第二节 噬病毒体

病毒是个体非常微小，结构特别简单，仅能在细胞内复制的严格的活细胞寄生物。按照病毒宿主的不同，可将病毒分为动物病毒（animal virus）、植物病毒（plant virus）、噬藻体（phycophage）、噬真菌体（mycophage）、蓝细菌噬菌体（cyanophage）、噬菌体（phage）等。近年来，又发现以较大病毒为宿主的一类新型病毒——噬病毒体（virophage）。

一、概述

一般认为，病毒必须通过感染细胞才能进行自我复制，但是目前新发现了一类不感染细胞而是感染病毒的病毒，被称为噬病毒体。噬病毒体这一新的病毒类型最早在2008年于法国巴黎的一座冷却塔中发现，因其能伴随巨病毒[giant virus，如Mimivirus、Organic lake phycodnavirus OLPV、Cafeteria roenbergensis virus CroV]一起侵染单细胞真核生物（如阿米巴），并在巨病毒的病毒加工厂（viral factory，VF）增殖，结果产生了非正常形态的病毒颗粒，降低了巨病毒的侵染性，提高了真核宿主存活率而得名。噬病毒体的宿主病毒都是基因组超过1Mb的巨病毒，如Mimivirus、Mamavirus和Megavirus等，这些巨病毒被统称为“Megaviridae”。巨病毒的发现使人们开始重新审视病毒的概念，因为它们不仅在外形和基因组上大过了很多细菌，还具有一些独特的生命现象，如其基因组能编码真核生物才能编码的氨酰基-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS），拥有独立的病毒颗粒的包装/去包装机制，具备自身的转录信号——“发夹结构”等。更有趣的是在研究Mamavirus时，用透射电子显微镜观察采样（来自巴黎冷却塔的阿米巴变形虫细胞），发现除了Mamavirus病毒颗粒以外，还有一些直径约50nm的二十面体的小颗粒。进一步研究确定这种小颗粒只能在与Mamavirus共同接种进阿米巴变形虫细胞时才能复制。这种小颗粒即为噬病毒体。借用“bacteriophage（噬菌体）”，研究者用“virophage（噬病毒体）”来描述这种寄生于病毒中的小病毒颗粒。随后科学家们又在海洋和有机湖中发现两种新的噬病毒体。第一种噬病毒体被命名为旅行者病毒（Sputnik）。随后La Scola等人发现了另外两株Sputnik。由于它们跟Sputnik差异很小，分别命名为Sputnik 2和Sputnik 3。在2014年，该小组又发现了一株Sputnik的近亲，命名为CroV，且跟Sputnik具有相似的Mavirus（Maverick-related virus）。噬病毒体能抑制宿主病毒的增殖和裂解细胞的能力，并且噬病毒体只有在宿主病毒存在时才能增殖。噬病毒体的发现开启了一条新的探索病毒间相互作用的途径。

二、噬病毒体的种类

1.Sputnik

旅行者病毒（Sputnik）是人们发现的首个噬病毒体，是由法国科学家La Scola等于2008年在对多食棘阿米巴变形虫模仿病毒（acanthamoeba polyphaga mimivirus，APMV）的研究中发现并命名的。该病毒分离毒株来自英国Bradford的一个冷却塔。APMV被鉴定为一种病毒并被冠名为模仿病毒（Mimivirus，因其与细菌相似而得名）。Mimivirus是首个被发现基因组超过1Mb的病毒，它属于核质大DNA病毒。Sputnik本身并不能在阿米巴细胞中很好地复制，但当阿米巴同时感染了Mamavirus和Sputnik就能迅速繁殖，并利用Mamavirus的病毒加工厂进行繁殖。Mamavirus具有普通病毒不具备的特性：结构复杂、DNA复制系统完善、基因转录调控方式多样。正是由于Mamavirus这些独特的性质，从2003年发现至今，在对模仿病毒的研究过程中才有了如此意想不到的发现。Sputnik能从宿主病毒（Mamavirus）和其他微生物身上“掠夺”基因，达到显著的基因混合效应，这种生活方式类似于噬菌体。此前，人们只知道病毒能感染细菌，但Sputnik病毒是首个能感染其他病毒的例子。科学家通过对海洋水域所进行的宏基因组学研究，发现存在大量与Mamavirus密切相关的基因序列，因此认为应该有大量类似于Sputnik的噬病毒体存在。

不管结构简单还是复杂，所有的病毒都具有一层蛋白衣壳。研究者常常以这层蛋白衣壳作为靶点来破坏病毒。噬病毒体具有病毒的一般结构，也被蛋白衣壳包被。Sputnik的基因组是18kb的环状双链DNA，富含AT，预期编码21种蛋白质，88～779个氨基酸。编码的21种蛋白质中，13种与序列库中无同源性。其他8个基因与其他生物的病毒有同源性（图4-1）。基因组排列紧密，可读框很少重复，是典型的病毒基因组的排列方式。序列分析表明，Sputnik基因组包含来源于不同生物的21个基因，尽管基因之间亲缘性较远，但其中包含几种与常见病毒（如痘病毒、Mimivirus和Mamavirus）密切相关的基因，其中三个基因明显来自于Mamavirus；另外，Sputnik的基因组中有50%的基因来自海洋病毒，还具有来自古生菌的非常罕见的基因。可见，噬病毒体可能是介导基因在巨病毒之间横向迁移的媒介。

Sputnik衣壳二十面体对称，假六面体衣壳粒厚约7.5nm，相邻衣壳粒中心间的距离约7.5nm，与肠杆菌噬菌体PRD1衣壳的大小一致。每个假六面体衣壳的中心有三角形头部突出的5.5nm长的蘑菇样衣壳外纤维，但衣壳不是五面体。纤维密度比衣壳小，表明纤毛没有充分占据每个衣壳粒，或者纤维有弹性。衣壳粒中间有空洞，其中一个空洞可充当DNA进出的通道。

Sputnik不能独立感染阿米巴，然而，共接种Sputnik和APM（巨大DNA病毒、Mamavirus）粒子，二者均倍增。Sputnik在病毒工厂（在其裂解感染过程中，APM在阿米巴细胞建造的复制和组装中心）繁殖。病毒工厂为DNA丰富的胞质空间，在APM感染后4h出现，可扩大至几个微米。Sputnik病毒粒子比APM粒子繁殖更快速。感染6h后，Sputnik粒子开始在病毒工厂出现，而新APM粒子仅在8h后出现。共感染降低了APM粒子的产量，导致产生畸形APM粒子。Sputnik因而充当真正的寄生物，对APM的增殖产生有害影响。Sputnik和Mamavirus在同一个病毒工厂以不同的动力学和不同特异部位产生。Sputnik比巨大DNA病毒产生较早。Sputnik与共感染畸形Mamavirus粒子（衣壳部分加厚）的显著增加相关。在正常的Mamavirus粒子，衣壳层厚40nm，而存在Sputnik时，衣壳厚度可达240nm。多数情况下，在病毒颗粒的一极不对称地积累几个衣壳层。一些这些畸形粒子似乎是成熟的，仅在正常衣壳部分包装囊膜。仅少部分的Mamavirus粒子内包装Sputnik粒子（图4-2）。然而，Mamavirus和Sputnik并发导致感染性的Mamavirus粒子产量降低约70%，24h阿米巴裂解降低3倍。这些发现表明，Sputnik是Mamavirus的寄生物，持续降低宿主病毒的繁殖效率。

2.Mavirus

Mavirus是由加拿大微生物学家发现的迄今最大的海洋病毒——咖啡厅洛博金斯病毒（Cafeteria roenbergensis virus，CroV）的第二种噬病毒体。CroV是在2010年被发现的双链DNA病毒，携带了令人难以置信的约73万个DNA碱基对，预测基因超过500个，是目前已知的世界上最大的海洋病毒和第二大病毒，仅次于淡水病毒——多噬棘阿米巴模仿病毒（基因组1200kb）。Mavirus的基因长19063bp，是环状的双链DNA，G+C含量为30.26%，基因组的92.6%为编码区，其中预测有20个蛋白质编码序列（coding sequence，CDS），包括一种逆转录病毒整合酶和DNA聚合酶B，编码序列平均长度为883bp。Mavirus只有在周围有CroV时才活跃起来，而CroV周围出现Mavirus时，其传染速度会降低。研究人员推测，Mavirus能通过窃取CroV的基因而快速繁殖。

一般认为病毒是简单生物体，只有少量基因，无法独立复制。但是C ro V具备大量活细胞特有的遗传机制，它们拥有自己的蛋白质合成机制以及通常在活体细胞中才能够完成的功能，这模糊了生命与非生命之间的界限。全基因组测序发现，这20个预测的CDS启动子序列与CroV的后期启动子序列相似。Mavirus有10个CDS，与来自于真核生物、细菌、反转录病毒及双链DNA病毒的基因序列具有同源性，其中在Sputnik中发现的同源基因包括编码衣壳蛋白、ATP酶、腺病毒半胱氨酸蛋白酶和GIY-YIG内切核酸酶/锌指蛋白的CDS。然而，在Mavirus中这10个与其他生物同源的CDS不包括整合酶和启动子序列，并且除了这10个CDS外，其他约80%的CDS与其他生物不具同源性，这表明这些病毒间不可能通过整合酶的基因整合作用进行基因水平转移而产生进化上的联系，它们之间进化上的联系应该源自古代。

3.有机湖噬病毒体

有机湖噬病毒体（organic lake virophage，OLV）是由澳大利亚新南威尔士大学微生物学家Ricardo Cavicchioli领导的科研小组在南极有机湖中发现的。南极湖为微生物控制的生态系统，支持截短的食物链，其中病毒展示主要的影响。其中发现了捕食藻DNA病毒（PV）的噬病毒体。噬病毒体在极地夏天有光时期降低宿主总体死亡率，增加藻盛期，而激发次级产量。湖中2年以后噬病毒体仍保持丰富。为了检测出其他可能存在的噬病毒体，研究者在来自全球海洋样本的序列数据库中搜寻与OLV主要衣壳蛋白编码区域同源的序列，结果在南极的另一个南极湖（冰湖）、一个咸水湖、加拉帕戈斯群岛海的上升流的一个地方、美国新泽西州的一个河口和巴拿马的一个淡水湖的水草类生物中均发现了同源序列。显然，噬病毒体并不是只存在于南极湖中。这些发现表明噬病毒体调节宿主-病毒互作，影响有机湖的总体碳流，在多样生态系统中发挥着以前未知的作用。

该新病毒基因序列与首个噬病毒体Sputnik非常类似，因此将其归为噬病毒体类。OLV的全基因组长约28kb，为环状的双链DNA分子。和Sputnik基因组相似，OLV的基因中GC含量较低（约30%）。研究者鉴定了OLV基因组中的25个预测蛋白编码序列，其中有的蛋白质编码序列与Sputnik具有同源性（氨基酸序列相似度为27%～42%），包括一个主要的衣壳蛋白。在OLV基因组，OLV12是小球藻属病毒来源基因，表明在OLV和PV之间发生了基因交换。相似的现象也在Sputnik发生，携带了与Mamavirus共同的4个基因（V6、V7、V12和V13），表明可能的基因交换和共进化过程。由于V6、V7、V12和V13蛋白与噬病毒体辅助特性相关，有理由相信OLV的功能同源体将与其辅助病毒的蛋白而不是Sputnik具有功能同一性。

三、噬病毒体研究的意义

作为一种新发现的病毒类型，对噬病毒体的研究具有重要的理论意义。

1.存在噬病毒体为微生物食物链环动态学增加了复杂性

在阿米巴分批培养物中，APMV和Sputnik共感染导致感染性APMV颗粒降低70%，阿米巴裂解降低至1/3。噬病毒体的效应很强。通过降低感染性OLPV的数量，存在OLV缩短了宿主种群的复苏时间，改变了离开轴的轨道。模型揭示，噬病毒体在极地夏天有光时期降低宿主总体死亡率，增加藻盛期，而激发次级产量。极地湖系统具有进化机理，处理长光-黑暗循环，缩短营养链。在有机湖和类似系统，捕食藻DNA病毒的毒性降低可能有助于维持微生物食物网的稳定性。

2.为DNA转座子的起源提供了选择性的机制

DNA转座子为移动的遗传因子，已经存在于真核生物基因组中数百万年了，而其来源仍不明确。发现噬病毒体在遗传同源性的基础上，似乎代表了一种双链DNA病毒和Maverick/Polinton（MP）真核DNA转座子间的进化联系。在研究的基础上，可总结得出Maverick/Polinton转座子可能源于古老Mavirus的近亲，因而影响真核生物基因组的进化。

转座子（transposons，TEs）可分为反转座子和DNA转座子。DNA转座子进一步可分为切割-粘贴型TEs、滚环TEs和自我合成Maverick或Polinton（MP）TEs。MP TEs长9～22kb，编码达20种蛋白质，发现存在于多数真核生物，包括原生动物、真菌和动物。多数MP TEs编码逆转录病毒整合酶（INT）、一种启动病毒DNA复制的DNA聚合酶B（Pol B）、一种类似于dsDNA病毒的FtsK-HerA基因组包装的ATPases和一种腺病毒同源的cys蛋白酶（PRO）（图4-3）。另一种PY蛋白在MP TEs经常遇到，表现出与藻类病毒主要衣壳蛋白类似的结构。因为MP TEs遗传上类似于PRD 1腺病毒家族，提出了这些转座子的病毒性来源的假说，虽然在MP TEs发现的逆转录病毒整合酶还没有在病毒中发现。

观察到与MP TEs的基因组大小、基因组结构和基因成分的类似性，特别是序列相似性和同线性，暗示Mavirus和MP TEs进化自共同祖先。这些转座子和dsDNA病毒的遗传相似性已经激发出不同的进化假说，如MP TEs来自线性质粒，MP TEs和PRD 1腺病毒家族进化自共同的祖先病毒；Mavirus源于一种逃逸的TE，或MP TEs来自Mavirus古老近亲的内共生作用；一种更保守的解释为，Mavirus祖先（MVA）产生了MP TEs，这发生在易受大DNA病毒（与MVA共进化）感染的早期真核生物（图4-4）。

除其遗传上的相似性，Mavirus和MP TEs间的进化关系也为其他一些现象所支持。首先，Mavirus和MP TEs的整合酶紧密相关，表明Mavirus整合酶祖先可以催化DNA插入到真核生物基因组。其次，Mavirus即使在无宿主病毒存在下也与宿主细胞相关联。第三，Mavirus整合酶干扰CroV繁殖，增加了宿主-细胞种群的存活。因而，易感染巨大病毒的真核生物，如果可与噬病毒体发生联系，则获得了选择性优势。从最近描述的内生病毒看，Mavirus的发现进一步揭示了病毒和细胞型生命间的复杂遗传互作的侧面。

3.为水平（横向）基因转移提供了更多证据

与巨大DNA病毒建立联系后，Sputnik可能获得了模仿病毒共享的3个基因，其产物可能涉及噬病毒体与其病毒宿主的互作。在病毒工厂内部，噬病毒体和APMV基因组间的重组可能导致基因交换。APMV工厂也许能复制外源DNA。Sputnik基因组存在3个Mamavirus同源的基因表明，Sputnik和Mamavirus间可能在其共感染阿米巴的过程中发生了基因转移。Sputnik和古生菌病毒（质粒）间共享的整合酶基因可能早于古生菌和真核生物趋异，独立来自于祖先病毒。相应地，Sputnik可能从真核细胞内栖居的古生菌内共生体感染的病毒（质粒）中获得该基因。不管该基因的确切来源如何，噬病毒体的一个最显著特征是其明显的嵌合性起源，这似乎是目前基因混合的最确定的例子，与病毒世界的其他情况匹配。

4.加深了对生命起源的认识

噬病毒体与其宿主病毒共感染真核生物细胞时，可使其病毒宿主的毒性减弱，对共同的真核宿主的存活有利。真核生物染色体上大量的转座子的病毒起源假说暗示，真核生物进化早期的病毒感染事件，特别是噬病毒体与其病毒宿主的共感染，影响了真核生物基因组的进化。事实上人类DNA的一半来自病毒，它们感染并嵌入在人类祖先的卵子和精子上。在人类的基因组中其他病毒可能与自体免疫性疾病和某些癌症有关。有些病毒也会做好事，当你还是胎儿时它们能避免你遭受来自妈妈的免疫系统的攻击。病毒跟人类是一家人：科学家认为，十多亿年前一个大的DNA病毒在细菌细胞内居住并形成了第一个细胞核。如果是这样，那么人类都是病毒的后裔。