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奧地利發現巨型病毒 再燃演化爭拗

2017/4/10 — 17:24

過去數十年,生物學家都在爭論病毒是否生物,以及其起源為何。最新於奧地利污水廠發現的巨型病毒 Klosneuvirus (克洛斯病毒)[1] ,將有助了解演化樹上缺失的部份,但亦有可能再燃起病毒演化、起源之爭。

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病毒目前被視為既不是生物亦不是非生物的有機物,它們是由一個保護性外殼包裹的一段 DNA 或者 RNA ,藉由感染的機制並利用宿主的細胞系統進行自我複製,但無法獨立生長和複製。病毒可以感染幾乎所有具有細胞結構的生命體。第一個已知的病毒是煙草花葉病毒,由荷蘭植物學家 Martinus Willem Beijerinck 於 1899 年發現並命名,現時已知的病毒超過 5,000 種。

一般病毒只有 10-300 納米闊及帶極少量基因,但在 2003 年法國研究團隊發現 [2] 擬菌病毒 (Mimivirus) ,其直徑為 400 納米,為大腸桿菌 (E. Coli) 的一半,能在顯微鏡下被看見;另一方面,相比起 E. Coli 帶的 4,400 個基因,擬菌病毒只帶 2,500 個基因,但已比很多細菌多,亦遠超所有已知病毒,擬菌病毒更不同於其他病毒指令宿主替其製造蛋白質,它們有 DNA 編碼分子將 RNA 訊息轉錄成蛋白質。

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研究團隊從基因估計,擬菌病毒的祖先應是能活在宿主細胞外的遠古已滅絕細胞,而這結果令學界對病毒起源有兩大不同看法:

  1. 病毒原是自給自足的生物,但後被其他細胞吞噬,最終演化成寄生物,並捨棄不需要的基因。
  2. 病毒原是粒子,不知什麼原因在幾百萬年來,從宿主身上取得遺傳物物質。

上周刊於《科學》期刊的新報告就提出証據支持後一個說法——病毒是一堆拼湊而來的基因。事實上,在 03 年報告刊出,有學者就提議,將病毒定為細菌、古菌與真核生物以外的第四個生命領域 (fourth domain) 。

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不過,由於病毒沒有細胞核等細胞質,也不能在宿主以外單獨存活,學界對其是否能定義為「生物」以及病毒與細胞世界的關係也未有一致意見;亦有學者認為這些巨型病毒只是病毒家族中的一員,無必要另開第四生命領域。

要解決問題,學者其實可對比病毒與真核生物宿主基因組排序。然而,擬菌病毒只含極少真核生物基因,再加上病毒基因組變異得極快,學者無足夠統計分析去確認其演化歷程。

而克洛斯病毒或許能填補演化樹上的空缺——細胞會由二十種胺基酸並各自有酵素幫忙拼合所需蛋白質,其他巨型病毒只有約七個酵素編碼,但克洛斯病毒有全部廿個編碼,在病毒身上是從未見過的情況。

克洛斯病毒 (Klosneuvirus)
Credit: Schulz, F., et al (2017).

克洛斯病毒 (Klosneuvirus)
Credit: Schulz, F., et al (2017).

美國學者 Frederik Schulz 的團隊原本只在奧地利克洛斯特新堡一個污水廠,研究破壞廠設施細菌的基因組,但在基因排序時意外發現克洛斯病毒,結果又顯型有四個基因組類似擬菌病毒。

團隊從電腦演算發現,克洛斯病毒的蛋白質轉錄基因,是過去幾百萬年逐一從環境中拼砌出來,但其與擬菌病毒的起源有所不同,上述的兩個起源看法仍在邏輯上同樣成立。

現時,我們未知是哪種真核生物「送贈」基因予病毒祖先,因為以現時技術未能找到該宿主,也未能在實驗室種出克洛斯病毒,暫時只知它不似擬菌病毒一樣會感染變形蟲。

03 年有份撰寫擬菌病毒報告的法國演化學家 Jean-Michel Claverie 指,克洛斯病毒大部份蛋白質轉錄機制與其他已知生物不相同,他擔心團隊所用的電腦模型在推算時誤將樣本中某些 DNA 碎片判別為來自病毒。故此,在學界能分離出病毒活體前,他會對所有病毒演化詮釋抱開放態度。

法國學者 David Moreira 就認為單是基因組足以造出大量演化研究,他自己將會很樂意見到未來有更多研究指病毒並不是「第四生物領域」;另一有份參與 03 年研究的 Didier Raoult 指,新研究雖不可能平息爭論,但肯定是個好開始:「我們正在發現一個一直忽視的生物領域,我們需要的是有耐性。」

 

來源:
Nature, Giant virus discovery sparks debate over tree of life, 6 April 2017
Science, Giant viruses found in Austrian sewage fuel debate over potential fourth domain of life, 6 April 2017

報告:

  1. Schulz, F., Yutin, N., Ivanova, N.N. & et al. (2017). Giant viruses with an expanded complement of translation system components. Science 7 Apr 2017: Vol. 356, Issue 6333, pp. 82-85. DOI: 10.1126/science.aal4657
  2. Scola, B.L., Audic, S. & et al. (2003). A Giant Virus in Amoebae. Science 28 Mar 2003: Vol. 299, Issue 5615, pp. 2033. DOI: 10.1126/science.1081867

文/Alan Chiu 、審核/TC Chow

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