Weltweit gesammelte Meerwasserproben haben einen Schatz an neuen Daten über RNA-Viren erbracht, die die ökologischen Forschungsmöglichkeiten erweitern und unser Verständnis für die Entwicklung dieser kleinen, aber bedeutenden submikroskopischen Partikel neu gestalten.
Durch die Kombination von Machine-Learning-Analysen mit traditionellen Evolutionsbäumen hat ein internationales Forscherteam 5.500 neue RNA-Virusarten identifiziert, die alle fünf bekannten RNA-Virus-Phyla repräsentieren und darauf hindeuten, dass mindestens fünf neue RNA-Virus-Phyla erforderlich sind, um sie zu erfassen.
Die umfangreichste Sammlung neu identifizierter Arten gehört zu einem vorgeschlagenen Stamm, den die Forscher Taraviricota nannten, eine Anspielung auf die Quelle der 35.000 Wasserproben, die die Analyse ermöglichten: das Tara Oceans Consortium, eine laufende globale Studie an Bord des Schoners Tara über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Weltmeere.
„Es gibt hier so viel neue Vielfalt – und ein ganzer Stamm, die Taraviricota, wurden überall in den Ozeanen gefunden, was darauf hindeutet, dass sie ökologisch wichtig sind“, sagte der Hauptautor Matthew Sullivan, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University.
„RNA-Viren sind eindeutig wichtig für unsere Welt, aber wir untersuchen normalerweise nur einen winzigen Teil von ihnen – die wenigen Hundert, die Menschen, Pflanzen und Tiere schädigen. Wir wollten sie systematisch in einem sehr großen Maßstab untersuchen und eine Umgebung erforschen, die noch niemand eingehend untersucht hatte, und wir hatten Glück, denn praktisch jede Art war neu, und viele waren wirklich neu.“
Die Studie erscheint heute (7. April 2022) online in Science.
Während Mikroben einen wesentlichen Beitrag zu allem Leben auf unserem Planeten leisten, haben Viren, die sie infizieren oder mit ihnen interagieren, eine Vielzahl von Einflüssen auf die mikrobiellen Funktionen. Man geht davon aus, dass diese Viren drei Hauptfunktionen haben: Sie töten Zellen ab, verändern den Energiehaushalt infizierter Zellen und übertragen Gene von einem Wirt auf einen anderen.
Mehr Wissen über die Vielfalt und Häufigkeit von Viren in den Weltmeeren wird dazu beitragen, die Rolle der Meeresmikroben bei der Anpassung an den Klimawandel zu erklären, sagen die Forscher. Die Ozeane nehmen die Hälfte des vom Menschen erzeugten Kohlendioxids aus der Atmosphäre auf, und frühere Forschungsarbeiten dieser Gruppe haben nahegelegt, dass Meeresviren der „Drehknopf“ einer biologischen Pumpe sind, die beeinflusst, wie der Kohlenstoff im Ozean gespeichert wird.
Mit der Herausforderung, RNA-Viren zu klassifizieren, begab sich das Team in Gewässer, die noch von früheren Bemühungen um eine taxonomische Kategorisierung geprägt waren, die sich hauptsächlich auf RNA-Viren als Krankheitserreger konzentrierten. Innerhalb des biologischen Königreichs Orthornavirae wurden kürzlich vom Internationalen Komitee für Taxonomie der Viren (ICTV) fünf Phyla anerkannt.
Obwohl das Forschungsteam Hunderte von neuen RNA-Virusarten identifizierte, die in diese bestehenden Unterteilungen passen, identifizierte ihre Analyse Tausende weiterer Arten, die sie in fünf neu vorgeschlagenen Phyla zusammenfassten: Taraviricota, Pomiviricota, Paraxenoviricota, Wamoviricota und Arctiviricota, die wie Taraviricota sehr häufig vorkommende Arten enthält – zumindest in den klimakritischen Gewässern des Arktischen Ozeans, dem Gebiet der Welt, in dem die Erwärmung am meisten Schaden anrichtet.
Sullivans Team katalogisiert seit langem DNA-Virusarten in den Ozeanen und hat die Zahl von einigen Tausend in den Jahren 2015 und 2016 auf 200.000 im Jahr 2019 erhöht. Für diese Studien hatten die Wissenschaftler Zugang zu Viruspartikeln, um die Analyse durchzuführen.
Bei den aktuellen Bemühungen zum Nachweis von RNA-Viren gab es keine Viruspartikel, die untersucht werden konnten. Stattdessen extrahierten die Forscher Sequenzen von Genen, die in im Meer schwimmenden Organismen exprimiert wurden, und beschränkten die Analyse auf RNA-Sequenzen, die ein Signaturgen namens RdRp enthielten, das sich seit Milliarden von Jahren in RNA-Viren entwickelt hat und in anderen Viren oder Zellen nicht vorkommt.
Da die Existenz von RdRp auf die Zeit zurückgeht, als das erste Leben auf der Erde entdeckt wurde, hat sich seine Sequenzposition um ein Vielfaches verändert, was bedeutet, dass herkömmliche phylogenetische Baumbeziehungen unmöglich allein mit Sequenzen beschrieben werden können. Stattdessen setzte das Team maschinelles Lernen ein, um 44.000 neue Sequenzen so zu ordnen, dass sie mit den Milliarden von Jahren der Sequenzdivergenz zurechtkamen, und validierte die Methode, indem es zeigte, dass die Technik Sequenzen bereits identifizierter RNA-Viren genau klassifizieren konnte.
„Wir mussten das Bekannte mit dem Unbekannten vergleichen“, sagte Sullivan, der auch Professor für Bau-, Umwelt- und Vermessungsingenieurwesen, Gründungsdirektor des Ohio State Center of Microbiome Science und Mitglied des Leitungsteams des EMERGE Biology Integration Institute ist.
„Wir haben einen rechnerisch reproduzierbaren Weg gefunden, diese Sequenzen so auszurichten, dass wir mit größerer Sicherheit davon ausgehen können, dass wir Positionen ausrichten, die die Evolution genau widerspiegeln.“
Weitere Analysen unter Verwendung von 3D-Darstellungen der Sequenzstrukturen und des Alignments ergaben, dass die 5.500 neuen Arten nicht in die fünf bestehenden Phyla der RNA-Viren passen, die im Königreich der Orthornaviren kategorisiert sind.
„Wir haben unsere Cluster mit etablierten, anerkannten, auf der Phylogenie basierenden Taxa verglichen, und so haben wir festgestellt, dass wir mehr Cluster haben als die, die bereits existieren“, sagte der Erstautor der Studie, Ahmed Zayed, Wissenschaftler in der Mikrobiologie an der Ohio State University und Forschungsleiter im EMERGE-Institut.
Insgesamt veranlassten die Ergebnisse die Forscher dazu, nicht nur die fünf neuen Phyla, sondern auch mindestens 11 neue orthornavirale Klassen von RNA-Viren vorzuschlagen. Das Team bereitet einen Vorschlag vor, um die Formalisierung der Phyla- und Klassenkandidaten durch das ICTV zu beantragen.
Zayed sagte, dass der Umfang der neuen Daten über die Divergenz des RdRp-Gens im Laufe der Zeit zu einem besseren Verständnis darüber führt, wie sich frühes Leben auf dem Planeten entwickelt haben könnte.
„RdRp ist vermutlich eines der ältesten Gene – es existierte schon, bevor es eine DNA gab“, sagte er. „Wir verfolgen also nicht nur die Ursprünge der Viren, sondern auch die Ursprünge des Lebens“.
Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, dem Ohio Supercomputer Center, dem Ohio State’s Center of Microbiome Science, dem EMERGE Biology Integration Institute, der Ramon-Areces Foundation und Laulima Government Solutions/NIAID unterstützt. Die Arbeit wurde auch durch die beispiellosen Probenahmen und wissenschaftlichen Arbeiten des Tara Oceans Consortium, der gemeinnützigen Tara Ocean Foundation und ihrer Partner ermöglicht.
Weitere Co-Autoren der Studie waren die Co-Leitautoren James Wainaina und Guillermo Dominguez-Huerta sowie Jiarong Guo, Mohamed Mohssen, Funing Tian, Adjie Pratama, Ben Bolduc, Olivier Zablocki, Dylan Cronin und Lindsay Solden, alle aus Sullivans Labor; Ralf Bundschuh, Kurt Fredrick, Laura Kubatko und Elan Shatoff vom Ohio State College of Arts and Sciences; Hans-Joachim Ruscheweyh, Guillem Salazar und Shinichi Sunagawa vom Institut für Mikrobiologie und vom Schweizerischen Institut für Bioinformatik; Jens Kuhn vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases; Alexander Culley von der Université Laval; Erwan Delage und Samuel Chaffron von der Universität Nantes; und Eric Pelletier, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain und Patrick Wincker von Genoscope.
Datum: April 7, 2022
Quelle: Ohio State University
Journal Reference:
- Ahmed A. Zayed, James M. Wainaina, Guillermo Dominguez-Huerta, Eric Pelletier, Jiarong Guo, Mohamed Mohssen, Funing Tian, Akbar Adjie Pratama, Benjamin Bolduc, Olivier Zablocki, Dylan Cronin, Lindsey Solden, Erwan Delage, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain, Hans-Joachim Ruscheweyh, Guillem Salazar, Elan Shatoff, Ralf Bundschuh, Kurt Fredrick, Laura S. Kubatko, Samuel Chaffron, Alexander I. Culley, Shinichi Sunagawa, Jens H. Kuhn, Patrick Wincker, Matthew B. Sullivan, Silvia G. Acinas, Marcel Babin, Peer Bork, Emmanuel Boss, Chris Bowler, Guy Cochrane, Colomban de Vargas, Gabriel Gorsky, Lionel Guidi, Nigel Grimsley, Pascal Hingamp, Daniele Iudicone, Olivier Jaillon, Stefanie Kandels, Lee Karp-Boss, Eric Karsenti, Fabrice Not, Hiroyuki Ogata, Nicole Poulton, Stéphane Pesant, Christian Sardet, Sabrinia Speich, Lars Stemmann, Matthew B. Sullivan, Shinichi Sungawa, Patrick Wincker. Cryptic and abundant marine viruses at the evolutionary origins of Earth’s RNA virome. Science, 2022; 376 (6589): 156 DOI: 10.1126/science.abm5847