Virus (biologie)

Een virus koppelt zich aan een cel van de gastheer en injecteert vervolgens het eigen erfelijk materiaal in die cel. Andere type virussen versmelten geheel met de gastheercel.

Een gastheer kan een meercellig organisme zijn, zoals een dier, plant of schimmel. Ook eencellige organismen, zoals bacteriën en archaea, kunnen door een virus geïnfecteerd worden. Virussen zijn meestal gespecialiseerd op een type gastheer. De eiwitmantel van het virus en antigenen op de cel zorgen ervoor dat het virus zich alleen aan een specifieke gastheercel kan hechten.

Binnen in de gastheercel geeft het erfelijk materiaal van het virus de opdracht om nieuwe virussen te maken. Het virus gaat in de gastheercel de anabole celprocessen voor groei en homeostase gebruiken om zichzelf te vermenigvuldigen. Eenmaal in de gastheercel, schakelt het virus het DNA van de gastheer uit, en worden in plaats daarvan virale eiwitten en RNA of DNA van het virus gesynthetiseerd. Uit deze eiwitten en RNA/DNA worden dan nieuwe kopieën van het virus gevormd. Dit proces leidt in veel gevallen tot de dood van de gastheercel. Daarbij komen de nieuwe virussen vrij die andere cellen aanvallen. Deze manier van voortplanten wordt de lytische cyclus genoemd.

Een virus kan ook zijn DNA inbouwen in het DNA van de gastheer. Telkens als de gastheercel zich deelt, wordt het DNA van het virus gekopieerd. Het virus zorgt daarbij niet direct voor de dood van de gastheercel. Het virus kan wel uitbreken als het immuunsysteem verzwakt is. Deze manier van voortplanten wordt de lysogene cyclus genoemd. Een voorbeeld van een virus dat zich zo voortplant is het herpesvirus, dat onder andere koortsblaasjes veroorzaakt.

Een virusinfectie verloopt volgens een ander mechanisme dan een bacteriële of een schimmelinfectie, en kan niet met antibiotica worden bestreden. Er zijn stoffen die specifiek de werking van sommige typen virussen verstoren, en die als geneesmiddel kunnen worden ingezet. Deze zogeheten antivirale middelen werken doordat zij het koppelen van virussen aan de gastheercel bemoeilijken, of doordat ze de werking van de virale enzymen in de gastheercel onderbreken.

Martinus Willem Beijerinck in zijn laboratorium in 1921

Louis Pasteur was bioloog en ontwikkelde vaccinatie tegen hondsdolheid. Het lukte hem echter niet de veroorzaker van deze ernstige ziekte te vinden. Pasteur speculeerde daarom over een pathogeen dat hondsdolheid veroorzaakte, maar dat te klein zou zijn om door een microscoop waargenomen te kunnen worden. In 1884 bedacht de Franse microbioloog Charles Chamberland het Chamberlandfilter dat over zulke kleine poriën beschikte dat bacteriën daar niet doorheen konden en uit de oplossing konden worden gefilterd. Kleinere deeltjes konden het filter nog wel passeren, zodat het onzichtbare pathogeen over zou blijven.

In 1892 gebruikte de Russische bioloog Dmitri Ivanovsky dit filter om iets te bestuderen wat later het tabaksmozaïekvirus bleek te zijn. Daarvoor vermaalde hij bladextracten van geïnfecteerde tabaksplanten. De restanten bleven besmettelijk zelfs na de filtratie door het filter. Ivanovsky suggereerde dat de besmetting werd veroorzaakt door een gif dat aangemaakt zou zijn door de bacteriën, maar deed hier geen verder onderzoek naar.

In 1898 herhaalde de Nederlandse microbioloog Martinus Beijerinck de experimenten en kwam tot de veronderstelling dat er in de gefiltreerde oplossing een nieuw soort pathogeen zou moeten zitten. Hij nam waar dat de pathogeen zich enkel vermenigvuldigde in cellen die zichzelf bezig waren te delen, maar omdat zijn experimenten niet konden aantonen dat het veroorzaakt werd door een vaste materie, noemde hij het pathogeen een contagium vivum fluidum en deed hij een her-introductie van het woord virus. Beijerinck bleef in de veronderstelling dat virussen vloeibaar waren, een theorie die later werd ontkracht door Wendell Stanley, die liet zien dat ze uit deeltjes bestonden.

Aan het begin van de 20^ste eeuw ontdekte de Engelse bacterioloog Frederick Twort een groep virussen die in staat waren bacteriën te infecteren, de bacteriofagen. De Frans-Canadese microbioloog Félix d'Herelle beschreef dat wanneer virussen samen met bacteriën op een petrischaaltje met agar werden geplaatst, plekken ontstonden met dode bacteriën. Bacteriofagen werden aangekondigd als de potentiële behandeling voor ziekten zoals tyfeuze koorts en cholera, maar hun ontdekking raakte in de vergetelheid na de ontdekking van penicilline. Door de toenemende mate van resistentie tegen antibiotica is er een hernieuwde interesse ontstaan in het therapeutisch gebruik van bacteriofagen.

Aan het eind van de 19^de eeuw werden virussen gedefinieerd aan de hand van hun infectiviteit, hun doordringbaarheid door filters, en hun benodigde gastheer. In 1906 bedacht Ross Granville Harrison een methode om kunstmatig weefsel te laten groeien in de lymfe. En in 1913 gebruikte E. Steinhardt, C. Israeli en R. A. Lambert deze methode om het virus vaccinia in fragmenten van het hoornvlies van cavia's te laten groeien. In 1928 maakten H. B. Maitland en M. C. Maitland meer vacciniavirus door middel van suspensies van vermalen nieren van kippen. Van hun methode werd niet veelvuldig gebruik gemaakt totdat in de jaren 50 van de twintigste eeuw het poliovirus op grote schaal werd gemaakt ter productie van vaccins.

Een andere doorbraak vond plaats in 1931 toen de de Amerikaanse pathologen Ernest William Goodpasture en Alice Miles Woodruff influenza en een aantal andere virussen kweekten in bevruchte kippeneieren. In 1949 kweekten John Franklin Enders, Thomas Weller en Frederick Robbins het poliovirus in opgekweekte menselijke embryocellen; dit was de eerste keer dat een virus werd gekweekt zonder gebruik van dierlijk materiaal. Dit werk leidde ertoe dat Jonas Salk in staat was een effectief vaccin tegen polio te ontwikkelen.

De eerste afbeeldingen van virussen verschenen toen in 1931 elektronenmicroscopie werd uitgevonden door de Duitse ingenieurs Ernst Ruska en Max Knoll. In 1935 bestudeerde de Amerikaanse biochemicus en viroloog Wendell Meredith Stanley het tabaksmozaïekvirus en ontdekte dat deze voornamelijk bestond uit proteïnen (eiwitten).

Niet lang na hierna werd er onderscheid gemaakt tussen onderdelen die bestonden uit proteïnen- en RNA-onderdelen. Het tabaksmozaïekvirus was het eerste virus dat werd gekristalliseerd waardoor de structuur van dit virus beter onderzocht kon worden. De eerste röntgenkristallografie van gekristalliseerde virussen werden gemaakt in 1941 door Bernal en Fankuchen. Op basis van deze opnames ontdekte Rosalind Franklin in 1955 de volledige structuur van virussen. In datzelfde jaar lieten Heinz Fraenkel-Conrat en Robley Williams zien dat het RNA en de eiwitmantel van een gezuiverd tabaksmozaïekvirus zichzelf in elkaar kunnen zetten om zo een functioneel virus te vormen. Dit doet suggereren dat dit simpele mechanisme waarschijnlijk de manier is waarop virussen worden gemaakt in hun gastheercellen.

De tweede helft van de 20^ste eeuw werden er vele nieuwe virussen ontdekt. Het merendeel van de meer dan 2.000 bekende dieren- planten- en bacterie-virussen werden ontdekt in dit tijdsbestek. In 1957 werd het equine arterivirus en de veroorzaker van boviene virale diarree, een pestivirus, ontdekt. In 1963 werd het hepatitis B-virus ontdekt door Baruch Blumberg, in 1965 beschreef Howard Martin Temin het eerste retrovirus. Het enzym reverse-transcriptase, dat retrovirussen gebruiken om DNA-kopieën te maken van hun RNA, werd voor het eerst beschreven in 1970 door Howard Martin Temin en David Baltimore onafhankelijk van elkaar. In 1983 isoleerde het team van Luc Montagnier aan het Pasteur-instituut in Frankrijk voor het eerst het retrovirus dat nu bekend staat als HIV. In 1989 ontdekte het team van Michael Houghton van Chiron Corporation het hepatitis C-virus.

Virussen zijn, van generatie op generatie, onderhevig aan genetische verandering en ondergaan evolutie.

Virussen worden overal aangetroffen waar zich leven bevindt en bestaan waarschijnlijk al sinds de eerste cellen zich ontwikkelden. De precieze herkomst van virussen is onduidelijk. Dat komt onder andere doordat virussen geen fossiele resten achterlaten. Daarom worden moleculaire technieken toegepast om uit te vinden hoe virussen zijn ontstaan. Viraal genetisch materiaal integreert zich van tijd tot tijd in de kiembanen van de gastheer-organismes, van waaruit zij kunnen worden overgedragen aan het nageslacht. Die overdracht kan vele generaties doorgaan. Dit verschijnsel levert informatie voor paleovirologen, waarmee zij een virus terug kunnen traceren dat vele miljoenen jaren geleden heeft bestaan.

Er bestaan verschillende hypotheses voor het ontstaan van virussen. De belangrijkste zijn:

Verlies van celfunctionaliteit door parasitisme

De voorlopers van de huidige virussen waren wellicht ooit kleine cellen die op grotere cellen parasiteerden. Na verloop van tijd verloren zij de genen die niet essentieel waren voor hun parasitisme. Deze hypothese wordt ondersteund door de bacteriën rickettsia en chlamydia, die zich - net zoals virussen - alleen kunnen vermenigvuldigen via gastheercellen. Deze bacteriën hebben waarschijnlijk de genen verloren die hen in staat stelden buiten een cel te overleven. Daardoor zijn ze afhankelijk geworden van parasitisme. Hetzelfde zou met de voorlopers van virussen gebeurd zijn.

Herkomst uit DNA van grotere organismes

Sommige virussen zijn wellicht ontstaan uit stukjes DNA of RNA die "ontsnapten" uit de genen van grotere organismes, bijvoorbeeld via plasmides, een streng DNA buiten het chromosaal DNA, of via springende genen, een stukje DNA op een chromosoom, dat in het genoom van plaats kan verwisselen.

Gelijktijdige evolutie met de eerste cellen

Volgens deze theorie evolueerden virussen uit complexe eiwitten en nucleïnezuren, tegelijkertijd met het ontstaan van de eerste cellen. De eerste virussen zouden van het begin al afhankelijk zijn geweest van cellulair leven. Een aanwijzing voor deze hypothese is het bestaan van viroïden. Dit zijn moleculen van RNA die niet beschikken over een eiwitmantel zoals een virus. Viroïden kunnen echter wel planten infecteren.

Een andere aanwijzing voor deze hypothese is het bestaan van virussen die afhankelijk zijn van de aanwezigheid van andere virussoorten in de gastheercel. Dit worden satellietvirussen genoemd – Een voorbeeld hiervan is het hepatitis D-virus dat afhankelijk is van het hepatitis B-virus voor het maken van een eiwitmantel. Satellietvirussen vormen wellicht evolutionaire tussenproducten of overgangsvormen van viroïden naar virussen.

In het verleden waren er problemen met al deze hypotheses: de regressieve hypothese verklaarde niet waarom zelfs de kleinste cellulaire parasieten op geen enkele manier op de huidige virussen lijken. De ontsnappingshypothese kon de complexe capsides en andere structuren van virussen niet verklaren. Daarnaast hield de eerste-virus-hypothese geen rekening met het feit dat virussen van gastheercellen afhankelijk zijn. Virussen worden nu erkend als aloud en vernomen wordt dat hun oorsprong ver voor de scheiding van het leven in de drie domeinen ligt. Deze ontdekking heeft er toe geleid dat hedendaagse virologen de drie klassieke hypothesen overdenken en opnieuw evalueren.

Het bewijs voor een voorouderlijke wereld van RNA-cellen en computeranalyses van viraal- en gastheer-DNA-sequenties leveren een beter begrip op van de evolutionaire relaties tussen verschillende soorten virussen en kunnen helpen de voorouders te bepalen van de hedendaagse virussen. Zulke analyses hebben nog niet kunnen aantonen welke hypothese precies correct is. Het is onwaarschijnlijk dat alle bekende virussen een gemeenschappelijke voorouder hebben.

Anno 2020 heeft nog geen van deze hypotheses geleid tot een sluitende theorie voor het ontstaan van virussen, en vindt er continu wetenschappelijk onderzoek plaats om de vragen te beantwoorden over de herkomst van virussen en of zij al dan niet levend zijn.

Schematische weergave van een bacteriofaag

Een virion bestaat uit de volgende onderdelen (van buiten naar binnen):

• Een enveloppe (alleen bij dierlijke virussen voorkomend): een membraan rond het nucleocapside.
• Het nucleocapside, bestaande uit
  • Een eiwitmantel (ook wel capside genoemd): dit is de buitenwand van het virus; deze beschermt het virus tegen vernietiging door antilichamen, ook speelt de eiwitmantel een rol bij het binnendringen van de gastheercel. De eiwitmantel is opgebouwd uit capsomeren.
  • Het nucleïnezuur: het erfelijk materiaal van het virus, bestaande uit DNA of RNA.

Afhankelijk van hoe leven gedefinieerd wordt, worden volgende argumenten gebruikt:

1. Bewijzen dat een virus niet leeft:
   1. Een levend organisme moet voldoen aan 7 criteria om te worden beschouwd als een levend organisme, namelijk: homeostase, organisatie, metabolisme, groei, aanpassingen, prikkelbaarheid (reacties op de omgeving) en voortplanting. Virussen voldoen niet aan alle criteria.[1]
   2. Virussen zijn buiten een gastheercel inactief. Gedurende deze tijd buiten een gastheercel wordt er geen biologische activiteit waargenomen.[2]
   3. Virussen zijn afhankelijk van de stofwisseling van de gastheercel.
   4. Virussen hebben een levende cel nodig om zich te vermenigvuldigen en te overleven.
   5. Virussen zijn niet-cellulair.
   6. Virussen hebben geen stofwisseling.
2. Bewijzen dat een virus leeft:
   1. Een virus doet aan endocytose.
   2. Wanneer virussen de gastheercel binnenkomen, wordt het viraal nucleïnezuur actief. Het virus is echter afhankelijk van de stofwisseling van de cel.
   3. Vanuit medisch standpunt worden virussen als levend gezien omdat zij pathogeen kunnen zijn en infectie en ziekte bij de mens veroorzaken.
   4. "Veel organismen hebben andere organismen nodig om in leven te blijven, waaronder bacteriën die in cellen leven," stelt onderzoeker Arshan Nasir. Dit spreekt tegen dat virussen niet-levend zouden zijn omdat ze een cel nodig hebben om te overleven.[3]
   5. "Het mimivirus heeft daarentegen wel een soort van stofwisseling."
   6. "Het mimivirus onderscheidt zich van andere virussen door zijn grote genoom. Daarnaast codeert het virus voor bepaalde producten die niet eerder bij een ander virus zijn waargenomen gecodeerd te zijn. Zo bezit het mimivirus genen die coderen voor nucleotide- en aminozuursynthese. Dit zijn genen die zelfs bepaalde intracellulaire bacteriën niet hebben", dit is bewijs voor het leven van mimivirussen.
   7. Virussen zijn onderhevig aan evolutie.
   8. Dit bewijs steunt op het bewijs dat virussen kunnen evolueren [zie (7b)], een virus dat bacteriofagen aanvalt is in staat het immuunsysteem van de bacteriofaag te deactiveren en zelf het immuunsysteem overnemen. Verdere studies moeten nog onderzoeken hoe die bacteriofaag dat kon.[4]
   9. Dit bewijs steunt op het bewijs dat virussen kunnen evolueren [zie (7b)]. 'Evolueren' kan twee contexten hebben. Context 1 is al besproken in (8b). De andere context is dat virussen evolueren omdat sommige (enorm snel) muteren (namelijk, de erfelijke eigenschappen van het genoom veranderen).[1]
3. Overige relevante informatie:
   1. Brian WJ Mahy van de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) heeft gezegd: "Virussen leiden een soort ‘geleend leven’", omdat ze afhankelijk zijn van een externe gastheercel maar toch biologische activiteit vertonen in een gastheercel.

Er is geen sluitende definitie van leven, zodat er nog niet gezegd kan worden of virussen leven.

• Lijst van virussen

Zie de categorie Viruses van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.