病毒是不是生物？新證據說是

（芒果妖怪/譯）病毒是生物，它們和細胞一同經歷了漫長的進化史——這一假說最近得到了一項新研究^[1]的支持。研究人員稱，這項研究首次提供了可靠的方法，將病毒的演化追溯到病毒和細胞都還不以當前形式存在的時期。這項新發現發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

伊利諾大學作物科學教授、卡爾·烏斯基因組生物學研究所教授古斯塔沃·凱埃塔諾-安諾萊斯（Gustavo Caetano-Anollés）帶領研究生阿爾上·納西爾（Arshan Nasir）完成了這項分析。

古斯塔沃·凱埃塔諾-安諾萊斯的團隊用生物信息學方法分析了病毒蛋白質的摺疊，從而追溯其演化歷程。

圖片來源：L. Brian Stauffer/illinois.edu

古斯塔沃表示，在此之前，病毒的分類相當困難。國際病毒分類委員會在它最新的報告中將病毒根據形態大小、遺傳結構和增殖方式將之劃分出了7個目。「基於這種分類方式，同一目下不同科的病毒很可能來自共同的病毒祖先。」論文作者寫道，「然而，（104個科中）僅有26個能歸到特定目中，它們中大多數病毒的進化關係也尚不明確。」

這種不明確部分歸因於病毒的豐富多樣。儘管科學家估計有超過100萬種病毒，但目前經過鑒定並測序的病毒還不到4900種。很多病毒極小，比細菌和其他微生物還要小很多，並且只包含少數基因；有些病毒——比如近期發現的擬菌病毒（mimivirus）——卻個體巨大，基因組也甚至比某些細菌的還大。

圖中展示的分別是噬菌體（225nm）、艾滋病病毒（120nm）、埃博拉病毒（970nm）和西伯利亞闊口罐病毒（1500nm）。多種多樣的形態、基因組大小和生活方式使病毒分類非常困難。

圖片來源：Julie McMahon

這項新研究專註於研究龐大的蛋白質摺疊結構（folds）庫——所有細胞和病毒的基因組都編碼蛋白質，而摺疊是蛋白質結構的基石，賦予蛋白質複雜的三維形狀。通過比較「生命之樹」各分支上蛋白質摺疊結構的異同，研究人員能夠重建摺疊結構的演化史，以及編碼這些結構的生物體的演化史。

古斯塔沃解釋，研究人員之所以選擇研究蛋白質的摺疊結構，是因為病毒基因組的序列在不斷地迅速改變，它們的高突變率模糊了深藏其中的進化跡象。蛋白質摺疊結構是更好的古事件標記，因為即使編碼蛋白質的基因序列開始發生變化，其三維結構依然可能維持不變。

通過研究蛋白質的摺疊結構，研究者得以窺視各種病毒間可能的演化關係。

圖片來源：Arshan Nasir

分析結果提示病毒起源於多種古細胞

如今，很多病毒（包括致病病毒）佔用宿主細胞的蛋白質組裝機器來自我複製，從而繼而擴散到其他細胞。病毒常常將自己的遺傳物質插入到宿主DNA中。事實上，古病毒的整合痕迹已經成為了現在大多數細胞生物體基因組的永久特徵——包括人類在內。古斯塔沃說，這種轉移遺傳物質的本領可能是病毒最初充當「多樣性傳播者」角色的證據。

研究人員分析了涵蓋了生命樹所有分支的5080種生物體（包括3460種病毒）中已知的蛋白質摺疊結構。利用先進的生物信息學方法，他們鑒定出細胞和病毒共享的442種蛋白質摺疊結構，另有66種為病毒所特有。「這說明你能構建一棵生命樹了，因為你在病毒中發現了大量的特徵，這些特徵所具有的性質不但在細胞里存在，在病毒里也都存在。」 古斯塔沃說，「而除了和細胞共有的這些組分，病毒也有自己獨特的結構。」

古斯塔沃說，事實上，此次研究在病毒中發現了從未在細胞中出現過的基因序列。這和「病毒的所有基因都來自於細胞」的假說相悖。他說，這一點，聯合其他發現，也支持病毒是「開拓創新者」的觀點。

利用在線蛋白質摺疊結構資料庫，納西爾和古斯塔沃用計算機方法構建了包括病毒在內的生命樹。數據顯示，「病毒起源於多種古細胞……並且和現代細胞的祖先共存。」古斯塔沃說，這些古細胞很可能含有不連續的RNA基因組。

根據442種由病毒與細胞生物共享的蛋白質摺疊結構重建的系統發生樹。

圖片來源：研究論文[1]

古斯塔沃說，數據還顯示，在進化史的某個節點，即現代細胞生物出現不久後，大多數病毒獲得了將自己包裝進蛋白質外殼的能力，以保護其遺傳物質、使其部分生活史能夠發生在宿主細胞外，並進行傳播。形成病毒衣殼的蛋白質就包含病毒特有的蛋白質摺疊結構。

「隨著時間推移，這些衣殼變得越來越精細，使得病毒能夠感染那些原先能抵抗它們的細胞。」納西爾說，「這是寄生的典型特徵。」

有些科學家認為病毒並非生物，只是依存於細胞生命的DNA和RNA片段。他們指出，病毒不能在宿主細胞外複製（增殖），還要依靠細胞的蛋白質組裝機器執行功能。但是很多證據顯示，病毒和其他生物體的區別並沒有那麼大，古斯塔沃說。

「很多生物體都需要依賴其他生物體生存，比如生活在細胞內的細菌、專性寄生關係中的真菌—他們依靠宿主完成生活史。」他說，「病毒也正是這麼做的。」

古斯塔沃說，巨大的擬菌病毒在21世紀初被發現，也挑戰了關於病毒本質的傳統觀點。「這些巨大的病毒與只有7個基因的微小的埃博拉病毒不同，它們體型龐大，還有巨大的基因庫。」他說，「有些病毒的外形、基因組都和寄生細菌差不多大，甚至比它們更大。

古斯塔沃說，有些巨大的病毒還有編碼翻譯過程（即細胞讀取基因序列，組建蛋白質的過程）中關鍵蛋白質的基因，而病毒內缺乏翻譯機器曾是人們將它們歸為非生命體的理由。

「這理由時過境遷了。」古斯塔沃說，「現在病毒值得在生命樹中佔有一席之地了。顯然，病毒可沒我們以前想得那麼簡單。」

（編輯：Calo）

1. Nasir, Arshan, and Gustavo Caetano-Anollés. "A phylogenomic data-driven exploration of viral origins and evolution." Science Advances 1.8 (2015): e1500527.

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