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生命与非生命间的界限更模糊了

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发表于 2020-2-15 23:54:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  病毒是生命吗?这是一个至今仍让生物学家头疼的问题。病毒具有一些生命特性,比如它具有遗传物质(DNA/RNA)和蛋白质;但它又不完满是生物,它必须依赖别的宿主细胞才华生存。因此目前,生物的三域分类(细菌域、古菌域、真核域)中并不包罗病毒。主流生物学也更多地将病毒视为一种特殊介于生命与非生命之间的“类生物”。
  2 月 12 日,一篇发表于《自然》杂志的研究报告了数百种异常巨大的噬菌病毒,这些病毒因可以“吃”掉细菌而被称为“噬菌体”。研究人员发现,这些巨型噬菌体与全球的微生物环境痛痒相关;更故意思的是,它们所具有的一些特性,让微生物与病毒之间的界限变得更加模糊了。
  噬菌体携带大量通常存在于细菌中的基因,并且能利用这些基因来对付它们的细菌宿主。新论文中所报告的这些巨型噬菌体发现于一个大型的 DNA 数据库,这个数据库中包罗了来自全球近 30 个不同环境的 DNA 数据,从早产儿和孕妇的内脏到青藏高原的温泉,从南非的生物反应器到医院的病房,从湖泊海洋到地下深处……
  从这些数据中,研究人员一共鉴别出了 351 种不同的巨型噬菌体。加州大学伯克利分校的地球和环境科学教授Jill Banfield是这篇论文的一名合著者,她已经对地球上不同环境中的微生物群落研究了凌驾 15 年,她介绍说,在研究过程中,时常会故意想不到的事情出现,比如这些以细菌为猎物的巨型噬菌体就是一个例子。
  Banfield 说,噬菌体“是生物学的一部分,可我们却对其知之甚少。这些巨型噬菌体弥补了噬菌体与细菌和古生菌之间的空白。它们必然有一些成功的生存策略,是我们所认为的传统病毒和传统生物体的混合体。”
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  一年前,Banfield 和她的团队就曾报告过一些巨型噬菌体,她称之为 Lak 噬菌体,可以在人类的肠道和口腔中找到,以肠道和唾液中的微生物为食。在新的研究中,他们对巨型噬菌体睁开了更加全面深入的研究。除了在利用之前所积累的所有元基因组之外,他们还从全球的合作者那边获得了新的元基因组。这些元基因组有的来自狒狒、猪、阿拉斯加驼鹿、土壤样本、海洋、河流、湖泊和地下水,其中还包罗一直饮用被砷污染的水的孟加拉国人。
  他们鉴别出了 351 个长度凌驾 200 kb(千碱基)的噬菌体基因组,是噬菌体基因组均匀长度的 4 倍。他们确定了其中 175 个噬菌体基因组简直切长度,并且还发现了一个长 735 kb 的全基因组。这是目前已知最大的噬菌体基因组,几乎是普通噬菌体的 15 倍,它甚至比很多细菌的基因组都要大得多。
  虽然目前研究人员尚不清楚这些巨型噬菌体中的大多数基因所编码的究竟是什么蛋白质,但他们辨认出了那些可以编码对核糖体来说至关重要的蛋白质的基因。这些基因通常不存在于病毒中,只存在于细菌或古生菌中。
  核糖体可以将信使 RNA转译为蛋白质,通常来说,是否拥有核糖体和转译能力是生命体和非生命体的区别所在,是区分病毒和细菌、生命和非生命的一个重要特性。生物学家在一些巨型噬菌体中发现过很多这样的转译机制,因此说噬菌体让生命和非生命的界限变得有些模糊。
  除此之外,研究人员还从这些噬菌体中发现了很多别的基因,比如能将氨基酸带到核糖体,使其整合到新的蛋白质中的转运 RNA(tRNA),还有能用来编码可装载和调节 tRNA 的蛋白质的基因,以及一些可以启动转译的蛋白质基因,甚至还发现了一些核糖体本身的片断。
  巨型噬菌体很可能利用这些基因改变核糖体,让它们以牺牲细菌蛋白为代价为自身复制更多蛋白。一些巨型噬菌体还有替代的遗传密码,可以编码一种特殊的氨基酸,从而有可能混淆解码 RNA 的细菌核糖体。

正在感染一个细菌细胞的巨型噬菌体(左侧赤色)和正常巨细的噬菌体。巨型噬菌体会将其 DNA 注入宿主细胞,通常只存在于细菌和古菌中的 Cas 蛋白,会操纵宿主细胞对其他病毒的反应。 图片来源:Jill Banfield 实验室 / UC Berkeley

  此外,研究人员还发现在这些巨型噬菌体所携带的 DNA 中,还有细菌用来对抗病毒的CRISPR系统。其中一种巨型噬菌体还能制造出一种类似于Cas9的蛋白质,Bandfield 的团队将这种小蛋质命名为Cas,因为生物学中有用希腊字母来表示噬菌体的风俗。
  Banfield 认为,一种很可能的环境是,当这些噬菌体将它们的基因注入细菌之后,病毒的 CRISPR 系统就会增强宿主细菌的 CRISPR 系统,让其重要应对其他病毒。
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  研究人员将这 351 个巨型噬菌体分为 10 个新的群类,并且用论文合著者的所在国家所说的语言中,表示“巨大”的词来对其命名:

  • 梵文:Mahaphage
  • 阿拉伯语:Kabirphage、Dakhmphage、Jabbarphage
  • 日语:Kyodaiphage
  • 英文(澳):Biggiephage
  • 英文(美):Whopperphage
  • 中文:Judaphage
  • 法文:Enormephage
  • 丹麦语:Kaempephage

巨型噬菌体系谱图,左边列出的是 10 个新发现的巨型噬菌体群。 图片来源:Jill Banfield 实验室 / UC Berkeley

  从新的研究中,Banfield 总结道:“基因组较大的噬菌体在地球生态系统中相当显著,而不是某个生态系统的独有的。而拥有大基因组的噬菌体是相互关联的,这意味着这些已经创建的谱系有着很长的大基因组汗青。拥有大型基因组是一种成功的生存策略,而我们对这种策略仍知之甚少。”
  新发现的很多基因都是未知的,它们没有既定的功能,因此研究人员认为,从这些巨型噬菌体中有望能找到可用于基因组工程的新工具,使它们成为可用于工业、医疗或农业的新蛋白质来源。
  此外,新的发现还可能对人类疾病产生影响。比如噬菌体与细菌的一些耐药性有关,以人类的肠道微生物群为例,它们可以把有害的基因带到人体菌群中去。“有些疾病是由噬菌体间接引起的,因为噬菌体会在与发病机制和抗生素耐药性有关的基因周围移动,”Banfield 说。“基因组越大,它们在这类基因周围移动的能力就越大,向人类微生物群落中的细菌传递不良基因的可能性也就越大。”

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