交叉病毒产生了特殊的杂交变种

交叉病毒产生了特殊的杂交变种

2021 / 01 / 31

数百万年来,病毒参与了广泛的进出口业务,它们自身的片段与病毒和非病毒的媒介进行交换并获得了新的特征。这些微小的实体虽然缺乏外在的复杂性,但它们却拥有惊人的能力,能够弥补模块基因组组件的交换能力,并不断地进行自我改造。

在mBio杂志上发表的一项新研究中,Arvind Varsani和他的同事研究了最近发现的一类病毒,这些病毒已将病毒世界独有的多功能性提升到了新的高度。

这些被称为十字花科病毒的微小形态,揭示了RNA和DNA病毒的成分融合,证明了这些先前不同的基因组结构域可以在适当条件下充分混合,产生杂交或嵌合病毒变异体。

Varsani是亚利桑那州立大学(ASU)生物设计中心基础与应用微生物学中心的病毒学家,他对这些新病毒深感兴趣,这些新病毒开始在更广泛的环境中出现并大量繁殖,数量越来越多,种类也越来越多。

Varsani是亚利桑那州立大学(ASU)生物设计中心基础与应用微生物学中心的病毒学家,他对这些新病毒深感兴趣,这些新病毒开始在更广泛的环境中出现并大量繁殖,数量越来越多,种类也越来越多。

ASU生命科学学院副教授Varsani表示:“很高兴看到在同一时间研究小组首次鉴定出十字花科病毒,并联合起来合作共享和挖掘宏基因组数据,旨在鉴定出更多更广泛的十字花科病毒。”

Arvind Varsani是ASU生命科学学院生物设计中心的病毒学家。

城镇出现新病毒

Varsani的同事,合著者Kenneth M. Stedman和他在波特兰州立大学的研究小组鉴定出了十字花科病毒的序列。研究小组在加利福尼亚北部拉森火山国家公园的沸腾温泉湖(BSL)这种极端环境中发现了大量的病毒。大约在同一时间,Varsani和Mya Breitbart的研究小组在佛罗里达的蜻蜓样本中发现了一种十字花科病毒。

自从2012年十字花科病毒被发现以来,它已经在世界各地的不同环境中被人们发现,包括从纽约州北部和佛罗里达州的湖泊到南极和深海沉积物。目前的研究已经鉴定出大约80种不同的十字花科病毒,其数量已扩大到461种。

第一批交叉病毒是通过一种被称为病毒宏基因组学的技术鉴定得出的,这种技术将这种直接从环境中获得的病毒遗传物质进行测序,而不是放在宿主物种或自然宿主中进行培育或培养。

这些早期研究的结果揭示了与之前所见完全不同的特殊遗传序列。这些序列清楚地显示了DNA病毒的特征,但似乎还包含着一个源自RNA病毒的基因。

病毒宏基因组学使用猎枪的方法在潜在的巨大序列空间中搜寻,这样一来研究人员就能够像渔夫从他的网中取出各种海洋生物一样识别出环境样本中存在的所有基因组模式,并分离出不同的病毒序列。

这项技术彻底改变了病毒学的学科。除了能够识别出以前未知的病毒外,宏基因组学还提供了很多令人兴奋的线索,这些线索有关遗传的多样性,并有助于解开某些病毒进化的秘密,所有这些都不需要一开始在实验室隔离病毒物种或培养病毒。

形式与功能

十字花科病毒属于更广泛的一类病毒,它被称为CRESS(环状rep编码单链DNA病毒),最近被归类为Cressdnaviricota门。这类病毒的主要特征是它们的复制方式,该方式依赖于一种被称为Rep蛋白的特定成分。Rep蛋白对于指导这些病毒的复制方法很重要,这被称为DNA滚动循环复制。 Rep蛋白和滚动循环复制的存在确定了一种属于cressdnaviruses的病毒,并能帮助研究人员理清在病毒世界中发现的极其复杂的关系与谱系。

除了在cressdnaviruses中发现的Rep外,十字花科病毒还包含另一个重要的中心特征——衣壳蛋白,这与以前只在RNA病毒中发现的衣壳蛋白极为相似。衣壳是至关重要的,它能形成包围病毒身份(其遗传序列)的外壳或包膜。衣壳可以保护被宿主细胞酶消化而隔离在衣壳内的重要核酸,使病毒颗粒能够附着在宿主细胞上,并使病毒能够逃避宿主细胞的防御。最后,衣壳具有特殊的特性,它使病毒刺穿宿主的细胞膜,将病毒核酸注入该细胞的细胞质。

分析表明,十字花科病毒的衣壳蛋白与另一种感染植物的单链RNA病毒的衣壳蛋白密切相关。该病毒是一种已知的会感染植物的单链RNA病毒。这种杂交病毒既包含DNA病毒也包含RNA病毒,并且包含RNA的编码成分,而这正是使十字形病毒如此独特的原因。

来源不明

但是普通的cressdnavirus病毒是如何获得RNA病毒衣壳蛋白的编码序列的呢?尽管可能发生了某种形式的横向基因转移,但这仍然是一个颇有争议的问题。

病毒可以从其直接祖细胞获取基因,这种遗传特征和人类父母将遗传特征传递给后代的方式一样。然而病毒在遗传上显得更加混乱且复杂,它们会从被感染的细胞、其他不相关的病毒甚至是细菌的共生体中收集新的基因。(这种现象在细菌中也很普遍,细菌可以通过水平基因转移获得抗生素耐药性。)

通过这样的机制,一种cressdnavirus获得了RNA病毒衣壳样基因,从而产生了第一个十字病毒。这似乎还表明着各种十字形病毒之间也在积极地交换功能元件,这进一步扰乱了它们的进化史。

虽然十字花科病毒DNA-RNA重组的方式仍然是个谜,但原因也可能更直接简单。显然,从这种边缘的病毒来源中借用遗传特征的能力可以为单链DNA病毒提供相当大的适应性优势。

珍藏版

在当前的研究中,研究人员探索了包括461个十字花科病毒和从不同环境和生物中识别的10个衣壳编码环状遗传元件的巨大数据集,这成为了迄今为止最广泛的十字花科病毒序列研究。

研究发现,这些样本潜伏在温带湖泊到永久冻土的各种环境中的红藻和无脊椎动物等生物体内。研究指出,stramenopiles/alveolates/Rhizaria或SAR超群(真核生物的多样性组合,包括许多光合生物)可能是这些不寻常病毒的候选宿主,不过这一点尚未得到证实。

在检查了这些意外收获的序列之后,研究人员将十字病毒蛋白质与相关病毒组合成相似的网络,试图更好地了解可能导致它们扭曲进化路径的原因,由此他们发现了许多大型病毒家族之间具有丰富病毒特性的异花授粉。包括双联病毒科,圆环病毒科,纳米病毒科,有两个分支的关于双生病毒和与alpha卫星相关的纳米病毒科,单链DNA病毒科,杆菌病毒科、与动物相关的单链DNA病毒科和人类DNA病毒科之间也存在丰富的病毒特性交叉授粉。

有趣的问题仍然存在

这些发现可能为从RNA作为生命的主要遗传分子到采用更复杂DNA基因组的早期转变提供了新的见解,而后者已成为细胞世界中主导生命的主要遗传分子。交叉病毒的存在和行为表明,病毒可能在这一至关重要的转变中起着至关重要的作用,在生命最早出现的时候,它充当了RNA和DNA世界之间的一种基因组桥梁,不过现在还需要做更多的工作来探索这些可能性。

病毒通过无穷无尽的形式重组,成为了地球上最普遍存在的生物实体,影响着每一个生物体,并占据着每个生态位。越来越多的病毒显示,它们不仅是疾病的代理人,还是物种进化的驱动者和塑造生态系统的重要角色。

十字形病毒从病毒序列空间中最遥远的区域借用基因组元件的能力扩大了,这表明,虽然远缘病毒之间发生了大量的重组事件,但仍可能会产生新的病毒群。

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