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撰文 邓子卿（香港大学生物科学院博士研究生）
审校 高福
编辑 韩琨
对于去奥地利东部的小镇克洛斯特新堡（Klosterneuburg）游玩的游客来说，建于12世纪的宏伟修道院是必去之处。对于文学爱好者来说，卡夫卡的墓碑也值得一去。不过，对于病毒学家和演化生物学家而言，这个小镇的污水处理厂可能会成为一个新景点了。
近日，研究者们从克洛斯特新堡污水处理厂污泥里的宏基因组中发现了一类全新的巨型病毒，并将其命名为克洛斯新病毒（Klosneuviruses）。这类巨型病毒是迄今为止最像细胞的病毒，包含蛋白质合成中转译全部20种氨基酸所需的基因。
生物信息学分析显示，克洛斯新病毒是从不同宿主处慢慢累积获得这些基因的，并非继承自病毒的某一共同祖先。这一结论给近年来兴起的生物第四域假说带来不小的挑战。相关研究由来自奥地利和美国的科学家共同完成，研究结果发表在《科学》杂志上（2017年4月7日刊）。
什么是生物第四域假说？
说到生物第四域假说，自然要先了解下目前生物（生命体）分类的三个域：细菌域、古生菌域和真核生物域。而病毒并不在其列。病毒由核酸和蛋白质组成，由于缺乏细胞结构，而且不能独立进行自我复制（需借助宿主细胞），长久以来都被生物学家无情地拒绝在生命俱乐部的大门之外。不过，随着2003年拟菌病毒（Mimivirus）的发现，事情开始起了变化。
一般的病毒非常的小（直径大约30-150 纳米，是细菌的十分之一左右），通常只有几个到几百个基因（作为对比，肺炎双球菌有大约2300个基因，人类有大约2.5万个基因）。而拟菌病毒直径超过400纳米，拥有2500个基因。单就数据而言，拟菌病毒的这两方面可是超过不少微生物。自此，越来越多类似的巨型病毒被发现，包括比较有名的潘多拉病毒和阔口罐病毒。更为重要的是，这些巨型病毒拥有蛋白质合成相关的基因，而蛋白质合成可是生命形态的标志之一，这引起科学家们对病毒起源问题的兴趣。
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与此同时，争议也随之而来。一部分科学家认为，病毒的远古祖先可能是拥有细胞形态的，只是在演化过程中不断丢失基因，最终变成了基因稀少的寄生有机体。这一假说认为病毒是第四种生命形态，即为第四域假说。另一派学者则认为，巨型病毒只是从小病毒演化而来，变得越来越大而已，并没有什么第四种生命形态。
克洛斯新病毒有何特殊之处？
让我们把话题回到新发现的克洛斯新病毒，更准确地说，应该是新发现的克洛斯新病毒基因组，因为病毒的真身还没有显露。
这次新发现的克洛斯新病毒，其实只是研究者“无心插柳”的结果。
最初，他们只是想研究一下污水处理厂的污泥，看看其中有没有什么特别的微生物。他们先用宏基因组测序技术测定了污泥里所有DNA的序列，再通过生物信息学的方法把这些零零散散的DNA片段拼装成完整的基因组。结果，研究者在序列分析中发现了一种全新病毒的基因组，即为克洛斯新病毒的基因组。
随后，他们分析了另外7000份来自环境样品的宏基因组数据，并发现了其他三种和克洛斯新病毒相近病毒的基因组。这些病毒被认为是同一类巨型病毒，并统称为克洛斯新病毒，与拟菌病毒同属一科。那么，和其他巨型病毒相比，这类新病毒有什么特殊之处呢？
我们知道，生物体内的蛋白质都是由20种氨基酸合成而来。在具体合成过程中，每种氨基酸都有对应的tRNA合成酶（文后简称为连接酶，非专业名词）将其连接到运输体上再送至核糖体处进行组装合成。一般的病毒是不含这些连接酶基因的，此前发现的巨型病毒只有其中某几个连接酶基因，而克洛斯新病毒则拥有全部20种氨基酸对应的连接酶基因。不仅如此，克洛斯新病毒还含有很多其他与蛋白质合成相关的基因，包括转译因子和tRNA修饰酶。可以说，克洛斯新病毒是迄今为止最为接近现有生命形态的病毒。
研究作者Frederik Schulz并没有止于新病毒的发现，他意识到，这些蛋白质合成相关基因提供了一个测试第四域假说的难得机会。于是他找到了擅长演化分析的研究者合作，将这些基因的序列与所有现有的生物和其他病毒的对应基因进行序列比对，以求找到这些基因的来源。
结果显示，克洛斯新病毒的这些基因与真核生物的很相近，很有可能是从病毒寄生的真核细胞处“偷“来的。对拟菌病毒的类似分析也得到了同样的结果。因此，研究者倾向认为巨型病毒是由小病毒演化而来，通过不断从其宿主处获取新基因从而慢慢扩大其基因组。这个解释否定了第四域假说。
不过，对于这项研究，第四域假说的支持者仍有不同看法。基因学家Jean-Michel Claverie认为，现阶段只靠基因组的研究就下结论还为时过早，毕竟克洛斯新病毒的本体还未分离出来呢。拟菌病毒的发现者之一，微生物学家Didier Raoult则认为，这些蛋白质合成相关基因经常发生基因交换或者突变，因此基于序列比对的演化研究很难确定这些基因的真正来源。
病毒加入生命俱乐部的申请本来刚刚燃起希望，现在可是遭遇了不小的挫折。不过，最后能否申请成功还未可知，有待进一步的研究的发现，我们会继续为您跟进报道。
参考文献：
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).
发表于 2017-5-27 23:32
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