslag aan het overleven van
virussen. Deze diversiteit geeft het virus aanpassingsvermogen.
1
, Virologie Evelien Floor
Antimutators
Mutaties die ervoor zorgen dat de betrouwbaarheid van polymerase verhoogd en deze dus minder
fouten maakt, verlagen de fitness van het virus. Mutaties die de betrouwbaarheid van de polymerases
verhogen worden antimutators genoemd. Dit soort mutaties kunnen geselecteerd worden door de
virus populatie bloot te stellen aan antivirale middelen die ervoor zorgen dat de polymerase verkeerde
nucleotiden gaat inbouwen. Als door deze middelen de betrouwbaarheid naar beneden gaat kan het
virus enkel herstellen door virussen te maken die de betrouwbaarheid verhogen.
In HIV kan met behulp van een reverese transcriptase remmer een mutant ontstaan met een 3.2-
voudige verlaging van mutatie frequentie. Met deze drug hebben de partikels een voordeel maar in
vivo hebben ze een groei nadeel. Ribavirine zorgt voor een 6-voudige verlaging van mutatie frequentie
van 3Dpol. Mutanten met deze mutatie worden daarom geselecteerd. Echter worden ze in de normale
situatie weg gecompeteerd. Polymerases zijn dus geselecteerd om met een bepaalde mutatie
frequentie te werken.
Error threshold
Te veel fouten maken is ook niet
wenselijk. RdRps hebben dus het
optimum opgezocht. Eén op de drie
mutaties op de wobble positie geeft
geen verandering in het eiwit. Op
positie 1 of 2 zorgt dit wel voor
verandering van het codon. Elke
verandering in de eiwitstructuur
kan nadelig zijn voor de functie. Bij
een te veel aan mutaties is de kans
dus groter dat het mis gaat. Er moet
daarom een optimum gevonden
worden: de error threshold. Dit zijn
het aantal mutaties dat kunnen plaatsvinden zo dat de nakomelingschap niet te veel aangetast wordt
en dus niet minder infectieus wordt. Dit ligt rond de 2 mutaties per genoom. Meer is wel mogelijk maar
dan neemt het aantal niet infectieuze nakomeling toe.
Alle virussen leven dus op het randje van error catastrofe, gaan ze te ver over dit randje dan stort de
zaak in. RNA virus evolutie en populatie diversiteit heeft een optimum voor maximale fitness en
virulentie. Mutator en antimutator mutaties verlagen de fitness van het virus.
Selectie
In de gastheer is er selectie door het innate en adaptieve immuunsysteem. Virussen hebben manieren
ontwikkeld om zich hier aan te onttrekken: antigene variatie. Ook milieu zoals luchtvochtigheid,
straling en temperatuur zorgen voor selectie. Viruspopulaties worden gevormd door selectie uit de
omgeving. In evolutie is er geen enkel ander doel dan overleven, de soort wordt dus niet steeds beter.
Veranderingen die optreden komen tot stand omdat binnen de populatie op dat moment de minst
goed aangepaste virussen worden weg geselecteerd.
Bottleneck
De genetisch bottleneck is een andere factor dat invloed heeft op virus evolutie. Als er extreme selectie
druk is op kleine populaties leidt dit tot verlies van diversiteit en accumulatie van niet-geselecteerde
mutaties (founder effect). Meerdere passages door een bottleneck vermindert dus de fitness.
In het lab kunnen herhaaldelijke bottlenecks nagebootst worden. Dit wordt gedaan door een enkele
plaque te nemen en daar weer een nieuwe plaque assay mee te doen, dit wordt meerdere malen
herhaald. Vervolgens kan deze virus populatie getest worden op fitness. Deze is dan afgenomen.
2
