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释新闻丨全球变暖背景下,冻土中沉睡数万年的病毒被复活意味着什么

释新闻丨全球变暖背景下,冻土中沉睡数万年的病毒被复活意味着什么
2022年11月29日 18:52 新浪网 作者 澎湃新闻

   在西伯利亚的永久冻土深处休眠了近五万年的史前病毒,被“人工”复活了。

  据英国广播公司等外媒报道,近期,由法国、俄罗斯等国科学家组成的研究团队在拥有27000年至48500年历史的7个古老西伯利亚永久冻土样本中,识别并复活了属于五个不同进化枝的13种病毒,并发现其中7种仍具有感染性及繁殖能力。相关论文尚待同行评议,已于2022年11月10日发表在生物科学预印本网站bioRxiv上。

  该研究小组还打破了自己创造的纪录——他们曾采用同一研究方法,在2014年“复活”了两种30000年前的真核病毒,同样具有传染性。相关论文2014年和2015年分别发表于美国国家科学院院刊(PNAS)。

  “48500年是一项世界纪录。”最新论文的作者之一、艾克斯-马赛大学医学院基因组学和生物信息学教授让-米歇尔·克拉维里 (Jean-Michel Claverie) 接受英国《新科学家》杂志采访时说。

  研究团队此次识别并复活的病毒属于5个病毒亚型。A为潘多拉病毒;C为香柏病毒;D为阔口罐病毒;E为巨大病毒;F为帕克曼病毒。

  13种古老病毒被复活

  冻土是指0℃以下,并含有冰的土壤、沉积物或基岩。有别于其他冷环境,冻土低温、可利用液态水不多、营养匮乏的特殊结构,为生物群落提供了得天独厚的栖息场所,被认为是一个储存古老活性细胞的巨大“仓库”。而气候变暖最明显的后果之一,是导致全球永久冻土层和永久冻土悬崖的快速腐蚀及深度融化加剧,或影响永久冻土融化的微生物生态学。“这种现象在西伯利亚最为明显。”上述最新论文的介绍中写道。

  上述研究团队采用的研究方法,是把活的单细胞原生生物“棘阿米巴原虫 (Acanthamoeba)”作为病毒“诱饵”,将永久冻土层样本放入阿米巴培养液中,确认棘阿米巴原虫是否被感染。实验结果表明,被复活的古老病毒能够侵入细胞并进行自我复制。

研究团队发布的最新论文,题为《从古代永久冻土中复活真核病毒的最新进展》。 截图自bioRxiv网站

  论文称,研究团队从7个不同的古老西伯利亚永久冻土样本中,识别并复活了13种病毒,属于以下五个病毒亚型:潘多拉病毒(pandoravirus)、香柏病毒(cedratvirus)、巨大病毒(megavirus)、阔口罐病毒(pithovirus)和帕克曼病毒(pacmanvirus)。这些病毒均属于 “巨型病毒”——直径可达微米级,与可感染人类的纳米级病毒相差将近100倍,很容易用光学显微镜发现。

研究团队从7个不同的古老西伯利亚永久冻土样本中识别的13种病毒。 截图自bioRxiv网站

  其中被分离出的7种新病毒,均属于潘多拉病毒科。外形呈椭圆形状,拥有双耳瓶形病毒颗粒,长度为1-1.2微米,宽度为0.5微米左右。研究人员将一块2.7万年前的冷冻猛犸象粪便样本和一块满是猛犸象毛的样本中发现的潘多拉病毒,命名为“潘多拉猛犸象病毒(Pandoravirus mammoth)”,还将从西伯利亚狼的冷冻肠道遗骸中分离出的另一种病毒命名为“潘多拉狼疮病毒(Pandoravirus lupus)”。

  该研究团队于2013年首次发现潘多拉病毒。该种病毒拥有目前已知最大的病毒基因组规模,并具有一个完全独立的非典型基因谱系——只有约6%-7%的基因与地球上其他病毒或者微生物类似。潘多拉病毒拥有许多无法识别的“孤儿基因”,且相互间也不尽相同,被认为可能是从非编码区域中自发、随机诞生的。上述论文评价,潘多拉病毒仍然是感染棘阿米巴原虫的巨型病毒中“最神秘的一种”。此次研究,首次记录了潘多拉病毒存在于远古土壤中,与它们在元基因组数据中的稀缺性形成对比。

  论文称,此次研究还发现了一种新的阔口罐病毒(Pithovirus)菌株。2014年,该研究团队在迄今3万年的西伯利亚永久冻土中首次发现并记录了这种病毒,名为“西伯利亚阔口罐病毒(Pithovirus sibericum)”。该团队在2014年发表的论文中提到,实验表明该病毒会攻击棘阿米巴原虫,但不会感染人类或其他动物。

  阔口罐病毒长度约为1.5微米,体积在病毒界位居第一。外形呈椭圆,如橄榄球般细长,拥有比潘多拉病毒更大的双耳瓶形病毒颗粒,一度被误以为是潘多拉病毒的变种,但其环状基因组要小得多,排列也更松散,表现出的复制周期和基因组特征与大型二十面体核质DNA病毒(如虹彩病毒)相近。其被以希腊语Pithos命名,意为像双耳细颈瓶一样的大型陶器罐。

  这种病毒拥有约500组基因,远少于“潘多拉病毒”的基因组数量(1900-2500组),但在细胞内的自我复制模式尤为复杂。该病毒颗粒的顶端孔被一个凸起的六边形网格结构覆盖密封,如同软木塞。研究团队在最新的论文中提到,阔口罐病毒通过吞噬作用进入棘阿米巴原虫的细胞后,病毒颗粒从其独特的软木塞结构上剥离,使病毒基因组在膜融合后通过顶端孔进入细胞质。感染约 12 小时后,成熟的病毒颗粒通过细胞裂解释放。阔口罐病毒的细胞核在整个复制周期中保持其形状,标志其病毒颗粒中携带功能性转录装置,是一种全胞质病毒(fully cytoplasmic viruses)。

研究团队于2014年发表的阔口罐病毒相关研究论文,图中为该种病毒复制周期的电子显微镜成像。来源:PNAS网站

  该研究团队此次在猛犸象粪便样本中发现的一种“猛犸象巨大病毒(Megavirus mammoth)”,是首个从永久冻土中发现的拟菌病毒科(Mimivirus)家族成员,属于其中的巨拟病毒亚科(Megamimivirinae)。

  上述最新论文中介绍,拟菌病毒,俗称“米米病毒(Mimicking Microbe Virus,MiMiVirus,即酷似微生物的病毒)”,于2003年被分离出来,里程碑式地揭示了巨型病毒的存在。最初,人们认为拟菌病毒家族只与阿米巴原虫宿主有关,但目前发现其可感染多种微藻、异养原生动物(heterotrophic protozoans)等等许多宿主。在电子显微镜下,拟菌病毒的衣壳呈六边形,立体结构为正二十面体。其直径约为0.5微米,衣壳表面有一层致密纤维。粒子的浓缩中央核显示为暗区,被一层脂质膜所包围。

  拟菌病毒外壳(或衣壳)坚固耐用,能够承受恶劣的环境以保护内部,并通过独特的机制来释放其病毒基因组——一个海星状的封口(starfish-shaped seal)处于外壳顶点上,这种特殊的顶点结构被称为“星门”(stargate)。在病毒感染过程中,海星状封口及星门打开,释放出病毒基因组。

  帕克曼病毒是最近才被发现可感染阿米巴原虫的病毒,该病毒的二十面体颗粒直径约为220纳米,在光学显微镜下无法单独辨别,需要用DAPI荧光染色才能观察细胞质病毒DNA复制情况。

  该研究团队此次从西伯利亚狼冷冻肠道中分离出的另一种病毒,因其接近帕克曼病毒的系统发育树特点,被命名为“帕克曼狼疮病毒(Pacmanvirus lupus)。实验结果发现,这种病毒的复制缓慢,产生的病毒颗粒产量低,不会引起大量细胞裂解。该病毒的核心基因与其他帕克曼病毒及其近亲同源物之间的相似性较低——其506个预测蛋白质编码基因中,有241个(47.6%)与过去测序的帕拉曼病毒基因组存在同源,还有43.7%属于“孤儿基因”。

  论文称,由于研究方法的局限性,除了前述病毒,其他具有传染性的病毒可能仍被封存在西伯利亚的永久冻土层中,且数量丰富。该论文中提到,该研究使用光学显微镜检测,可能有许多小型非裂解病毒无法被识别。同时,目前使用的放射性碳测年法无法测量超过5万年的永久冻土,而目前已知最深的永久冻土可达100万年。

  “潘多拉的盒子”是否已被打开?

  这个由法国、俄罗斯、德国等多国科学家组成的科研团队多年来专注于冻土微生物的研究与发现。

  上述论文作者认为,前述这些感染棘阿米巴原虫的病毒对人类产生危险影响的风险“可以忽略不计”,但这并不是说所有的远古病毒都是无害的。论文中写道,最近和当下正在发生的大流行病充分证明,每一种新病毒,即使与已知家族相关,也总需要开发高度特异性的医学反应,如新的抗病毒药物或疫苗。由于在不同的病毒家族中缺乏普遍保守的可成药过程,没有针对病毒的“广谱抗生素”,因此需要保持对远古病毒可能具有传染性和复活能力的警惕。

  该论文结尾提示,超过5万年的永久冻土很可能会在解冻时释放其他可感染人类或动物的未知DNA病毒。这些病毒在暴露于紫外线、氧气等室外条件后能保持多久的传染性,以及它们在此期间能否遇到合适的宿主并使其感染,目前无法估计。但是,在全球变暖的背景下,如果永久冻土层的解冻加速,并且随着工业企业的兴起,居住在该地区的人增加,这种风险必然会增加。

  该研究项目的负责人克拉维里近日接受英国《新科学家》杂志采访时也表示,这些巨型病毒复活后仍然能感染细胞,证明如果永久冻土层解冻,这些古老的病毒就有可能感染动植物,包括人。如果古老的巨型病毒在冷冻这么长时间后仍然具有传染性,那么其他种类的病毒也会具有传染性。“这是一个真正的危险,随着永久冻土层的融化,每天都有新的细菌和病毒出现。”

  2014年,克拉维里接受英国BBC新闻采访时也曾表示,深层的暴露,可能会带来新的病毒威胁,“这是灾难的根源”。他还表示,一些被公认已经消灭的病毒有可能再次复活。如复制过程与阔口罐病毒相类似的天花病毒,可能只是表面上的消失,其古老毒株可能尚未彻底根除。

  不过,是否所有的病毒在被封冻数千年甚至数百万年之后都能够重新活跃起来,目前尚不清楚。

  诺丁汉大学病毒学家Jonathan Ball曾接受英媒采访时表示,其他病毒能在永久冻土中存活多久,取决于这种病毒是否健壮。一般有脂质包膜的病毒,如流感或HIV病毒,存活能力差一些,而具有外部蛋白质外壳的病毒,如口蹄疫和普通感冒病毒,则存活得更好。“如果它们真的能活下来,需要非常快地找到一个宿主来感染。”

  某高校病毒学专家告诉澎湃新闻,前述国外科研团队采用的方法,通过模拟还原自然生态来证明这几种病毒可以在自然条件下重新复活。不过,目前只要有完整的基因组,无需冻土层原样本就可以人工复活远古病毒,“这从技术上可以实现”。

  复活的巨型病毒是否能够感染人类,始终是受到热议的话题。美国加州大学的埃里克·德尔沃特认为,古老的永久冻土病毒引发大流行的风险远低于目前在家养和野生动物中传播的病毒。

  前述高校病毒学专家表示,一般病毒的宿主范围极为有限,如能感染植物的病毒无法感染人类。像前述这些远古巨型病毒,目前只能感染棘阿米巴原虫这类低级生物,想要跨越种属之间的屏障在人际间形成传播几乎不可能,极有难度。不过,一些病毒可能会存在于人类的体内,如人体肠道存在大量可感染细菌的噬菌体,对人体细胞不造成伤害,因此无需过分堪忧。

  武汉大学病毒学国家重点实验室主任蓝柯日前接受《环球时报》采访时同样表示,“潘多拉”这样的远古巨型病毒在人类中广泛传播的可能性,“可以说是微乎其微”。蓝柯称,现如今的一些人畜共患病,从动物传播到人身上要经过多年的反复进化,在此过程中,病毒需要进化到临界点,才能从一种动物跨越到另外一种动物。“某种程度而言,这些跨种属的病毒传播是要在很‘完美’的条件下才能发生,所以远古巨型病毒人际传播的可能性是非常小的,无须过度担忧。”

  从科学角度上看,对病毒的探索,特别是远古病毒的发现,具有积极的意义。

  前述高校病毒学专家表示,目前人类对基因、蛋白质和生命之间的关系,始终找不到答案,而对病毒这种特别的非典型生命体进行研究,可以丰富我们对生命的理解。如远古巨型病毒,是介于病毒与细菌之间的一种过渡状态生命体,不过必须依靠寄生于其他生物繁殖,故归为病毒一类,在进化史上具有特殊地位。

  “病毒的种类数组范围极为广泛,有太多的未知需要探索,这是一个很好的窗口和机会,让人类更加进一步走进自然界。”该专家认为,气候变暖的背景下,环境微生物学的研究将逐步丰富我们对于各种环境中的病毒分布和丰度了解,尽量减少人类活动时无意中“复活”某些尘封或冰封的病原体,并逐渐形成预警机制和规范,是对未来的有益预判,“我们从这些古老‘冰库’里收集到的秘密,极有价值。”

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