病毒在世界上無(wú)處不在。他們的人口估計(jì)為10 31，是非億人的10倍(10 30這個(gè)星球上的微生物 - 這個(gè)數(shù)字超過(guò)了銀河系中的恒星數(shù)量。巨型病毒的特征是不成比例的大型基因組和病毒體，它們?nèi)菁{病毒的遺傳物質(zhì)。它們可以編碼可能參與蛋白質(zhì)生物合成的幾個(gè)基因，這一獨(dú)特的特征導(dǎo)致了對(duì)這些病毒起源的不同假設(shè)。但是，在發(fā)現(xiàn)一組具有比迄今已知的任何其他病毒更完整的翻譯機(jī)器基因的新型巨型病毒后，美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的科學(xué)家，DOE辦公室的科學(xué)用戶設(shè)施，相信該組(被稱為“Klosneuviruses”)顯著增加了我們對(duì)病毒進(jìn)化的理解。

預(yù)測(cè)的Klosneuviruses宿主是原生生物 - 單細(xì)胞真核(含核)微生物。雖然它們對(duì)原生生物的直接影響還沒(méi)有解決，但這些巨型病毒被認(rèn)為對(duì)這些有助于調(diào)節(jié)地球生物地球化學(xué)循環(huán)的原生生物產(chǎn)生了重大影響。DOE JGI 于2017年4月7日在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，維也納大學(xué)和CalTech的合作者的科學(xué)雜志上發(fā)表了這些研究結(jié)果。

這一發(fā)現(xiàn)以新的方式為我們呈現(xiàn)病毒進(jìn)化，極大地?cái)U(kuò)展了我們對(duì)病毒在進(jìn)化過(guò)程中可以捕獲多少基本宿主基因的理解，”美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院進(jìn)化和計(jì)算生物學(xué)家Eugene Koonin說(shuō)，他是一名研究合作者，他的實(shí)驗(yàn)室合作與DOE JGI分析Klosneuvirus基因組。“由于蛋白質(zhì)合成是細(xì)胞生命中最突出的標(biāo)志之一，它表明這些新病毒比任何人以前見(jiàn)過(guò)的任何病毒都更像'細(xì)胞樣'。”

巨型病毒具有獨(dú)特的能力

自2003年以來(lái)，科學(xué)家對(duì)巨型病毒著迷，當(dāng)時(shí)由Didier Raoult領(lǐng)導(dǎo)的一群法國(guó)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了Mimiviruses。從那以后，發(fā)現(xiàn)了少數(shù)其他巨型病毒群。他們編碼參與翻譯的蛋白質(zhì)(通常是DNA到RNA到蛋白質(zhì))的獨(dú)特能力激發(fā)了研究人員對(duì)巨型病毒起源的興趣。從那以后，出現(xiàn)了兩個(gè)進(jìn)化假設(shè)。有人認(rèn)為巨型病毒是從一個(gè)古老的細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)的，也許是一個(gè)已經(jīng)滅絕的第四個(gè)細(xì)胞生命領(lǐng)域。另一個(gè) - 由Koonin倡導(dǎo)的場(chǎng)景 - 提出了巨型病毒來(lái)自較小病毒的想法。

根據(jù)美國(guó)能源部JGI微生物基因組學(xué)計(jì)劃負(fù)責(zé)人和該論文的高級(jí)作者Tanja Woyke的說(shuō)法，Klosneuvirus的發(fā)現(xiàn)支持了后一種觀點(diǎn)。“在這種情況下，較小的病毒感染了不同的真核生物宿主，并通過(guò)零碎的獲取長(zhǎng)期從獨(dú)立來(lái)源中獲取編碼翻譯機(jī)器組件的基因，”她說(shuō)。

乍一看，Klosneuvirus中的“細(xì)胞”基因套件似乎有一個(gè)共同的起源，但在詳細(xì)分析它們時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)它們來(lái)自不同的宿主。從團(tuán)隊(duì)建立的進(jìn)化樹(shù)中，他們注意到它們?cè)谶M(jìn)化的不同階段被病毒一點(diǎn)一點(diǎn)地獲得。Klosneuvirus基因含有氨基?；?tRNA(轉(zhuǎn)移核糖核酸)酶，對(duì)20種氨基酸中的19種具有特異性，還有20多種tRNA和一系列翻譯因子和tRNA修飾酶 - 這是所有病毒中前所未有的發(fā)現(xiàn)，包括之前的病毒已知的巨型病毒。

采取新的和意想不到的方向

JGI博士后研究員Frederik Schulz和Woyke在分析奧地利Klosterneuburg廢水處理廠樣品的微集落序列數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)掘了Klosneuvirus。該數(shù)據(jù)是在DOE JGI 社區(qū)科學(xué)計(jì)劃(CSP)項(xiàng)目下生成的，該項(xiàng)目的重點(diǎn)是在工業(yè)和污水處理中將氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的硝化細(xì)菌的多樣性。“我們期望微集落序列數(shù)據(jù)中的硝化細(xì)菌的基因組序列，”沃伊克說(shuō)。“尋找一個(gè)巨大的病毒基因組使這個(gè)項(xiàng)目成為一個(gè)全新的，意想不到的，但卻非常激動(dòng)人心的方向。”

當(dāng)該研究的第一作者舒爾茨注意到其中幾個(gè)宏基因組起源于病毒時(shí)，他和沃伊克進(jìn)行了分析以確定它們的來(lái)源。他們發(fā)現(xiàn)Klosneuvirus組來(lái)自與Mimiviruses有關(guān)的新型病毒譜系。

“在DOE JGI的綜合微生物基因組和微生物組 (IMG / M)系統(tǒng)中挖掘序列數(shù)據(jù)，其中包含數(shù)千個(gè)宏基因組，使我們能夠找到我們的Klosneuvirus的進(jìn)化親屬，”Schulz說(shuō)。他指出，雖然Klosneuviruses的宏基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)有助于回答重要的進(jìn)化問(wèn)題，但翻譯系統(tǒng)基因的實(shí)際生物學(xué)功能仍然難以捉摸 - 至少在這些病毒與宿主一起在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)之前。

而Koonin認(rèn)為，在宏基因組數(shù)據(jù)中有更多的巨型病毒等待發(fā)現(xiàn)。“我非常有信心，目前巨型病毒基因組大小的記錄將被打破，”他說(shuō)。“我們將看到巨大的病毒世界真正的歌利亞。”