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BIOspektrum | 06.13 | 19. Jahrgang

Virophages are a new type of satellite viruses that infect giant DNA viruses of the Mimiviridae family. Inside the shared eukaryotic host cell,virophages replicate in the cytoplasmic virion factories of their host viruses. This causes a decreased production of giant virus particles andan increased host cell survival rate. Giant viruses and virophages areembedded in a network of genetic interactions that includes transposableDNA elements, plasmids, and integrated forms of virophage genomes.

DOI: 10.1007/s12268-013-0362-5© Springer-Verlag 2013

ó In den letzten 20 Jahren hat sich unserVerständnis von Viren grundlegend verän-dert. Wir wissen jetzt, dass ein Liter Meer-wasser ebenso wie ein Gramm Erde im Durch-schnitt mehrere Milliarden Viruspartikel ent-halten. Weltweit kommen auf jede Zelle etwazehn Viruspartikel, und die Virenpopulationin den Weltmeeren wird auf 1030 geschätzt[1]. Die überwiegende Mehrzahl davon infi-ziert Bakterien und mikroskopische Algenund sorgt durch deren Lyse für ein Nährstoff -recycling. Neben dieser wichtigen ökologi-schen Rolle stellen Viren durch ihre enormeVielfalt und zahlenmäßige Überlegenheitauch das größte genetische Reservoir unse-res Planeten dar, und das trotz ihrer zumeistsehr kleinen Genome. Doch auch bei Virengibt es ein breites Spektrum an Genom- undPartikelgrößen.

Die Entdeckung der RiesenvirenEine der spektakulärsten Entdeckungen derletzten Jahre auf diesem Gebiet war das Mimivirus (für mimicking microbe), das Amö-ben infiziert und aus dem Wasser eines Kühlturms der englischen Stadt Bradford iso-liert wurde. Mit einem Durchmesser von0,75 Mikrometern und einem DNA-Genomvon 1,2 Millionen Basenpaaren brach diesesVirus alle Größenrekorde [2]. Das Mimiviruscodiert in seinem Genom die Information fürrund 1.000 Proteine und ist dadurch sehr vielunabhängiger von der Wirtszelle als kleinereViren. In der Virenfabrik, einer vom Virusgeschaffenen Struktur im Zytoplasma, repli-

ziert das Mimivirus sein Genom und tran -skribiert seine Gene, ohne dafür auf die imZellkern lokalisierten Enzyme der Wirtszellezurückgreifen zu müssen. Auch andere Pro-zesse, wie die Reparatur von DNA-Schäden,die Glykosylierung von Proteinen und derZusammenbau der komplexen Viruspartikelmit seinen Oberflächenmodifikationen undinternen Membranen, spielen sich vermut-lich in der Virenfabrik ab. Man könnte dieVirenfabrik auch als Miniatur-Organismusbeschreiben, der innerhalb der Wirtszellezum Leben erwacht ist und nach der Produk-

tion von mehreren Hundert neuen Viruspar-tikeln die Wirtszelle lysiert. Wie sich bald her-ausstellte, ist das Mimivirus kein Einzelfall.Mimivirus-spezifische Gensignaturen findensich in Metagenom-Datenbanken aus ver-schiedenen Ökosystemen weltweit.

Warum also hat man Riesenviren nichtbereits früher entdeckt? Zum einen be -schränkt sich das Wirtsspektrum der bislangbekannten Riesenviren auf einzellige Euka-ryoten (Protisten), zum anderen werden beider Laboranalyse von Viruspopulationen rou-tinemäßig Filter mit einer Porengröße von0,2 Mikrometern eingesetzt, um Viren vonZellen zu trennen. Solche Filter halten aberauch die deutlich größeren Riesenviren mitPartikeldurchmessern von 0,3 bis 1 Mikro-metern zurück. In den letzten Jahren wurdenweitere Riesenviren in Laborkultur isoliert,darunter das Cafeteria roenbergensis-Virus(CroV), das einen marinen Flagellaten in -fiziert [3], sowie die kürzlich entdeckten Pandoraviren, die sich wie Mimivirus in Amö-ben vermehrt und das größte zurzeit bekann-te Virusgenom besitzt [4].

Virophagen

Wenn Viren Viren infizierenMATTHIAS G. FISCHER

MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR MEDIZINISCHE FORSCHUNG, HEIDELBERG

˚ Abb. 1: Der Effekt von Virophagen auf die Replikation von Riesenviren. A, Ein Riesenvirus (blau)infiziert einen eukaryotischen Einzeller und repliziert sich in der zytoplasmatischen Virenfabrik(schwarz). Die neu gebildeten Viruspartikel infizieren weitere Zellen, bis alle Zellen der Kulturlysiert sind. Das Lysat enthält eine hohe Konzentration an Riesenvirus-Partikeln. B, Wird die Zellevon einem Riesenvirus und einem Virophagen (rot) infiziert, bildet die Virenfabrik hauptsächlichVirophagen-Partikel, die nach Zelllyse freigesetzt werden. Neue Riesenvirus-Partikel werden kaumnoch gebildet, was zum Erliegen der Infektion und zum Überleben der Zellpopulation führt.

A

B

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Der Parasit meines Parasitenist mein FreundRiesenviren zeichnen sich aber nicht nurdurch ihre Partikel- und Genomgrößen, ihrungewöhnliches Genrepertoire oder die Kom-plexität ihrer Virenfabriken aus. SowohlMimivirus als auch CroV können währendihres Infektionszyklus von anderen Virenparasitiert werden. Als bei der Suche nachweiteren Riesenviren ein neuer Mimivirus-Stamm isoliert wurde, fand man in elektro-nenmikroskopischen Bildern von infiziertenZellen neben den großen Mimiviren auchViruspartikel mit einem Zehntel ihres Durch-messers. Das kleine Virus wurde Sputnikgetauft, und bald stellte sich heraus, dassSputnik für seine Vermehrung auf Mimi -virus angewiesen war [5]. Zudem fanden sichin Sputnik-Mimivirus-ko-infizierten Zellenabnormale Formen von Mimivirus-Kapsiden,und die Produktion von neuen Mimiviren wardeutlich reduziert. Dies wiederum führte zueiner erhöhten Überlebensrate der ko-infi-zierten Zellpopulation. Das französische For-scherteam um Didier Raoult sah darin einenentscheidenden Unterschied zu bisher be -schriebenen Satellitenviren und klassifizier-te Sputnik als „Virophagen“, in Analogie zuBakteriophagen. Ein Virophage ist demnachprimär ein Parasit des Riesenvirus, und nichtder Zelle. Dringt der Virophage in die gemein-same Wirtszelle ein, kann er sich dort nurvermehren, wenn die Zelle gleichzeitigmit dem passenden Riesenvirus infiziert ist(Abb. 1).

Der Virophage repliziert sich dann in derVirenfabrik des Riesenvirus auf dessen Kos-ten, was in dem zuvor beschriebenen Phäno-typ resultiert. Anders als bei herkömmlichenSatellitenviren, die oft keine eigenen Hüll-proteine (Kapsidproteine) oder Replikations-enzyme codieren und sich diese von einem„Helfervirus“ ausleihen, enthält das Sputnik-Genom ein DNA-Polymerase-Gen und zweiKapsid-Gene. Stattdessen scheint die Abhän-gigkeit der Virophagen von ihren ungleichgrößeren Wirtsviren auf der Ebene der Genex-pression zu liegen. Riesenviren wie Mimivi-rus codieren ihren eigenen Tran skrip tions -apparat. Vergleichende bioinformatische Ana-lysen von regulatorischen DNA-Sequenzenlegen den Schluss nahe, dass die Virophagen-Gene von der RNA-Polymerase des Riesenvi-rus abgelesen werden [6].

Das scheint auch beim zweiten beschrie-benen Virophagen, Mavirus, der Fall zu sein,der mit dem Riesenvirus CroV assoziiert ist(Abb. 2, [7]). Mavirus folgt demselben Sche-ma wie Sputnik: Es kann sich nur in CroV-infizierten Zellen vermehren, was die Repli-kation von CroV beeinträchtigt. Wenn zuBeginn der Infektion ein Überschuss an Mavirus zugegeben wird, ist dieses sogar inder Lage, die Wirtszellpopulation komplettvor der Lyse durch CroV zu schützen.

Genetisches Geflecht: Virophagen,DNA-Transposons und PlasmidenSputnik und Mavirus besitzen ikosaedrischeKapside mit einem Durchmesser von etwa

75 Nanometern, in denen ein zirkuläres, doppelsträngiges DNA-Genom von 18 bzw.19 Kilobasenpaaren Länge verpackt ist. Trotzder phänotypischen Ähnlichkeiten sind Sput-nik und Mavirus genetisch sehr unterschied-lich, und nur sechs ihrer 20 bzw. 21 Genehaben ein Pendant im jeweils anderenGenom.

Schon bei der ersten Analyse des Sputnik-Genoms fielen die unterschiedlichen phylo-genetischen Affinitäten der Gene auf. So sindeinige Gene ähnlich zu Mimivirus-Genen,andere jedoch scheinen näher verwandt mitBakterien- oder Archaeen-Genen zu sein. Etwadie Hälfte der Virophagen-Gene hat keinerleiÄhnlichkeit mit bereits bekannten Genen.Das Mavirus-Genom besitzt noch eine weite-re Eigenheit, da fünf seiner Gene homolog zueiner speziellen Klasse von mobilen DNA-Ele-menten sind, den Maverick/Polinton-DNA-Transposons. Diese Transposons finden sichin den Genomen verschiedener Eukaryotenund sind etwa so lang wie ein Virophagen-Genom. Es ist umstritten, ob sich diese Trans-posons aus einem Virophagen-Genom entwi-ckelt haben oder umgekehrt [7, 8].

Sputnik und Mavirus codieren für eine Inte-grase, ein Enzym, das den Einbau von viralerDNA in andere Genome katalysieren kann.Im Fall von Sputnik wurde bereits nachge-wiesen, dass sich das Virophagen-Genom indas Mimivirus-Chromosom integrieren kann[9]. Eine weitere Ebene genetischer Ver-flechtungen findet sich in Form der transpo-virons, linearer Plasmid-ähnlicher DNA-Ele-mente von etwa sieben Kilobasenpaaren Län-ge, die sich ebenfalls in der Mimiviren-Fabrikreplizieren und mit Mimivirus und Sputnikgenetisch interagieren [9].

Der Übergang zwischen Virus- und Plas-midform bei Virophagen scheint fließend zusein, wie das Beispiel des kürzlich beschrie-benen Virophagen-Genoms PgVV zeigt. Das19,5 Kilobasenpaare lange PgVV-Genom wur-de bei der Charakterisierung eines Riesenvi-rus gefunden, das die „Schaumalge“ Phaeo-cystis globosa infiziert [10]. Anders als Sput-nik und Mavirus enthält das PgVV-Genomoffenbar keine Kapsid-Gene und wird statt-dessen in die Partikel seines Wirtsvirus ver-packt, sowohl in freier Form als auch inte-griert im Genom des Wirtsvirus.

Virophagen in MetagenomenAnhand dieser wenigen Beispiele lässt sicherahnen, wie groß die natürliche Vielfalt anVirophagen sein mag. In metagenomischenDatenbanken sind Virophagen-ähnliche Gene

˚ Abb. 2: Das Riesenvirus CroV und sein viraler Parasit Mavirus. A, kryo-elektronenmikroskopi-sche Aufnahme von Mavirus (links unten) und CroV (rechts oben) (Bild: Chuan Xiao, University ofEl Paso, TX, USA). B, transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer mit CroV und Mavi-rus ko-infizierten Zelle des marinen Flagellaten Cafeteria roenbergensis. Die Virenfabrik (VF) pro-duziert neben großen CroV-Partikeln auch Mavirus-Partikel (Pfeilspitzen). Der vergrößerte Bildausschnitt zeigt Mavirus (Pfeil) direkt neben CroV. M: Mitochondrium; N: Nukleus; ZM: Zell-membran. Modifiziert nach [7].

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viel seltener anzutreffen als Genevon Riesenviren. Das kann an derhohen genetischen Diversität, klei-neren Genom- und Populationsgrö-ßen oder an der geografischen Ver-breitung der Virophagen liegen.Bemerkenswerterweise sind sie ineinigen isoliert gelegenen Gewäs-sern so zahlreich, dass man ganzeGenome aus kleinen DNA-Fragmen-ten rekonstruieren kann. Der Orga-nic Lake Virophage (OLV) ist nuranhand seiner Genomsequenzbekannt, die im Rahmen von meta-genomischen Studien in antarkti-schen Seen gefunden wurde [11].OLV gilt aufgrund seiner Gense-quenzen als Prototyp einer drittenVirophagengruppe, neben Sputnik-und Mavirus-ähnlichen Virophagen.Im antarktischen Ace Lake, derdirekt neben dem Organic Lake liegt,fand sich das Genom eines weiterenVirophagen mit enger Verwandt-schaft zu Mavirus [12]. Maviruswiederum stammt aus Nordameri-ka, und dort wurden im Metagenomdes Yellowstone Lake vier mit OLVverwandte Virophagen-Genomeidentifiziert [12].

Noch wissen wir sehr wenig überdie Verbreitung, Vielfalt, Ökologieund Infektionsmechanismen dieserneuen Virengruppe. Es scheintjedoch sicher, dass sich die Viro -phagen über lange evolutionäre Zei-träume mit ihren viralen und zellu-lären Wirten entwickelt haben undeine Komponente der mikrobiellenWelt darstellen, die uns bis vor Kur-zem völlig verborgen war. ó

Literatur[1] Suttle CA (2005) Viruses in the sea. Nature437:356–361[2] Raoult D, Audic S, Robert C et al. (2004) The1.2-megabase genome sequence of Mimivirus.Science 306:1344–1350

[3] Fischer MG, Allen MJ, Wilson WH et al.(2010) Giant virus with a remarkable complementof genes infects marine zooplankton. Proc NatlAcad Sci USA 107:19508–19513[4] Philippe N, Legendre M, Doutre G et al.(2013) Pandora virus: Amoeba viruses with geno-mes up to 2.5 Mb reaching that of parasitic euko-ryotes. Science 341:281–286[5] La Scola B, Desnues C, Pagnier I et al. (2008)The virophage as a unique parasite of the giantmimivirus. Nature 455:100–104[6] Legendre M, Audic S, Poirot O et al. (2010)mRNA deep sequencing reveals 75 new genesand a complex transcriptional landscape inMimivirus. Genome Res 20:664–674[7] Fischer MG, Suttle CA (2011) A virophage atthe origin of large DNA transposons. Science332:231–234[8] Yutin N, Raoult D, Koonin EV (2013)Virophages, polintons, and transpovirons: a com-plex evolutionary network of diverse selfish gene-tic elements with different reproduction strate-gies. Virol J 10:158[9] Desnues C, La Scola B, Yutin N et al. (2012)Provirophages and transpovirons as the diversemobilome of giant viruses. Proc Natl Acad SciUSA 109:18078–18083[10] Santini S, Jeudy S, Bartoli J et al. (2013)Genome of Phaeocystis globosa virus PgV-16Thighlights the common ancestry of the largestknown DNA viruses infecting eukaryotes. ProcNatl Acad Sci USA 110:10800–10805[11] Yau S, Lauro FM, DeMaere MZ et al. (2011)Virophage control of antarctic algal host-virusdynamics. Proc Natl Acad Sci USA 108:6163–6138[12] Zhou J, Zhang W, Yan S et al. (2013)Diversity of virophages in metagenomic datasets.J Virol 87:4225–4236

Korrespondenzadresse:Dr. Matthias FischerMax-Planck-Institut für medizinischeForschungAbt. Biomolekulare MechanismenJahnstraße 29D-69120 HeidelbergTel.: 06221-486506Fax: 06221-486585mfischer@mpimf-heidelberg.mpg.de

AUTORMatthias Fischer1997–2003 Biochemiestudium an der Universität Bayreuth.2004–2011 Promotion an der University of British Columbia, Kanada. Seit 2011 Postdoktorand am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg.