Nature | 花样病毒如此多娇

作者 | 中科院Rhyme Z.

自2020年初以来，人们一直专注于一种特别讨厌的病毒SARS-CoV-2，但仍有大量其他的病毒等待被发现。科学家估计，在一段时间内，仅海洋中就有大约10³¹个单独的病毒粒子，是已知宇宙中恒星估计数量的100亿倍。正如新冠肺炎大流行提醒我们的那样，了解可能从一个宿主跳到另一个宿主，威胁我们、我们的动物或我们的作物的病毒非常重要。

在过去的十年里，随着技术的进步，已知和命名的病毒数量激增。仅在2020年，国际病毒分类委员会（ICTV）就在其官方名单上增加了1044个物种，还有数千个物种等待描述和命名。

2021年6月30日，Nature发表了题为《Beyond coronavirus: the virus discoveries transforming biology》的新闻报道。作者表示，无处不在的病毒也不全是坏的，科学家们正在识别和分类这个星球上数以百万计的病毒，以及它们对全球生态系统的贡献。

Nature | 花样病毒如此多娇

病毒无处不在

所有病毒都有两个共同点：每种病毒都将其基因组包裹在基于蛋白质的外壳中，每种病毒都依赖其宿主——无论是人、蜘蛛还是植物——来繁殖自己。但除了这种普遍模式之外，还有无尽的变化。

有只有两个或三个基因的微小圆环病毒，也有比某些细菌大并携带数百个基因的巨大假病毒；有看起来像月球着陆器会感染细菌的噬菌体，当然，还有世界现在痛苦地熟悉的致命刺球；有的病毒将基因储存为DNA，也有病毒使用RNA，甚至有一种噬菌体使用了另一种基因字母表，用Z取代了标准ACGT系统中的化学碱基A。

微生物学家Frederik Schulz在2015年研究废水中的基因组序列寻找细菌时，突然发现了一个巨大的病毒基因组。此后，他决定在宏基因组数据中集中搜索相关病毒。2020年，在一篇论文中，他和他的同事描述了包含巨型病毒的群体中的2000多个基因组；在此之前，只有205个这样的基因组被保存在公共数据库中。

宏基因组学发现了大量病毒，但也忽略了许多病毒。RNA病毒没有在典型的宏基因组中被测序，所以微生物学家Colin Hill和他的同事们在称为宏转录组的RNA数据库中寻找它们。研究小组利用计算技术从数据中提取序列，从污泥和水样中的宏转录组中发现了1015个病毒基因组。同样，他们用一张纸就大大增加了已知病毒的数量。

尽管这些技术有可能意外组装出不真实的基因组，但研究人员有质量控制技术来防止这种情况。但是还有其他盲点。例如，成员非常多样化的病毒物种极难找到，因为计算机程序很难将完全不同的序列拼凑在一起。

另一种方法是一次对一个病毒基因组进行测序，就像微生物学家Manuel Martinez-Garcia所做的那样。他决定尝试让海水通过一台分选机来分离单个病毒，放大它们的DNA，然后开始测序。在第一次尝试中，他发现了44个基因组。其中一个代表了海洋中最丰富的病毒。这种病毒非常多样化，它的基因拼图在不同的病毒颗粒之间变化非常大，以至于它的基因组从未出现在宏基因组学研究中。

病毒家谱

最初的ICTV病毒分类完全独立于细胞生命家谱，只包括进化层次的较低层次，从种和属到目，没有更高的水平。还有许多病毒家族独自漂浮，与其他种类的病毒没有联系。所以在2018年，ICTV增加了更高阶的等级：classes、phyla和kingdoms。在最顶端，它发明了“realms”，意在与细胞生命的“域”——细菌、古细菌和真核生物——相对应。

ICTV勾勒出了这棵树的分支，并将基于RNA的病毒归入一个名为核糖病毒的域，具有单链RNA基因组的新型冠状病毒和其他冠状病毒都属于这一域。接下来就要由更广泛的病毒学家群体来提出进一步的分类群了。进化生物学家Eugene Koonin组建了一个团队，分析所有病毒基因组以及病毒蛋白质的最新研究，以创建一个初稿分类单元。他们重组了核糖病毒，提出了另外三个域，并推测最终这些领域可能会达到25个。

这个数字支持了许多科学家的怀疑——病毒种类没有一个共同的祖先。Koonin认为，所有病毒都没有单一的根源，它根本不存在。这意味着病毒可能在地球生命史上出现过很多次，并且没有理由认为这种出现不会再次发生。病毒学家表示，新病毒的起源仍在继续。

至于域是如何产生的，病毒学家有几个想法。也许它们是在地球上生命出现之初，甚至在细胞形成之前，由独立的遗传元素进化而来的；也许他们从整个细胞中逃脱或“转移”，抛弃了大部分细胞机制，过上了最简单的生活。Koonin支持一种混合假说，即那些原始遗传元素从细胞生命中窃取基因来构建它们的病毒颗粒，因为病毒有多种起源，它们可能有多种起源方式。

病毒改变世界

由于地球上病毒的总质量相当于7500万头蓝鲸，科学家们确信它们会对食物网、生态系统甚至地球大气层产生影响，但科学家们仍在努力量化它们的影响有多大。

在海洋中，病毒可以从它们的微生物宿主中爆发出来，释放出碳，被其他吃宿主内脏的生物回收，然后产生二氧化碳。但是最近，科学家们也开始意识到，破裂的细胞通常会聚集在一起，沉入海底，将碳从大气中隔离出来。在陆地上，融化的永久冻土是碳的主要来源，病毒似乎有助于该环境中微生物释放碳。

病毒还可以通过搅动其他生物的基因组来影响它们。例如，当病毒将抗生素抗性基因从一种细菌转移到另一种细菌时，耐药菌株可以接管。随着时间的推移，这种转移会在种群中产生重大的进化变化。不仅仅是在细菌中——估计有8%的人类基因来自病毒。例如，我们的哺乳动物祖先从一种病毒中获得了胎盘发育所必需的基因。

对于许多关于病毒生活方式的问题，科学家需要的不仅仅是基因组，他们还需要找到病毒的宿主。病毒本身可能携带线索：例如，它可能在自己的基因组中携带了一点可识别的宿主遗传物质。进化生态学家表示，为了了解病毒的全部影响，科学家需要弄清楚它是如何改变宿主的。

对于病毒来说，找到它们其实很容易，但区分病毒如何影响宿主生命周期和生态要复杂得多。但首先，病毒学家必须回答一个最棘手的问题，你如何选择研究哪个？

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-01749-7