大病毒

作者：貝塔-魚

病毒不是嚴格意義上的生命，只能寄生在宿主細胞內。病毒很小，結構也非常簡單，通常由一種核酸（DNA或RNA）和蛋白質外殼構成，有些病毒還含有脂質和蛋白質組成的包膜。有一類被稱為類病毒的傢伙乾脆連蛋白質都不要了，只剩下一個RNA基因組「繁衍生息」。而朊病毒只是一類具有異常結構的蛋白質，所以科學家們一直在爭論是否應該把它劃入病毒。病毒基因組所編碼的蛋白質種類非常有限，一般僅包括構成病毒顆粒的結構蛋白，負責病毒基因組複製和病毒顆粒組裝的非結構蛋白，而病毒複製擴增所不可缺少的蛋白質翻譯和物質能量代謝等過程都需要依靠宿主細胞來完成。

相比病毒而言，細胞體積要大得多，成分和結構也更為複雜。後者同時含有DNA和RNA兩種核酸，基因組編碼信息量大，能夠自主進行物質能量代謝和蛋白質合成，而且具有增殖的能力或潛力。所以，所有真核細胞和原核細胞，無論是單細胞的還是多細胞的，都和病毒劃清了界限。科學家往往通過上述特徵，來區分病毒和細胞生命體。但是，地球上的生命類型是多樣的，當我們絞盡腦汁為它們劃定界限時，總會出現一些「不守規矩」的傢伙。

有一類比較特殊的微生物叫衣原體，它的體積比典型的細菌小很多，寄生於活細胞中，過去一度被認為是一種病毒。但是隨著認識的深入，科學家發現，衣原體生命周期雖然需要宿主細胞提供能量，但其同時含有DNA和RNA兩種核酸，外被與細菌類似的細胞壁，同時還對多種抗生素敏感，所以後來將其歸入廣義的細菌範疇。

到了1992年，又有一種「不守規矩」的傢伙出現了。這也是一種寄生體，它在革蘭氏染色（細菌鑒別染色方法）時類似於細菌，但是只含有一種類型的核酸，不能自主完成生命周期。由於這些特徵，科學家在2003年時將它歸為病毒，並正式命名為Mimivirus（mimi: mimicking microbe，酷似細菌）。發現一種新的病毒不是新鮮事，因為現在已經發現的病毒僅佔了地球上病毒種類的一小部分。然而，Mimivirus的發現卻徹底刷新了人們對於病毒的認識，原因在於，這種病毒很大，超過了人們原本認為病毒所應該擁有的大小，於是科學家們興奮地宣布，他們發現了世界上最大的病毒。

這種病毒大到什麼程度呢？ 我們回顧一下病毒的發現來說這個問題。

100多年前，孟德爾剛剛種出他那劃時代的豌豆，一種會導致煙草這一經濟作物減產的花葉病引起了人們的關注。1892年，俄國科學家伊凡諾夫斯基把患有花葉病的煙草葉子搗碎成汁，並用使用一種濾器來過濾，卻發現過濾液仍能導致另外的植株生病。他使用的濾器孔徑大約為0.2-0.4微米，而典型的細菌直徑大約在0.5微米到5微米之間，這種孔徑的濾器可以過濾掉幾乎所有的細菌，所以他認為這種感染性物質可能是細菌分泌的毒素。隨著研究的深入，科學家發現這是一種具有傳染性的可溶性分子，並可在宿主細胞內擴增。現在我們知道，這種可溶性分子就是病毒，它的直徑通常小於0.2微米，可以自由的通過細菌濾器，所以在相當長一段時間裡，病毒也被稱為濾過性病毒，還有人利用這種方法來判斷一種微生物是不是病毒。

Mimivirus的直徑大約在0.4-0.5微米，它的直徑比脊髓灰質炎病毒（直徑約為0.02-0.03微米）大幾十倍，幾乎不能通過細菌濾器，所以這種寄生物放在過去，肯定是不會被歸入病毒範疇的。Mimivirus的大小不僅體現在體積上，它的基因組含有近120萬個鹼基對，相比之下，脊髓灰質炎病毒僅含有約7500個鹼基對。科學家對其基因組序列分析後發現，這種病毒大約編碼1000多個基因，是一般病毒的幾十倍到上百倍，而且其中相當一部分從來沒有在已知的病毒中發現過。更讓科學家驚訝的是，這種病毒竟然自己編碼了涉及基因組DNA修復和蛋白質翻譯功能的部分基因，而這些功能一直以來都被認為僅存在於細胞生命體中。不過，由於Mimivirus不編碼核糖體相關蛋白，所以它仍然需要藉助宿主細胞的翻譯系統才能完成自己蛋白質的翻譯。

【Mimivirus在三域系統上的分支 圖片來源：http://www.giantvirus.org/intro.html】

2008年，科學家們又發現了一種大病毒，命名為Mamavirus （其實起這個名字是為了和Mimivirus相呼應，連來就是媽媽咪咪病毒）。這種病毒的大小和基因組長度與Mimivirus差不多，它的宿主也是阿米巴原蟲。這些發現，使得科學家們對於這類巨型病毒（giant virus）的研究越來越感興趣。

2011年，一種更大的病毒在智利海岸被分離出來，這種病毒被命名為Megavirus chilensis，個頭比Mimivirus大6.5%，基因數量也多了10%。於是科學家們又一次興奮地宣布，他們發現了世界上最大的病毒。

然而，這個記錄僅保持了兩年就被刷新了。2013年7月，同為發現Megavirus chilensis的研究小組又宣布他們發現了兩種更大的病毒，分別是從智利Tunquen河口的表層沉積物層中採集到的Pandoravirus salinus（潘多拉病毒，salinus：鹹的），和從澳大利亞墨爾本附近的一個淺層淡水池塘分離到的Pandoravirus dulcis（潘多拉病毒，dulcis：甜的），這兩種病毒的宿主也是阿米巴原蟲。

【左圖：潘多拉病毒；右圖：棘阿米巴細胞內的潘多拉病毒，都是鹹的圖片來源：Nadège Philippe et al. Science, 2013】

潘多拉病毒的發現，再一次刷新了人們對於病毒的認識，它的長徑可以達到1微米，甚至超過了一些細菌（金黃色葡萄球菌直徑在0.5-1.0微米），已經可以輕鬆的在普通光學顯微鏡下看到。其中鹹的潘多拉病毒基因組長度達到247萬個鹼基對（大腸桿菌基因組長度大約為400多萬個鹼基對），編碼了2500多個基因，大約為人類基因組編碼數量的十分之一。

經過初步分析，潘多拉病毒基因組中有約93%的基因功能未知，而且在目前已知的生命體中找不到相似的基因。在可知的信息中，科學家發現潘多拉病毒也編碼了一些蛋白質翻譯系統中的組分，但仍然不能自己完成蛋白質合成。另外，依然沒有找到負責糖代謝的酶和構成細胞骨架的蛋白，而這些蛋白質在細胞生命體物質能量代謝和分裂增殖中發揮了重要的功能。同時，科學家在潘多拉病毒的基因組中發現了大量的內含子，這進一步增加了其基因組的複雜性。由於對這種病毒知之甚少，還很難對它的起源和進化進行研究，也正是由於有太多的未知，對於這種病毒的研究就像打開了潘多拉魔盒，裡面會有更多的驚奇等待著科學家們去發現。

潘多拉病毒的發現著實又讓科學家們興奮了一次，這項研究發表在著名的《科學》雜誌上，同樣，他們又一次向世界宣布，這是目前發現的世界上最大的病毒。誰也不知道未來還會不會有更大的病毒被發現，不過，大病毒的發現，打破了人們對於病毒的經典認識，促使科學家們重新思考病毒的定義以及生命和非生命界限的劃分。

有科學家認為大病毒可能來源於某些單細胞生物體，它們在進化過程中丟失了一些基因，便成為了靠寄生生活的病毒。由於大病毒的特殊性，也有科學家建議將它們單獨劃為一域，並加入以往分為細菌，古生菌和真核生物的三域系統。然而，目前，這些巨型的寄生微生物仍被歸入病毒範疇，是因為在一定程度上，它們仍然符合經典病毒的特徵，比如只含有一種核酸，不能自主進行能量代謝，無法自我分裂增殖，只在宿主細胞中顯示出生命特性。也正是因為「不守規矩」，大病毒的發現進一步拉近了生命與非生命之間的距離，也為生命起源和進化的研究提供了重要的信息。

值得欣慰的是，現在發現的大病毒對人類並沒有什麼威脅，僅有極少數報道說Mimivirus可能會引起人類肺炎。最後，推薦 Giant Virus Site （www.giantvirus.org）給大家作為學習資料，這個網站上收集了近年來人們對於巨型病毒的認識，同時還列出了基因組最大的100多種病毒的信息 （http://www.giantvirus.org/top.html）。

La Scola B. et al, A Giant Virus in Amoebae. Science 2003; 299: 2033

Arslan D. et al, Distant Mimivirus relative with a larger genome highlights the fundamental features of Megaviridae. PNAS 2011; 108: 17486-17491

Nadège Philippe et al. Pandoraviruses: Amoeba Viruses with Genomes Up to 2.5 Mb Reaching That of Parasitic Eukaryotes. Science 2013; 341: 281-286

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