在俄勒冈州波特兰州立大学的一个研究团队在冒泡的火山温泉的恶劣环境中,发现了一种新的病毒基因组,它似乎是 DNA 病毒和 RNA 病毒之间重组的产物——一种以前从未见过的天然嵌合体。他们的发现于 4 月 19 日发表在《生物学前沿》杂志上。
病毒学家肯·斯特德曼说:“这是一种神话般的病毒野兽,但它确实存在。”他在 4 月 17 日于佐治亚州亚特兰大举行的美国宇航局天体生物学会议上介绍了其实验室的发现。
斯特德曼说,在加利福尼亚州北部拉森火山国家公园沸腾泉湖的酸性水域中,细菌群落中“病毒是唯一的捕食者”。为了更好地了解那里存在哪些类型的病毒,他和他的同事对湖泊样本中的数十万个病毒序列进行了宏基因组分析。结果包括一些意想不到的东西:一段 DNA,它编码一种蛋白质,而这种蛋白质直到现在才在 RNA 病毒的衣壳或“头部”中发现。通过将序列与其他遗传片段的序列进行比较,他们得出了一个完整的病毒基因组。在该基因组中,类似 RNA 的序列与 DNA 病毒特有的复制蛋白的另一个序列相邻。
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由此产生的单链环状基因组,被称为 BSL RDHV(沸腾泉湖 RNA-DNA 混合病毒的缩写),似乎是两个完全无关的病毒组之间重组事件的结果。RNA 基因并非来自能够产生逆转录酶(将 RNA 转化为 DNA 所需的酶)的病毒,因此尚不清楚 RNA 基因如何最终进入 DNA 基因组。斯特德曼说:“我们不知道它是如何发生的,但我们知道它发生了。”
斯特德曼提出了两种可能的解释。在一种情况下,一个 RNA 病毒、一个 DNA 病毒和一个逆转录病毒同时感染了同一个细胞;逆转录病毒使用其逆转录酶将 RNA 基因翻译成 DNA 拷贝,后者与 DNA 病毒基因组混合在一起。如果环境中存在自由漂浮的逆转录酶,这种情况也可能发生。或者,一种特殊的病毒连接酶蛋白(将核酸粘合在一起)可能将不同的 DNA 和 RNA 链连接起来,由此产生的混合密码然后复制到 DNA 中。斯特德曼说,这两种情况都是可能的,尽管有点牵强。
为了了解其他环境中是否存在类似的病毒,该团队筛选了全球海洋调查的序列数据库,并发现了三个包含相同两个基因的病毒序列。斯特德曼说:“有很多情况与 DNA 蛋白或 RNA 蛋白的序列匹配,因此可能有很多这样的病毒存在。”“但我们无法将它们联系在一起,所以我们无法确定。”
宏基因组分析只能让研究人员了解病毒的基因组,而不是病毒本身或其宿主。德克萨斯大学阿灵顿分校的进化遗传学家塞德里克·费斯科特说:“这种方法的缺点是,关于在环境样本中发现的病毒的生物学知之甚少。”“目前尚不清楚这些病毒是否是它们自己病毒组的良好代表。”斯特德曼承认这些局限性,现在计划通过进一步的采样来调查这些问题。
但是,这种独特病毒的存在表明,重组可能发生在数十亿年前就已分化的谱系之间。“有人假设,遗传系统进化的最早阶段的关键方面涉及小型、多样化的(达到了具有不同复制和表达策略的程度)病毒样遗传元件之间的猖獗重组和融合,”位于马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院的进化遗传学家尤金·库宁说。“斯特德曼的发现表明,不同病毒之间的这种重组确实会发生,并且可能是病毒进化的重要途径。”
费斯科特说:“DNA 和 RNA 病毒之间明显混合体的发现模糊了两个主要病毒群体之间的传统界限,进一步突出了病毒世界的可塑性以及病毒实体之间嵌合的无限可能性。”如果是这样,那么可能存在更多的嵌合体,等着病毒学家去发现它们。