Waarom zijn corona virussen zo groot? KNAW lezing van Eric Snijder 19 mei 2020

Er is iets merkwaardigs met de corona virussen: ze zijn groter dan alle andere RNA virussen:

 

Corona virussen vallen op door hun uitzonderlijke genoomgrootte
dat geldt zowel voor SARS-CoV-1 als SARS-CoV-2 (Eric Snijder)

 

Corona virussen hebben een RNA genoom van plm. 30.000 bases en dat is 2x–3x groter dan de rest van de RNA virussen. Evolutiebiologen dachten altijd dat RNA virussen een beperkte grootte hadden omdat RNA een hogere mutatiefrequentie heeft dan DNA. Coronavirussen zijn geen retrovirussen, want op geen moment er is er DNA betrokken in de reproductie cyclus van het virus.

mutatiefrequentie mens t.o.v. virus (Eric Snijder)

 

De mutatiefrequentie van planten- en dierencellen is 1 op de 10⁹. Dat is 1 fout op de miljard gekopieerde bases. Onvoorstelbaar nauwkeurig! De mutatiefrequentie van RNA ligt rond de 1 op de 10⁴. Dat is 1 op de 10.000. Dat is een gigantisch verschil. Hoe kan dat? De verklaring is dat DNA stabieler is dan RNA èn dat op DNA gebaseerde organismes een uitgebreid foutcorrectiesysteem hebben. Een klein RNA virus overleeft een mutatiefrequentie van 1 op de 10⁴ (zie rekenvoorbeeld in kader). Maar hoe kan een groot corona RNA genoom zich handhaven? Waarom gaat het niet ten onder aan een steeds groeiend aantal (schadelijke) mutaties? Coronavirussen leven boven hun stand!

In een interessante KNAW online college wijst moleculair geneticus Eric Snijder (Universiteit Leiden) er op dat de grotere corona virussen een foutcorrectie gen (nsp14-ExoN) hebben opgepikt van een gastheer in de loop van hun evolutie. En dat gen is zeer waarschijnlijk de verklaring voor het grotere genoom van de coronavirussen. Kleinere RNA virussen hebben het niet. De grotere wel. Dat is een belangrijke hint. Dit is een spectaculaire vondst. Dat is nieuw voor mij. Het geheim van corona: een RNA virus met foutcorrectie! Evolutie tekstboeken moeten herschreven worden.

Manfred Eigen

Het idee dat er een relatie bestaat tussen genoomgrootte en een maximum aantal kopieerfouten, is afkomstig van Nobelprijswinnaar Manfred Eigen. Een bekende en beroemde naam in de evolutiebiologie. Hij heeft de begrippen error threshold, error catastrophe, Eigen's paradox in de jaren 70 in de evolutiebiologie geïntroduceerd. Al weer 50 jaar geleden. Ze zijn van blijvende waarde omdat die begrippen zo fundamenteel van aard zijn. En Eigen was niet eens een evolutiebioloog. Een foutcatastrofe betekent dat boven een bepaalde mutatiefrequentie een genoom van een bepaalde lengte niet meer in stand gehouden kan worden. Er zijn neutrale, negatieve en positieve mutaties. Als de negatieve mutaties niet worden gecorrigeerd, krijgt een soort last van een sterke negatieve selectie. Er blijven steeds minder gezonde individuen in leven. Tot er een kantelpunt wordt bereikt. En het genoom instort. De populatie sterft uit.

Toren van Pisa

Toren van Pisa ≈ korter genoom

hogere toren ≈ langer genoom valt eerder om

 

Speciaal voor onze vrienden in Italië: de toren in Pisa is een leuke illustratie van de error threshold. Een error threshold is vergelijkbaar met de hellingshoek van de toren van Pisa. Wanneer de hellingshoek groter is dan 5,5 graden (met gelijkblijvende hoogte) valt de toren om. Dat is letterlijk en figuurlijk het kantelpunt! Is de hellingshoek kleiner dan 5,5 graden dan kan hij nog eeuwen blijven voortbestaan. De maximale hellingshoek hangt af van de hoogte van de toren. Heb je een hogere toren dan is de maximale hellingshoek kleiner. Maak je de toren kleiner dan is het probleem ook opgelost. Maar als je technische maatregelen neemt om hem rechter te zetten of hem te verstevigen, dan blijft hij staan. En dat is gedaan met de toren van Pisa. Daarom valt hij niet om.
Vergelijk dit met het coronavirus. Een coronavirus (lengte 30.000 bases) is (voor zover nu bekend) groter dan alle overige RNA virussen. Het coronavirus 'valt om' als het 1 op de 10.000 of meer mutaties heeft [1]. Tenzij je een gen hebt dat het aantal fouten verlaagt tot bijvoorbeeld 1 op de 100.000. En precies dat is er aan de hand is met coronavirussen [2]. Coronavirussen hebben met een 'reparatiegen' hun genoom verstevigt zodat ze nog eeuwen kunnen blijven voortbestaan. Net als de toren van Pisa.

Corona virus gehoorzaamt Darwin

(Eric Snijder)

Prof. Eric Snijder benadrukt dat virussen de wetten van natuurlijke selectie van Darwin volgen. De evolutie van virussen speelt zich af in dagen, weken en maanden in plaats van miljoenen jaren. Dat zie je in de volgende 2 illustraties:

Links: rood = 1 virus deeltje. Rechts: na vermenigvuldiging
duiken twee blauwe mutanten op. (Eric Snijder)

in een andere gastheer is de blauwe mutant voordelig (Eric Snijder)
Er is positieve selectie voor de blauwe en negatieve selectie voor de rode mutant.

 

Genetische mutanten die het virus produceert komen in verschillende aantallen terecht in de volgende generatie. De gastheer bepaald welke mutanten het beste reproduceren. Het milieu selecteert. Dat heet natuurlijke selectie. In de plaatjes hierboven produceert een virus-stam behalve identieke kopieën (rood) ook een paar mutanten (blauw). In een andere gastheer is de oorspronkelijke virus stam juist ongunstig en kunnen alleen de nieuwe mutanten (blauw) vermenigvuldigd worden. De rode stam is vervangen door de blauwe stam. Eén mutatie, een puntmutatie, kan al voldoende zijn. En die variant produceert ook weer een paar mutanten (groen, oranje). There you have it: mutatie + selectie = evolutie. Prof. Snijder merkt op dat Darwin niets van virussen wist (klopt!), maar virussen gehoorzamen de wetten van Darwin. Dat komt omdat die wetten zo fundamenteel zijn. Alles wat zichzelf reproduceert met erfelijke variaties die voordelig of onvoordelig zijn afhankelijk van het milieu, is onderhevig aan natuurlijke selectie. Dat is evolutie.

Rekenvoorbeeld -Stel je hebt een genoom van 100 bases en stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:10. Dat wil zeggen dat er bij iedere kopieerronde 10 gemuteerde bases en 90 intacte bases ontstaan. Als je 10 kopieer rondes achter de rug hebt en als er geen selectie optreedt, en als er steeds andere bases muteren, zullen er 100 bases van de 100 originele gemuteerd zijn. Dus alles is gemuteerd. Het origineel is verdwenen. Een meltdown.  -Stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:100 dan zal er na 1 kopieer ronde maar 1 base van de 100 gemuteerd zijn en duurt het 100 kopieer rondes voordat alles gemuteerd is.  -Stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:1000 dan zal er pas na 10 kopieer rondes 1 mutatie opgetreden zijn in 1 nakomeling. En pas na 1000 kopieerrondes is het hele genoom van 100 bases gemuteerd. Dit zijn rekenvoorbeelden. In werkelijkheid is een gemiddeld virusgenoom 10.000 bases lang en de mutatiefrequentie 1:10.000 en zal er dus na 1 kopieer ronde 1 base gemuteerd zijn. En duurt het theoretisch 10.000 kopieerrondes voordat het hele genoom weggemuteerd is (meltdown). Een coronavirus met een genoom van 30.000 bases zal met die mutatiefrequentie 3 mutaties hebben na 1 kopieerronde, en zal 3x zo snel tot meltdown komen.

Postscript: profetische uitspraken Mark Ridley

Twintig jaar geleden deed Mark Ridley profetische uitspraken in zijn voortreffelijke maar zeer ondergewaardeerd en vergeten boek Mendel's Demon dat in het jaar 2000 verscheen. 

Het boek heeft een blijvende invloed op mijn denken uitgeoefend. Hij schreef het vóór de SARS-1 en SARS-2 epidemie. Over RNA virussen schrijft hij de profetische woorden:
"Never has so much suffering been caused by so little nucleic acid" [5].
Inderdaad. Dat was naar aanleiding van polio, HIV en influenza. Zijn uitspraak is zeer van toepassing op SARS.
Ridley schat de mutatiefrequentie van RNA virussen op 1 : 10³ tot 1 : 10⁵. Als gemiddelde waarde neemt hij 1:30.000. Dat is toevallig de lengte van het SARS-CoV-2 genoom! Dat zou betekenen dat iedere kopie van het SARS-CoV-2 één puntmutatie heeft. En dit is te danken aan het RNA-polymerase die RNA moet kopieren. Zonder RNA-polymerase zou 1 op de 100 bases gemuteerd zijn, schrijft hij. Ridley wist toen nog niets van het unieke error-correctie mechanisme ExoN waar Eric Snijder het over heeft en waardoor corona virussen de uitzonderlijke lengte van 30.000 bases kunnen bereiken. Is de schatting van Ridley toeval? Of is de bovengrens van plm. 30.000 al 20 jaar hetzelfde? Misschien wijst de kloof in genoomlengte tussen corona en de andere RNA virussen (in de grafiek van Snijder) alleen maar op ontbrekende gegevens. Dat kan. Volgens Ridley hebben RNA virussen een genoomgrootte van 3.000 tot 30.000 bases. In dat geval ziten corona virussen gewoon aan de bovengrens van de genoomgrootte van RNA virussen. Verder meldt Ridley dat RNA virussen een variabele kopieerbetrouwbaarheid hebben. Ja, dat kan kloppen. De vraag is: is die variatie van dien aard dat je continuïteit moet verwachten in genoomgrootte of is het ExoN gen zo uniek en zo effectief dat er een kloof ontstaat in genoomgrootte? Verder onderzoek zal het leren. We hebben van Ridley geleerd dat er een noodzakelijk verband is tussen kopieernauwkeurigheid en genoomgrootte. Die het weer van Eigen heeft geleerd. 

Conclusie: het corona virus heeft een genoomgrootte dat aan de bovengrens zit van wat een RNA virus met een RNA-polymerase en een daarbij horende mutatiefrequentie kan bereiken. 

Wat er ontbreekt in het verhaal van Eric Snijder is de mutatiefrequentie van SARS-CoV-2 [7] en een berekening wat dat betekent voor de maximale lengte van het virus [6]. En nog belangrijker: hoe is de mutatiefrequentie met en zonder dat speciale proofreading gen ExoN? Ik vond in de literatuur [3] dat het experimenteel uitschakelen van ExoN in SARS-CoV-1 een 21-voudige verhoging van het aantal mutaties tot gevolg had! Dat is inderdaad een heel groot effect. De functie van het ExoN is daarmee voorlopig redelijk goed aangetoond: proofreading. Het is dan even niet zo belangrijk hoe het virus aan dat gen komt (gestolen of niet). Belangrijk is het effect dat het heeft. Dit zou de discontinuïteit van genoomgrootte kunnen verklaren:  er zijn virussen die ExoN hebben en zij die het niet hebben. De haves and have-nots. De coronavirussen als de elitevirussen!

Een andere vraag is: een hoge mutatiefrequentie is toch juist voordelig voor het virus? Denk aan HIV en influenza. Snellere evolutie is immers voordelig om je gastheer te slim af te zijn. Maar het nadeel is dat als je veel genen hebt die bepalend zijn voor je succes in de nieuwe gastheer (de mens), dan wil je die genen ook niet kwijtraken door mutatie. Ik geeft toe: dit is een lastig probleem. Misschien zijn er twee oplossingen voor hetzelfde probleem.

Ik vind een grote discontinuïteit evolutionair gezien onwaarschijnlijk. Er zullen vast vele manieren zijn om de replicatiebetrouwbaarheid te verhogen met tussenliggende betrouwbaarheden. Er is in ieder geval een groot verschil tussen single-stranded (ssRNA) en double-stranded (dsRNA), en tussen positive-strand en negative-strand RNA virussen [4]. dsRNA virussen lijken de kloof te overbruggen. Snijder heeft het niet over verschillende soorten virussen gehad. Bovendien is die discontinuïteit zeer waarschijnlijk een toevallig feit. Geen noodzakelijkheid zoals het verband tussen mutatiefrequentie en genoomgrootte.

Postscript 30 juni 2020

In een Scientific American interactieve visual wordt helemaal aan het einde prachtig uiteengezet dat het SARS-CoV-19 virus groot is en waarom. Aanbevolen. Vrijwel helemaal in overeenstemming met het verhaal van Eric Snijder. De hele visual is een absolute aanrader!

genoomlengte van 6 virussen vergeleken. ©Scientific American.
Ook hier is een gap te zien van plm 10.000 baseparen

For a static version of this content as it appears in the July 2020 issue of Scientific American, please click here.

Noten

1. Want dat is de mutatiefrequentie van andere virussen. Dit is mijn veronderstelling want Snijder noemt de mutatiefrequentie niet. Het moet ergens tussen de 1 op de 10⁴ en 1 op de 10⁹ liggen. Waarschijnlijk dichter bij de andere virussen dan bij die van de hogere planten en dieren.
2. Een virus profiteert van de machinerie van de gastheercel. Waarom zou hij dan niet kunnen profiteren van een error-correctie mechanisme van de gastheer? Dan hoeft het virus zijn eigen genoom niet met dit gen te belasten en kan zijn genoom kleiner zijn en tegelijk nieuwe nuttige genen in zich opnemen. Als de gastheer de error correction verzorgt is er geen grens aan de grootte van het genoom. Kan het zijn dat zoogdiercellen geen RNA error correction systeem hebben?
3. Lance D. Eckerle et al (2010) Infidelity of SARS-CoV Nsp14-Exonuclease Mutant Virus Replication Is Revealed by Complete Genome Sequencing, PLOS Pathogens. Waarschijnlijk baseert Snijder zich op deze publicatie.
4. Viral Genome Size Distribution Does not Correlate with the Antiquity of the Host Lineages, Frontiers in Ecology and Evolution, 2015. 
5. Hoofdstuk 4 'The history of error' van Mendel's Demon is speciaal relevant voor de huidige covid-19 pandemie. Met name pagina 88-89 zijn zeer relevant. Zie ook mijn review van het boek op mijn WDW site. Nog iets leuks uit zijn boek: uit het bovenstaande volgt dat foutcorrectie (proofreading) en nauwkeurige replicatie de Achilleshiel van het virus is. Als je dàt kunt blokkeren, versnel je een meltdown van het coronavirus. Laat dat nu precies het voorstel zijn van Mark Ridley! In theorie kun je het virus zich kapot laten muteren!
6. Ik kwam na het posten van dit blog een publicatie tegen met een mutatiefrequentie voor coronavirussen van: " ∼1 × 10⁻⁵ to 1 × 10⁻⁶ mutation per site per replication" (bron) dus oplopend tot 1 mutatie op de miljoen! Dat is een factor 10x tot 100x beter dan andere RNA virussen. Maar dat heeft gevolgen voor de potentiële genoomgrootte van coronavirussen! Ze zouden in plaats van 30.000 wel 100.00 tot zelfs 1 miljoen bases groot kunnen zijn! Als dit klopt zitten huidige Coronavirussen zeker niet tegen het plafond van genoomgrootte aan zoals Ridley dacht. Dan zou je je moeten afvragen: waarom zijn coronavirussen niet veel groter? [ 8 jun 2020 ]
7. Een studie rapporteert een totaal van 198 verschillende mutaties in 7500 covid-19 virussen. Let op deze komen niet tegelijk in 1 virus voor, maar verspreid over alle virussen. Dit toont aan dat de kans op een nuttige mutatie veel groter is dan als je alleen maar kijkt naar de mutatiefrequentie. Genetic mutation study finds new coronavirus spread swiftly in late 2019,6 mei 2020. [12 jun 2020 ]

Bronnen / Verder lezen:

• KNAW Webinar: het nieuwe Coronavirus, 19 mei 2020, beginnend bij het verhaal van prof. Eric Snijder. Hier begint het verhaal over genoomgrootte en fout correctie. Hier begint het verschil in mutatiefrequentie mens en virus.
• Coronaviruses: An RNA proofreading machine regulates replication fidelity and diversity. RNA Biology,  01 Mar 2011.
• Slipping past the proofreader. April 10, 2020. Een journalistiek verhaal over de zoektocht naar middelen om covid-19 te remmen waarbij proofreading van het virus ter sprake komt.
• A Case for the Ancient Origin of Coronaviruses; Journal of Virology 2013.