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Science:巨型病毒,挑战生命第四域

奥地利迷人独特的自然风光、绝美绚丽的风景气候以及古老欧洲文明的传承,令无数游客如痴如醉。如果你来到了位于奥地利东部的克洛斯特新堡,那座大名鼎鼎、修建于 12 世纪的修道院恐怕是你不得不去的地方。然而,对于病毒学家和进化生物学家而言,让他们魂牵梦绕的,或许并非这里的自然或人文景观,而是一个听上去就觉得有点脏兮兮的污水处理厂,至于原因嘛,那便是——来自美国能源部联合基因组研究所、国立卫生研究院(NIH)、加州理工学院和奥地利维也纳大学的研究人员在这儿发现了某类有点特别的基因组,来自截至目前最像细胞、在病毒界堪称“巨无霸”的巨型病毒。

比起其他病毒,巨型病毒(图中最右侧)块头要大上不少。图片来源:C. Bickel / Science

这个新发现意义非同小可,因为它们给当前本已备受争议的一种假说——所谓的巨型病毒,其实是一类远古细胞(如今已经灭绝,可被列为生命第四域)的后裔——带来了新的挑战。他们发表在 Science 上的研究结果称,巨型病毒的起源很可能不是所谓的第四域细胞生命。

在这里得先交代一下背景知识,“域”(domain)是生物分类学中最高级的分类系统(比“界”还高一级)。在第四域假说被提出之前,“三域系统(three-domain system)”是最被广泛接受的生物分类法,即,生命可被划分为三个域:细菌域(Bacteria)、古菌域(Archaea)和真核域(Eukarya)。

生命的系统进化树。图片来源:Wikipedia

众所周知,大多数病毒要比细胞小上许多,也不需要多少基因,因为它们可以利用宿主来为自己制造所需的东西。举个例子,某些鸟和猪体内的病毒,仅仅有两个基因;相比而言,就拿大家都很熟悉的大肠杆菌来说,仅仅一条链上就差不多有 4400 个基因。由于病毒无法独立复制,而且缺乏细胞器,所以很多生物学家都把它们排除在生命大家庭外。

2003 年,Science 杂志上发表的一篇文章,第一次让巨型病毒出现在世人面前,并且让研究者们大吃一惊。要知道,这些病毒不但比不少微生物个头大,而且携带着超过 2500 种基因——令很多细菌也相形见绌。一些科学家提出,这些“巨无霸”的出现,意味着生命进化树必须要做相应的修改。前面我们讲到,现有生命一般被归为三域系统,即分属细菌、古菌和真核生物。如今随着巨型病毒被发现,有人就提出它们是由如今已灭绝的生命第四域的细胞进化而来——其实就是这些细胞在进化过程中舍去了很多基因,变成了寄生者。

然而,对于所谓的第四域假说,不少科学家并不认可,美国生物技术信息中心进化生物学家 Eugene Koonin 便是其中的一位。他说:“这些巨型病毒显然属于这样一个病毒家族,这个家族里除了有这些大家伙,还有许多小不点。”在他看来,这些巨型病毒一开始体型也没多大,只不过后来吞并了宿主的一些 DNA,于是变大了。

再回到本项研究,本文第一作者 Frederik Schulz 是美国能源部联合基因组研究所的一名博士后,其实,他与同事们在对克洛斯特新堡污水处理厂的微生物进行调查时,一开始压根儿就没有打算卷入什么第四域之争。在研究中,他们采用了宏基因组技术,这样可以对样本中所有的 DNA 进行测序,从而找到新有机体的蛛丝马迹。随着病毒 DNA 片段不断涌现,研究人员把其中一些凑成了一个基因组,并推断其属于一种新型巨型病毒(被命名为 Klosneuvirus)。采用相同的手段,通过对其他几个取样点的样本进行分析,研究小组一共拼出了 3 种同源病毒的基因组。

研究者们在污水中发现的“巨型”病毒颗粒。图片来源:Science

Klosneuvirus 之所以如此吸引眼球,根本原因在于其基因组更像细菌,而非此前发现的那些巨型病毒。例如,在细胞内,20 种氨基酸各有一种酶(共 20 种)负责将其附在载体分子上,然而再被送至蛋白质合成处。对于其他巨型病毒而言,它们只有 7 种此类酶的基因;但对于 Klosneuvirus 而言,这 20 种酶的基因,它们差不多都有。

由于这些病毒看起来具有与普通生命形式类似的基因组,所以为科学家们提供了一个难得的机会,看看它们是否源自所谓的第四域的细胞——或者,源自其他病毒。经过深入分析,研究人员的结论是:就这种巨型病毒而言,它们的附着酶基因是在进化过程中,慢慢地从不同宿主那儿一点点“偷”过来的。“所以,本项研究支持这样一种观点,即没有证据证明生命第四域的存在。”加拿大不列颠哥伦比亚大学环境病毒学家 Curtis Suttle 如此说道。

“我觉得这项工作非常有说服力,”德国马克斯 – 普朗克医学研究所环境病毒学家 Matthias Fischer 翘起了大拇指,“根据目前获得的数据,我认为生命第四域假说站不住脚。”

法国艾克斯 – 马赛大学微生物学家 Didier Raoult 是首个巨型病毒的发现者之一,他对本项研究的结论仍持保留态度。在他看来,仅仅通过那些酶的基因来推断,其实不是很靠谱,原因很简单,因为基因之间常常会交换序列或发生其他变化,使得其起源显得扑朔迷离。Jean-Michel Claverie 是一名遗传学家,同样来自艾克斯 – 马赛大学,他指出,本项研究的研究者们在污水中找到了一些比普通病毒大一些的病毒颗粒,但并没有阐明他们组合起来的基因组就属于这些病毒。Claverie 说:“我期待着从宿主体内分离出的病毒真真切切地摆在我的面前,在此之前,我不会相信他们所给出的任何关于进化的解释。”

http://science.sciencemag.org/content/356/6333/82

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