virusgenetikk

Koronaviruset SARS-COV-2 forårsaker sykdommen covid-19.
Laget i Biorender

Virusgenetikk er studiet av gener og genomer hos virus, hvordan egenskaper hos virus arves, og genetiske endringer (mutasjoner) hos virus. Virus som forårsaker sykdom er av spesiell interesse å studere, men forskere bruker også virus som modeller til å forstå grunnleggende mekanismer innen genetikk og cellebiologi.

Faktaboks

uttale:
vˈirusgenetikk

Arvematerialet i virus – DNA og RNA

Virus kan ha både RNA og DNA som arvemateriale, men aldri begge deler samtidig. Arvematerialet til virus varierer mye mer enn det gjør i bakterier, planter, dyr og andre organismer. Både RNA og DNA kan bestå av én eller to tråder (enkelt- eller dobbeltrådet), være en ring eller en stav (lineært), og bestå av mange segmenter hver for seg eller et sammenhengende segment. Ingen andre organismer som lever i dag har RNA som arvemateriale, kun virus.

Denne variasjonen har gitt opphav til en inndeling for virus generelt, kalt Baltimore-klassifikasjonen.

Virus kan deles inn i sju grupper basert på hva slags arvemateriale (genom) de har. Denne inndelingen kalles Baltimore-klassifikasjonen, oppkalt etter David Baltimore som beskrev dette første gang i 1971. Figuren viser eksempler på virus med de ulike typene genomer. Virusenes størrelse er ikke skalert i forhold til hverandre.
Uansett hva slags arvemateriale viruset har må det oversettes til mRNA-tråder (budbringer RNA) inne i vertscellen slik at nye virus kan lages. Budbringer RNA (mRNA, engelsk messenger RNA) er nødvendig for at maskineriet i vertscellen skal kunne oversette virusgenene til proteiner som så kan settes sammen til nye viruspartikler.
RT står for revers transkriptase (et enzym) og betyr at viruset er et retrovirus (gruppe 6). Revers transkriptase gjør at RNA-viruset kan omdanne genomet sitt til DNA og integrerer det i vertens genom (se avsnittet Virusgener i genomet til andre organismer).
Inndeling av virus i Baltimore-klassifikasjonen
Av /Figuren er laget i Biorender.

DNA-virus

Elektronmikroskopisk bilde som viser variola-viruset (koppevirus), en type poxvirus som forårsaker kopper. Koppeviruset har dobbelt-trådet DNA som arvematerialet. Det ligger inne i den timeglassliknende strukturen i viruset.
Av .
Lisens: CC BY 2.0

DNA-virus har arvemateriale som er laget av DNA (deoxyribonukleinsyre). Siden DNA er mer stabilt enn RNA kan virus som har DNA bli større enn RNA-virus. DNA i virus er ikke pakket i kromatin sammen med proteiner slik DNA er i alle andre organismer.

Eksempler på DNA-virus er virus som forårsaker vannkopper, herpes og adenovirus (luftveisinfeksjon).

RNA-virus

RNA-virus har arvemateriale som er laget av RNA (ribonukleinsyre). Grunnen til at noen virus har RNA istedenfor DNA er man ikke helt sikker på, men en del forskere tror det er fordi RNA oppstod før DNA i evolusjonen. RNA-virus stammer fra denne tidlige fasen i evolusjonshistorien som også kalles «RNA-verden».

Eksempler på RNA-virus er virus som forårsaker sykdommer som meslinger, influensa, ebola, covid-19 og valpesyke hos hunder. Mange av virusene som er sykdomsfremkallende hos mennesker er RNA-virus. Disse virusene endrer seg raskt på grunn av hyppige mutasjoner, og kan dermed raskt tilpasse seg nye verter. De fleste virus som infiserer planter er RNA-virus.

Gener hos virus

Figur som viser zikaviruset (øverst), dets genom (midten) og gener (nederst). Zikavirus forårsaker sykdommen zikafeber. I den nederste delen av figuren er genene illustrert med bokser etter hverandre. De gule boksene er gener som koder for strukturelle proteiner som utgjør proteinkapselen rundt RNA-genomet. De lilla boksene er gener som koder for ikke-strukturelle proteiner som blant annet er involvert i å kopiere opp genomet i mange kopier slik at viruset kan spre seg til nye celler.
Laget i Biorender

Virus kan ha gener som er involvert i følgende oppgaver:

  • Lage proteiner (proteinsyntese), men aldri alle proteinene involvert i proteinsyntese (se lenger ned)
  • Kopiering av virusets arvemateriale (replikasjon) og regulering av denne prosessen
  • Pakking av arvemateriale (genomet) inn i nye viruspartikler
  • Spredning av viruset til andre celler og andre verter
  • Unngå eller på en eller annen måte påvirke vertens forsvarssystem

Det varierer fra virus til virus nøyaktig hvilke gener de har. Noen virus har mange gener, andre har få.

Ingen virus har et komplett sett med gener til hele proteinsyntesen. Det er grunnen til at virus er avhengig av andre organismer til å reprodusere seg. Virus har heller ingen gener for å forbruke energi slik alle andre organismer gjør (stoffskiftet).

Virusgenomenes størrelse

Størrelsen på virusgenomer varierer fra 120 basepar til ca. 2,5 millioner basepar. De aller minste genomene finnes hos viroider, som er ekstremt små virus som kun består av arvemateriale uten en proteinkapsel utenpå. De største genomene er store dobbelt-trådet DNA molekyler og finnes hos pandoravirus som ble oppdaget så sent som i 2013.

Mutasjoner og evolusjon hos virus

Mutasjoner

Mutasjoner skjer veldig hyppig i virus. Ingen andre organismer muterer like mye som virus.

RNA-virus muterer oftere enn DNA-virus fordi RNA er et mindre stabilt molekyl enn DNA. RNA-virus har ikke de verktøyene som trengs for å reparere feil når arvematerialet kopier seg opp for å lage nye virus. Mutasjonsraten varierer mellom ulike virus, for eksempel ser det ut til at koronaviruset SARS-CoV-2 som forårsaker sykdommen covid-19 muterer langsommere enn influensaviruset selv om begge er RNA-virus (basert på kunnskap per april 2020). Det kan være en fordel ved utvikling av vaksine mot koronaviruset.

Ulike typer virus av samme art kan også utveksle gener seg imellom – for eksempel influensavirus. Dette øker muligheten for genetisk variasjon hos disse virusene.

Evolusjon

Fordi virus har mange mutasjoner per generasjon, kort generasjonstid og store populasjoner, kan virus utvikle seg (evolvere) veldig raskt. Dette har viktige konsekvenser for infeksjonssykdommer som forårsakes av virus fordi det kan raskt endre hvordan en sykdom sprer seg i en befolkning og hvordan viruset påvirker de som er syke.

Rask evolusjon hos virus gir også en ekstra utfordring når man lager vaksiner fordi en enkelt mutasjon eller noen få mutasjoner kan gjøre at vaksinen har mindre effekt eller ikke virker lenger.

Spredning av virus fra dyr til mennesker

Analyser av arvematerialet til virus (DNA eller RNA) kan vise hvordan et virus har spredd seg fra dyr til mennesker. For eksempel har man vist at hiv-1, viruset som fører til sykdommen aids hos mennesker, mest sannsynlig kom fra sjimpanse ved overføring av viruset SIV (Simian immunodeficiency virus) til mennesker. Ved å sammenligne RNA-sekvenser fra ulike hiv-1 virus har man regnet seg fram til at den første utgaven av viruset oppstod et sted mellom 1910 og 1930.

De fleste virus er tilpasset en eller noen få nærstående arter, som kalles verter. For at et virus skal kunne spre seg til en ny vert må det ofte genetiske endringer til (mutasjoner) slik at det kan tilpasse seg et nytt miljø i den nye verten. Fordi mutasjoner skjer veldig ofte i virus fins det som regel ulike varianter av viruset i populasjonen og noen av disse variantene er bedre tilpasset nye verter enn andre. Dersom disse variantene kommer seg over i nye verter, for eksempel i menneske, kan en sykdom raskt utvikle seg i den nye verten.

Vi har flere eksempler fra nyere historie på at det kan ha alvorlige konsekvenser når virus hopper fra andre dyr, som flaggermus, aper og kameler, over til mennesker (kalt zoonose). Ødeleggelse av habitatene til ville dyr kan øke risikoen for at dyrene overfører sykdomsfremkallende virus til mennesker fordi dyrene kommer i nærmere kontakt med mennesker.

Virusgener i genomet til andre organismer

Retrovirus kan kopiere inn sitt genmateriale i arvestoffet til verten.

Retrovirus
Av /Biorender.

En bestemt type virus, retrovirus, kan etterlate seg gener eller fragmenter av genomet sitt i arvematerialet til andre organismer. Når disse fragmentene fra virusgenomet er integrert i andre organismers genom kalles de endogene retrovirus. Omtrent 5–8% av menneskets genom er slike endogene retrovirus. Dette skjer fordi viruset infiserer kjønnscellene og går i arv til neste generasjon.

Virus i forskning

Virus brukes ofte som vektorer i genetisk forskning. En vektor er en slags transportør som transporterer gener inn i en organisme som skal få satt inn et nytt gen. Denne teknikken brukes i genteknologi. Virus brukes som vektorer fordi de har den egenskapen at de lett får arvematerialet sitt inn i celler, siden det er slik de infiserer andre organismer.

Et eksempel på virus som vektor brukt i medisin er i genterapi. Da kan man bruke virus til å få satt inn et friskt gen i celler som har en mutasjon som gjør personen syk.

  • Les mer om kombinering av ulike genmaterialer: genspleising

Krysning hos virus

Kjønnsprosesser finnes ikke hos virus, men i 1946 oppdaget den tysk-amerikanske biofysikeren Max Delbrück og W. T. Bailey at det var mulig å utføre krysninger med virus.

Krysning med virus gjøres ved å tilføre en vertscelle to virusstammer samtidig. Inne i vertscellen vil de ulike viruskromosomene komme nær hverandre slik at det kan skje genetisk rekombinasjon. Denne teknikken gjør det mulig å identifisere og kartlegge arveanlegg i viruset. Fordi viruspartiklene er så små, er det mulig å undersøke et meget stort antall av dem i én enkelt krysning.

Den amerikanske forskeren Seymour Benzer (1921–2007) brukte denne teknikken til studier av geners finstruktur. Han fant ut at mutasjon og rekombinasjon kan finne sted på forskjellige steder innenfor et funksjonelt gen. De fragmentene av arvematerialet som kan avgrenses ved slike mutasjonsanalyser eller rekombinasjonsundersøkelser, er mye mindre (kan være så små som ett basepar på DNA-tråden) enn det funksjonelle genet som koder for et protein (kan være flere hundre basepar). Benzers oppdagelse i virus har generell gyldighet for alle organismer.

Historikk

Bakteriofager er en særegen type virus som angriper bakterier. Genmaterialet er dekket av en proteinkapsel som lander utenpå bakterien og skyter genmaterialet inn gjennom en proteinnål.
Av .
Lisens: CC BY 2.0

I 1952 utførte forskerne Alfred Hershey og Martha Chase et eksperiment med virus som ble et avgjørende bevis for at DNA er arvematerialet som overføres fra generasjon til generasjon, ikke proteiner som mange trodde. Forskerne brukte en type virus som angriper bakterier, kalt bakteriofager. I det ene forsøket merket de DNA-et med radioaktivt fosfor og i det andre forsøket merket de proteinet med radioaktivt svovel. Ved å følge det radioaktive materialet kunne de finne ut hvilke av de to – DNA eller protein – som ble overført til neste generasjon, altså som ble arvet. Dette var mulig fordi DNA ikke inneholder svovel, og protein ikke inneholder fosfor.

Bakteriofagen de brukte heter T2, og den angriper tarmbakterien E. coli. T2 fester seg på utsiden av E. coli og sender arvematerialet sitt inn i bakterien, mens resten av T2 blir igjen på utsiden. Inne i bakterien kopieres arvematerialet til viruset opp i mange kopier og nye virus lages. Forsøkene til forskerne viste at det var det radioaktivt merkede DNA-et som ble ført videre til neste generasjon virus og ikke det radioaktive proteinet. Konklusjonen var at DNA er arvematerialet, ikke protein.

Etter at de radioaktivt merkede T2-virusene hadde infisert E. coli-cellermåtte forskerne skille de infiserte cellene fra virus som ikke hadde infisert E. coli-cellene. Dette måtte de gjøre for å kun analysere det virusmaterialet som kom inn i bakteriene og ikke det som ble igjen på utsiden. Det virusmaterialet som kommer inn i bakteriene er det arvematerialet som videreføres til neste generasjon av virus. Måten de gjorde det på var å kjøre hele blandingen av virus og bakterier i en kjøkkenblender. Etter at man hadde fjernet de delene av virusene som satt på utsiden av bakteriecellene, analyserte forskerne de infiserte bakteriene
Viruseksperiment fra 1952

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg