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张永振教授关于Nature论文《无脊椎动物RNA病毒圈的重新界定》的中文简介

2016-11-30 14:14打印
  在国家自然基金、国家重大专项、国家重点研发计划等资助下,中国疾病预防控制中心(CDC)传染病预防控制所张永振研究员带领的人兽共患病研究团队(包括传染病所人兽共患病室、武汉市CDC、温州市CDC、澳大利亚悉尼大学等)在病毒发现和起源进化的研究中取得重大突破。该研究以无脊椎动物RNA病毒圈的重新界定—“Redefining the invertebrate RNA virosphere”为题发表于国际顶尖科学期刊《自然》上。
  
  本研究在湖北、浙江和新疆陆地地区以及黄海、东海和南海海洋地区调查了九个动物门(节肢动物门、环节动物门、星虫动物门、软体动物门、线形动物门、扁形动物门、腔肠动物门、棘皮动物门、脊索动物门背囊亚门)超过220种无脊椎动物,通过深度转录组测序共计发现超过1445种全新的病毒,其中一些病毒与现有已知病毒的差异性足以把它们定义为新的病毒科。该研究在发表的论文中直接命名了五个新的病毒科或病毒目—越病毒、 秦病毒、 赵病毒、魏病毒和燕病毒。同时研究表明非脊椎动物的病毒RNA含量异常丰富,其组成占总RNA(rRNA去除后)的比例最高达到87%,且这些新发现的病毒的RdRp结构域具有广泛的序列差异性,与已知的RNA病毒氨基酸同源性低于40%。因此该研究通过转录组的方法研究各种无脊椎动物所携带的病毒谱,为我们提供了一个关于病毒生物多样性的新视野。
  
  RNA病毒具有高度遗传多样性,而目前针对整个RNA病毒的进化过程的认识只是冰山一角。为了更好的全面反映整个RNA病毒的进化过程,本研究创新性的将新发现的病毒和已知的病毒分为16个进化群,加上新发现的越病毒、 秦病毒、 赵病毒、魏病毒和燕病毒,这些结果表明病毒遗传多样性远超过了之前已知的病毒,而且新发现的病毒填补了在进化树上科与科,属与属之间的空缺,使得整个RNA病毒的遗传多样性显得更加连贯。另外本研究描述了每个进化群RNA病毒的宿主谱都非常广泛,包括不同的门类,甚至不同的界,而感染不同生物门的病毒在进化树上是分散的,且表现为不同模式的聚集簇,这些反映了病毒与其相应的宿主之间存在着复杂的相互作用,包括频繁的宿主转换及共进化。
  
  无脊椎动物病毒谱也表明病毒基因组具有极其巨大的灵活性,包括频繁的重组、病毒和宿主间的水平基因转移、基因的获得和丢失以及复杂的基因组重排。本研究发现病毒的结构和非结构基因进化历史呈现出很大的不同,这表明在长期的进化历史过程中结构基因和非结构基因存在着广泛的重组。重组事件还可以发生在高度差异的不同病毒分支中,包括不同的负链RNA病毒间,负链和正链RNA病毒间,甚至是负链RNA病毒和DNA病毒之间。RNA病毒基因组的灵活性还体现在基因的获得和丢失。RNA病毒序列短,进化快,所以基因获得和丢失很难发现。但是结合大量病毒基因组的结构分析揭示了这些事件在RNA病毒也很常见,其中最复杂的RNA病毒含有大量的协助基因,而最简单的病毒可能只有一个复制酶基因组成。更值得关注的是,RNA病毒也经常从细胞生物中获取基因,包括RNA解旋酶、甲基转移酶、核酸酶外切酶、蛋白酶、ADP-ribose 结合蛋白和双链RNA结合蛋白,甚至包括大肠杆菌群集运动蛋白(NANAR结构域)基因。这些基因在病毒进化史上出现的时间很不连贯,在基因组所处的位置也都是有很大的灵活性,表明这些基因经历了多次独立的基因获得和缺失事件。本研究也表明了之前被认定是保守的基因组特征在进化历程中实际上是高度多变的。这些特征包括开放阅读框的数目和排列、结构和非结构蛋白的顺序、以及病毒的分节段的频率和节段的数量。比如说,我们发现在一些正链RNA病毒进化过程中的高频率的分节段或去分节段化(即重新成为不分节段基因组)的历程。负链RNA也有多种分节段的组织。例如布尼亚科的节段的数量从原来的3段到现在的1-7段,这体现了之前的知识体系和分类体系的严重缺陷。因此,在发现大量新的RNA病毒之后,展现在我们面前的不是一个支离破碎的病毒分类体系,而是一个连贯的更加灵活的模块化病毒基因组进化模式。
  
  总的来说,我们的研究结果呈现出一个比目前的分类系统所描绘的亲缘进化关系更复杂的、基因组进化更灵活多样的病毒圈,从而为研究病毒甚至生物的遗传与进化奠定了基础。该研究建立的检测体系、发现的新病毒也有助于在我国新发突发传染病的防控上做到早识别、早预警、精准防控。
 图1. 非脊椎动物病毒圈模式图
 图2. RNA病毒的遗传多样性
图3. RNA病毒间基因频繁交换
图4. RNA病毒结构基因的缺失和获得
图5. RNA 病毒与细胞组织间发生基因水平转移




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