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节肢动物是病毒进化的“心脏”吗?——我所科学发现获《eLife》杂志的高度评价

2015-03-13 11:31打印
  我所张永振研究员带领的人兽共患病室于2015年3月9日在《eLife》杂志第4卷3期上发表题为“节肢动物中RNA病毒的高度多样性揭示了负链RNA病毒的起源与进化 — Unprecedented genomic diversity of RNA viruses in arthropods reveals the ancestry of negative-sense RNA viruses”的学术论文。eLife在同期发表了由国际权威遗传进化学家撰写的“节肢动物是病毒进化的“心脏”吗?— Are arthropods at the heart of virus evolution?”评论文章。该评论高度评价了我所论文在病毒发现及其遗传进化上的重要科学意义。
 
节肢动物是病毒进化的心脏吗?
 
        ——昆虫、蜘蛛、以及其它节肢动物中负链RNA病毒的巨大多样性表明这些动物可能是病毒起源和进化的核心。
 
Gytis DudasDarren J Obbard

 相关论文:Li CX, Shi M, Tian JH, Lin XD, Kang YJ, Chen LJ, Qin XC, Xu J, Holmes EC, Zhang YZ. 2015. Unprecedented genomic diversity of RNA viruses in arthropods reveals the ancestry of negativesense RNA viruses. eLife 4:e05378.doi: 10.7554/ eLife.05378
 
:节肢动物携带大量的负链RNA病毒(黑色标注的为来自于节肢动物的病毒)。  

  病毒是生命树上数量最多,也最具有多样性的一支(Koonin and Dolia, 2013)。由于它们很难被检测到,而且现今从环境中所获得大规模的遗传数据也仅向我们展现了病毒确实数量庞大和遗传多样,因次它们被称为生物学中的“暗物质”。这些“宏基因组”测序研究让我们对各种生态位(包括海洋,脊椎动物粪便等)中的病毒有了革命性的认识(e.g., Delwart, 2007; Kristensen et al. 2010; Rosario and Breitbart, 2011; Willner and Hugenholtz, 2013)。
  
  然而,大部分的研究主要集中在DNA病毒或正链RNA病毒,很少涉及到负链RNA病毒,因此至今对于负链RNA病毒(包括引起流感、麻疹、埃博拉、以及很多其它引起动植物疾病的病毒)进化历史的研究还是空白。现在,中国疾病预防控制中心的张永振和同事采用了一种全新的方法来研究这些负链RNA病毒的多样性。他们对大量的昆虫,蜘蛛及其它节肢动物进行宏基因组测序,从而使我们对负链RNA病毒的认知达到了前所未有的广度和深度(Li et al. 2015)。
  
  张和其同事(也包括来自悉尼大学、武汉疾控中心及温州疾控中心的合作者)从中国多个地方采集了70种节肢动物标本,对其进行RNA提取和测序。从这些RNA中,他们发现了112种新的负链RNA病毒,并对RNA聚合酶基因进行系统进化分析。张和其同事发现,这些新发现的病毒分布在负链RNA 病毒系统发生树的各个角落(图1;Li et al. 2015)。这些发现填补了目前主要的知识空白,更新了我们对病毒之间进化关系的认知。比如,他们的工作证实了主要感染啮齿动物的沙粒病毒(译者注:沙粒病毒科)与之前感染植物的两个尚未确定分类地位病毒属(Ecker et al. 2005; Kormelink et al. 2011)都归属于布尼亚病毒科。
  
  他们还发现了负链病毒中一个全新的病毒枝,并命名为楚病毒(图1)。在这枝病毒中,部分病毒的基因组结构为单链RNA,部分为多节段的RNA。因此,新发现的楚病毒很可能是连接分节段和不分节段病毒间的进化桥梁。这些发现除了为我们展现出对病毒多样性认识的快捷步伐,同时也突显出对已有病毒分类规则需要作出修改(e.g., Brister et al. 2015)。
  
  尽管这种深度进化分析是非常具有挑战性的,也可以说是探索的,但仅就从这些新病毒的数量和多样性已经可以说明,节肢动物在病毒进化中的重要性。确实,张和同事证明,这些病毒的起源和分化可以与节肢动物的生物学直接联系在一起。尤为重要的是,节肢动物具有无与伦比的数量及其多样性,结合其丰富的寄生生活方式,可能意味着节肢动物作为病毒宿主和载体的独特地位,并在病毒进化中起着非常重要的作用。这是一个非常吸引人的假设,并且是现今研究值得关注的地方。
  
  然而,还有一些重要的问题尚待解决。首先,尽管病毒基因组序列是在节肢动物样本中发现,但这些病毒是不是代表着真正对节肢动物的感染还有待于确定。有一种可能是:有些病毒序列可能是由节肢动物的食物或其体内寄生虫(如线虫或单细胞真核生物)携带的。关于这个问题的解答需要后续实验验证,但是目前这个问题还没有结论。
  
  其次,尽管在节肢动物里发现的负链RNA病毒数量惊人,但张与同事所开展的这种类型的大规模研究还是第一次。这可能会影响我们(针对病毒及其宿主)的认识,也许对其它类别的动物进行类似的调查可能会再一次改变我们这些问题的认识。尽管很多有针对陆生脊椎动物相关病毒的研究,但是这些陆生脊椎动物物种多样性有限(~30000种),从而也约束了其携带病毒的多样性。比节肢动物数量更丰富的线虫(Platt, 1994),也许可能携带更多的病毒,应引起我们的重视。事实上,在文章中,张和同事指出,存在于节肢动物标本里的一些病毒,与在线虫和扁虫里发现的病毒有同源关系。因此,在研究更加广泛(物种)的病原谱之前,我们还很难确定节肢动物在病毒进化上的特殊地位。
  
  这个研究引申出了很多令人兴奋的新问题。例如,尽管在节肢动物中发现了许多负链RNA病毒的类群,但值得注意的是有一些病毒的类群却没有在节肢动物中发现(Li et al. 2015)。比如说,在正粘病毒科中,他们在节肢动物中发现了很多与蜱传Quaranja病毒相近的病毒,但却没有发现与感染脊椎动物的流感病毒相近的病毒。同样,在节肢动物中也未能发现与感染哺乳动物的埃博拉或其它线状病毒(Ecker et al. 2005)相近的病毒。通过这些结果我们可以推测,这些病毒类群可能和哺乳类宿主的关系有着很久的历史。
  
  最后,尽管张和其同事只报道了负链RNA病毒的结果,但这个研究所采用的方法适用于所有类别的病毒。因此,对于别的病毒,尽管之前已经有了相对广泛的采样(和研究),我们仍然希望从这个前所未有的数据库中得到更多的惊喜。
图1.节肢动物是大部分主要负链RNA病毒类群的宿主。进化树(引自Li et al.)表现了所有负链RNA病毒的进化关系,该进化树基于RdRp基因构建。仅感染脊椎动物的病毒标为红色;既感染节肢动物又感染脊椎动物的病毒标为橘色;感染植物(包括被节肢动物携带)的病毒标为绿色;感染线虫类和扁虫类的病毒标为蓝色。主要由张和同事发现的其他病毒被标为黑色,与昆虫,甲壳动物,蜘蛛及其它节肢动物相关。节肢动物相关病毒的巨大数量和分布的广泛性表明节肢动物可能是这些病毒进化的核心。研究更多其它非脊椎动物(如线虫类)等可以进一步验证这个观点。新发现的楚病毒位于分节段病毒和不分节段病毒之间。
  Gytis Dudas:进化生物学研究所,爱丁堡大学,爱丁堡,英国
  
  Darren J Obbard:进化生物学研究所;免疫,感染和进化研究中心,爱丁堡大学,爱丁堡,英国,darren.obbard@ed.ac.uk
  
  利益竞争:作者表明无利益竞争。
  
  发表于:2015年3月9日
      
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