Nature：新研究显著地扩大全球大型病毒和巨型病毒的多样性
来源：本站原创 2020-01-28 16:38
在一项新的研究中，来自美国能源部联合基因组研究所（Joint Genome Institute, JGI）等研究机构的研究人员发现了属于核质大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA virus, NCLDV）超组（supergroup）的大型病毒和巨型病毒的广泛多样性。
2020年1月28日讯/生物谷BIOON/---虽然一滴水中的微生物数量可能会超过一个小城市的人口，但是这一滴水中的病毒数量（绝大多数对人类无害）可能更大。病毒感染细菌、古生菌和真核生物，它们的颗粒和基因组大小从小到大，甚至是巨大的。巨型病毒（giant virus）的基因组大约是常见病毒的基因组大小的100倍，而大型病毒（large virus）的基因组可能仅大10倍。然而，尽管可到处发现病毒，但是对它们的了解相对较少，更不用说是大型病毒和巨型病毒了。
在一项新的研究中，来自美国能源部联合基因组研究所（Joint Genome Institute, JGI）等研究机构的研究人员发现了属于核质大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA virus, NCLDV）超组（supergroup）的大型病毒和巨型病毒的广泛多样性。大型病毒和巨型病毒多样性的扩大为这些研究人员提供了有关它们如何与宿主相互作用以及这些相互作用如何反过来影响宿主群体及其在碳和其他养分循环中的作用提供了新见解。相关研究结果于2020年1月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Giant virus diversity and host interactions through global metagenomics”。
论文通讯作者、JGI微生物计划负责人Tanja Woyke说，“这是首次对巨型病毒进行全球范围的研究：从全球环境序列中获取未经培养的巨型病毒的基因组，然后利用这些序列推断这些病毒在各种生物系统中的生物地理分布、它们的多样性、它们的预测的代谢特征和假定的宿主。”
Woyke及其研究团队分析了从世界各地的采样点收集的8500多个可公开获得的宏基因组数据集。来自加拿大康考迪亚大学、美国密歇根大学、威斯康星大学麦迪逊分校和乔治亚理工学院的研究人员提议重点关注来自淡水生态系统（特别令人感兴趣的是加拿大北部湖泊、劳伦森大湖、曼多塔湖和拉尼尔湖）的微生物群落。
筛选和重建病毒基因组
尽管宏基因组学如今使得寻找和鉴定不能培养的病毒成为可能，但是关于NCLDV病毒的大部分已知信息都来自与变形虫或它们的宿主共同培养的病毒。比如，JGI 研究人员在2018年的一项研究中首次发现了土壤中的巨型病毒。当前的这项新的研究应用了一种多步骤方法来采集、分类和过滤关于主要衣壳蛋白（major capsid protein, MCP）的数据来鉴定NCLDV病毒。JGI 研究人员之前利用这种方法发现了一组新的称为克洛斯新病毒（Klosneuvirus）的巨型病毒。
NCLDV病毒超组中以前已知的病毒谱系成员主要感染原生生物和藻类，其中的一些病毒具有兆碱基大小的基因组。论文第一作者、Woyke 实验室研究员Frederik Schulz使用MCP作为条形码来筛选病毒片段，重建了2074个大型病毒和巨型病毒的基因组。5万多份MCP在宏基因组学数据中鉴定出，它们的三分之二可归因于病毒谱系，并且主要来自海洋（55％）和淡水（40％）环境的样本中。结果就是巨型病毒的蛋白空间从12.3万种增加到了90万多种，并且NCLDV病毒超组中的病毒多样性从205个基因组扩大了10倍，从而重新定义了巨型病毒的系统进化树。
代谢重编程是大型病毒和巨型病毒的一种通用策略
这项新研究的另一个重要发现是大型病毒和巨型病毒都采用了一种通用策略。Schulz解释说，代谢重编程可以让宿主在某些条件下发挥更好的功能，从而帮助病毒更快地复制并产生更多的后代。总体而言，这可以对宿主代谢或受不利环境条件影响的宿主群体产生短期影响和长期影响。对2000个新的巨型病毒基因组进行功能预测后，这些研究人员发现了可以增强宿主代谢的蛋白编码基因的普遍存在，比如在多种底物的吸收和转运中发挥作用的基因，以及包括潜在的光驱动质子泵在内的光合作用基因。他说：“我们观察到基于病毒基因组中编码的预测代谢，这可能是大型病毒和巨型病毒中的一种通用策略。这似乎比以前想象的要普遍得多。”
Woyke指出，尽管通过这项研究重建了许多从宏基因组中组装出的基因组（metagenome-assembled genome, MAG），但是这些研究人员仍然无法将2万种大型病毒和巨型病毒的MCP与任何已知的病毒谱系联系起来。“从环境序列中获取完整重建的、接近完整重建的或部分重建的巨型病毒基因组仍然具有挑战性，即便在这项研究中，我们可能只是蜻蜓点水。除了从8000个宏基因组中提取出的2000个MAG外，仍然在各种生态系统中存在我们都缺失的大量巨型病毒多样性。我们检测到的MCP数量比我们能够组装出的MAG多得多，而且它们迄今为止还不适合放入反映病毒多样性的基因组树上。”
Schulz补充说，“我们预计，随着新的宏基因组数据集的出现，以及对病毒及其单细胞宿主进行互补的单细胞分选和测序，这种情况将会改变。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Frederik Schulz et al. Giant virus diversity and host interactions through global metagenomics. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1957-x.
2.Team significantly expands the global diversity of large and giant viruses
https://phys.org/news/2020-01-team-significantly-global-diversity-large.html
在一项新的研究中，来自美国能源部联合基因组研究所（Joint Genome Institute, JGI）等研究机构的研究人员发现了属于核质大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA virus, NCLDV）超组（supergroup）的大型病毒和巨型病毒的广泛多样性。大型病毒和巨型病毒多样性的扩大为这些研究人员提供了有关它们如何与宿主相互作用以及这些相互作用如何反过来影响宿主群体及其在碳和其他养分循环中的作用提供了新见解。相关研究结果于2020年1月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Giant virus diversity and host interactions through global metagenomics”。
宏基因组测序扩大了核质大DNA病毒（NCLDV）的多样性。系统进化树显示了2074个从宏基因组中组装出的基因组（绿色），其中的205个是之前发表的病毒基因组（白色），图片来自Frederik Schulz。
论文通讯作者、JGI微生物计划负责人Tanja Woyke说，“这是首次对巨型病毒进行全球范围的研究：从全球环境序列中获取未经培养的巨型病毒的基因组，然后利用这些序列推断这些病毒在各种生物系统中的生物地理分布、它们的多样性、它们的预测的代谢特征和假定的宿主。”
Woyke及其研究团队分析了从世界各地的采样点收集的8500多个可公开获得的宏基因组数据集。来自加拿大康考迪亚大学、美国密歇根大学、威斯康星大学麦迪逊分校和乔治亚理工学院的研究人员提议重点关注来自淡水生态系统（特别令人感兴趣的是加拿大北部湖泊、劳伦森大湖、曼多塔湖和拉尼尔湖）的微生物群落。
筛选和重建病毒基因组
尽管宏基因组学如今使得寻找和鉴定不能培养的病毒成为可能，但是关于NCLDV病毒的大部分已知信息都来自与变形虫或它们的宿主共同培养的病毒。比如，JGI 研究人员在2018年的一项研究中首次发现了土壤中的巨型病毒。当前的这项新的研究应用了一种多步骤方法来采集、分类和过滤关于主要衣壳蛋白（major capsid protein, MCP）的数据来鉴定NCLDV病毒。JGI 研究人员之前利用这种方法发现了一组新的称为克洛斯新病毒（Klosneuvirus）的巨型病毒。
NCLDV病毒超组中以前已知的病毒谱系成员主要感染原生生物和藻类，其中的一些病毒具有兆碱基大小的基因组。论文第一作者、Woyke 实验室研究员Frederik Schulz使用MCP作为条形码来筛选病毒片段，重建了2074个大型病毒和巨型病毒的基因组。5万多份MCP在宏基因组学数据中鉴定出，它们的三分之二可归因于病毒谱系，并且主要来自海洋（55％）和淡水（40％）环境的样本中。结果就是巨型病毒的蛋白空间从12.3万种增加到了90万多种，并且NCLDV病毒超组中的病毒多样性从205个基因组扩大了10倍，从而重新定义了巨型病毒的系统进化树。
代谢重编程是大型病毒和巨型病毒的一种通用策略
这项新研究的另一个重要发现是大型病毒和巨型病毒都采用了一种通用策略。Schulz解释说，代谢重编程可以让宿主在某些条件下发挥更好的功能，从而帮助病毒更快地复制并产生更多的后代。总体而言，这可以对宿主代谢或受不利环境条件影响的宿主群体产生短期影响和长期影响。对2000个新的巨型病毒基因组进行功能预测后，这些研究人员发现了可以增强宿主代谢的蛋白编码基因的普遍存在，比如在多种底物的吸收和转运中发挥作用的基因，以及包括潜在的光驱动质子泵在内的光合作用基因。他说：“我们观察到基于病毒基因组中编码的预测代谢，这可能是大型病毒和巨型病毒中的一种通用策略。这似乎比以前想象的要普遍得多。”
Woyke指出，尽管通过这项研究重建了许多从宏基因组中组装出的基因组（metagenome-assembled genome, MAG），但是这些研究人员仍然无法将2万种大型病毒和巨型病毒的MCP与任何已知的病毒谱系联系起来。“从环境序列中获取完整重建的、接近完整重建的或部分重建的巨型病毒基因组仍然具有挑战性，即便在这项研究中，我们可能只是蜻蜓点水。除了从8000个宏基因组中提取出的2000个MAG外，仍然在各种生态系统中存在我们都缺失的大量巨型病毒多样性。我们检测到的MCP数量比我们能够组装出的MAG多得多，而且它们迄今为止还不适合放入反映病毒多样性的基因组树上。”
Schulz补充说，“我们预计，随着新的宏基因组数据集的出现，以及对病毒及其单细胞宿主进行互补的单细胞分选和测序，这种情况将会改变。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Frederik Schulz et al. Giant virus diversity and host interactions through global metagenomics. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1957-x.
2.Team significantly expands the global diversity of large and giant viruses
https://phys.org/news/2020-01-team-significantly-global-diversity-large.html
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