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超越冠状病毒:病毒发现改变生物学

超越冠状病毒:病毒发现改变生物学

生物学 全文翻译 英语翻译
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2021-06-30 20:08:32

  

SARS-CoV-2 只是我们星球上数以百万计的病毒之一,科学家们正在迅速识别大量新物种。


 

病毒有各种形状和大小.jpg



病毒有各种形状和大小,例如巨型拟菌病毒(右上)和月球着陆器形状的噬菌体(中)。图片来源:假色电子显微照片(不同比例)。顶行 L-R:天花病毒;Acidianus瓶状病毒;多食棘阿米巴拟虫病毒。中间行 L-R:狂犬病病毒;T4噬菌体;轮状病毒。底行 L-R:埃博拉病毒;烟草脆裂病毒;HIV-2。声压级;M. Häring等人。/ J. 维罗尔。; E. Ghigo等人。/ PLOS 病原体。; Frederick A. Murphy/CDC Global

Mya Breitbart 在非洲白蚁丘、南极海豹和来自红海的水中捕获了新型病毒。但要达到高薪,她只需要走进她在佛罗里达州的后花园。在她的游泳池周围挂着多刺的圆蛛(Gasteracantha cancriformis)——引人注目的蜘蛛,身体呈球状,白色的身体,黑色的斑点和六个猩红色的尖刺,使它们看起来像一件中世纪的武器。对于圣彼得堡南佛罗里达大学的病毒生态学家 Breitbart 来说,更引人注目的是里面的东西。当她和她的同事收集了几只蜘蛛并将它们磨碎后,他们发现了两种以前科学上未知的病毒1。

尽管自 2020 年初以来,我们人类一直专注于一种特别讨厌的病毒,但仍有大量其他病毒等待被发现。科学家估计,在任何给定时间,仅海洋中就有大约 10 31 个单独的病毒颗粒——是已知宇宙中估计恒星数量的 100 亿倍。


  越来越明显的是,生态系统和生物体依赖于病毒。微小但强大,它们通过在宿主之间穿梭基因推动了数百万年的进化。在海洋中,它们将微生物切开,将其内容物倒入海中,并用营养物质淹没食物网。“没有病毒,”加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的病毒学家 Curtis Suttle 说,“我们就不会活着。”

  国际病毒分类委员会 (ICTV) 仅列出了 9,110 个已命名物种,但这显然只是总数中的一小部分。部分原因是,过去对病毒进行正式分类需要科学家在其宿主或宿主细胞中培养病毒——即使不是不可能,也是一个耗时的过程。这也是因为搜索偏向于导致人类或我们关心的生物体疾病的病毒,例如农场动物和农作物。然而,正如 COVID-19 大流行提醒我们的那样,了解可能从一个宿主跳到另一个宿主、威胁我们、我们的动物或我们的庄稼的病毒很重要。

  

 在过去十年中,由于发现病毒的技术进步,加上最近对新物种识别规则的改变,已知和命名病毒的数量呈爆炸式增长,允许命名而无需培养病毒和宿主。最具影响力的技术之一是宏基因组学,它允许研究人员在环境中对基因组进行采样,而无需培养单个病毒。较新的技术,例如单病毒测序,正在将更多病毒添加到列表中,其中包括一些非常常见但直到现在仍然隐藏的病毒。Breitbart 说,现在是进行此类研究的激动人心的时刻。“我认为,在很多方面,现在是病毒组的时代。”

  仅在 2020 年,ICTV 就在其官方名单中增加了 1,044 个物种,还有数千个物种等待描述和命名。基因组的这种增殖促使病毒学家重新思考他们对病毒进行分类的方式并帮助阐明它们的进化。有强有力的证据表明病毒多次出现,而不是从单一来源萌芽。

  即便如此,位于马里兰州德特里克堡的美国国家过敏和传染病研究所的病毒学家 Jens Kuhn 说,病毒世界的真实范围仍然大部分是未知的。“我们真的完全不知道外面有什么。”

  在这里,那里,无处不在

  所有病毒都有两个共同点:每个病毒都将其基因组包裹在一个基于蛋白质的外壳中,每个病毒都依赖其宿主——无论是人、蜘蛛还是植物——来自我繁殖。但除此之外,还有无穷无尽的变化。

  有只有两个或三个基因的微小圆环病毒,以及比某些细菌还大并携带数百个基因的大型拟菌病毒。有一些看起来像月球着陆器的噬菌体会感染细菌,当然,还有世界现在非常熟悉的杀手尖球。有些病毒将其基因存储为 DNA,而其他病毒则使用 RNA;甚至还有一种噬菌体使用另一种遗传字母表,用不同的分子替换标准 ACGT 系统中的化学碱基 A,命名为 Z。

  

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  对多刺圆蛛的研究发现了两种科学以前未知的病毒。图片来源:Scott Leslie/Minden Pictures/Alamy

  病毒无处不在,即使科学家不寻找它们,它们也会出现。Frederik Schulz 在仔细研究废水中的基因组序列时并不打算研究病毒。作为维也纳大学的研究生,2015 年,他正在使用宏基因组学来寻找细菌。这涉及从整个生物体混合物中分离 DNA,将其切成小块并对其进行测序。然后计算机程序将这些位组装成单独的基因组;这就像解决数百个拼图的拼图一样。

  在细菌基因组中,舒尔茨不禁注意到一个巨大的病毒基因组——很明显,因为它携带了病毒外壳的基因——具有惊人的 157 万个碱基对2。结果证明它是一种巨型病毒,属于一个成员在基因组大小和绝对大小(通常为 200 纳米或更大)方面都很大的群体的一部分。这些病毒感染变形虫、藻类和其他原生生物,使它们能够影响水生和陆地生态系统。

  

  Schulz 现在是加州伯克利美国能源部联合基因组研究所的微生物学家,决定在宏基因组数据集中搜索相关病毒。2020 年,在一篇论文3 中,他和他的同事描述了来自包含巨型病毒的群体的 2,000 多个基因组;在此之前,只有 205 个这样的基因组被存放在公共数据库中。

  病毒学家还向内寻找新物种。病毒生物信息学家 Luis Camarillo-Guerrero 与英国欣克斯顿 Wellcome Sanger 研究所的同事合作,分析了来自人类肠道的宏基因组,并建立了一个包含 140,000 多种噬菌体的数据库。其中一半以上是科学上的新手。他们的研究4于 2 月发表,与其他人的发现相吻合,即感染我们肠道细菌的最常见病毒之一是称为 crAssphage(以 2014 年发现它的交叉组装软件命名)。现在在英国剑桥的 DNA 测序公司 Illumina 工作的 Camarillo-Guerrero 说,尽管它很丰富,但人们对它如何为我们的微生物组做出贡献知之甚少。

  宏基因组学发现了大量病毒,但它也忽略了许多病毒。RNA 病毒不在典型的宏基因组中测序,因此爱尔兰科克大学的微生物学家 Colin Hill 和他的同事在称为宏转录组的 RNA 数据库中寻找它们。科学家通常使用这些数据来了解群体中的基因,这些基因正在积极地转化为信使 RNA 以制造蛋白质,但 RNA 病毒基因组也可能出现。该团队使用计算技术从数据中提取序列,在来自污泥和水样的元转录组中发现了 1,015 个病毒基因组5。再一次,他们用一篇论文大量增加了已知病毒的数量。

  

在变形虫中发现的巨型图潘病毒超过 1,000 纳米长.jpg

 


  在变形虫中发现的巨型图潘病毒超过 1,000 纳米长,拥有已知病毒中最大的一组蛋白质编码基因。图片来源:J. Abrahão等人/Nature Commun。

  尽管这些技术可能会意外地组装出不真实的基因组,但研究人员有质量控制技术来防止这种情况发生。但还有其他盲点。例如,成员非常多样化的病毒物种很难找到,因为计算机程序很难将不同的序列拼凑在一起。

  另一种方法是一次对一个病毒基因组进行测序,正如西班牙阿利坎特大学的微生物学家 Manuel Martinez-Garcia 所做的那样。他决定尝试通过分拣机将海水滴入分离出单个病毒,扩增它们的 DNA,然后进行测序。

  在他的第一次尝试中,他发现了 44 个基因组。结果证明其中一种代表了海洋中最丰富的病毒6。这种病毒是如此多样化——它的基因拼图从一个病毒颗粒到另一个病毒颗粒如此不同——以至于它的基因组从未出现在宏基因组学研究中。该团队将其命名为 37-F6,因为它位于最初的实验室培养皿上,但 Martinez-Garcia 开玩笑说,鉴于它能够隐藏在显眼的地方,它应该以虚构的超级间谍詹姆斯邦德的名字命名为 007。

  病毒家谱

  海洋病毒的詹姆斯邦德没有正式的拉丁物种名称,在过去十年中宏基因组学发现的数千个病毒基因组中的大多数也是如此。这些序列让 ICTV 陷入两难境地:基因组足以命名病毒吗?直到 2016 年,向 ICTV 提出新病毒或分类群需要科学家培养该病毒及其宿主,极少数例外。但那一年,经过一场有争议但亲切的辩论,病毒学家一致认为一个基因组就足够了7。

  关于新病毒和新病毒组的提议蜂拥而至(参见“加入家族”)。但这些病毒之间的进化关系往往不清楚。病毒学家通常根据病毒的形状(长而细,或者有尾巴的头)或它们的基因组(DNA 或 RNA,单链或双链)对病毒进行分类,但令人惊讶的是,这几乎没有说明共享的祖先。例如,具有双链 DNA 基因组的病毒似乎至少出现在四个不同的场合。

  

最初的 ICTV 病毒分类与细胞生命树完全分开,只包括进化层次的较低层次.png

 


  资料来源:ICTV

  最初的 ICTV 病毒分类与细胞生命树完全分开,只包括进化层次的较低层次,从物种和属到目级别——相当于灵长类动物或在分类中具有锥体的树的层次多细胞生命。没有更高的水平。许多病毒家族单独漂浮,与其他类型的病毒没有联系。因此,在 2018 年,ICTV 添加了更高级别的级别:类、门和界8。

  在最顶端,它发明了“领域”,旨在作为细胞生命“领域”——细菌、古细菌和真核生物——的对应物——但使用不同的词来区分这两种树。(几年前,一些科学家提出某些病毒可能适合基于细胞的进化树,但这种想法并未获得广泛支持。)

  ICTV 勾勒出树的分支,并将基于 RNA 的病毒归入一个名为Riboviria的领域。SARS-CoV-2 和其他具有单链 RNA 基因组的冠状病毒是该领域的一部分。但随后由更广泛的病毒学家社区提出进一步的分类群。碰巧的是,位于马里兰州贝塞斯达的国家生物技术信息中心的进化生物学家尤金·库宁组建了一个团队来分析所有病毒基因组,以及对病毒蛋白质的最新研究,以创建分类学初稿9 .

  他们重组了Riboviria并提出了另外三个领域(参见“病毒领域”)。Koonin 说,在细节上存在一些争论,但 ICTV 成员在 2020 年顺利批准了分类法。另外两个领域在 2021 年获得了批准,但最初的四个领域可能仍然是最大的领域,他说。最终,Koonin 推测,这些领域可能多达 25 个。

  

ICTV冠状病毒科研究组.png

 


  资料来源:ICTV(talk.ictvonline.org/taxonomy);ICTV冠状病毒科研究组。自然微生物。 5 , 536–544 (2020)

  这个数字支持了许多科学家的怀疑,即病毒种类没有一个共同的祖先。“所有病毒都没有单一的根源,”Koonin 说。“它根本不存在。” 这意味着病毒可能在地球生命史上出现过多次——而且没有理由认为这种出现不会再次发生。“新病毒的从头起源,它仍在进行中,”巴黎巴斯德研究所的病毒学家 Mart Krupovic 说,他参与了 ICTV 的决定和 Koonin 的分类学团队。

  至于这些领域是如何产生的,病毒学家有几个想法。也许它们在地球上生命诞生之初,甚至在细胞形成之前就来自独立的遗传元素。也许它们是从整个细胞中逃脱或“转移”的,放弃了大部分细胞机制,以过上最低限度的生活方式。Koonin 和 Krupovic 支持一种混合假设,即那些原始遗传元件从细胞生命中窃取基因来构建它们的病毒颗粒。库恩说,因为病毒有多种起源,它们的起源可能有多种方式,库恩说,他还曾在 ICTV 委员会任职并参与过新的分类学提案。

  因此,虽然生命的病毒树和细胞树是不同的,但枝条相互接触,基因在两者之间传递。病毒是否算作“活着”取决于您对生命的个人定义。许多研究人员不认为它们是生物,但其他人不同意。“我倾向于相信它们是活的,”日本京都大学研究病毒的生物信息学家 Hiroyuki Ogata 说。“它们在进化,它们拥有由 DNA 和 RNA 组成的遗传物质,它们在所有生命的进化中都非常重要。”

  目前的分类被广泛认为只是第一次尝试,一些病毒学家说这有点混乱。许多家庭仍然缺乏与任何领域的联系。Martinez-Garcia 说:“好的一点是,我们正试图在混乱中整理一些秩序。”


  世界改变者

  地球上病毒的总质量相当于 7500 万头蓝鲸的质量,科学家们确信它们对食物网、生态系统甚至地球大气产生了影响。哥伦布俄亥俄州立大学环境病毒学家马修沙利文说,新病毒的加速发现“揭示了病毒直接影响生态系统的新方式的分水岭”。但科学家们仍在努力量化它们的影响有多大。

  “目前我们这里没有一个非常简单的故事,”Ogata 说。在海洋中,病毒可以从它们的微生物宿主中爆发出来,释放出碳供其他人回收利用,它们吃掉宿主的内脏,然后产生二氧化碳。但是,最近,科学家们也开始意识到,爆裂的细胞经常聚集在一起并沉入海底,将碳从大气中隔离。

  

解冻的永久冻土中收集的病毒基因组具有有助于分解和释放碳的基因.jpg

 


  从瑞典 Stordalen Mire 解冻的永久冻土中收集的病毒基因组具有有助于分解和释放碳的基因。信用:鲍勃吉本斯/阿拉米

  沙利文说,在陆地上,融化的永久冻土是碳的主要来源,病毒似乎有助于该环境中微生物的碳释放。2018 年,他和他的同事描述了从瑞典永久冻土融化中收集的 1,907 个病毒基因组和片段,包括可能影响碳化合物如何分解并可能成为温室气体10 的蛋白质基因。

  病毒还可以通过搅动其他生物的基因组来影响其他生物。例如,当病毒将抗生素抗性基因从一种细菌转移到另一种细菌时,耐药菌株可以接管。Camarillo-Guerrero 说,随着时间的推移,这种转移可以在种群中产生重大的进化转变。不仅仅是在细菌中——估计有 8% 的人类 DNA 来自病毒。例如,我们的哺乳动物祖先从病毒中获得了胎盘发育所必需的基因。

  对于有关病毒生活方式的许多问题,科学家们需要的不仅仅是基因组。他们需要找到病毒的宿主。病毒本身可能带有线索:例如,它可能在自己的基因组中携带一些可识别的宿主遗传物质。

  Martinez-Garcia 和他的同事使用单细胞基因组学来鉴定包含新发现的 37-F6 病毒的微生物。宿主也是海洋中最丰富和多样化的生物之一,一种被称为Pelagibacter 11的细菌。在某些水域中,Pelagibacter占现有细胞的一半。Martinez-Garcia 说,如果只是这种病毒突然消失,海洋生物就会失去平衡。

  德国基尔 GEOMAR 亥姆霍兹海洋研究中心的进化生态学家亚历山德拉·沃登 (Alexandra Worden) 表示,要了解病毒的全面影响,科学家们需要弄清楚它是如何改变宿主的。她正在研究携带称为视紫质的光捕获蛋白基因的巨型病毒。从理论上讲,这些基因可能对宿主有用——用于能量转移或信号传递等目的——但序列无法证实这一点。为了找出这些视紫质基因发生了什么,沃登计划将宿主和病毒一起培养,并研究这对组合在“病毒细胞”状态下的功能。“细胞生物学是唯一可以说明真正作用是什么,这如何真正影响碳循环的方法,”她说。

  回到佛罗里达,布赖特巴特还没有培养她的蜘蛛病毒,但她对它们有了更多了解。这对病毒属于 Breitbart 称之为令人难以置信的一类病毒,因为它们微小的圆形基因组仅编码一个用于蛋白质外壳的基因和一个用于复制蛋白质的基因。其中一种病毒只存在于蜘蛛的身体中,而不是它的腿中,所以她认为它实际上感染了蜘蛛吃的某种生物。另一种病毒存在于蜘蛛的整个身体,以及它的卵和小蜘蛛中,因此她认为它是从父母传给后代12。就 Breitbart 而言,这似乎并没有对他们造成任何伤害。

  对于病毒,“发现它们实际上是容易的部分”,她说。区分病毒如何影响宿主生命周期和生态要棘手得多。但首先,病毒学家必须回答最棘手的问题之一,Breitbart 说:“你如何选择要研究的问题?”

 

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