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向病毒進(jìn)化的微生物,挑戰(zhàn)細(xì)胞與病毒界限 | 深度報(bào)道

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原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第13期科技新聞-深度報(bào)道

基因組極小的微生物或?qū)⑦M(jìn)化為病毒——新發(fā)現(xiàn)的生物體DNA幾乎完全專注于復(fù)制,模糊了細(xì)胞與病毒之間的界限


腰鞭毛蟲(chóng)(

Citharistes regius
)體內(nèi),藏著一種微小的微生物

(圖片來(lái)源:筑波大學(xué))

一種新發(fā)現(xiàn)的微生物暫被命名為“Sukunaarchaeum”。雖然它并非病毒,但和病毒一樣,除了自我復(fù)制外幾乎無(wú)法進(jìn)行其他生命活動(dòng)。

據(jù)科學(xué)家進(jìn)行的基因組(目前唯一能證明其存在的證據(jù))分析,這種生物是一種寄生生物,對(duì)其寄居的單細(xì)胞宿主毫無(wú)貢獻(xiàn)。Sukunaarchaeum僅含189個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,大部分都用于復(fù)制自己的基因組;其他必需物質(zhì)則完全依賴宿主,即廣泛分布于全球海洋生態(tài)系統(tǒng)中的腰鞭毛蟲(chóng)。更神秘的是,它的部分序列顯示它屬于古菌譜系——與包括人類在內(nèi)的復(fù)雜生物關(guān)系更近,而非與細(xì)菌(如大腸桿菌)同類

一項(xiàng)發(fā)表在bioRxiv預(yù)印本平臺(tái)的研究指出,Sukunaarchaeum這種在生存方式上類似病毒的微生物“挑戰(zhàn)了細(xì)胞生命與病毒之間的界限”。盡管并未參與該項(xiàng)研究,但明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校的合成生物學(xué)家KateAda‐mala表示:“這種生物可能是一塊令人著迷的活化石,即進(jìn)化長(zhǎng)河中僥幸留存的中間形態(tài)”。

Sukunaarchaeum的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。日本筑波大學(xué)研究人員最初想測(cè)序C.regius細(xì)胞中的全部DNA,以研究其藍(lán)藻共生體。除預(yù)期的甲藻和藍(lán)藻序列以及疑似細(xì)菌寄生基因組外,他們意外發(fā)現(xiàn)一段僅238kb的環(huán)狀DNA,相當(dāng)于大腸桿菌基因組大小的5%。筑波大學(xué)進(jìn)化微生物學(xué)家TakuroNakayama表示:“起初我們懷疑這一微小的環(huán)狀基因組可能只是某種實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)物”。

盡管Nakayama研究團(tuán)隊(duì)采用多種方法對(duì)該生物的基因組進(jìn)行測(cè)序和組裝,仍反復(fù)檢測(cè)到該DNA環(huán)的存在。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而推斷,C.regius體內(nèi)可能共生著另一種生命體,其似乎屬于古菌。

Sukunaarchaeum顯然無(wú)法在宿主之外獨(dú)立生存,其基因組規(guī)模約為目前已知最小古菌基因組的一半。該尚未正式命名的生物不同于任何已知古菌,其暫命名靈感來(lái)源于日本神話中身材矮小的神“Sukunabikona”。然而,Sukunaarchaeum并非已知擁有最小微生物基因組的記錄保持者,目前該記錄由一種共生于吸汁昆蟲(chóng)體內(nèi)的細(xì)菌保持,其基因組僅含約16萬(wàn)個(gè)堿基對(duì),并保留有可合成對(duì)宿主有益分子的相關(guān)基因。

Nakayama指出,相比之下,Sukunaarchaeum“幾乎完全缺乏已知的代謝途徑”。這意味著其可能無(wú)法自主合成基本的生命所需分子(如構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸或構(gòu)成DNA的核苷酸),因此該微生物與宿主腰鞭毛蟲(chóng)之間可能存在一種“寄生性或單向依賴性關(guān)系”。Nakayama進(jìn)一步補(bǔ)充道,Sukunaarchaeum“幾乎完全依賴”于宿主的細(xì)胞機(jī)制,這一特性在已知病毒中尤為典型。

然而,Sukunaarchaeum在一個(gè)關(guān)鍵方面與病毒存在顯著差異:具備自主復(fù)制其遺傳物質(zhì)的能力。通常,病毒必須依賴宿主細(xì)胞的分子機(jī)制完成自我復(fù)制,而幾乎所有已鑒定的Sukunaarchaeum基因均與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯相關(guān)。盡管如此,Nakayama認(rèn)為,該微生物“即便以犧牲幾乎所有代謝能力為代價(jià),仍極端專注于基因復(fù)制”的策略,與病毒的生存策略具有高度相似性。

圣地亞哥州立大學(xué)生物學(xué)家ElizabethWaters曾參與2003年首個(gè)古菌寄生種類基因組的發(fā)表工作,她對(duì)Sukunaarchaeum正在進(jìn)化為病毒的觀點(diǎn)持謹(jǐn)慎態(tài)度,并表示,“這種推測(cè)尚嫌過(guò)早,不過(guò)如果這個(gè)假設(shè)成立,無(wú)疑將是一個(gè)令人震撼的發(fā)現(xiàn)”。無(wú)論如何,她認(rèn)為這種微生物“極具研究?jī)r(jià)值”,并認(rèn)為Sukunaarchaeum將為基因組進(jìn)化的基礎(chǔ)研究工作提供了理想的測(cè)試對(duì)象。

此外,Adamala補(bǔ)充指出,如果Sukunaarchaeum確實(shí)代表一種向病毒進(jìn)化的微生物,那么該生物有可能為揭示病毒起源和演化路徑提供關(guān)鍵線索。她指出,“生命進(jìn)化過(guò)程中的許多重大轉(zhuǎn)變并未留下化石證據(jù),使得我們難以還原其具體發(fā)生機(jī)制。但通過(guò)研究現(xiàn)存生物的分子特征,我們可嘗試重建其祖先狀態(tài)。某些情況下,大自然還會(huì)保留進(jìn)化中的過(guò)渡性形態(tài),這無(wú)疑是極為寶貴的研究資源。”

目前已有證據(jù)表明,Sukunaarchaeum并非孤例。Nakayama及其研究團(tuán)隊(duì)篩選從全球海水提取的公開(kāi)DNA序列時(shí),發(fā)現(xiàn)了許多與Sukunaarchaeum相似的序列。Nakayama表示,“這一發(fā)現(xiàn)使我們意識(shí)到,除了識(shí)別出一種異常的生物體,我們還首次揭示了一個(gè)此前未曾認(rèn)識(shí)的大型古菌譜系的完整基因組?!?/p>

研究人員正試圖拍攝Sukunaarchaeum的圖像,這項(xiàng)任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性,因?yàn)樵撐⑸锏膶挾瓤赡苓h(yuǎn)小于1μm(相比之下,Waters研究的古菌寄生生物基因組大小是Sukunaarchaeum的2倍多,然而其直徑僅為400nm)。此外,該團(tuán)隊(duì)正在研究該種微生物的譜系與其他古菌的關(guān)系,例如是否存在自由生活的近緣種,并對(duì)其蛋白質(zhì)功能進(jìn)行詳細(xì)分析,特別是那些與細(xì)胞膜相關(guān)的巨大蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)可能在微生物與宿主之間的相互作用中起著關(guān)鍵作用。

Adamala認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)能夠提醒人們,生物學(xué)領(lǐng)域仍有許多未知領(lǐng)域值得探索。她表示,“這項(xiàng)研究充分展示了生物學(xué)的令人激動(dòng)與迷人之處,同時(shí)也彰顯了我們對(duì)其理解非常有限”。

文/Christie Wilcox

(譯自

Science
,2025,388(6753))

《科技導(dǎo)報(bào)》創(chuàng)刊于1980年,中國(guó)科協(xié)學(xué)術(shù)會(huì)刊,主要刊登科學(xué)前沿和技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域突破性的研究成果、權(quán)威性的科學(xué)評(píng)論、引領(lǐng)性的高端綜述,發(fā)表促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學(xué)文化、促進(jìn)科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的決策咨詢建議。常設(shè)欄目有院士卷首語(yǔ)、科技新聞、科技評(píng)論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。

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