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研究进展:巨型病毒竟可为宿主提供代谢功能

核质大 DNA 病毒(NCLDV)的成员中包括了迄今为止发现的最大病毒(个头比一些细菌还大),其衣壳长度达1.5 μm,其基因组大小达到2.5 Mb。NCLDV 在多种生态系统(尤其海洋环境)中丰度都很高,然而,NCLDV 的发现及分离培养却比其他病毒晚了很多。
NCLDV 的物种多样性有多高?为什么NCLDV 会进化出如此庞大的病毒基因组?NCLDV 如何跟宿主互作?这些一直是科学家们想要解决的问题。
研究进展:巨型病毒竟可为宿主提供代谢功能
近日,美国弗吉尼亚理工学院的研究人员在Nature Communications上发表题为《Dynamic genome evolution and complex virocell metabolism of globally-distributed giant viruses》的研究论文,描述了核质大病毒(NCLDV)在推动宿主细胞代谢过程中重要而新颖的的作用,NCLDV影响的宿主代谢途径包括营养吸收、光能转化、碳代谢和氮代谢。通过参与宿主代谢调节,NCLDV 可能会重塑感染细胞的代谢功能。
研究思路

1. 开发生物信息学工作流程以从细胞宏基因组将NCLDV 基因组序列进行区别和提取;

2. 在广泛存在的巨型病毒物种中识别出各种代谢基因并研究其功能;

3. 研究巨型病毒的各种分支及基因进化背景。
主要结果
作者开发了一套工作流程,以从公开可用的宏基因组学数据生成NCLDV的基因组组装基因组(MAG)。分析了1545个宏基因组,生成了501个新的 NCLDV MAG。

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图1:NCLDV MAG与参考基因组的进化关系。
为了可视化整个NCLDV的基因共享模式,作者构建了代表基因组和OG的网络。从较长的进化时间尺度上来看,NCLDV的基因组进化是由混合的垂直遗传和横向基因转移驱动的。
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图2:NCLDV MAG和参考基因组的基因共享模式。
病毒感染与病毒颗粒的生产,可能会导致受感染细胞改变营养需求。作者在巨型病毒NCLDV 中识别出各种代谢基因,包括许多参与营养吸收和加工、光能收集和中央碳氮代谢的基因,说明这些病毒与其宿主之间存在复杂相互作用。
许多参与细胞生理过程的基因在NCLDV中(特别是在Mimiviridae和 Phycodnaviridae 病毒科)中广泛编码,例如细胞凋亡、营养摄取利用、和氧化应激调节相关的基因。
超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)是调节细胞氧化应激的关键因素,SOD在 NCLDV中普遍存在。巨型病毒的繁殖可能会引起宿主细胞的氧化应激,因此,抗氧化活性酶的存在对于防止对病毒复制所需细胞器件的损害可能至关重要。参与细胞凋亡调控的基因在巨型病毒中也很普遍,包括C14 家族 caspase 样蛋白和几种细胞凋亡抑制剂如Bax1。
小球藻病毒基因组编码介导宿主细胞膜去极化的钾离子通道蛋白(KcV),其可促进病毒基因组在宿主内传递。作者在所有Phycodnaviridae 和Mimiviridae病毒科主要进化枝的基因组中也鉴定出KcV,表明 NCLDV 广泛采用宿主膜去极化的感染策略。
大多数 NCLDV 存在于水环境中,其中养分的低可利用性可能限制了细胞的生长,在感染过程中改变养分获取策略可能是增加病毒产量的关键机制。
巨型病毒基因组中存在视紫红质,这些光驱动的质子泵在巨型病毒感染的宿主内潜在地重塑能量转换通路。在巨型病毒中广泛分布的叶绿素a/b结合蛋白,可能会增加受感染细胞的光捕获能力及光合作用,因为已知原生生物和植物会响应病毒感染抑制其光合作用机制,包括抑制叶绿素结合天线蛋白的产生。
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图3:NCLDV进化枝中直系同源基团和代谢酶的分布。
巨型病毒基因组中还存在铁蛋白(关键的真核铁存储蛋白)、铵转运蛋白(AmT)、磷酸盐渗透酶和磷酸盐:钠离子同向转运蛋白、硫转运蛋白(TauE / SafE家族)和铁锰转运蛋白的编码基因,说明病毒会改变受感染细胞的营养需求。
对于病毒来说,用自己基因组编码的转运蛋白促进养分如氮和磷的获取可能是至关重要的。最近的一项研究也表明,NCLDV编码的铵转运蛋白(AmT)可以通过改变铵吸收的动态来影响宿主细胞中的营养通量。
中央碳代谢通常是细胞生命的基本特征。有趣的是,许多NCLDV基因组编码参与中心碳代谢如糖酵解、糖异生、TCA循环和乙醛酸支路的大多数酶。这些基因显著富集于巨型病毒Mimivirus 和 Phycodnaviridae 的某些进化分支。糖酵解酶-3-磷酸甘油醛脱氢酶(G3P),磷酸甘油酸变位酶(PGM)和磷酸甘油酸激酶(PGK)以及 TCA 循环中的乌头酸酶和琥珀酸脱氢酶(SDH)尤其常见。
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图4:NCLDV中存在中央碳代谢酶。
NCLDV代谢基因的进化史
鉴定出的病毒代谢基因的系统发育以及它们的细胞同源物分析表明,NCLDV 的基因序列大部分位于在独立的深分支中。例如,乌头酸酶、琥珀酸脱氢酶亚基B和C、PhoH、3-磷酸甘油醛脱氢酶和超氧化物歧化酶、视紫红质都显示出明显的深分支病毒簇,并存在于多个NCLDV家族的成员中,表明它们共同起源于遥远的过去。
磷酸甘油酸激酶、叶绿素a/b结合蛋白和铵转运蛋白(AmT)似乎也已经中进化中获得了多次,但仍然有几个深病毒进化支。这些结果表明,尽管NCLDV从细胞宿主中获得了许多中央代谢基因,但其中许多代谢基因随后已多样化为病毒特异性谱系。
最近的一项研究表明,NCDLV起源很久,甚至可能早于最后的真核祖先。表明这些病毒与其宿主之间存在很长时间的共同进化,在此期间可能已经获取了这些功能基因。
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图5:可能与碳、养分代谢和光收集有关的代表性NCLDV基因的系统发生重建。
结语与思考
病毒在人们的印象中似乎是自私的,其存在类似于掠食者,会利用甚至杀死宿主(猎物)。病毒一直被视为可有可无的细胞生命的辅助物,因此,它们对生物地球化学循环的影响在很大程度上反映在其对宿主死亡率的影响上,而不是其自身因素如直接提供代谢活动相关的基因。
作者在这项研究中揭示,在NCLDV 基因组中编码的大量细胞代谢基因揭示了另一种观点,即病毒特异性酶在塑造病毒细胞生理中具有直接作用,NCLDV 拥有的大型基因组能够对其宿主细胞进行大量的基因重编程,或许可以提高宿主的代谢功能与环境适应性,也就是感染病毒会给宿主带来一定的益处。
这是令人惊奇的发现,或许能够改变人们对病毒都是邪恶破环者的看法。这项工作也扩大了作者对巨型病毒的各种分支及其进化背景的理解,这些结果为巨型病毒是生物地球化学循环的驱动因素之一提供了明确的证据。
在之前一篇综述《Persistent virus and addiction modules: an engine of symbiosis》,也有论证病毒带来的益处:巨型病毒可作为多细胞共生的介质,为其宿主提供保护作用。再往更广的方面延伸,我们大脑神经元中有基因叫Arc,其对于在哺乳动物大脑中长期存储信息至关重要,并且与多种神经系统疾病有关,缺失了Arc的小鼠无法形成长期记忆。而Arc与形成病毒衣壳的Gag蛋白具有同源性,其对于病毒感染性至关重要。大脑基因Arc很可能是由插入基因组中的反转录病毒演化而来的,它在大脑中能制造出看起来像病毒的空壳帮助转运RNA小分子(参考《Arc-An endogenous neuronal retrovirus?》)
自然界中还有很多我们未知的病毒,它们与宿主细胞可能也还存在的许多迷人的联系,而不仅仅是掠夺者或是破坏者,它们也可能是功能基因进化来源的缔造者或传递者。在奇妙的科学探索中,这层神秘的面纱将会被逐渐揭开。
参考文献:
1. Fang, Q.,Zhu, D., Agarkova, I., Adhikari, J., Klose, T., Liu, Y., Chen, Z., Sun, Y.,Gross, M. L., Van  tten, J. L., Zhang,X., & Rossmann, M. G. (2019). Near-atomic structure of a giant virus.Nature communications, 10(1), 388. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08319-6
2. Villarreal,& Luis, P. (2016). Persistent virus and addiction modules: an engine ofsymbiosis. Current Opinion in Microbiology, 31, 70-79. DOI:10.1016/j.mib.2016.03.005
3. Shepherd J.D. (2018). Arc – An endogenous neuronal retrovirus?. Seminars in cell &developmental biology, 77, 73–78. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2017.09.029

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