病毒會是第四生命形態嗎？

最新 05-25

圖片來源：pixabay

撰文鄧子卿（香港大學生物科學院博士研究生）

審校高福

編輯韓琨

對於去奧地利東部的小鎮克洛斯特新堡（Klosterneuburg）遊玩的遊客來說，建於12世紀的宏偉修道院是必去之處。對於文學愛好者來說，卡夫卡的墓碑也值得一去。不過，對於病毒學家和演化生物學家而言，這個小鎮的污水處理廠可能會成為一個新景點了。

近日，研究者們從克洛斯特新堡污水處理廠污泥里的宏基因組中發現了一類全新的巨型病毒，並將其命名為克洛斯新病毒（Klosneuviruses）。這類巨型病毒是迄今為止最像細胞的病毒，包含蛋白質合成中轉譯全部20種氨基酸所需的基因。

生物信息學分析顯示，克洛斯新病毒是從不同宿主處慢慢累積獲得這些基因的，並非繼承自病毒的某一共同祖先。這一結論給近年來興起的生物第四域假說帶來不小的挑戰。相關研究由來自奧地利和美國的科學家共同完成，研究結果發表在《科學》雜誌上（2017年4月7日刊）。

什麼是生物第四域假說？

說到生物第四域假說，自然要先了解下目前生物（生命體）分類的三個域：細菌域、古生菌域和真核生物域。而病毒並不在其列。病毒由核酸和蛋白質組成，由於缺乏細胞結構，而且不能獨立進行自我複製（需藉助宿主細胞），長久以來都被生物學家無情地拒絕在生命俱樂部的大門之外。不過，隨著2003年擬菌病毒（Mimivirus）的發現，事情開始起了變化。

一般的病毒非常的小（直徑大約30-150 納米，是細菌的十分之一左右），通常只有幾個到幾百個基因（作為對比，肺炎雙球菌有大約2300個基因，人類有大約2.5萬個基因）。而擬菌病毒直徑超過400納米，擁有2500個基因。單就數據而言，擬菌病毒的這兩方面可是超過不少微生物。自此，越來越多類似的巨型病毒被發現，包括比較有名的潘多拉病毒和闊口罐病毒。更為重要的是，這些巨型病毒擁有蛋白質合成相關的基因，而蛋白質合成可是生命形態的標誌之一，這引起科學家們對病毒起源問題的興趣。

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與此同時，爭議也隨之而來。一部分科學家認為，病毒的遠古祖先可能是擁有細胞形態的，只是在演化過程中不斷丟失基因，最終變成了基因稀少的寄生有機體。這一假說認為病毒是第四種生命形態，即為第四域假說。另一派學者則認為，巨型病毒只是從小病毒演化而來，變得越來越大而已，並沒有什麼第四種生命形態。

克洛斯新病毒有何特殊之處？

讓我們把話題回到新發現的克洛斯新病毒，更準確地說，應該是新發現的克洛斯新病毒基因組，因為病毒的真身還沒有顯露。

這次新發現的克洛斯新病毒，其實只是研究者「無心插柳」的結果。

最初，他們只是想研究一下污水處理廠的污泥，看看其中有沒有什麼特別的微生物。他們先用宏基因組測序技術測定了污泥里所有DNA的序列，再通過生物信息學的方法把這些零零散散的DNA片段拼裝成完整的基因組。結果，研究者在序列分析中發現了一種全新病毒的基因組，即為克洛斯新病毒的基因組。

隨後，他們分析了另外7000份來自環境樣品的宏基因組數據，並發現了其他三種和克洛斯新病毒相近病毒的基因組。這些病毒被認為是同一類巨型病毒，並統稱為克洛斯新病毒，與擬菌病毒同屬一科。那麼，和其他巨型病毒相比，這類新病毒有什麼特殊之處呢？

我們知道，生物體內的蛋白質都是由20種氨基酸合成而來。在具體合成過程中，每種氨基酸都有對應的tRNA合成酶（文後簡稱為連接酶，非專業名詞）將其連接到運輸體上再送至核糖體處進行組裝合成。一般的病毒是不含這些連接酶基因的，此前發現的巨型病毒只有其中某幾個連接酶基因，而克洛斯新病毒則擁有全部20種氨基酸對應的連接酶基因。不僅如此，克洛斯新病毒還含有很多其他與蛋白質合成相關的基因，包括轉譯因子和tRNA修飾酶。可以說，克洛斯新病毒是迄今為止最為接近現有生命形態的病毒。

研究作者Frederik Schulz並沒有止於新病毒的發現，他意識到，這些蛋白質合成相關基因提供了一個測試第四域假說的難得機會。於是他找到了擅長演化分析的研究者合作，將這些基因的序列與所有現有的生物和其他病毒的對應基因進行序列比對，以求找到這些基因的來源。

結果顯示，克洛斯新病毒的這些基因與真核生物的很相近，很有可能是從病毒寄生的真核細胞處「偷「來的。對擬菌病毒的類似分析也得到了同樣的結果。因此，研究者傾向認為巨型病毒是由小病毒演化而來，通過不斷從其宿主處獲取新基因從而慢慢擴大其基因組。這個解釋否定了第四域假說。

不過，對於這項研究，第四域假說的支持者仍有不同看法。基因學家Jean-Michel Claverie認為，現階段只靠基因組的研究就下結論還為時過早，畢竟克洛斯新病毒的本體還未分離出來呢。擬菌病毒的發現者之一，微生物學家Didier Raoult則認為，這些蛋白質合成相關基因經常發生基因交換或者突變，因此基於序列比對的演化研究很難確定這些基因的真正來源。

病毒加入生命俱樂部的申請本來剛剛燃起希望，現在可是遭遇了不小的挫折。不過，最後能否申請成功還未可知，有待進一步的研究的發現，我們會繼續為您跟進報道。

參考文獻：

1. Frederik Schulz et. al. Giant viruseswith an expanded complement of translation system components. Science, 356,82–85 (2017).

2. Mitch Leslie. Cell-like giant viruses found. Science, 356, 15–16 (2017).

3. LaScola B. A giant virus in amoebae. Science, 299, 2033 (2003).

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