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【多学科】张永振团队发现 1445 种新 RNA 病毒

 文章来源:www.esi.ac.cn  浏览:次 | 发布时间:2018-04-23 22:49

【多学科:Multidisciplinary】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在病毒发现和起源进化的研究中取得重大突破,于2016年发表在Nature期刊的论文,持续获得学科领域内专家的关注与讨论,此成果被ESI中国界定为原创成果。
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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

来自:http://www.icdc.cn/plus/view.php?aid=2274


图1. 非脊椎动物病毒圈模式图

在国家自然科学基金重大项目“动物源病原体的发现及其对人类致病性研究”(项目编号:81290343)等支持下,中国疾病预防控制中心传染病预防与控制研究所张永振研究员领导的研究团队,在病毒发现和起源进化的研究上取得重大突破,从无脊椎动物中发现了1445种新病毒,对这些新病毒与已知病毒的遗传进化研究结果,极大地完善了对RNA病毒的系统与进化路径的认识。相关成果于2016年11月24日以“Redefining the invertebrate RNA virosphere”(无脊椎动物RNA病毒圈的重新界定)为题的研究论文在线发表在Nature上。论文链接:http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20167.html。国内外重要媒体对该研究成果进行了报道。国际顶尖学术期刊Nature Review Microbiology发表评论(Highlight),以“解开RNA病毒圈的秘密”为题,高度评价了该项研究的重大科学意义。

病毒被称为生命科学的“暗物质”,在已知生物中基因组变异速度最快。自1892年人类发现第一个病毒,到2011年国际病毒分类委员会(ICTV)出版的第九次报告,已认定及待定的病毒共有约2284种(包括DNA病毒和RNA病毒)。已有的研究主要集中在引起人、动物及植物病害的病毒,导致“系统与进化病毒学”知识不够完整。该项研究在我国北京、浙江、湖北、广西、新疆等地的陆地、江河、湖泊以及黄海、东海、南海等海洋中采集了九个动物门(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,采用转录组深度测序及相关的生物信息学分析技术,共发现1445种全新的病毒。这些新发现病毒不但相互间的序列差异很大,而且与已知的RNA病毒序列差异也很大,表现出复杂多样的系统进化地位。按照现有的病毒分类规则,部分新发现病毒与已知病毒的差异之大足以把它们定义为新的病毒科或目(如:越病毒、秦病毒、赵病毒、魏病毒、燕病毒)。

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。