海洋中发现5500个新的RNA病毒物种——追踪病毒的起源和生命的起源

2022-04-19

海洋 水下

海水样本是 RNA 病毒数据的宝库

在世界各地收集的海水样本已经产生了有关RNA病毒的新数据宝库,扩大了生态研究的可能性,并重塑了我们对这些小而重要的亚微观粒子如何进化的理解。

将机器学习分析与传统进化树相结合,一个国际研究小组已经确定了 5,500 个新的 RNA 病毒物种,它们代表了所有五个已知的 RNA 病毒门,并表明至少需要五个新的 RNA 病毒门来捕获它们。

新发现物种的最丰富的集合属于一个名为Taraviricota的拟议门研究人员,这是对支持分析的 35,000 个水样本的来源的认可:Tara Oceans Consortium,一项正在进行的全球研究,在大篷车Tara上进行气候影响改变世界海洋。

俄亥俄州立大学微生物学教授、主要作者马修沙利文说:“这里有很多新的多样性——在整个海洋中发现了一个完整的门,即Taraviricota,这表明它们在生态上很重要。”

“RNA病毒在我们的世界中显然很重要,但我们通常只研究其中的一小部分——数百个对人类、植物和动物造成伤害的病毒。我们想在一个非常大的范围内系统地研究它们,探索一个没有人深入研究过的环境,我们很幸运,因为几乎每个物种都是新的,而且很多都是真正的新物种。”

该研究于 2022 年 4 月 7 日发表在《科学》杂志上。

RNA病毒在海洋中的分布

这张地图显示了 RNA 病毒在海洋中的分布。楔形大小与该区域中存在的平均病毒丰度成正比,楔形颜色表示病毒门。学分:经 Zayed 等人许可重印,科学卷 376:156(2022)

虽然微生物是地球上所有生命的重要贡献者,但感染它们或与它们相互作用的病毒对微生物功能有多种影响。这些类型的病毒被认为具有三个主要功能:杀死细胞、改变受感染细胞管理能量的方式以及将基因从一个宿主转移到另一个宿主。

研究人员说,更多地了解世界海洋中的病毒多样性和丰度将有助于解释海洋微生物在海洋适应气候变化中的作用。海洋吸收了大气中人类产生的二氧化碳的一半,该小组之前的研究表明,海洋病毒是生物泵上的“旋钮”,影响海洋中碳的储存方式。

通过接受对 RNA 病毒进行分类的挑战,该团队进入了仍处于早期分类学分类工作中的水域,该分类工作主要集中在 RNA 病毒病原体上。在生物界Orthornavirae中,最近有五个门被国际病毒分类委员会(ICTV) 认可。

“RdRp 应该是最古老的基因之一——它在需要DNA之前就已经存在。因此,我们不仅要追踪病毒的起源,还要追踪生命的起源。” —艾哈迈德扎耶德

尽管研究小组确定了数百种适合这些现有部门的新 RNA 病毒物种,但他们的分析确定了数千种新的物种,并将它们聚集成五个新提出的门:Taraviricota、Pomiviricota、Paraxenoviricota、WamoviricotaArctiviricota,与Taraviricota一样,它们具有高度的特征丰富的物种——至少在气候关键的北冰洋水域,这是世界上变暖条件造成的破坏最严重的地区。

沙利文的团队长期以来一直对海洋中的 DNA 病毒种类进行分类,数量从 2015 年和 2016 年的几千种增加到 2019 年的 20 万种。对于这些研究,科学家们可以获得病毒颗粒来完成分析。

在目前检测 RNA 病毒的这些努力中,没有要研究的病毒颗粒。相反,研究人员从漂浮在海洋中的生物体中表达的基因中提取了序列,并将分析范围缩小到包含称为 RdRp 的特征基因的 RNA 序列,该基因在 RNA 病毒中已经进化了数十亿年,而其他病毒或细胞中不存在.

由于 RdRp 的存在可以追溯到地球上首次发现生命时,它的序列位置已经多次分歧,这意味着传统的系统发育树关系无法仅用序列来描述。相反,该团队使用机器学习来组织 44,000 个新序列,以应对数十亿年的序列分歧,并通过展示该技术可以准确分类已识别的 RNA 病毒序列来验证该方法。

“我们必须以已知为基准来研究未知,”沙利文说,他也是土木、环境和大地测量工程学教授、俄亥俄州立大学微生物组科学中心的创始主任和 EMERGE 生物学整合研究所的领导团队成员。

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“我们已经创建了一种计算上可重复的方法来将这些序列与我们可以更有信心地对齐准确反映进化的位置对齐。”

使用序列结构和比对的 3D 表示进行的进一步分析表明,5,500 个新物种的簇不适合归类于Orthornavirae王国的五个现有 RNA 病毒门。

“我们将我们的集群与已建立的、公认的基于系统发育的分类群进行了基准测试,这就是我们发现我们拥有比现有集群更多的集群的原因,”共同第一作者、俄亥俄州立大学微生物学研究科学家、研究负责人 Ahmed Zayed 说在 EMERGE 研究所。

总之,这些发现导致研究人员不仅提出了 5 种新的门,而且还提出了至少 11 种新的 orthornaviran 类 RNA 病毒。该团队正在准备一份提案,要求 ICTV 将候选门和类别正式化。

扎耶德说,随着时间的推移,关于 RdRp 基因差异的新数据的范围可以更好地了解地球上早期生命可能是如何进化的。

“RdRp 应该是最古老的基因之一——它在需要 DNA 之前就已经存在,”他说。“所以我们不仅要追踪病毒的起源,还要追踪生命的起源。”

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