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Science:发现一类新的巨病毒携带着有史以来最多的蛋白翻译相关基因


巨病毒获得来自不同真核生物宿主细胞中的基因。图片来自Ella Maru studio。

2017年4月8日---病毒在地球上广泛地存在。据估计,它们的数量是1031,是该星球上细菌数量的10倍,而且这一数字比银河系中的恒星数量还要多。巨病毒(giant virus)的 特征具有异乎寻常大的基因组和病毒颗粒(包围着病毒的遗传物质)。它们能够编码几种潜在地参与蛋白生物合成的基因,这一独特的特征已让人们针对它们的起源提出不同的假说。不过, 在发现一组新的具有比之前已知的任何其他病毒更加完整的翻译复合体基因的巨病毒之后,来自美国能源部联合基因组研究所(JGI)、国家卫生研究院(NIH)、加州理工学院(CalTech)和 奥地利维也纳大学的研究人员认为这组巨病毒(被称作Klosneuvirus)显著地增加了我们对病毒进化的理解。相关研究结果发表在2017年4月7日的Science期刊上,论文标题为“Giant viruses with an expanded complement of translation system components”。

据预测,Klosneuvirus的宿主是原生生物(单细胞真核微生物),尽管迄今为止它们对原生生物的直接影响仍不清楚,但是它们被认为对这些有助调节地球上的生物地质化学循环的原生生物 发挥着重大的影响。

论文共同通信作者、NIH进化与计算生物学家Eugene Koonin说,“这一发现让我们对病毒进化获得新的认识,极大地扩大了我们对病毒在它们的进化期间能够捕获多少必需的宿主基因的理解 。鉴于蛋白合成是细胞生命的最为显著的特征之一,这就表明这些新的巨病毒要比之前观察到的任何病毒更加类似于细胞。”

自从2003年,科学家们已对巨病毒着迷。2003年,在Didier Raoult的领导下,一个法国生物学家小组发现了巨病毒Mimivirus。从那以后,少量的其他巨病毒也被发现。对这些巨病毒而言, 它们的独特能力在于它们编码参与翻译的蛋白(典型地从DNA到RNA再到蛋白),这让科学家们对巨病毒起源产生兴趣。之后,两种进化假设出现了。一种假设指出巨病毒由一种古老的细胞( 可能是来自灭绝的生物第四域的一种细胞,现有的生物分类是三域系统:古生菌、细菌和真核生物)进化而来。另一种假设指出巨病毒起源自较小的病毒。

论文共同通信作者、JGI微生物基因组学项目负责人Tanja Woyke认为,Klosneuvirus的发现支持后面的一种假设。她说,“在这种假说中,较小的病毒感染不同的真核生物宿主,在较长的时 间内通过分次捕获,获得来自独立来源的编码翻译复合体蛋白组分的基因。”

乍看之下,巨病毒Klosneuvirus中的这套“细胞”基因似乎具有一种相同的起源,但是当详细地分析这些基因时,这些研究人员观察到它们来自不同的宿主。从他们构建出的进化树来看,他们注意到这些基因是这组巨病毒在它们的不同进化阶段逐渐获得的。这些来自Klosneuvirus的基因含有19种必需氨基酸(必需氨基酸总共有20种)特异性的氨酰-tRNA酶,20多种tRNA、一系列翻译因子和tRNA修饰酶。这对所有病毒(包括之前已知的巨病毒)而言,这是一项史无前例的发现。

巨病毒获得来自其他有机体中的基因。图片来自Carla Schaffer/AAAS 。

Woyke 和JGI博士后研究员Frederik Schulz在分析来自奥地利克洛斯特新堡(Klosterneuburg)小镇上的一个废水处理厂样品中的微菌落序列数据时,发现了巨病毒Klosneuvirus。这种数据 是JGI社会科学项目(Community Science Program, CSP)关注工业废水和生活污水处理中的硝化细菌多样性时产生的。Woyke说,“我们曾期待在微菌落序列数据中获得硝化细菌的基因组序列。发现一种巨病毒基因组将这个项目带往一种意料之外的但又激动人心的全新方向。”

当Schulz注意到这些宏基因组(所有微生物群体基因组的总和)中的几种来自病毒时,他和Woyke开展分析以便确定它们的来源。他们发现这组Klosneuvirus巨病毒来自一种新的病毒家族。巨 病毒Mimivirus也属于这个病毒家族。

Schulz说,“分析容纳着上千种宏基因组的JCI整合微生物基因组与微生物组(Integrated Microbial Genomes & Microbiomes)系统中的序列数据,允许我们发现Klosneuvirus的进化亲缘关 系。”他注意到尽管Klosneuvirus的宏基因组发现有助解答重要的进化问题,但是它们的翻译系统的确切生物学功能仍然是不清楚的。要解答这一点,至少需要将这组巨病毒在实验室中与它 们的宿主一起培养。

Koonin认为在宏基因组数据中,还有更多的巨病毒等待人们去发现。他说,“我非常自信的是,巨病毒基因组大小的当前记录将会被打破。我们将看到巨病毒世界中真正的巨无霸。”

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参阅文献:

Frederik Schulz, Natalya Yutin, Natalia N. Ivanova et al. Giant viruses with an expanded complement of translation system components. Science, 07 Apr 2017, 356(6333):82-85, doi:10.1126/science.aal4657

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