Virussen zijn niet meer dan wat DNA of RNA, omgeven door een eiwitmantel. Sommige virussen hebben er nog een membraan omheen, maar dan houdt het echt op. Levend kun je ze daarom niet noemen: ze kunnen zich alleen vermenigvuldigen door een gastheercel binnen te dringen (te infecteren) en de daar aanwezige eiwitten te gebruiken.
Vaak overleeft de gastheercel deze aanval niet. Het virus legt de voor de cel benodigde processen (RNA-synthese en eiwitsynthese) stil om de cel geheel naar de wil van het virus te schikken. Er wordt alleen nog maar viraal DNA of RNA en virale eiwitten gemaakt, en uiteindelijk valt de genadeklap: duizenden nieuwe virussen ontsnappen uit de cel, waarbij de cel uiteenvalt. Deze nieuwe virussen kunnen de omringende cellen aanvallen, die dan hetzelfde lot te wachten staan. Bekende virussen die de mens infecteren zijn bijvoorbeeld HIV (de veroorzaker van AIDS) en het griepvirus. Maar ook dieren (mond- en klauwzeer), planten en bacteriën kunnen getroffen worden. Een virusinfectie kan levensbedreigend zijn, maar er zijn ook virusinfecties die veel milder verlopen. Denk daarbij bijvoorbeeld aan een verkoudheid.
Trucjes
Gelukkig zijn er vele manieren waarop een gastheer zich kan verdedigen tegen een virale aanval. In dieren en mensen ruimt het immuunsysteem geïnfecteerde cellen op, of cellen produceren het eiwit interferon dat infectie van nieuwe cellen door het virus remt. Helaas zijn virussen niet zo makkelijk klein te krijgen. Ze hebben vaak allerlei trucjes gevonden als antwoord op de verdedigingsmechanismen van de gastheer. Sommige virussen weten het immuunsysteem te ontduiken door de signalen die geïnfecteerde cellen afgeven te blokkeren, waardoor de cel onherkenbaar wordt. Andere virussen zijn resistent tegen interferon.
Een nieuw verdedigingsmechanisme
Een aantal jaren geleden werd een nieuw mechanisme ontdekt waarmee een gastheercel een virusinfectie kon detecteren, interfererend RNA of RNAi genoemd. Het RNAi-mechanisme is aangetoond in verschillende organismen, van planten tot schimmels en dieren.
Het begint met het signaleren van dubbelstrengs RNA-moleculen. Deze moleculen komen normaal niet voor in een cel. Als deze moleculen wel aanwezig zijn, betekent het dat een RNA-virus bezig is zichzelf te vermenigvuldigen. Dit afweermechanisme gaat dus vooral infecties door RNA-virussen te lijf. RNA-virussen bestaan behalve uit eiwit alleen uit RNA, en tijdens hun levenscyclus wordt op geen enkel moment DNA gevormd. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld retrovirussen, zoals het HIV-virus. Hierbij wordt, na binnenkomst van het virus in de cel, van het RNA-genoom eerst een DNA-kopie gemaakt. Daarna wordt van het DNA weer viraal boodschapper RNA (voor het maken van virale eiwitten) en viraal genoom RNA (voor het maken van nieuwe virusdeeltjes) afgeschreven.
Een deel van het genoom van RNA-virussen codeert voor een RNA-afhankelijke RNA polymerase. Het virus gebruikt dit eiwit om zijn eigen RNA-genoom te vermenigvuldigen. Tijdens dit vermenigvuldigingsproces ontstaan dubbelstrengs-RNA-moleculen. Cellulair RNA bestaat normaal gesproken uit één enkele streng. Een cel herkent dus meteen dat er iets vreemds aan de hand is, een virus infectie, en zet het RNAi-afweermechanisme in werking (zie afbeelding 1).
Afbeelding 1: De normale virale levensloop. Nadat het RNA-virus een cel is binnengedrongen, wordt het virale RNA gekopieerd door de RNA-afhankelijke RNA polymerase. Hierdoor ontstaat viraal boodschapper RNA, waarvan virale eiwitten worden gesynthetiseerd en, weer door de RNA-afhankelijke RNA polymerase, meer van het virale genoom. Het genoom en de eiwitten vormen samen nieuwe virusdeeltjes. klik op de afbeelding voor een grotere versie
RNAi als afweermechanisme
Een cellulair eiwit, Dicer, knipt het dubbelstrengs RNA-molecuul in kleine stukjes van 21 tot 23 nucleotiden groot. Deze kleine stukjes RNA, sRNA’s (small RNA’s) vormen met weer andere cellulaire eiwitten een complex dat het oorspronkelijke (lange stuk) virale RNA afbreekt. Het RNA-eiwit complex wordt RISC genoemd: RNA-induced silencing complex, oftewel: een door RNA geïnduceerd ‘tot zwijgen brengend’ complex. Het sRNA-molecuul in het complex herkent en bindt aan het virale boodschapper RNA (ze zijn beide afkomstig van het virale genoom en zijn dus complementair), waarna het complex het boodschapper RNA in stukken knipt. Hierdoor kunnen dus geen virale eiwitten meer vertaald worden en zullen nooit nieuwe virussen ontstaan.
Het voordeel van dit mechanisme is ook dat het heel specifiek het virale RNA opruimt en niet cellulair RNA: de cel blijft dus leven. Als het RNAi-mechanisme eenmaal in een cel begonnen is, verspreidt zich heel efficient naar de andere cellen van een organisme. Op welke manier is nog onduidelijk, maar zo wordt verdere verspreiding van het virus tegen gegaan. Op internet is een animatie te vinden van de werking van het RNAi-mechanisme.
RNAi als gereedschap
Het RNAi-mechanisme wordt nu ook op grote schaal toegepast als gereedschap voor wetenschappers. Inmiddels is van veel organismen, variërend van planten tot en met de mens, de complete basepaarvolgorde (sequentie) van het genoom bekend. Nu volgt voor de wetenschap een nog veel belangrijker maar ook lastiger taak: erachter zien te komen welke functie de vele genen hebben. Een van de manieren om dat te doen is door gebruik te maken van RNAi: kleine stukjes dubbelstrengs RNA-moleculen, die in het laboratorium zijn gesynthetiseerd op basis van de volgorde van een bepaald gen. Door die kleine stukjes RNA in cellen te brengen, bijvoorbeeld door het met een naald in een cel te injecteren, worden de boodschapper RNA-moleculen van een bepaald gen via het RNAi-mechanisme opgeruimd. Op deze manier kan bekeken worden welk effect het ontbreken van het eiwit dat door het bestudeerde gen gecodeerd wordt op de functie van de cel heeft. De genen zelf hoeven dus niet uit de cellen verwijderd te worden, wat bij ‘hogere’ organismen namelijk heel lastig kan zijn.
Het antwoord van de virussen
Het klinkt allemaal erg mooi, dat RNAi, maar virussen zijn niet zo makkelijk klein te krijgen. Tot voor kort was alleen van een aantal plantenvirussen bekend dat ze een eiwit bezitten dat het RNAi-mechanisme remt. Zoals bijvoorbeeld het HC-Pro eiwit van aardappelvirus Y, dat ervoor zorgt, dat als RNAi in een cel in gang is gezet, het in de omliggende plantencellen niet opnieuw op gang komt: er worden daar geen nieuwe sRNA’s gevormd. Of het 2b eiwit uit het komkommer mosaicvirus, dat nog vroeger lijkt in te grijpen in het RNAi-proces: het blokkeert het signaal dat een geïnfecteerde cel naar zijn buren afgeeft om aan te geven dat er een virusinfectie bezig is. Het gevolg is dat RNAi in de omliggende cellen zelfs niet eens begint.
Onlangs werd bekend dat ook een dierenvirus, namelijk het insectenvirus flock house-virus, een antwoord op het RNAi-mechanisme heeft. Een van de virale eiwitten, waarvan de functie lange tijd onbekend was, blijkt een rol te spelen in het remmen van RNAi in insectencellen. Op welke manier deze eiwitten RNAi precies remmen is op dit moment nog niet bekend. Aangezien het RNAi-mechanisme ook in zoogdieren voorkomt, zullen waarschijnlijk ook zoogdiervirussen daarop een antwoord gevonden hebben. Het is alleen nog niet ontdekt.
Dit verhaal is een mooi voorbeeld van de strijd tussen een virus en zijn gastheer: de gastheer zal er alles aan doen om een virusinfectie of de verspreiding van het virus tegen te gaan, een virus daarentegen wil koste wat het kost toch die gastheer binnen en zichzelf vermeerderen.
Er zijn sterke aanwijzingen dat RNAi een heel belangrijk viraal afweermechanisme is, dat nog algemener voorkomt dan op dit moment duidelijk is. De wetenschap staat op dit terrein nog in de kinderschoenen: veel aspecten van hoe RNAi precies werkt zijn nog onduidelijk en het is heel waarschijnlijk dat er nog veel meer virale antwoorden zijn waarvan we nu het bestaan nog niet kennen. Daarnaast blijken RNAi-mechanismen ook een rol te spelen tijdens de embryonale ontwikkeling.
Bronnen:
Science (Vol 296, 17 mei 2002) heeft een themanummer over ‘RNA silencing and noncoding RNA’.