大病毒

昵稱535749 2013-12-17

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大病毒

花栗鼠習作發(fā)表于 2013-12-17 07:17

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(nèi)。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(zhì)外殼構成，有些病毒還含有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的包膜。有一類被稱為類病毒的家伙干脆連蛋白質(zhì)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(zhì)，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(zhì)種類非常有限，一般僅包括構成病毒顆粒的結構蛋白，負責病毒基因組復制和病毒顆粒組裝的非結構蛋白，而病毒復制擴增所不可缺少的蛋白質(zhì)翻譯和物質(zhì)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，成分和結構也更為復雜。后者同時含有DNA和RNA兩種核酸，基因組編碼信息量大，能夠自主進行物質(zhì)能量代謝和蛋白質(zhì)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?？茖W家往往通過上述特征，來區(qū)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(xiàn)一些“不守規(guī)矩”的家伙。

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，寄生于活細胞中，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(fā)現(xiàn)，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，所以后來將其歸入廣義的細菌范疇。

到了1992年，又有一種“不守規(guī)矩”的家伙出現(xiàn)了。這也是一種寄生體，它在革蘭氏染色（細菌鑒別染色方法）時類似于細菌，但是只含有一種類型的核酸，不能自主完成生命周期。由于這些特征，科學家在2003年時將它歸為病毒，并正式命名為Mimivirus（mimi: mimicking microbe，酷似細菌）。發(fā)現(xiàn)一種新的病毒不是新鮮事，因為現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的病毒僅占了地球上病毒種類的一小部分。然而，Mimivirus的發(fā)現(xiàn)卻徹底刷新了人們對于病毒的認識，原因在于，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，于是科學家們興奮地宣布，他們發(fā)現(xiàn)了世界上最大的病毒。

這種病毒大到什么程度呢？我們回顧一下病毒的發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟作物減產(chǎn)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，并用使用一種濾器來過濾，卻發(fā)現(xiàn)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(zhì)可能是細菌分泌的毒素。隨著研究的深入，科學家發(fā)現(xiàn)這是一種具有傳染性的可溶性分子，并可在宿主細胞內(nèi)擴增?，F(xiàn)在我們知道，這種可溶性分子就是病毒，它的直徑通常小于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里，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(zhì)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范疇的。Mimivirus的大小不僅體現(xiàn)在體積上，它的基因組含有近120萬個堿基對，相比之下，脊髓灰質(zhì)炎病毒僅含有約7500個堿基對。科學家對其基因組序列分析后發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(zhì)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于細胞生命體中。不過，由于Mimivirus不編碼核糖體相關蛋白，所以它仍然需要借助宿主細胞的翻譯系統(tǒng)才能完成自己蛋白質(zhì)的翻譯。

【Mimivirus在三域系統(tǒng)上的分支圖片來源：http://www./intro.html】

2008年，科學家們又發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，使得科學家們對于這類巨型病毒（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(shù)量也多了10%。于是科學家們又一次興奮地宣布，他們發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)Megavirus chilensis的研究小組又宣布他們發(fā)現(xiàn)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采集到的Pandoravirus salinus（潘多拉病毒，salinus：咸的），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(nèi)的潘多拉病毒，都是咸的圖片來源：Nadège Philippe et al. Science, 2013】

潘多拉病毒的發(fā)現(xiàn)，再一次刷新了人們對于病毒的認識，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(jīng)可以輕松的在普通光學顯微鏡下看到。其中咸的潘多拉病毒基因組長度達到247萬個堿基對（大腸桿菌基因組長度大約為400多萬個堿基對），編碼了2500多個基因，大約為人類基因組編碼數(shù)量的十分之一。

經(jīng)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(fā)現(xiàn)潘多拉病毒也編碼了一些蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)中的組分，但仍然不能自己完成蛋白質(zhì)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(zhì)在細胞生命體物質(zhì)能量代謝和分裂增殖中發(fā)揮了重要的功能。同時，科學家在潘多拉病毒的基因組中發(fā)現(xiàn)了大量的內(nèi)含子，這進一步增加了其基因組的復雜性。由于對這種病毒知之甚少，還很難對它的起源和進化進行研究，也正是由于有太多的未知，對于這種病毒的研究就像打開了潘多拉魔盒，里面會有更多的驚奇等待著科學家們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

潘多拉病毒的發(fā)現(xiàn)著實又讓科學家們興奮了一次，這項研究發(fā)表在著名的《科學》雜志上，同樣，他們又一次向世界宣布，這是目前發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，不過，大病毒的發(fā)現(xiàn)，打破了人們對于病毒的經(jīng)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于某些單細胞生物體，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。由于大病毒的特殊性，也有科學家建議將它們單獨劃為一域，并加入以往分為細菌，古生菌和真核生物的三域系統(tǒng)。然而，目前，這些巨型的寄生微生物仍被歸入病毒范疇，是因為在一定程度上，它們?nèi)匀环辖?jīng)典病毒的特征，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(guī)矩”，大病毒的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的大病毒對人類并沒有什么威脅，僅有極少數(shù)報道說Mimivirus可能會引起人類肺炎。最后，推薦 Giant Virus Site （www.）給大家作為學習資料，這個網(wǎng)站上收集了近年來人們對于巨型病毒的認識，同時還列出了基因組最大的100多種病毒的信息（http://www./top.html）。