Giganti addormentati: come i virus nascosti si risvegliano all'interno delle alghe e si trasmettono alle generazioni future

Virus che si nascondono in bella vista

I virus giganti sono tra le entità biologiche più notevoli della Terra: più grandi e genomicamente più complessi di molti batteri, possono causare gravi problemi negli ecosistemi marini, infettando alghe e microbi in tutti gli oceani del mondo. Tuttavia, nonostante la loro abbondanza e il loro ruolo ecologico, le loro strategie di infezione negli ospiti multicellulari sono rimaste poco conosciute. In particolare, è rimasta aperta la questione se i virus giganti siano capaci di latenza, cioè di persistere silenziosamente all'interno di un ospite prima di riattivarsi.

Questo nuovo studio risponde a questa domanda. Lavorando con Ectocarpus, un'alga bruna che funge da organismo modello per la biologia multicellulare, il team ha scoperto che il genoma dell'alga ospita sequenze complete e intatte di virus giganti, note come elementi virali endogeni giganti (GEVE). Questi GEVE sono pienamente funzionali e in grado di produrre particelle virali infettive.

"Non si tratta di fossili genomici", ha dichiarato Carole Duchêne, postdoc presso il Dipartimento di Sviluppo ed evoluzione algale. "Sono attivi, regolati e trasmissibili. Il virus si è effettivamente insediato all'interno del genoma dell'ospite e ha trovato un modo per persistere attraverso le generazioni".

Un risveglio controllato con precisione

I ricercatori hanno scoperto che il virus dormiente non si riattiva in modo casuale. Il suo risveglio è invece strettamente controllato da due segnali distinti: lo stato di sviluppo dell'ospite e la temperatura ambientale. Il virus si attiva specificamente nelle cellule riproduttive, chiamate gametangia e sporangi, dell'alga, dove dirotta queste strutture, trasformandole in fabbriche di produzione di virus e impedendo la formazione di gameti e spore. Al di fuori di queste specifiche cellule e condizioni, il virus rimane completamente silente.

Utilizzando il sequenziamento del genoma a lunga lettura, la trascrittomica, la genetica classica e l'editing genico CRISPR/Cas, il team ha individuato i siti precisi in cui il genoma virale si integra nei cromosomi dell'ospite, ha chiarito il meccanismo di integrazione e ha dimostrato che l'elemento integrato è in grado di replicarsi autonomamente. In particolare, utilizzando CRISPR per eliminare l'intero elemento virale dal genoma dell'ospite, hanno confermato direttamente che la sequenza integrata, e non una fonte esterna, è responsabile della produzione di particelle virali infettive.

Ereditato come un gene, trasmesso come un virus

L'aspetto forse più sorprendente è che il team di ricerca ha dimostrato che l'elemento virale viene trasmesso in modo stabile attraverso la linea germinale dell'ospite da una generazione all'altra, comportandosi, in termini genetici, come un supergene. Ciò significa che il virus ha due modalità di trasmissione: verticale, passando dai genitori alla prole attraverso il genoma, e orizzontale, attraverso le particelle infettive che produce alla riattivazione. Questa doppia strategia di eredità latente combinata con la riattivazione e il rilascio periodico non è mai stata documentata prima d'ora per un virus gigante in un eucariote multicellulare.

"Il virus ha sviluppato una strategia straordinariamente sofisticata", ha dichiarato Susana Coelho, direttore del Dipartimento di sviluppo ed evoluzione algale. "Si nasconde all'interno dell'ospite, viene trasmesso a ogni progenie e poi si risveglia selettivamente al momento giusto e nel tipo di cellula giusto".

Perché è importante: ecologia, evoluzione e un nuovo sistema modello

Le alghe brune rappresentano il terzo organismo multicellulare più complesso del pianeta, avendo evoluto piani corporei complessi in modo del tutto indipendente da animali e piante. Sono una specie fondamentale negli ecosistemi marini costieri, analoga per importanza ecologica agli alberi di una foresta. Le alghe brune sono sempre più minacciate dai cambiamenti climatici. La comprensione dei virus che le infettano e del modo in cui questi virus modellano l'evoluzione dell'ospite e la dinamica della popolazione è quindi di grande importanza ecologica.

Più in generale, i risultati mettono in discussione le ipotesi di lunga data della virologia. La latenza è stata ampiamente studiata nei virus animali, in particolare negli herpesvirus e nei retrovirus come l'HIV, ma l'idea che i virus dsDNA giganti, un gruppo filogeneticamente distinto ed enormemente diverso, possano utilizzare la stessa strategia in un ospite multicellulare apre strade di ricerca completamente nuove. Il sistema Ectocarpus-Phaeovirus fornisce ora alla comunità scientifica un modello tracciante e geneticamente manipolabile per studiare i meccanismi molecolari della latenza virale, dell'ereditarietà e della riattivazione al di fuori dei tradizionali contesti animali e vegetali.