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病毒是不是生物?新证据说是

时间:2015-10-07 22:54来源:果壳网 作者:Diana Yates 阅读:

(芒果妖怪/译)病毒是生物,它们和细胞一同经历了漫长的进化史——这一假说最近得到了一项新研究[1]的支持。研究人员称,这项研究首次提供了可靠的方法,将病毒的演化追溯到病毒和细胞都还不以当前形式存在的时期。这项新发现发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。

从蛋白质的折叠方式窥视病毒的演化历程

伊利诺大学作物科学教授、卡尔·乌斯基因组生物学研究所教授古斯塔沃·凯埃塔诺-安诺莱斯(Gustavo Caetano-Anollés)带领研究生阿尔上·纳西尔(Arshan Nasir)完成了这项分析。

病毒是不是生物?新证据说是古斯塔沃·凯埃塔诺-安诺莱斯的团队用生物信息学方法分析了病毒蛋白质的折叠,从而追溯其演化历程。图片来源:L. Brian Stauffer/illinois.edu

古斯塔沃表示,在此之前,病毒的分类相当困难。国际病毒分类委员会在它最新的报告中将病毒根据形态大小、遗传结构和增殖方式将之划分出了7个目。“基于这种分类方式,同一目下不同科的病毒很可能来自共同的病毒祖先。”论文作者写道,“然而,(104个科中)仅有26个能归到特定目中,它们中大多数病毒的进化关系也尚不明确。”

这种不明确部分归因于病毒的丰富多样。尽管科学家估计有超过100万种病毒,但目前经过鉴定并测序的病毒还不到4900种。很多病毒极小,比细菌和其他微生物还要小很多,并且只包含少数基因;有些病毒——比如近期发现的拟菌病毒(mimivirus)——却个体巨大,基因组也甚至比某些细菌的还大。

病毒是不是生物?新证据说是图中展示的分别是噬菌体(225nm)、艾滋病病毒(120nm)、埃博拉病毒(970nm)和西伯利亚阔口罐病毒(1500nm)。多种多样的形态、基因组大小和生活方式使病毒分类非常困难。图片来源:Julie McMahon

这项新研究专注于研究庞大的蛋白质折叠结构(folds)库——所有细胞和病毒的基因组都编码蛋白质,而折叠是蛋白质结构的基石,赋予蛋白质复杂的三维形状。通过比较“生命之树”各分支上蛋白质折叠结构的异同,研究人员能够重建折叠结构的演化史,以及编码这些结构的生物体的演化史。

古斯塔沃解释,研究人员之所以选择研究蛋白质的折叠结构,是因为病毒基因组的序列在不断地迅速改变,它们的高突变率模糊了深藏其中的进化迹象。蛋白质折叠结构是更好的古事件标记,因为即使编码蛋白质的基因序列开始发生变化,其三维结构依然可能维持不变。

病毒是不是生物?新证据说是通过研究蛋白质的折叠结构,研究者得以窥视各种病毒间可能的演化关系。图片来源:Arshan Nasir

分析结果提示病毒起源于多种古细胞

如今,很多病毒(包括致病病毒)占用宿主细胞的蛋白质组装机器来自我复制,从而继而扩散到其他细胞。病毒常常将自己的遗传物质插入到宿主DNA中。事实上,古病毒的整合痕迹已经成为了现在大多数细胞生物体基因组的永久特征——包括人类在内。古斯塔沃说,这种转移遗传物质的本领可能是病毒最初充当“多样性传播者”角色的证据。

研究人员分析了涵盖了生命树所有分支的5080种生物体(包括3460种病毒)中已知的蛋白质折叠结构。利用先进的生物信息学方法,他们鉴定出细胞和病毒共享的442种蛋白质折叠结构,另有66种为病毒所特有。“这说明你能构建一棵生命树了,因为你在病毒中发现了大量的特征,这些特征所具有的性质不但在细胞里存在,在病毒里也都存在。” 古斯塔沃说,“而除了和细胞共有的这些组分,病毒也有自己独特的结构。”

古斯塔沃说,事实上,此次研究在病毒中发现了从未在细胞中出现过的基因序列。这和“病毒的所有基因都来自于细胞”的假说相悖。他说,这一点,联合其他发现,也支持病毒是“开拓创新者”的观点。

利用在线蛋白质折叠结构数据库,纳西尔和古斯塔沃用计算机方法构建了包括病毒在内的生命树。数据显示,“病毒起源于多种古细胞……并且和现代细胞的祖先共存。”古斯塔沃说,这些古细胞很可能含有不连续的RNA基因组。

病毒是不是生物?新证据说是根据442种由病毒与细胞生物共享的蛋白质折叠结构重建的系统发生树。图片来源:研究论文[1]

古斯塔沃说,数据还显示,在进化史的某个节点,即现代细胞生物出现不久后,大多数病毒获得了将自己包装进蛋白质外壳的能力,以保护其遗传物质、使其部分生活史能够发生在宿主细胞外,并进行传播。形成病毒衣壳的蛋白质就包含病毒特有的蛋白质折叠结构。

“随着时间推移,这些衣壳变得越来越精细,使得病毒能够感染那些原先能抵抗它们的细胞。”纳西尔说,“这是寄生的典型特征。”

病毒是不是生物?传统观点正遭受动摇

有些科学家认为病毒并非生物,只是依存于细胞生命的DNA和RNA片段。他们指出,病毒不能在宿主细胞外复制(增殖),还要依靠细胞的蛋白质组装机器执行功能。但是很多证据显示,病毒和其他生物体的区别并没有那么大,古斯塔沃说。

“很多生物体都需要依赖其他生物体生存,比如生活在细胞内的细菌、专性寄生关系中的真菌—他们依靠宿主完成生活史。”他说,“病毒也正是这么做的。”

古斯塔沃说,巨大的拟菌病毒在21世纪初被发现,也挑战了关于病毒本质的传统观点。“这些巨大的病毒与只有7个基因的微小的埃博拉病毒不同,它们体型庞大,还有巨大的基因库。”他说,“有些病毒的外形、基因组都和寄生细菌差不多大,甚至比它们更大。

古斯塔沃说,有些巨大的病毒还有编码翻译过程(即细胞读取基因序列,组建蛋白质的过程)中关键蛋白质的基因,而病毒内缺乏翻译机器曾是人们将它们归为非生命体的理由。

“这理由时过境迁了。”古斯塔沃说,“现在病毒值得在生命树中占有一席之地了。显然,病毒可没我们以前想得那么简单。”

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Nasir, Arshan, and Gustavo Caetano-Anollés. "A phylogenomic data-driven exploration of viral origins and evolution." Science Advances 1.8 (2015): e1500527.

文章题图:Julie McMahon

(责任编辑:泉水)
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