病毒学再认识:新的生物分类法

[题记]随着人们发现了越来越多的打破纪录大小的病毒，不少科学家呼吁对地球上生命重新进行分类。

感染巨型“妈妈病毒”（“咪咪病毒”的一种）的病毒噬菌体示意图。

进化理论的第一次提出，是根据对动物和植物的视觉观察结果建立的。后来，19世纪下半叶，现代光学显微镜的发明帮助科学家们开始系统地探索以前不能观察到的微生物世界，并使得人们重新思考生命世界的分类。

在20世纪70年代，根据对这些生物体内核糖体基因的分析，人们将生命世界分类为三个生物分类范畴：真核生物、细菌和古细菌。尽管那个时候已经可以使用电子显微镜来观察病毒了，但是它们并没有包括在生命树之中，因为没有检测到它们体内包含核糖体基因，它们经常被用于系谱遗传学分析。1935年，通过对烟草镶嵌病毒的晶体学观察，人们认为病毒大部分只是一些非生命的生物分子。经过晶体学研究，发现了病毒具有生物学特征如具有感染细胞的能力，于是有人提出了病毒不是真正的生命体。

但是，近来人们发现大量的巨型病毒物种，它们的大小及其基因组大小都可以与许多微生物不相上下，这给传统的观点提出了巨大的挑战。2003年，学者们宣布发现了一种“咪咪病毒”，实际上它是一种阿米巴寄生虫，多年来研究人员们认为它只是一种细菌。这种病毒直径0.4微米（μm），基因组包含1.2百万碱基对，这就颠覆了传统的学术理论：病毒大小不会超过0.2微米。从那时起，人们发现了大量令人大吃一惊的巨大病毒，最近发现的是于2013年7月发现的阿米巴体内的两种潘多拉病毒。这两种病毒的基因组大小分别为1.9百万碱基和2.5百万碱基，已经有15年多的时间，它们一直被认为是一种感染阿米巴的寄生类真核生物，其实它是一种病毒，也就是一种原核生物。随着全基因组测序技术的发明，研究人员们正在开始认识到大多数生物体事实上是包含由来自于许多不同来源生物的基因组成的嵌合体，这些来源生物体包括真核生物、原核生物如病毒，这就使我们重新思考进化问题，尤其是在宏观和微观世界之间基因流动的进化问题。例如，基因组学分析已经提示，真核生物是细菌和古细菌之间长期相互作用的结果。在这种背景下，病毒越来越广泛地被认为是遗传材料穿梭般来回移动形成的，元基因组学研究提示，地球上数十亿的病毒含有的遗传信息比其它生命世界的信息加起来还要多。这些研究指出，在生命进化史上，病毒的重要性，可以与地球上所有其它生物加起来的重要性等量齐观。

病毒性寄生生物

基于对新发现的巨型病毒大小的发现，我们毫不奇怪地认为，它们可能是来源于感染巨型病毒的寄生性病毒形成的。2006年，人们用电子显微镜发现了一种新的咪咪病毒株系：妈妈病毒。在这些图像中，人们看到了一种微小的病毒正在感染巨大病毒体。科学家们将这些新的病毒感染性病毒称为病毒噬菌体，与之对应的术语是细菌噬菌体，用来描述那些感染细菌的病毒。

这种妈妈病毒的卫星病毒在它的阿米巴宿主体内利用各种分子构件像“病毒工厂”一样不断繁殖。对这种18kb的卫星病毒基因组的分析证明，与它的病毒宿主一样，它还可以从不同的宿主中吞噬基因材料形成新的基因。其他研究人员还在一些巨型病毒内发现了病毒噬菌体，这些巨型病毒有如克罗氏病毒（CroV）和单藻感染巨大DNA病毒（又称藻DNA病毒）。这些病毒内病毒噬菌体的存在似乎可以抑制巨型病毒的生长，从而规避了巨型病毒对宿主细胞的杀灭作用。同样的例子见于细菌噬菌体，它们经常可以介导有关细菌寄生于真核生物宿主内，产生吞噬效应。因此，与其它病毒一样，病毒噬菌体可以在物种间动力学和整个生态学系统中起到关键的作用。

并且，病毒噬菌体并不是巨型病毒内唯一的寄生生物。人们还发现了一种寄生性元件称为“转座病毒朊”。转座病毒朊具有转座子的特性，这些在细菌体内观察到的自私跳跃基因在巨型病毒的病毒工厂中多倍复制达数百万个拷贝。这种转座病毒朊可以跳跃进入病毒噬菌体或巨型病毒的基因组内，在其阿米巴宿主体内大量繁殖。这些基因穿越寄生生物使得巨型病毒成为一种多样性的温床。这些病毒噬菌体、转座病毒朊和发现已久的自我剪切内含子可以恰如其份地定义为巨型病毒的“移动生物组”，在病毒之间转移基因中起到关键作用。

尽管事实上这些病毒利用相同的遗传密码却能产生多样化的生命体，科学界长期以来将它们分类为仅仅是生物分子的集合物件。一些科学家武断地将病毒大小的上限设定为0.2 μm，将其本质设定为寄生虫，因此，他们将这些巨型病毒分类为低等生物世界。21世纪早期，这种想法开始发生了改变，因为人们鉴定出了一种生存于阿米巴体内的未知病毒。它有一些细菌和古细菌那么大，可以直接在光学显微镜下进行观察，这正符合了巴斯德最初提出的“微生物”的定义。但是，一些科学家将其命名为“咪咪病毒”，从进化的角度来说，它就是一种小型阿米巴生命体，实际上是一种小型化、拼装起来的混杂微生物。
   1992年，研究人员首次注意到了咪咪病毒的存在，但是根据它在光学显微镜下的观察结果，多年以来它一直被认为是一种细胞内细菌而已。后来，人们利用扫描电子显微镜绘制出了它的超微结构，并于2004年完成了其基因组序列的测定，从而证明了它事实上是一些病毒性生命体。咪咪病毒没有核糖体基因，但是它的基因组中包含了超过1200个基因，是当时已知的任何病毒基因组的三倍之多。它的基因组比许多细菌和古细菌的基因组大得多，有一些真核基因组那么大。咪咪病毒不是一种寻常的病毒。

与大多数其它病毒不一样，咪咪病毒所携带的基因在复制过程中编码表达着翻译机器。它的基因编码表达所谓的“病毒工厂”，也就是低等核糖体转录－翻译系统，将咪咪病毒的基因组片断序列大量拷贝出来，拼装成为病毒性子代。这种系统从病毒宿主中收集核苷酸，吸干阿米巴自己的细胞核DNA，将其消解成为核苷酸片断，并重新组装进入咪咪病毒序列之内。在大约16小时之内，阿米巴就因此而死亡掉，很快，每个病毒就连续不断地复制成为1万个巨型病毒颗粒。

在这种初步的发现基础上，科学家们从海藻、鞭毛虫和其它阿米巴等宿主内分离出了大量的巨型病毒来。对它们的基因的元基因组学研究表明，这样的巨型病毒存在于世界的各个角落。研究人员们正在热切地寻找新的巨型病毒，希望从复杂的环境中搜索更多的线索来发现新的病毒性生命体。

通过分析这些病毒的基因组，人们认识到它们是镶嵌体，换句话说，这些巨型病毒与它们的宿主及宿主内其它寄生生物之间相互交换遗传材料。这些病毒还与大型DNA病毒共享几种相同的基因，这种大型DNA病毒很小，不能在光学显微镜下观察得到。大型DNA病毒拥有50到200kb大小的基因组，基因组都相似：可变区包含着来自其它生物体的基因，而较稳定的区域则是该病毒所独有的。在科学界闻名遐迩的巨型病毒大都拥有这种基因组结构，从而使得生物分类学界将它们分类为一种新的目：巨型病毒目，在病毒分类树上是大型DNA病毒的姐妹群。根据这些基因组可变区的极端多样性，我们提出假说认为：这些病毒谱系与地球上其它微生物谱系一样历史悠久。

可以在光学显微镜下观察得到的生命粒子最早集中分类，称为微生物；然后于20世纪上半叶分类为真核生物和原核生物（生物分类学史上的林奈两分法），1977年又在生命树上增加了古细菌（三分法），现在人们提出了四分法。

大型病毒：新发现的巨型病毒，其规模和基因组大小可以使大多数其它病毒相形见绰，正在对科学家们对这些广泛存在的病原体的认识提出了挑战。

人们已经得到的数据提示，巨型病毒体内一些保守性良好的基因可以帮助重建病毒的进化历史。当然，系统发育树一般使用核糖体基因来构建，它们在病毒中完全没有。但是，病毒内确实携带着转移RNA和RNA聚合酶的基因。由这些基因构建的进化树提示这些病毒至少与前面提到的生物分类三分法范畴一样古老。根据某种已知功能的基因的聚类分析，我们将不同的基因组分类成四种类型：病毒、古细菌、细菌和真核生物。按照这种方式，巨型病毒在微生物中占有一席之地，称为生命的第四分枝。

在系统发育树上找到巨型病毒的位置后，人们就能够开始认识它们在生命进化中的作用。一些巨型病毒基因在彼此之间、与其它微生物株系呈高度相似关系，提示这些基因和巨型病毒拥有某种共同的祖先。

基因组DNA的进化可能保护这些病毒防范来自它们宿主的进攻，也使得它们的RNA可以防御和保护它们免受病毒的感染。并且，由于病毒从它们宿主体内吸取和排出遗传材料，病毒与宿主之间共享着DNA基因，它们之间的关系更加稳定，因而可以更好地适应于自然选择。由于所有这些发现还刚刚开始，要认识地球上生命的起源和进化还需要更多的工作，因此，长期以来受到忽视的病毒对于回答这些问题是关键性的。

对于物理大小和基因组大小对传统定义提出了挑战的传染原性病毒也就是巨型病毒的发现已经有10多年的历史了，这种发现中典型的有如潘多拉病毒，它只有1 μm长、直径为0.5 μm，是巨型病毒的纪录保持者。新近人们又发现了长约1.5 μm、直径0.5 μm的新病毒，称为西伯利亚皮斯病毒，打破了这种纪录。这种西伯利亚皮斯病毒是从西伯利亚永久冻土中的病毒组样品中鉴定出来的，这种样品有3万年的历史了。然而，在实验室条件下与阿米巴宿主相接触时，西伯利亚皮斯病毒就感染并吞噬了阿米巴细胞，引起人们思考当这种巨型病毒从冰川冻土扩散出来后，会给人类带来的危害。这样一种古代阿米巴感染病毒的复活，提示由于全球变暖或环极地地区工业化开采引起的永久冻土解冻，并不会规避它们未来对人类或动物健康的威胁。

【资料来源：The Scientist】

附件：原文

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