污水厂发现巨型病毒,是第四域生命的残余?

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发布日期:2017年05月05日 所属分类:新知

奥地利东部的克洛斯特新堡小镇坐落在多瑙河畔,以其古老的修道院和卡夫卡纪念碑吸引着世界各地的游客,但或许有一天,病毒学家和进化生物学家会向镇上的污水处理厂致敬,因为在这里,人们发现了或许最像细胞的一种巨型病毒的基因组。多年来,巨型病毒的存在一直让人怀疑是否曾在生物三域系统外存在过第四域——一种业已消失的细胞微生物,而正是它留下了巨型病毒这一支后裔。近期,于污水处理厂发现的巨大病毒基因组将人们的视线再度引到这一争议上,然而来自海德堡马普医学研究所的环境病毒学家Matthias Fischer表示,“我们手头的数据和分析结果并不支持第四域假说。”

污水厂发现巨型病毒,是第四域生命的残余?

病毒常常借用宿主细胞完成复制,因此自身只需携带较少的基因,体积也就比细胞小很多。例如,某些鸟类病毒和猪病毒只携带2个基因就可以进行复制,而肠道里随便一株大肠杆菌都有将近4400个基因。也正是因为病毒不能独立复制、缺乏细胞结构,生物学家特地将其从“生命”范围内剔除。

2003年 Science 报导了第一个巨型病毒,震惊了学术界。人们发现巨型病毒不仅在体积上超过了许多微生物,而且可以携带超过2500个基因,远胜过许多细菌。因此,部分科学家主张应重新审视生物进化树。在传统的生物进化树中,细菌、古细菌和真核生物为生命的三大域,而巨型病毒可能是第四域的残存,假设认为,其祖先是已经灭绝的细胞微生物,在漫长的进化过程中丢失部分基因,成为寄生虫。

但同时,也不乏反对的声音。例如来自美国马里兰州国家生物技术信息中心的进化生物学家 Eugene Koonin 认为,没有必要扯出第四域,“显然巨型病毒和那些小型的病毒属于同一类群”。他认为,某些小型的病毒是由于吸收了越来越多的宿主DNA,才渐渐演化为巨型病毒。

来自美国加州能源部联合基因组研究所的博士后 Frederik Schulz 和同事们与奥地利科学家联合研究克洛斯特新堡污水中的微生物时,并没有打算检验第四域假说。他们没有直接分离其中的细胞或病毒,而是采用宏基因组学研究方法,对污水中的所有DNA进行测序,来检测未知微生物的基因组指纹。通过将病毒DNA片段拼接成完整基因组,研究人员发现了一种新的巨型病毒,并将其命名为 Klosneuvirus(克洛斯新病毒)。用同样的方法检测其他来源的污水样本,研究人员总共发现三种同源的新病毒。

Klosneuviruses的特别之处在于,它们的基因组比任何已知的巨型病毒都更接近细胞。例如,细胞用20种氨基酸合成蛋白质,每种氨基酸都有特定的附着酶将其固定在运输分子上以运输到蛋白质合成位点。Klosneuviruses携带这全部20种附着酶的基因,而其他巨型病毒一般只携带其中的7种。

Mimivirus 等巨型病毒庞大的体积和复杂的基因组似乎暗示它们可能在生命进化树中占有一席之位。这些巨型病毒可能来自生命的第四域,也可能由其他病毒进化而来。Frederik Schulz团队在污水中发现 Klosneuviruses 基因组后与Koonin实验室合作,比较了一系列病毒和微生物所携带的附着酶的DNA序列。研究结果表明,巨型病毒是逐步从不同宿主体内获得这些附着酶基因的,这一证据也不支持第四域生命存在的假说。

然而,共同发现第一个巨型病毒的科学家中也不乏第四域假说的支持者。来自法国艾克斯-马赛大学的微生物学家 Didier Raoult 认为,附着酶基因的论据十分薄弱,因为它们很容易与其他基因交换序列,或者发生其他变化,从而让它的进化起源变得十分模糊。艾克斯-马赛大学的遗传学家Jean-Michel Claverie指出,研究人员在污水样本中找到了一些巨大的病毒颗粒,却没有证明他们拼接组装得到的基因组来自这些病毒,“直到一个真正的病毒在试管中被从它的宿主分离出来之前,任何由此衍生的进化解释都不可靠。”(环球科学)

原文链接:http://science.sciencemag.org/content/356/6333/82

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