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多種綠藻含巨型病毒基因 助其數百萬年來演化及生存

2020/11/19 — 12:58

圖片來源:維基百科

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2003 年,學界首次發現到巨型病毒,這些病毒大得可用標準顯微鏡看到。當時巨型病毒被視為罕見,但近年的多個研究顯示,巨型病毒比想像中更為普遍。最新刊於《自然》的研究更發現,幾種常見藻類的基因組內,帶有數個巨型病毒的全基因組,突顯巨型病毒的潛在影響力相當大。

典型病毒由於無足夠基因獨自生存,因此必須依靠宿主如細菌、人類或其他動植物的細胞,複製自身所需的蛋白質來繁殖。今年年初同一維珍尼亞理工大學團隊發現,巨型病毒之中包含了它們似乎不需要、涉及其他細胞代謝各方面的大量基因,包括吸收營養、收集光和氮代謝等重要的 DNA 片段,令他們非常驚訝。

為進一步研究這個謎團,團隊將此前在巨型病毒 DNA 中發現的基因,與過去在其他基因組中紀錄的基因進行配對。參與研究的微生物學家 Frank Aylward 表示,研究過程中病毒 DNA 不斷出現在藻類的基因組,因此團隊再有系統地檢視所有綠藻門(Chlorophyta)的已排序基因組,更發現巨型病毒在多個藻類中添加了 78–1,782 個基因;兩個藻類物種甚至包含兩種巨型病毒的完整基因組,其中一個病毒的基因量,更佔藻類總基因量的 10% 。

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或是病毒確保「遺傳」方法

目前尚不清楚為何這些病毒會將其基因潛入宿主的基因組中,而不僅在細胞內複製。團隊估計,這可能是病毒確保其遺傳物質「世代相傳」的一種方式,例如導致愛滋病的 HIV 會將其基因整合到人類 DNA 中,這亦是該病毒很難被免疫系統或藥物清除的原因之一。

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團隊又發現,部份巨型病毒可能已成為綠藻一部份、歷時一段很長的時間,甚至或有數百萬年歷數。實際上,一些病毒 DNA 已在其基因內獲得了稱為內含子(Intron)的非編碼 DNA ,而病毒某些基因又有增多或缺失情況,變化不太可能發生在僅游走於藻類細胞內的病毒中;內含子可能含有「舊碼」,即在演化過程中喪失功能的基因部分。

無參與研究的馬克斯普朗克醫學研究所環境病毒學家 Matthias Fischer 表示,研究有力地證明團隊鑑定出的病毒排序,很可能是宿主基因組的一部分。另一無參與研究的康奈爾大學基因組生物學家 Cedric Feschotte 表示,這些病毒對宿主產生的大量 DNA 和基因多樣性令人震驚,而將遺傳物質大量注入宿主,可能影響後者的新陳代謝至以其生存的一切過程。

研究團隊補充,藻類中存在的病毒 DNA 甚至包括從其他藻類中盜取的基因,可能是巨型病毒在物種之間轉移基因的一種方式;所有這些新的 DNA 都可使宿主基因組發揮新的功能,從而提高藻類的生存能力,並可能影響了藻類的多樣性和分佈。

來源:
Science, Giant virus genomes discovered lurking in DNA of common algae, 18 November 2020

報告:
Moniruzzaman, M., Weinheimer, A.R., Martinez-Gutierrez, C.A. & Aylward, F.O. (2020). Widespread endogenization of giant viruses shapes genomes of green algae. Nature. doi: 10.1038/s41586-020-2924-2

文/Alan Chiu

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