Viren und Virom-Sequenzierung

Viren

Viren, diese winzigen und scheinbar einfachen Strukturen, ziehen zunehmend die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern weltweit auf sich. Mit ihren einzigartigen Eigenschaften und ihrem tiefgreifenden Einfluss auf lebende Organismen sind Viren eine Quelle der Faszination und Komplexität, die weit über ihre geringe Größe hinausgeht.

Sie bestehen aus einem Nukleinsäurekern, entweder DNA oder RNA, der von einer Proteinhülle umgeben ist. Im Gegensatz zu zellulären Organismen fehlt Viren die essentielle zelluläre Maschinerie für eine unabhängige Replikation. Daher müssen sie lebende Zellen parasitieren, um sich zu reproduzieren, und übernehmen effektiv die zelluläre Maschinerie ihrer Wirte. Diese parasitäre Natur treibt ihre Verbreitung auf replizierende Weise voran und verursacht oft Krankheiten bei ihren Wirtorganismen.

Viren können grob in sechs Hauptgruppen eingeteilt werden:

• Doppelsträngige DNA-Viren: Diese Viren besitzen ein doppelsträngiges DNA-Genom und sind auf die zelluläre Maschinerie des Wirts zur Replikation angewiesen.
• Einzelsträngige positive DNA-Viren (+ DNA): Ihr einzelsträngiges DNA dient als Vorlage zur Erstellung eines komplementären Strangs.
• Doppelsträngige RNA-Viren: Diese Viren tragen ein doppelsträngiges RNA-Genom, das direkt als Vorlage für die Proteinsynthese verwendet werden kann.
• Einzelsträngige positive RNA (+RNA) Viren: Ihre einzelsträngige RNA wird direkt als Messenger-RNA (mRNA) für die Proteinsynthese verwendet.
• Einzelsträngige negative RNA (-RNA) Viren: Das einzelsträngige RNA-Genom dieser Viren muss in eine verwendbare Form umgewandelt werden, bevor die Proteinsynthese stattfinden kann.
• Retroviren: Diese einzigartigen Viren nutzen die reverse Transkription, um ihr RNA-Genom in DNA umzuwandeln, die dann in das Genom des Wirts integriert wird.

Viromforschung

Im Bereich der Mikrobiologie hat das Studium von Viren einen transformativen Wandel mit dem Auftreten von ViromenforschungDiese Disziplin zielt darauf ab, das komplexe Geflecht der viralen Vielfalt in verschiedenen Umgebungen zu verstehen. Während die Viromforschung einige Gemeinsamkeiten mit Metagenom- und Amplicon-Technologien aufweist, besitzt sie auch eigene Merkmale und steht vor einzigartigen Herausforderungen, die sie von anderen Bereichen abheben.

Komponenten des Viroms und ihre Beziehung zur Genotyp/Phänotyp-Beziehung. (Virgin, 2014)

Gemeinsamkeiten

• Stichprobenbasierte Analyse: Alle drei Technologien – Virom, Metagenom und Amplicon – basieren auf der Untersuchung von mikrobieller DNA innerhalb einer Probe, wodurch die Notwendigkeit für mikrobiologische Isolation, Kultivierung oder Reinigung entfällt.
• Genomische Informationen: Diese Ansätze nutzen die im Probenmaterial vorhandenen genomischen Informationen, um Forschern Einblicke in die genetische Zusammensetzung der Mikroorganismen zu ermöglichen, die die Umwelt besiedeln.

Unterschiede

• Virom-Komplexität und Extraktionsherausforderungen: Die Viromforschung konzentriert sich speziell auf Viren und virusähnliche Partikel innerhalb einer Probe. Im Gegensatz zu Bakterien fehlen Viren konsistente genetische Marker und zeigen eine schnelle genetische Evolution. Viromforscher stoßen häufig auf Herausforderungen bei der Anreicherung und Extraktion von viralem genetischem Material, wobei die Erfolgsraten bei der Extraktion typischerweise niedrig sind, was eine zusätzliche Komplexitätsebene hinzufügt.
• Kompositionelle Analyse: Virome-Technologie zielt darauf ab, die Vielfalt der in einer Probe vorhandenen Viren zu entschlüsseln, und liefert entscheidende Informationen für die Virusentdeckung, die Rückverfolgung viraler Quellen und mikrobiologische Frühwarnsysteme. Dies unterscheidet sich von Metagenomik-Technologie die das Studium der gesamten vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaft umfasst, sowie Amplicon-Technologie, die spezifische Regionen der mikrobiellen DNA amplifiziert und analysiert, häufig eingesetzt in der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur.
• Datenverhältnisse und Diskriminierung: In der Viromforschung wird bei der Analyse von Sequenzierungsdaten oft ein erheblicher Anteil den genetischen Informationen des Wirts und der Bakterien zugeschrieben, was die virale Komponente in den Hintergrund drängen kann. Die Unterscheidung zwischen viralen und bakteriellen Reads wird zu einer Herausforderung, die die effektive Nutzung der Daten beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu sind Metagenom und Amplicon-Technologien tendieren dazu, sich spezifischer auf mikrobielle Genome zu konzentrieren.
• Taxonomische Vielfalt: Viren weisen im Vergleich zu Bakterien, Archaeen und anderen Mikroorganismen eine enorme genetische Vielfalt auf. Diese Vielfalt stellt Herausforderungen bei der Klassifikation und Identifizierung von Virusarten dar, da ihnen universell konservierte Gene fehlen.
• Forschungsanwendungen: Die Viromforschung spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufdeckung der viralen Vielfalt, der Rückverfolgung von Infektionsquellen und der Identifizierung potenzieller Krankheitserreger. Metagenomik-TechnologieAndererseits bietet es Einblicke in die breiteren Dynamiken der mikrobiellen Gemeinschaft, während die Amplicon-Technologie oft dabei hilft, die Strukturen und Interaktionen mikrobieller Gemeinschaften zu verstehen.

Im Wesentlichen ist die Viromforschung eine dynamische und sich entwickelnde Disziplin, die Einblicke in die verborgene Welt der Viren eröffnet. Ihre besonderen Herausforderungen, wie niedrige Extraktionsraten und die Häufigkeit von Wirts- und bakteriellen Reads, erfordern innovative Ansätze für die Datenanalyse und -interpretation. Dieses Feld trägt nicht nur zu unserem Verständnis der viralen Vielfalt und Evolution bei, sondern birgt auch Potenzial für Anwendungen in der öffentlichen Gesundheit, der Umweltüberwachung und der Krankheitsprävention.

Anwendungen der Virom-Sequenzierung

Das Auftreten von Virom-Sequenzierung hat eine Welt voller Möglichkeiten eröffnet und ermöglicht es Forschern, in die verborgenen Dimensionen der viralen Vielfalt und deren tiefgreifenden Implikationen einzutauchen. Diese bahnbrechende Technologie birgt enormes Potenzial in einem Spektrum von Anwendungen, die von der menschlichen Gesundheit über ökologische Dynamiken bis hin zur Verfolgung von Krankheitserregern und darüber hinaus reichen.

Die Schritte in der metagenomischen Studie des Viroms. (Garmaeva et al., 2019)

• Gesundheitsinformationen über den Menschen: Der menschliche Körper, ein komplexes Ökosystem für sich, beherbergt eine Vielzahl von Viren, die eine entscheidende Rolle für Gesundheit und Krankheit spielen. Virom-Sequenzierung bietet einen einzigartigen Blickwinkel, durch den Forscher die vielfältigen viralen Gemeinschaften untersuchen können, die in verschiedenen Geweben des menschlichen Körpers leben. Durch das Studium der Virome spezifischer anatomischer Stellen – wie dem Darm, der Mundhöhle und dem Stuhl – können Wissenschaftler die komplexen Beziehungen zwischen diesen Viren, dem Wirt und der menschlichen Gesundheit entschlüsseln. Diese Erforschung könnte potenzielle Zusammenhänge zwischen der viralen Zusammensetzung und bestimmten Gesundheitszuständen aufdecken und den Weg für innovative diagnostische und therapeutische Strategien ebnen.
• Umwelt-Dynamik: Die verschiedenen Ökosysteme der Erde – von Boden und Wasser bis hin zu marinen Umgebungen – wimmeln von viraler Lebensform, die auf komplexe Weise mit der umgebenden Umwelt interagiert. Die Virom-Sequenzierung ermöglicht es Wissenschaftlern, die viralen Zusammensetzungen innerhalb dieser ökologischen Nischen zu kartieren und Einblicke in die komplexen Beziehungen zwischen Viren, mikrobiellen Gemeinschaften und den größeren biochemischen Zyklen unseres Planeten zu gewinnen. Durch das Verständnis der Rollen, die Viren in diesen Ökosystemen spielen, können Forscher möglicherweise deren Fähigkeiten nutzen, um Umweltprobleme anzugehen, wie beispielsweise den Nährstoffkreislauf und den Erhalt der mikrobiellen Vielfalt.
• Pathogenverfolgung und Krankheitsausbrüche: Angesichts neu auftretender Infektionskrankheiten wird die Fähigkeit, die Ursprünge und Wege von viralen Krankheitserregern zurückzuverfolgen, von größter Bedeutung. Virom-Sequenzierung kann als leistungsstarkes Werkzeug zur Aufdeckung der Quellen von Viren und zur Verfolgung ihrer Bewegungen dienen. Dies ist besonders relevant im Kontext zoonotischer Krankheiten, bei denen Viren von Tieren auf Menschen überspringen. Durch das Studium der Virome von Tieren, Menschen und den Umgebungen, die sie teilen, können Forscher Einblicke in potenzielle Übertragungswege gewinnen und Strategien zur Krankheitsprävention und -bekämpfung entwickeln.
• Mikrobielle Frühwarnung: Die schnelle Erkennung von viralen Krankheitserregern ist entscheidend für die Verhinderung von Krankheitsausbrüchen und den Schutz der öffentlichen Gesundheit. Die Virom-Sequenzierung bietet das Potenzial, als Frühwarnsystem für aufkommende virale Bedrohungen zu dienen. Durch die kontinuierliche Überwachung der Virome in verschiedenen Ökosystemen – wie landwirtschaftlichen Flächen, Wasserquellen und Tierpopulationen – können Wissenschaftler Veränderungen in der viralen Vielfalt und Häufigkeit erkennen, die auf das Auftreten neuer Krankheitserreger hinweisen könnten. Dieser proaktive Ansatz könnte schnellere Reaktionen auf potenzielle Ausbrüche ermöglichen.
• Wirt-Virus-Interaktionen: Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Viren und ihren Wirtorganismen ist ein Grundpfeiler der Viromforschung. Durch das Studium der Auswirkungen von Viren auf mikrobielle Gemeinschaften können Forscher aufzeigen, wie Viren Ökosysteme formen und die Dynamik von Wirtpopulationen beeinflussen. Dieses Wissen vertieft unser Verständnis grundlegender ökologischer Prozesse und hat Anwendungen in der Landwirtschaft, im Naturschutz und im Ökosystemmanagement.

Referenzen:

1. Virgin, Herbert W. "Das Virom in der Physiologie und Krankheit von Säugetieren." Zelle 157.1 (2014): 142-150.
2. Garmaeva, Sanzhima, u. a."Studie des Darm-Viroms im metagenomischen Zeitalter: Herausforderungen und Perspektiven." BMC Biologie 17.1 (2019): 1-14.