Cell 子刊：揭开病毒进化的秘密

理论论证和经验证据一致表明，所有细胞生命形式都可以作为多种病毒的宿主。病毒表现出巨大的多样性，事实上，单个病毒家族的序列多样性可能超过整个细胞生命领域的多样性，因此，对病毒基因的深层进化关系和祖先的识别极其具有挑战性。

2022年7月13日，美国国家生物技术信息中心在Cell Host＆Microbe杂志发表了名为“The logic of virus evolution”的文章，该研究用一个简单的功能逻辑解释了病毒的宏观进化，定义了病毒的进化过程：

Cell 子刊：揭开病毒进化的秘密

产生病毒基因组惊人多样性的基因获得是由细胞蛋白质适应对病毒繁殖至关重要或有益的功能的简单逻辑控制的。
这种适应包括直接获得一种细胞功能或外延，即获得的蛋白质的功能发生变化，通常伴有原有活性的消除。
这种重新利用细胞蛋白质的逻辑决定了病毒宏观进化的轨迹，包括在与军备竞赛的相互作用中出现新的病毒群。

01 病毒与宿主细胞的军备竞赛

病毒进化的标准概念是，在一场常年的军备竞赛中，病毒与细胞宿主锁在一起。在这场竞赛中，宿主进化出多样化的反病毒防御机制，而病毒则以进化的反防御系统来回应，抑制宿主的防御。

与军备竞赛相辅相成的是病毒与其宿主之间广泛的基因流动。病毒经常获得宿主基因并利用它们在病毒繁殖和病毒-宿主相互作用中发挥作用，相反，宿主捕获病毒基因并将其重新用于防御和其他细胞功能。

与生物体之间的水平基因转移相比，病毒与宿主之间的基因流动是病毒繁殖的关键特征，这个过程严格在细胞内发生，使复制的病毒基因组与宿主的基因组和mRNA密切接触。

从上述角度出发，研究人员研究了病毒是如何捕获宿主基因的，以及近40亿年的病毒-宿主共同进化过程是如何塑造病毒基因组的。

02 病毒标志蛋白VHPs

研究人员首先通过对病毒蛋白质组的比较分析，确定了一小组病毒标志蛋白(VHPs)。这些蛋白质广泛分布在不同的病毒中，复制相关VHPs在病毒基因组复制过程中发挥作用，而结构性VHPs在病毒粒子包括基因组包装到衣壳形成中发挥关键作用。

由于病毒衣壳蛋白CPs的氨基酸序列通常比与复制相关的VHPs进化快得多，研究人员由此通过建立不同病毒组CPs的进化关系来推断其起源。最终发现VHPs极有可能是在生命进化早期，现代类型细胞出现之后，从细胞祖先进化而来的。

Cell 子刊：揭开病毒进化的秘密

03 病毒进化框架

鉴于病毒及其基因的巨大多样性，研究人员最终将许多进化路线容纳于一个简单而有逻辑的概念框架：

病毒的进化是由一组参与基因组复制的核心必需蛋白质所形成的，这些蛋白质可以追溯到进化的前细胞阶段。
除了这些明显的原始蛋白质外，病毒的进化可以描述为从宿主捕获基因以及基因在病毒之间的水平传播和病毒繁殖中发挥各种作用的其他可移动遗传元素。

总的来说，从宿主身上捕获的基因遵循两种不同的进化路径：当蛋白质在病毒繁殖中执行与它们祖先相同功能时通过直接招募作用进化；当宿主基因被重新用于病毒特异性功能时通过异化作用进化。

但是，宿主基因为实现病毒功能而进行的直接招募和外移均表现出普遍的趋同，不同的病毒可独立获得不相关或远亲的基因。这种高度的趋同率似乎是由涉及病毒复制和表达的相对狭窄的功能范围决定的。参与病毒-宿主相互作用的基因的功能多样性要大得多。

一般来说，病毒基因组越大，它编码的辅助功能就越多。病毒基因组的生长是获得各种辅助基因的结果，这些辅助基因增加了病毒的适应度或操作自主性，尽管它们的可用功能对宿主细胞来说很大程度上是多余的。

病毒中这种明显的功能冗余背后的逻辑可能涉及在抗病毒防御时克服宿主对这些功能的限制的能力。此外，这种冗余功能可以提高宿主的代谢潜力，以维持病毒的活性繁殖，并确保通过专门的亚细胞靶向信号定位最适合病毒繁殖的蛋白质。

综上所述，病毒的进化逻辑是由病毒的关键生物学特征决定的，即专性细胞内寄生。这种生活方式为病毒提供了大量直接侵夺宿主活动的机会，同时也决定了克服大量宿主防御系统的必要性。相反，病毒基因在许多情况下被宿主捕获，在病毒基因组环境中进化的一些蛋白质功能被宿主扩展，这证明了基因和功能在病毒和细胞之间广泛的双向转移。