冠狀病毒之外：改變生物學的病毒新發現

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偽彩色電子顯微照相（非同比例）展現病毒各異的形狀和尺寸，從巨大的擬菌病毒到登月飛船形狀的噬菌體。上左至右：天花病毒、嗜酸瓶裝病毒、阿米巴多食擬菌病毒；中左至右：狂犬病毒、T4噬菌體、輪狀病毒；下左至右：埃博拉病毒、煙草脆裂病毒、HIV-2

米亞?布萊巴特（Mya Breitbart）曾在非洲的白蟻丘、南極海豹和紅海水樣中尋找新病毒，最終卻在佛羅里達州自家后花園中一攫千金。刺背球狀蜘蛛（Gasteracantha cancriformis）在她家的泳池中結網，這種蜘蛛有球莖狀的白色身體，上面有黑色斑點和六根猩紅色的棘刺，頗像中世紀的兵器。當布萊巴特觀察蜘蛛里有些什么時，這位圣彼得斯堡南佛羅里達大學的病毒生態學家大吃一驚。她和同事們采集并處理了幾個蜘蛛樣本，發現了兩種從未被發現的病毒。

人類自2020年早些時候就開始與難對付的病毒戰斗，但除了SARS-CoV-2之外，還有許多其他病毒亟待發現。科學家估計，僅在海洋中就有約1031種不同的病毒類物種，大約是已知宇宙中星星的100億倍。

科學界逐漸認識到生態系統和有機物是依賴病毒的。這種小而有力的存在實現了宿主間的基因傳遞，為進化增加了動力。它們在海洋中破開微生物，其中的內容物播散開來，營養物質就進入了食物網。“如果沒有病毒，”加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學病毒學家柯蒂斯?薩特爾（Curtis Suttle）說，“我們就不會有生命。”

國際病毒分類組織（ICTV）只命名了9 110種病毒，是非常小的一部分。當然一個原因是官方鑒定一種新病毒需要科學家在其宿主或宿主細胞中培養病毒，這一過程相當耗費時間；另一個原因是研究存在一定偏倚，研究關注的多是會在人類或相關生命體中致病的病毒，像農場動物和谷物間流行的病毒。但COVID-19為我們敲響了警鐘，我們需要關注那些可能從一個宿主播散到另一個，危害到我們人類、我們養的動物和種的作物的病毒。

過去十年間我們發現并命名了許多未知病毒，除了技術的進步外，另一個推動力是鑒定新物種的規則近期發生了改變，現在不需要培養病毒和宿主作為證據了。新技術中起到最重要作用的是宏基因組學（metagenomics），研究者利用這個技術能夠直接檢測環境中病毒的基因組，而不需要進行培養。更新的技術，譬如單病毒測序則發現了更多病毒，其中一些在我們眼皮底下藏到了現在。布萊巴特說：“現在正是做這種研究的大好時機，從很多方面來說，這是病毒組學的時代。”

僅僅在2020年，ICTV的官方列表中就增加了1 044個新的病毒種，還有成千上萬的新病毒等著描述和命名。基因組學的發展讓病毒學家重新思考病毒的分類方式，并探究其進化歷程。目前的有力證據表明病毒存在多個起源，不是從單一源頭發展而來。

即便如此，“病毒世界的實際規模依舊是未知的，”美國國家過敏和傳染病研究所病毒學家延斯?庫恩（Jens Kuhn）說，“我們一定還有些什么一無所知。”

這里，那里，它們無處不在

所有的病毒有兩個共同特征：一是用蛋白質衣殼包裝著基因組，二是依靠宿主——人、蜘蛛、植物等——進行復制，實現繁殖。除此之外就很難在它們的生命周期中找出些相同的模式了。

小如環狀病毒僅有兩三個基因；大如擬菌病毒體積超過一些細菌，基因數量成百上千。造型奇特如登月飛船的噬菌體，能夠感染細菌；當然還有我們熟悉的球狀、有一個個突起的致命殺手正給我們帶來苦難。一些病毒以DNA的形式儲存基因，另一些則用RNA；甚至有種噬菌體用了另一種基因密碼，將標準的ACGT系統中的堿基A替換成了另一種分子Z。

病毒的存在十分廣泛，也會在科學家意想不到的時候現身。弗雷德里克?舒爾茨（Frederik Schulz）在對廢水中的基因進行測序時，并沒有打算研究病毒。2015年，維也納大學的研究生舒爾茨打算利用宏基因組學尋找細菌。他分離有機質混合物中的DNA，將它們打碎并進行測序，隨后在計算機軟件上將基因片段組裝成單獨的基因組，像是完成一個巨大而混亂的拼圖游戲。

研究發現刺背球狀蜘蛛攜帶兩種未知病毒

阿米巴原蟲中找到了巨大的圖潘病毒，尺寸超過1 000納米長，其蛋白編碼基因是已知病毒中最大的

在這些細菌的基因組中，舒爾茨注意到一個體量巨大的病毒基因組（可以通過它的病毒衣殼序列而確定其病毒身份），其堿基數量達到了157萬。它是一個大型病毒，屬于一組在基因數量和絕對體積（橫徑200納米，甚至更大）上都相當大的病毒家族。這種病毒能夠感染阿米巴原蟲、藻類和其他原生生物，這使它們能夠同時影響到水生和陸生生物的生態系統。

舒爾茨現在是美國加利福尼亞州伯克利市美國能源部聯合基因組研究所的微生物學家，他決定在宏基因組數據集中挖掘相關的病毒。2020年，他和同事發表的單單一篇文章中，就描述了包括大型病毒的超過2 000個基因組，在這篇文章發表前，公共數據庫中只有其中的205個基因。

病毒學家同時在人體內尋找新的種群。病毒生物信息學家路易斯?卡瑪利洛-格雷羅（ Luis Camarillo-Guerrero）與英國辛克斯頓維爾康姆?桑格研究所的同事對人類腸道中的微生物進行了宏基因組分析，建立了超過140 000種噬菌體的數據庫，其中超過半數對科學界而言是全新發現。他們今年2月發表的文章再次證實了人類腸道中最為常見、能夠感染細菌的一組病毒——crAss噬菌體的存在。卡瑪利洛-格雷羅說：“盡管它含量豐富，但我們不怎么了解它在人類微生物組中的作用。”他目前在英國劍橋的DNA測序公司Illumina工作。

宏基因組學發現了大量的病毒，但也錯過了很多。經典的宏基因組學并沒有對RNA病毒進行測序，因此愛爾蘭科克大學學院的微生物學家科林?希爾（Colin Hill）和同事們在RNA數據庫中進行深入調查，這被稱作宏轉錄組學。科學家通常利用這些數據來研究那些活躍轉錄為信使RNA并制造蛋白質的基因，而RNA病毒基因組也會出現。團隊利用計算機技術從數據中找出這些序列，從泥土和水樣本中找到了宏轉錄組學的1 015個病毒基因組。這次他們又在一篇文章中大大擴充了已知病毒的數量。

這項技術可能會意外地組裝出并不真實存在的基因組，研究者會利用質量控制技術來防止這種意外發生。但盲區依然存在，譬如說那些成員多樣性大的病毒種相當難以尋找，因為計算機程序很難將這些不相干的序列拼接在一起。

西班牙阿利坎特大學微生物學家曼紐爾?馬丁內茲-加西亞（Manuel Martinez-Garcia）表示可以選擇每次篩選一個病毒基因組。他決定將海水滴進分選機器來分離獨立的病毒，以此放大其DNA進行測序。

第一次嘗試時，他便發現了44個基因組，其中一個可以說是代表了海洋中一些最豐富的病毒。這種病毒的多樣性相當大（基因密碼片段差異極大），而其基因組從未出現在宏基因組學的研究中。研究團隊將其命名為37-F6，這是它實驗皿的原始編號，但馬丁內茲-加西亞開玩笑說，想到它會隱藏在光天化日之下，應該叫它“007”，即詹姆斯?邦德這個虛構的超級間諜。

病毒譜系圖

海洋病毒中的這個“詹姆斯?邦德”還沒有得到一個官方的拉丁語種族名，這同樣發生在過去十年中通過宏基因組學發現的成千上萬個病毒基因組。這些基因序列不斷涌現將ICTV置于一種困境：單憑基因組是否足以命名一個病毒呢？2016年之前，向ICTV提交一個新病毒或是生物分類學上的組，科學家須在培養基中培養其病毒和宿主，鮮有例外。但這些年經過熱烈的長期辯論，病毒學家達成共識，認同了僅基因組作為證據就是充分的。

于是，提交新病毒和組的報告蜂擁而至（見“分門別類”）。但這些病毒的進化關系并不明確。病毒學家通常依據形狀（“長而細的”或“有頭的”或“有尾巴的”），也可以依據基因組（DNA或RNA，單鏈或雙鏈），但這對確定病毒的共同祖先而言幾乎毫無意義。舉例來說，目前認為雙鏈DNA基因組病毒有至少4個不同的起源。

過去ICTV的病毒分類方式并不考慮細胞生物的分類階元樹，僅僅包括進化層次中級別較低的分類，即種（species）、屬（genera）、科（family）和目（order）4個級別，其中最高級的“目”與多細胞生物分類階元中的“靈長類”或“有果球的樹”級別相同，而沒有更高的級別。同時也有許多病毒家族舉目無親，與其他種類的病毒沒有任何關聯。因此ICTV在2018年增加了更高的級別：綱（class）、門（phylum）和界（kingdom）。

在最高的級別上，ICTV規定了“域（realm）”的概念，對應細胞生物（細菌、古生菌和真核生物）中“域（domain）”的概念，用不同的英文單詞以區別不同的階元系統。（數年前曾有科學家提出細胞生物的進化樹也能夠適用于一些病毒，但這種看法并未被廣泛接受。）

ICTV對階元樹的分支進行了規劃，將RNA病毒歸入核糖病毒域（Riboviria）。SARS-CoV-2和其他的冠狀病毒都由單鏈RNA組成基因組，正屬于這個域。但這對病毒學家遠遠不夠，他們提出了更多的分類學組。美國馬里蘭州貝塞斯達市國家生物技術信息中心的進化生物學家尤金?庫寧（Eugene Koonin）組建了一個研究團隊分析所有的病毒基因組，結合病毒蛋白質的最新研究，為分類學畫出初稿。

他們再次規劃了核糖病毒域，并提出了3個新的域（見“病毒的域”）。“一些細節還待討論，”庫寧說，“但我們的分類學在2020年順利地通過了ICTV的批準。另有2個新的域在2021年通過，但原先的4個域仍是體量最龐大的。”庫寧認為最終域的數量會增加到25個。

這一數量佐證了許多科學家的猜測：病毒并沒有一個共同的祖先。“所有病毒沒有一個單一根源，”庫寧說，“它不存在。”這意味著病毒在地球歷史上有多次起源，那么就不能否認這種起源事件還會再次出現。“新病毒從頭開始的起源過程依然在發生。”巴黎巴斯德研究所的病毒學家馬特?克魯波維奇（Mart Krupovic）表示。他參與了ICTV的決議，也在庫寧的分類學團隊中工作。

至于病毒域如何起源，病毒學家眾說紛紜。它們可能直接來源于地球生命破曉之時的基因元素，甚至先于細胞的出現。它們可能從完整細胞中逸出或被排出，拋棄了細胞機制，僅僅保留了最簡單的生命形式。庫寧和克魯波維奇傾向于一個兼取二者的假說：原始的基因元素從細胞生物中竊取基因，建立了病毒物質。庫寧表示：“由于病毒有多重起源，那么其起源方式也可能各異。”他也是ICTV委員會成員，參與了新分類學的提案。

盡管病毒和細菌的階元生命樹看似毫無關系，它們的枝丫其實是相互接觸的，存在著基因的交流。而病毒是否“活著”這個問題其實取決于個人對生命的定義。一些研究者認為它們并不算真正的生物，另一些則反對。“我傾向于它們是活著的，”日本東京大學研究病毒的生物信息學家緒方博之說，“它們在進化，它們有DNA或RNA組成的基因物質，而且它們在所有生物的進化中都很重要。”

普遍看法是目前的分類學只是初步嘗試，一些病毒學家認為這種分類學有些混亂。約20個家族還是與任何的病毒域缺少聯系。“好處是我們正嘗試從混亂中尋找秩序。”馬丁內茲-加西亞表示。

世界改變者

地球上的病毒總重量和7 500萬只藍鯨差不多，科學家很確信它們影響了食物網、生態系統甚至是地球的氣候。哥倫布市俄亥俄州立大學環境病毒學家馬修?蘇利文（Matthew Sullivan）認為新病毒的加速發現“是一個分水嶺，會揭示病毒直接影響生態系統的新方式”。但科學家們依舊在努力確定這種影響有多大。

緒方說：“目前我們找不到一個簡單的解釋方法。”海中的病毒會破開其微生物宿主，一些生物吃掉宿主的內容物并釋放二氧化碳，如此將碳元素釋放進生態系統循環。但最近，科學家開始認為這些分散的細胞會聚在一起沉到海底，把碳元素從大氣中隔離開來。

“在陸地上，解凍的永久凍土是碳排放的主要來源，”蘇利文表示，“這個環境中的病毒有助于微生物中的碳排放。”2018年他和同事描述了瑞典解凍的永久凍土中1 907種病毒基因組和片段，其中有參與含碳化合物分解的蛋白質基因，這些碳是溫室氣體的潛在來源。

瑞典斯托達倫沼澤解凍的永久凍土中，發現了具有參與降解和釋放碳元素基因的病毒基因組

病毒也會通過改變微生物的基因來產生長程影響。舉例來說，當病毒將抗生素基因從一個細菌轉移到另一個，抗藥菌株就會一家獨大。“時間一長，這種轉移會導致有重大意義的進化基因漂移。”卡瑪利洛?格雷羅說。這不僅僅發生在細菌中，據估計人類DNA中有8%起源于病毒。我們哺乳動物的祖先就從病毒那里獲得了胎盤發育所必需的基因。

基因組并不能完美解釋病毒生活史的許多謎團，而病毒宿主是另一個解謎工具。病毒自身為我們提供了一些線索，譬如它們會在自己的基因組里攜帶一部分可識別的宿主遺傳物質。

馬丁內茲-加西亞和同事們使用單細胞基因組學鑒定了新發現37-F6病毒可能的宿主微生物。這種宿主——遠洋桿菌也是海中最豐富而多樣的有機物之一。在一些水域中，遠洋桿菌占了既存細菌的一半。“如果僅僅這一種細菌突然消失，”馬丁內茲-加西亞說，“海洋生物就會失去平衡。”

“要理解病毒的全部影響，科學家需要研究其如何改變宿主。”德國基爾市亥姆霍茲海洋研究中心的進化生態學家亞歷山德拉?沃登（Alexandra Worden）表示。她在研究一種大型病毒，其基因中包含產生集光蛋白視紫紅質的基因。理論上來說，這些基因會有利于宿主，幫助它們傳遞能量或信號，但僅僅基因序列并不能證實這一點。要明白這些視紫紅質基因的前世今生，沃登打算一同培養病毒和宿主，并研究二者如何配對互動，實現一個“病毒-細胞”的共存狀態。她說：“只有細胞生物學能夠解釋這種狀態的意義，以及它如何影響碳循環。”

讓我們回到佛羅里達，布萊巴特還沒有培養出她的蜘蛛病毒，但她有了些新發現。她震驚地發現這些病毒尺寸極小，擁有環狀基因組，蛋白衣殼和復制蛋白僅僅各有一個編碼基因。其中一個病毒只能在蜘蛛腹部發現，而腿中沒有，因此她認為這種病毒其實感染了蜘蛛吃下去的生物。另一個病毒則是在蜘蛛身體、卵和幼蛛中都有發現，因此這種病毒可能從父母輩傳給了后代。布萊巴特卻沒有發現這些病毒對蜘蛛有任何危害。

對于病毒，布萊巴特認為“發現它們是容易的”。真正的困難在于病毒如何影響宿主生命周期和生態系統。但對于病毒學家需要先解決的也是最難的問題，布萊巴特說：“你要選哪個來研究呢？”

資料來源 Nature