污水處理廠發現新巨型病毒，第四域假說再起波瀾

本次發現的病毒的特別之處在於，它們的基因組比任何已知的巨型病毒都更接近細胞。

翻譯 嚴冰

審校 陳雙全

奧地利東部的克洛斯特新堡小鎮坐落在多瑙河畔，以其古老的修道院和卡夫卡紀念碑吸引著世界各地的遊客，但或許有一天，病毒學家和進化生物學家會向鎮上的污水處理廠致敬，因為在這裡，人們發現了或許最像細胞的一種巨型病毒的基因組。多年來，巨型病毒的存在一直讓人懷疑是否曾在生物三域系統外存在過第四域——一種業已消失的細胞微生物，而正是它留下了巨型病毒這一支後裔。近期，於污水處理廠發現的巨大病毒基因組將人們的視線再度引到這一爭議上，然而來自海德堡馬普醫學研究所的環境病毒學家Matthias Fischer表示，「我們手頭的數據和分析結果並不支持第四域假說。」

病毒常常借用宿主細胞完成複製，因此自身只需攜帶較少的基因，體積也就比細胞小很多。例如，某些鳥類病毒和豬病毒只攜帶2個基因就可以進行複製，而腸道里隨便一株大腸桿菌都有將近4400個基因。也正是因為病毒不能獨立複製、缺乏細胞結構，生物學家特地將其從「生命」範圍內剔除。

2003年Science報導了第一個巨型病毒，震驚了學術界。人們發現巨型病毒不僅在體積上超過了許多微生物，而且可以攜帶超過2500個基因，遠勝過許多細菌。因此，部分科學家主張應重新審視生物進化樹。在傳統的生物進化樹中，細菌、古細菌和真核生物為生命的三大域，而巨型病毒可能是第四域的殘存，假設認為，其祖先是已經滅絕的細胞微生物，在漫長的進化過程中丟失部分基因，成為寄生蟲。

但同時，也不乏反對的聲音。例如來自美國馬里蘭州國家生物技術信息中心的進化生物學家 Eugene Koonin 認為，沒有必要扯出第四域，「顯然巨型病毒和那些小型的病毒屬於同一類群」。他認為，某些小型的病毒是由於吸收了越來越多的宿主DNA，才漸漸演化為巨型病毒。

來自美國加州能源部聯合基因組研究所的博士後 Frederik Schulz 和同事們與奧地利科學家聯合研究克洛斯特新堡污水中的微生物時，並沒有打算檢驗第四域假說。他們沒有直接分離其中的細胞或病毒，而是採用宏基因組學研究方法，對污水中的所有DNA進行測序，來檢測未知微生物的基因組指紋。通過將病毒DNA片段拼接成完整基因組，研究人員發現了一種新的巨型病毒，並將其命名為 Klosneuvirus（克洛斯新病毒）。用同樣的方法檢測其他來源的污水樣本，研究人員總共發現三種同源的新病毒。

污水中發現的巨型病毒

Klosneuviruses的特別之處在於，它們的基因組比任何已知的巨型病毒都更接近細胞。例如，細胞用20種氨基酸合成蛋白質，每種氨基酸都有特定的附著酶將其固定在運輸分子上以運輸到蛋白質合成位點。Klosneuviruses攜帶這全部20種附著酶的基因，而其他巨型病毒一般只攜帶其中的7種。

爭議巨大

Mimivirus 等巨型病毒龐大的體積和複雜的基因組似乎暗示它們可能在生命進化樹中佔有一席之位。這些巨型病毒可能來自生命的第四域，也可能由其他病毒進化而來。Frederik Schulz團隊在污水中發現 Klosneuviruses 基因組後與Koonin實驗室合作，比較了一系列病毒和微生物所攜帶的附著酶的DNA序列。研究結果表明，巨型病毒是逐步從不同宿主體內獲得這些附著酶基因的，這一證據也不支持第四域生命存在的假說。

然而，共同發現第一個巨型病毒的科學家中也不乏第四域假說的支持者。來自法國艾克斯-馬賽大學的微生物學家 Didier Raoult 認為，附著酶基因的論據十分薄弱，因為它們很容易與其他基因交換序列，或者發生其他變化，從而讓它的進化起源變得十分模糊。艾克斯-馬賽大學的遺傳學家Jean-Michel Claverie指出，研究人員在污水樣本中找到了一些巨大的病毒顆粒，卻沒有證明他們拼接組裝得到的基因組來自這些病毒，「直到一個真正的病毒在試管中被從它的宿主分離出來之前，任何由此衍生的進化解釋都不可靠。」

論文信息

【題目】Giant viruses with an expandedcomplement of translation system components

【作者】Frederik Schulz1,*, Natalya Yutin2,Natalia N. Ivanova1 et al

【期刊】Science

【日期】07 April 2017

【DOI】10.1126/science.aal4657

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

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