Science：發現一類新的巨病毒攜帶著有史以來最多的蛋白翻譯相關基因

病毒在地球上廣泛地存在。據估計，它們的數量是1031，是該星球上細菌數量的10倍，而且這一數字比銀河系中的恆星數量還要多。巨病毒（giant virus）的 特徵具有異乎尋常大的基因組和病毒顆粒（包圍著病毒的遺傳物質）。它們能夠編碼幾種潛在地參與蛋白生物合成的基因，這一獨特的特徵已讓人們針對它們的起源提出不同的假說。不過， 在發現一組新的具有比之前已知的任何其他病毒更加完整的翻譯複合體基因的巨病毒之後，來自美國能源部聯合基因組研究所（JGI）、國家衛生研究院（NIH）、加州理工學院（CalTech）和 奧地利維也納大學的研究人員認為這組巨病毒（被稱作Klosneuvirus）顯著地增加了我們對病毒進化的理解。相關研究結果發表在2017年4月7日的Science期刊上，論文標題為「Giant viruses with an expanded complement of translation system components」。

據預測，Klosneuvirus的宿主是原生生物（單細胞真核微生物），儘管迄今為止它們對原生生物的直接影響仍不清楚，但是它們被認為對這些有助調節地球上的生物地質化學循環的原生生物 發揮著重大的影響。

論文共同通信作者、NIH進化與計算生物學家Eugene Koonin說，「這一發現讓我們對病毒進化獲得新的認識，極大地擴大了我們對病毒在它們的進化期間能夠捕獲多少必需的宿主基因的理解 。鑒於蛋白合成是細胞生命的最為顯著的特徵之一，這就表明這些新的巨病毒要比之前觀察到的任何病毒更加類似於細胞。」

自從2003年，科學家們已對巨病毒著迷。2003年，在Didier Raoult的領導下，一個法國生物學家小組發現了巨病毒Mimivirus。從那以後，少量的其他巨病毒也被發現。對這些巨病毒而言， 它們的獨特能力在於它們編碼參與翻譯的蛋白（典型地從DNA到RNA再到蛋白），這讓科學家們對巨病毒起源產生興趣。之後，兩種進化假設出現了。一種假設指出巨病毒由一種古老的細胞（ 可能是來自滅絕的生物第四域的一種細胞，現有的生物分類是三域系統：古生菌、細菌和真核生物）進化而來。另一種假設指出巨病毒起源自較小的病毒。

論文共同通信作者、JGI微生物基因組學項目負責人Tanja Woyke認為，Klosneuvirus的發現支持後面的一種假設。她說，「在這種假說中，較小的病毒感染不同的真核生物宿主，在較長的時 間內通過分次捕獲，獲得來自獨立來源的編碼翻譯複合體蛋白組分的基因。」

乍看之下，巨病毒Klosneuvirus中的這套「細胞」基因似乎具有一種相同的起源，但是當詳細地分析這些基因時，這些研究人員觀察到它們來自不同的宿主。從他們構建出的進化樹來看，他們注意到這些基因是這組巨病毒在它們的不同進化階段逐漸獲得的。這些來自Klosneuvirus的基因含有19種必需氨基酸（必需氨基酸總共有20種）特異性的氨醯-tRNA酶，20多種tRNA、一系列翻譯因子和tRNA修飾酶。這對所有病毒（包括之前已知的巨病毒）而言，這是一項史無前例的發現。

Woyke 和JGI博士後研究員Frederik Schulz在分析來自奧地利克洛斯特新堡（Klosterneuburg）小鎮上的一個廢水處理廠樣品中的微菌落序列數據時，發現了巨病毒Klosneuvirus。這種數據 是JGI社會科學項目（Community Science Program, CSP）關注工業廢水和生活污水處理中的硝化細菌多樣性時產生的。Woyke說，「我們曾期待在微菌落序列數據中獲得硝化細菌的基因組序列。發現一種巨病毒基因組將這個項目帶往一種意料之外的但又激動人心的全新方向。」

當Schulz注意到這些宏基因組（所有微生物群體基因組的總和）中的幾種來自病毒時，他和Woyke開展分析以便確定它們的來源。他們發現這組Klosneuvirus巨病毒來自一種新的病毒家族。巨 病毒Mimivirus也屬於這個病毒家族。

Schulz說，「分析容納著上千種宏基因組的JCI整合微生物基因組與微生物組（Integrated Microbial Genomes & Microbiomes）系統中的序列數據，允許我們發現Klosneuvirus的進化親緣關 系。」他注意到儘管Klosneuvirus的宏基因組發現有助解答重要的進化問題，但是它們的翻譯系統的確切生物學功能仍然是不清楚的。要解答這一點，至少需要將這組巨病毒在實驗室中與它 們的宿主一起培養。

Koonin認為在宏基因組數據中，還有更多的巨病毒等待人們去發現。他說，「我非常自信的是，巨病毒基因組大小的當前記錄將會被打破。我們將看到巨病毒世界中真正的巨無霸。」

原始出處：

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

Abstract：

The discovery of giant viruses blurred the sharp division between viruses and cellular life. Giant virus genomes encode proteins considered as signatures of cellular organisms, particularly translation system components, prompting hypotheses that these viruses derived from a fourth domain of cellular life. Here we report the discovery of a group of giant viruses (Klosneuviruses) in metagenomic data. Compared with other giant viruses, the Klosneuviruses encode an expanded translation machinery, including aminoacyl transfer RNA synthetases with specificities for all 20 amino acids. Notwithstanding the prevalence of translation system components, comprehensive phylogenomic analysis of these genes indicates that Klosneuviruses did not evolve from a cellular ancestor but rather are derived from a much smaller virus through extensive gain of host genes.

本文來源：生物谷 本文編輯：蒲公英

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