冠狀病毒之外：改變生物學(xué)的病毒新發(fā)現(xiàn)

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偽彩色電子顯微照相（非同比例）展現(xiàn)病毒各異的形狀和尺寸，從巨大的擬菌病毒到登月飛船形狀的噬菌體。上左至右：天花病毒、嗜酸瓶裝病毒、阿米巴多食擬菌病毒；中左至右：狂犬病毒、T4噬菌體、輪狀病毒；下左至右：埃博拉病毒、煙草脆裂病毒、HIV-2

米亞?布萊巴特（Mya Breitbart）曾在非洲的白蟻丘、南極海豹和紅海水樣中尋找新病毒，最終卻在佛羅里達(dá)州自家后花園中一攫千金。刺背球狀蜘蛛（Gasteracantha cancriformis）在她家的泳池中結(jié)網(wǎng)，這種蜘蛛有球莖狀的白色身體，上面有黑色斑點(diǎn)和六根猩紅色的棘刺，頗像中世紀(jì)的兵器。當(dāng)布萊巴特觀察蜘蛛里有些什么時(shí)，這位圣彼得斯堡南佛羅里達(dá)大學(xué)的病毒生態(tài)學(xué)家大吃一驚。她和同事們采集并處理了幾個(gè)蜘蛛樣本，發(fā)現(xiàn)了兩種從未被發(fā)現(xiàn)的病毒。

人類自2020年早些時(shí)候就開始與難對(duì)付的病毒戰(zhàn)斗，但除了SARS-CoV-2之外，還有許多其他病毒亟待發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家估計(jì)，僅在海洋中就有約1031種不同的病毒類物種，大約是已知宇宙中星星的100億倍。

科學(xué)界逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)和有機(jī)物是依賴病毒的。這種小而有力的存在實(shí)現(xiàn)了宿主間的基因傳遞，為進(jìn)化增加了動(dòng)力。它們?cè)诤Ｑ笾衅崎_微生物，其中的內(nèi)容物播散開來，營養(yǎng)物質(zhì)就進(jìn)入了食物網(wǎng)?！叭绻麤]有病毒，”加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學(xué)病毒學(xué)家柯蒂斯?薩特爾（Curtis Suttle）說，“我們就不會(huì)有生命?！?/p>

國際病毒分類組織（ICTV）只命名了9 110種病毒，是非常小的一部分。當(dāng)然一個(gè)原因是官方鑒定一種新病毒需要科學(xué)家在其宿主或宿主細(xì)胞中培養(yǎng)病毒，這一過程相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間；另一個(gè)原因是研究存在一定偏倚，研究關(guān)注的多是會(huì)在人類或相關(guān)生命體中致病的病毒，像農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物和谷物間流行的病毒。但COVID-19為我們敲響了警鐘，我們需要關(guān)注那些可能從一個(gè)宿主播散到另一個(gè)，危害到我們?nèi)祟?、我們養(yǎng)的動(dòng)物和種的作物的病毒。

過去十年間我們發(fā)現(xiàn)并命名了許多未知病毒，除了技術(shù)的進(jìn)步外，另一個(gè)推動(dòng)力是鑒定新物種的規(guī)則近期發(fā)生了改變，現(xiàn)在不需要培養(yǎng)病毒和宿主作為證據(jù)了。新技術(shù)中起到最重要作用的是宏基因組學(xué)（metagenomics），研究者利用這個(gè)技術(shù)能夠直接檢測(cè)環(huán)境中病毒的基因組，而不需要進(jìn)行培養(yǎng)。更新的技術(shù)，譬如單病毒測(cè)序則發(fā)現(xiàn)了更多病毒，其中一些在我們眼皮底下藏到了現(xiàn)在。布萊巴特說：“現(xiàn)在正是做這種研究的大好時(shí)機(jī)，從很多方面來說，這是病毒組學(xué)的時(shí)代?！?/p>

僅僅在2020年，ICTV的官方列表中就增加了1 044個(gè)新的病毒種，還有成千上萬的新病毒等著描述和命名。基因組學(xué)的發(fā)展讓病毒學(xué)家重新思考病毒的分類方式，并探究其進(jìn)化歷程。目前的有力證據(jù)表明病毒存在多個(gè)起源，不是從單一源頭發(fā)展而來。

即便如此，“病毒世界的實(shí)際規(guī)模依舊是未知的，”美國國家過敏和傳染病研究所病毒學(xué)家延斯?庫恩（Jens Kuhn）說，“我們一定還有些什么一無所知?！?/p>

這里，那里，它們無處不在

所有的病毒有兩個(gè)共同特征：一是用蛋白質(zhì)衣殼包裝著基因組，二是依靠宿主——人、蜘蛛、植物等——進(jìn)行復(fù)制，實(shí)現(xiàn)繁殖。除此之外就很難在它們的生命周期中找出些相同的模式了。

小如環(huán)狀病毒僅有兩三個(gè)基因；大如擬菌病毒體積超過一些細(xì)菌，基因數(shù)量成百上千。造型奇特如登月飛船的噬菌體，能夠感染細(xì)菌；當(dāng)然還有我們熟悉的球狀、有一個(gè)個(gè)突起的致命殺手正給我們帶來苦難。一些病毒以DNA的形式儲(chǔ)存基因，另一些則用RNA；甚至有種噬菌體用了另一種基因密碼，將標(biāo)準(zhǔn)的ACGT系統(tǒng)中的堿基A替換成了另一種分子Z。

病毒的存在十分廣泛，也會(huì)在科學(xué)家意想不到的時(shí)候現(xiàn)身。弗雷德里克?舒爾茨（Frederik Schulz）在對(duì)廢水中的基因進(jìn)行測(cè)序時(shí)，并沒有打算研究病毒。2015年，維也納大學(xué)的研究生舒爾茨打算利用宏基因組學(xué)尋找細(xì)菌。他分離有機(jī)質(zhì)混合物中的DNA，將它們打碎并進(jìn)行測(cè)序，隨后在計(jì)算機(jī)軟件上將基因片段組裝成單獨(dú)的基因組，像是完成一個(gè)巨大而混亂的拼圖游戲。

研究發(fā)現(xiàn)刺背球狀蜘蛛攜帶兩種未知病毒

阿米巴原蟲中找到了巨大的圖潘病毒，尺寸超過1 000納米長，其蛋白編碼基因是已知病毒中最大的

在這些細(xì)菌的基因組中，舒爾茨注意到一個(gè)體量巨大的病毒基因組（可以通過它的病毒衣殼序列而確定其病毒身份），其堿基數(shù)量達(dá)到了157萬。它是一個(gè)大型病毒，屬于一組在基因數(shù)量和絕對(duì)體積（橫徑200納米，甚至更大）上都相當(dāng)大的病毒家族。這種病毒能夠感染阿米巴原蟲、藻類和其他原生生物，這使它們能夠同時(shí)影響到水生和陸生生物的生態(tài)系統(tǒng)。

舒爾茨現(xiàn)在是美國加利福尼亞州伯克利市美國能源部聯(lián)合基因組研究所的微生物學(xué)家，他決定在宏基因組數(shù)據(jù)集中挖掘相關(guān)的病毒。2020年，他和同事發(fā)表的單單一篇文章中，就描述了包括大型病毒的超過2 000個(gè)基因組，在這篇文章發(fā)表前，公共數(shù)據(jù)庫中只有其中的205個(gè)基因。

病毒學(xué)家同時(shí)在人體內(nèi)尋找新的種群。病毒生物信息學(xué)家路易斯?卡瑪利洛-格雷羅（ Luis Camarillo-Guerrero）與英國辛克斯頓維爾康姆?桑格研究所的同事對(duì)人類腸道中的微生物進(jìn)行了宏基因組分析，建立了超過140 000種噬菌體的數(shù)據(jù)庫，其中超過半數(shù)對(duì)科學(xué)界而言是全新發(fā)現(xiàn)。他們今年2月發(fā)表的文章再次證實(shí)了人類腸道中最為常見、能夠感染細(xì)菌的一組病毒——crAss噬菌體的存在。卡瑪利洛-格雷羅說：“盡管它含量豐富，但我們不怎么了解它在人類微生物組中的作用。”他目前在英國劍橋的DNA測(cè)序公司Illumina工作。

宏基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)了大量的病毒，但也錯(cuò)過了很多。經(jīng)典的宏基因組學(xué)并沒有對(duì)RNA病毒進(jìn)行測(cè)序，因此愛爾蘭科克大學(xué)學(xué)院的微生物學(xué)家科林?希爾（Colin Hill）和同事們?cè)赗NA數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行深入調(diào)查，這被稱作宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)。科學(xué)家通常利用這些數(shù)據(jù)來研究那些活躍轉(zhuǎn)錄為信使RNA并制造蛋白質(zhì)的基因，而RNA病毒基因組也會(huì)出現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)從數(shù)據(jù)中找出這些序列，從泥土和水樣本中找到了宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的1 015個(gè)病毒基因組。這次他們又在一篇文章中大大擴(kuò)充了已知病毒的數(shù)量。

這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)意外地組裝出并不真實(shí)存在的基因組，研究者會(huì)利用質(zhì)量控制技術(shù)來防止這種意外發(fā)生。但盲區(qū)依然存在，譬如說那些成員多樣性大的病毒種相當(dāng)難以尋找，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序很難將這些不相干的序列拼接在一起。

西班牙阿利坎特大學(xué)微生物學(xué)家曼紐爾?馬丁內(nèi)茲-加西亞（Manuel Martinez-Garcia）表示可以選擇每次篩選一個(gè)病毒基因組。他決定將海水滴進(jìn)分選機(jī)器來分離獨(dú)立的病毒，以此放大其DNA進(jìn)行測(cè)序。

第一次嘗試時(shí)，他便發(fā)現(xiàn)了44個(gè)基因組，其中一個(gè)可以說是代表了海洋中一些最豐富的病毒。這種病毒的多樣性相當(dāng)大（基因密碼片段差異極大），而其基因組從未出現(xiàn)在宏基因組學(xué)的研究中。研究團(tuán)隊(duì)將其命名為37-F6，這是它實(shí)驗(yàn)皿的原始編號(hào)，但馬丁內(nèi)茲-加西亞開玩笑說，想到它會(huì)隱藏在光天化日之下，應(yīng)該叫它“007”，即詹姆斯?邦德這個(gè)虛構(gòu)的超級(jí)間諜。

病毒譜系圖

海洋病毒中的這個(gè)“詹姆斯?邦德”還沒有得到一個(gè)官方的拉丁語種族名，這同樣發(fā)生在過去十年中通過宏基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)的成千上萬個(gè)病毒基因組。這些基因序列不斷涌現(xiàn)將ICTV置于一種困境：單憑基因組是否足以命名一個(gè)病毒呢？2016年之前，向ICTV提交一個(gè)新病毒或是生物分類學(xué)上的組，科學(xué)家須在培養(yǎng)基中培養(yǎng)其病毒和宿主，鮮有例外。但這些年經(jīng)過熱烈的長期辯論，病毒學(xué)家達(dá)成共識(shí)，認(rèn)同了僅基因組作為證據(jù)就是充分的。

于是，提交新病毒和組的報(bào)告蜂擁而至（見“分門別類”）。但這些病毒的進(jìn)化關(guān)系并不明確。病毒學(xué)家通常依據(jù)形狀（“長而細(xì)的”或“有頭的”或“有尾巴的”），也可以依據(jù)基因組（DNA或RNA，單鏈或雙鏈），但這對(duì)確定病毒的共同祖先而言幾乎毫無意義。舉例來說，目前認(rèn)為雙鏈DNA基因組病毒有至少4個(gè)不同的起源。

過去ICTV的病毒分類方式并不考慮細(xì)胞生物的分類階元樹，僅僅包括進(jìn)化層次中級(jí)別較低的分類，即種（species）、屬（genera）、科（family）和目（order）4個(gè)級(jí)別，其中最高級(jí)的“目”與多細(xì)胞生物分類階元中的“靈長類”或“有果球的樹”級(jí)別相同，而沒有更高的級(jí)別。同時(shí)也有許多病毒家族舉目無親，與其他種類的病毒沒有任何關(guān)聯(lián)。因此ICTV在2018年增加了更高的級(jí)別：綱（class）、門（phylum）和界（kingdom）。

在最高的級(jí)別上，ICTV規(guī)定了“域（realm）”的概念，對(duì)應(yīng)細(xì)胞生物（細(xì)菌、古生菌和真核生物）中“域（domain）”的概念，用不同的英文單詞以區(qū)別不同的階元系統(tǒng)。（數(shù)年前曾有科學(xué)家提出細(xì)胞生物的進(jìn)化樹也能夠適用于一些病毒，但這種看法并未被廣泛接受。）

ICTV對(duì)階元樹的分支進(jìn)行了規(guī)劃，將RNA病毒歸入核糖病毒域（Riboviria）。SARS-CoV-2和其他的冠狀病毒都由單鏈RNA組成基因組，正屬于這個(gè)域。但這對(duì)病毒學(xué)家遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他們提出了更多的分類學(xué)組。美國馬里蘭州貝塞斯達(dá)市國家生物技術(shù)信息中心的進(jìn)化生物學(xué)家尤金?庫寧（Eugene Koonin）組建了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分析所有的病毒基因組，結(jié)合病毒蛋白質(zhì)的最新研究，為分類學(xué)畫出初稿。

他們?cè)俅我?guī)劃了核糖病毒域，并提出了3個(gè)新的域（見“病毒的域”）?！耙恍┘?xì)節(jié)還待討論，”庫寧說，“但我們的分類學(xué)在2020年順利地通過了ICTV的批準(zhǔn)。另有2個(gè)新的域在2021年通過，但原先的4個(gè)域仍是體量最龐大的?！睅鞂幷J(rèn)為最終域的數(shù)量會(huì)增加到25個(gè)。

這一數(shù)量佐證了許多科學(xué)家的猜測(cè)：病毒并沒有一個(gè)共同的祖先?！八胁《緵]有一個(gè)單一根源，”庫寧說，“它不存在?！边@意味著病毒在地球歷史上有多次起源，那么就不能否認(rèn)這種起源事件還會(huì)再次出現(xiàn)。“新病毒從頭開始的起源過程依然在發(fā)生。”巴黎巴斯德研究所的病毒學(xué)家馬特?克魯波維奇（Mart Krupovic）表示。他參與了ICTV的決議，也在庫寧的分類學(xué)團(tuán)隊(duì)中工作。

至于病毒域如何起源，病毒學(xué)家眾說紛紜。它們可能直接來源于地球生命破曉之時(shí)的基因元素，甚至先于細(xì)胞的出現(xiàn)。它們可能從完整細(xì)胞中逸出或被排出，拋棄了細(xì)胞機(jī)制，僅僅保留了最簡單的生命形式。庫寧和克魯波維奇傾向于一個(gè)兼取二者的假說：原始的基因元素從細(xì)胞生物中竊取基因，建立了病毒物質(zhì)。庫寧表示：“由于病毒有多重起源，那么其起源方式也可能各異?！彼彩荌CTV委員會(huì)成員，參與了新分類學(xué)的提案。

盡管病毒和細(xì)菌的階元生命樹看似毫無關(guān)系，它們的枝丫其實(shí)是相互接觸的，存在著基因的交流。而病毒是否“活著”這個(gè)問題其實(shí)取決于個(gè)人對(duì)生命的定義。一些研究者認(rèn)為它們并不算真正的生物，另一些則反對(duì)?！拔覂A向于它們是活著的，”日本東京大學(xué)研究病毒的生物信息學(xué)家緒方博之說，“它們?cè)谶M(jìn)化，它們有DNA或RNA組成的基因物質(zhì)，而且它們?cè)谒猩锏倪M(jìn)化中都很重要?！?/p>

普遍看法是目前的分類學(xué)只是初步嘗試，一些病毒學(xué)家認(rèn)為這種分類學(xué)有些混亂。約20個(gè)家族還是與任何的病毒域缺少聯(lián)系?！昂锰幨俏覀冋龂L試從混亂中尋找秩序?！瘪R丁內(nèi)茲-加西亞表示。

世界改變者

地球上的病毒總重量和7 500萬只藍(lán)鯨差不多，科學(xué)家很確信它們影響了食物網(wǎng)、生態(tài)系統(tǒng)甚至是地球的氣候。哥倫布市俄亥俄州立大學(xué)環(huán)境病毒學(xué)家馬修?蘇利文（Matthew Sullivan）認(rèn)為新病毒的加速發(fā)現(xiàn)“是一個(gè)分水嶺，會(huì)揭示病毒直接影響生態(tài)系統(tǒng)的新方式”。但科學(xué)家們依舊在努力確定這種影響有多大。

緒方說：“目前我們找不到一個(gè)簡單的解釋方法?！焙Ｖ械牟《緯?huì)破開其微生物宿主，一些生物吃掉宿主的內(nèi)容物并釋放二氧化碳，如此將碳元素釋放進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)。但最近，科學(xué)家開始認(rèn)為這些分散的細(xì)胞會(huì)聚在一起沉到海底，把碳元素從大氣中隔離開來。

“在陸地上，解凍的永久凍土是碳排放的主要來源，”蘇利文表示，“這個(gè)環(huán)境中的病毒有助于微生物中的碳排放?！?018年他和同事描述了瑞典解凍的永久凍土中1 907種病毒基因組和片段，其中有參與含碳化合物分解的蛋白質(zhì)基因，這些碳是溫室氣體的潛在來源。

瑞典斯托達(dá)倫沼澤解凍的永久凍土中，發(fā)現(xiàn)了具有參與降解和釋放碳元素基因的病毒基因組

病毒也會(huì)通過改變微生物的基因來產(chǎn)生長程影響。舉例來說，當(dāng)病毒將抗生素基因從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)，抗藥菌株就會(huì)一家獨(dú)大。“時(shí)間一長，這種轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致有重大意義的進(jìn)化基因漂移。”卡瑪利洛?格雷羅說。這不僅僅發(fā)生在細(xì)菌中，據(jù)估計(jì)人類DNA中有8%起源于病毒。我們哺乳動(dòng)物的祖先就從病毒那里獲得了胎盤發(fā)育所必需的基因。

基因組并不能完美解釋病毒生活史的許多謎團(tuán)，而病毒宿主是另一個(gè)解謎工具。病毒自身為我們提供了一些線索，譬如它們會(huì)在自己的基因組里攜帶一部分可識(shí)別的宿主遺傳物質(zhì)。

馬丁內(nèi)茲-加西亞和同事們使用單細(xì)胞基因組學(xué)鑒定了新發(fā)現(xiàn)37-F6病毒可能的宿主微生物。這種宿主——遠(yuǎn)洋桿菌也是海中最豐富而多樣的有機(jī)物之一。在一些水域中，遠(yuǎn)洋桿菌占了既存細(xì)菌的一半?！叭绻麅H僅這一種細(xì)菌突然消失，”馬丁內(nèi)茲-加西亞說，“海洋生物就會(huì)失去平衡?！?/p>

“要理解病毒的全部影響，科學(xué)家需要研究其如何改變宿主。”德國基爾市亥姆霍茲海洋研究中心的進(jìn)化生態(tài)學(xué)家亞歷山德拉?沃登（Alexandra Worden）表示。她在研究一種大型病毒，其基因中包含產(chǎn)生集光蛋白視紫紅質(zhì)的基因。理論上來說，這些基因會(huì)有利于宿主，幫助它們傳遞能量或信號(hào)，但僅僅基因序列并不能證實(shí)這一點(diǎn)。要明白這些視紫紅質(zhì)基因的前世今生，沃登打算一同培養(yǎng)病毒和宿主，并研究二者如何配對(duì)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)“病毒-細(xì)胞”的共存狀態(tài)。她說：“只有細(xì)胞生物學(xué)能夠解釋這種狀態(tài)的意義，以及它如何影響碳循環(huán)。”

讓我們回到佛羅里達(dá)，布萊巴特還沒有培養(yǎng)出她的蜘蛛病毒，但她有了些新發(fā)現(xiàn)。她震驚地發(fā)現(xiàn)這些病毒尺寸極小，擁有環(huán)狀基因組，蛋白衣殼和復(fù)制蛋白僅僅各有一個(gè)編碼基因。其中一個(gè)病毒只能在蜘蛛腹部發(fā)現(xiàn)，而腿中沒有，因此她認(rèn)為這種病毒其實(shí)感染了蜘蛛吃下去的生物。另一個(gè)病毒則是在蜘蛛身體、卵和幼蛛中都有發(fā)現(xiàn)，因此這種病毒可能從父母輩傳給了后代。布萊巴特卻沒有發(fā)現(xiàn)這些病毒對(duì)蜘蛛有任何危害。

對(duì)于病毒，布萊巴特認(rèn)為“發(fā)現(xiàn)它們是容易的”。真正的困難在于病毒如何影響宿主生命周期和生態(tài)系統(tǒng)。但對(duì)于病毒學(xué)家需要先解決的也是最難的問題，布萊巴特說：“你要選哪個(gè)來研究呢？”

資料來源 Nature