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大病毒

发布时间: 2013/12/18 0:19:46  被阅览数: 514  次 来源:未知
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病毒不是严格意义上的生命,只能寄生在宿主细胞内。病毒很小,结构也非常简单,通常由一种核酸(DNA或RNA)和蛋白质外壳构成,有些病毒还含有脂质和蛋白质组成的包膜。有一类被称为类病毒的家伙干脆连蛋白质都不要了,只剩下一个RNA基因组“繁衍生息”。而朊病毒只是一类具有异常结构的蛋白质,所以科学家们一直在争论是否应该把它划入病毒。病毒基因组所编码的蛋白质种类非常有限,一般仅包括构成病毒颗粒的结构蛋白,负责病毒基因组复制和病毒颗粒组装的非结构蛋白,而病毒复制扩增所不可缺少的蛋白质翻译和物质能量代谢等过程都需要依靠宿主细胞来完成。

相比病毒而言,细胞体积要大得多,成分和结构也更为复杂。后者同时含有DNA和RNA两种核酸,基因组编码信息量大,能够自主进行物质能量代谢和蛋白质合成,而且具有增殖的能力或潜力。所以,所有真核细胞和原核细胞,无论是单细胞的还是多细胞的,都和病毒划清了界限。科学家往往通过上述特征,来区分病毒和细胞生命体。但是,地球上的生命类型是多样的,当我们绞尽脑汁为它们划定界限时,总会出现一些“不守规矩”的家伙。

有一类比较特殊的微生物叫衣原体,它的体积比典型的细菌小很多,寄生于活细胞中,过去一度被认为是一种病毒。但是随着认识的深入,科学家发现,衣原体生命周期虽然需要宿主细胞提供能量,但其同时含有DNA和RNA两种核酸,外被与细菌类似的细胞壁,同时还对多种抗生素敏感,所以后来将其归入广义的细菌范畴。

到了1992年,又有一种“不守规矩”的家伙出现了。这也是一种寄生体,它在革兰氏染色(细菌鉴别染色方法)时类似于细菌,但是只含有一种类型的核酸,不能自主完成生命周期。由于这些特征,科学家在2003年时将它归为病毒,并正式命名为Mimivirus(mimi: mimicking microbe,酷似细菌)。发现一种新的病毒不是新鲜事,因为现在已经发现的病毒仅占了地球上病毒种类的一小部分。然而,Mimivirus的发现却彻底刷新了人们对于病毒的认识,原因在于,这种病毒很大,超过了人们原本认为病毒所应该拥有的大小,于是科学家们兴奋地宣布,他们发现了世界上最大的病毒。

这种病毒大到什么程度呢? 我们回顾一下病毒的发现来说这个问题。

100多年前,孟德尔刚刚种出他那划时代的豌豆,一种会导致烟草这一经济作物减产的花叶病引起了人们的关注。1892年,俄国科学家伊凡诺夫斯基把患有花叶病的烟草叶子捣碎成汁,并用使用一种滤器来过滤,却发现过滤液仍能导致另外的植株生病。他使用的滤器孔径大约为0.2-0.4微米,而典型的细菌直径大约在0.5微米到5微米之间,这种孔径的滤器可以过滤掉几乎所有的细菌,所以他认为这种感染性物质可能是细菌分泌的毒素。随着研究的深入,科学家发现这是一种具有传染性的可溶性分子,并可在宿主细胞内扩增。现在我们知道,这种可溶性分子就是病毒,它的直径通常小于0.2微米,可以自由的通过细菌滤器,所以在相当长一段时间里,病毒也被称为滤过性病毒,还有人利用这种方法来判断一种微生物是不是病毒。

Mimivirus的直径大约在0.4-0.5微米,它的直径比脊髓灰质炎病毒(直径约为0.02-0.03微米)大几十倍,几乎不能通过细菌滤器,所以这种寄生物放在过去,肯定是不会被归入病毒范畴的。Mimivirus的大小不仅体现在体积上,它的基因组含有近120万个碱基对,相比之下,脊髓灰质炎病毒仅含有约7500个碱基对。科学家对其基因组序列分析后发现,这种病毒大约编码1000多个基因,是一般病毒的几十倍到上百倍,而且其中相当一部分从来没有在已知的病毒中发现过。更让科学家惊讶的是,这种病毒竟然自己编码了涉及基因组DNA修复和蛋白质翻译功能的部分基因,而这些功能一直以来都被认为仅存在于细胞生命体中。不过,由于Mimivirus不编码核糖体相关蛋白,所以它仍然需要借助宿主细胞的翻译系统才能完成自己蛋白质的翻译。

2008年,科学家们又发现了一种大病毒,命名为Mamavirus (其实起这个名字是为了和Mimivirus相呼应,连来就是妈妈咪咪病毒)。这种病毒的大小和基因组长度与Mimivirus差不多,它的宿主也是阿米巴原虫。这些发现,使得科学家们对于这类巨型病毒(giant virus)的研究越来越感兴趣。

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2011年,一种更大的病毒在智利海岸被分离出来,这种病毒被命名为Megavirus chilensis,个头比Mimivirus大6.5%,基因数量也多了10%。于是科学家们又一次兴奋地宣布,他们发现了世界上最大的病毒。

然而,这个记录仅保持了两年就被刷新了。2013年7月,同为发现Megavirus chilensis的研究小组又宣布他们发现了两种更大的病毒,分别是从智利Tunquen河口的表层沉积物层中采集到的Pandoravirus salinus(潘多拉病毒,salinus:咸的),和从澳大利亚墨尔本附近的一个浅层淡水池塘分离到的Pandoravirus dulcis(潘多拉病毒,dulcis:甜的),这两种病毒的宿主也是阿米巴原虫。

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 【左图:潘多拉病毒;右图:棘阿米巴细胞内的潘多拉病毒,都是咸的 图片来源:Nadège Philippe et al. Science, 2013】

潘多拉病毒的发现,再一次刷新了人们对于病毒的认识,它的长径可以达到1微米,甚至超过了一些细菌(金黄色葡萄球菌直径在0.5-1.0微米),已经可以轻松的在普通光学显微镜下看到。其中咸的潘多拉病毒基因组长度达到247万个碱基对(大肠杆菌基因组长度大约为400多万个碱基对),编码了2500多个基因,大约为人类基因组编码数量的十分之一。

 【潘多拉病毒 来源www.nationalgeographic.com】

经过初步分析,潘多拉病毒基因组中有约93%的基因功能未知,而且在目前已知的生命体中找不到相似的基因。在可知的信息中,科学家发现潘多拉病毒也编码了一些蛋白质翻译系统中的组分,但仍然不能自己完成蛋白质合成。另外,依然没有找到负责糖代谢的酶和构成细胞骨架的蛋白,而这些蛋白质在细胞生命体物质能量代谢和分裂增殖中发挥了重要的功能。同时,科学家在潘多拉病毒的基因组中发现了大量的内含子,这进一步增加了其基因组的复杂性。由于对这种病毒知之甚少,还很难对它的起源和进化进行研究,也正是由于有太多的未知,对于这种病毒的研究就像打开了潘多拉魔盒,里面会有更多的惊奇等待着科学家们去发现。

潘多拉病毒的发现着实又让科学家们兴奋了一次,这项研究发表在著名的《科学》杂志上,同样,他们又一次向世界宣布,这是目前发现的世界上最大的病毒。谁也不知道未来还会不会有更大的病毒被发现,不过,大病毒的发现,打破了人们对于病毒的经典认识,促使科学家们重新思考病毒的定义以及生命和非生命界限的划分。

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【Mimivirus在三域系统上的分支 图片来源:http://www.giantvirus.org/intro.html】

有科学家认为大病毒可能来源于某些单细胞生物体,它们在进化过程中丢失了一些基因,便成为了靠寄生生活的病毒。由于大病毒的特殊性,也有科学家建议将它们单独划为一域,并加入以往分为细菌,古生菌和真核生物的三域系统。然而,目前,这些巨型的寄生微生物仍被归入病毒范畴,是因为在一定程度上,它们仍然符合经典病毒的特征,比如只含有一种核酸,不能自主进行能量代谢,无法自我分裂增殖,只在宿主细胞中显示出生命特性。也正是因为“不守规矩”,大病毒的发现进一步拉近了生命与非生命之间的距离,也为生命起源和进化的研究提供了重要的信息。

 


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