CRISPR篩選發(fā)現(xiàn)巨型病毒竟然來自小病毒！

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-02-15 09:42:00【大中小】

摘要：一項利用CRISPR/Cas9探索一些巨型病毒進化起源的研究發(fā)現(xiàn)，它們的大基因組源于基因復制。

大多數(shù)病毒都很小，攜帶最簡單的基因組。即使是最大的小型病毒之一，牛痘病毒，也只有花粉粒的五十分之一大小，只含有270個基因。巨型病毒藐視這些規(guī)則。它們的大小可與小型細菌相媲美，基因組包含數(shù)千個基因，其復雜性堪比細胞生命。這些病毒如何變得如此龐大一直是爭論的主題。現(xiàn)在，科學家們終于準備好解開它們的進化起源之謎，這要歸功于《Nature Communications》1月份一篇論文中描述的一套基于CRISPR/Cas9的工具。

法國艾克斯-馬賽大學的病毒學家Chantal Abergel說:“我們遇到第一個巨型病毒是偶然的。它是Mimivirus，實際上它被誤認為是一種細菌。”在這一發(fā)現(xiàn)之后的20年里，病毒學家一直優(yōu)先探索巨型病毒的多樣性。現(xiàn)在他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些，重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到用分子生物學技術更詳細地研究它們的進化。

圖1 科學家推斷復雜的病毒起源于更小更簡單的病毒（圖源：[1]）

進化生物學家一直在努力研究巨型病毒的兩種可能起源。一種可能性是，它們曾經(jīng)是細胞生物，隨著時間的推移，在物理上和基因上都縮小了。但是大多數(shù)病毒學家現(xiàn)在懷疑巨型病毒是由小得多的病毒進化而來的——盡管支持這兩種假設的證據(jù)都很缺乏。

為了解決這個起源問題，Abergel決定研究Pandoravirus基因組中的基本基因是如何分布的。在細胞生物中，基本基因分散在整個基因組中，所以如果巨型病毒本質(zhì)上是縮小的細胞，人們就會期望類似的模式。或者，如果基因是聚集的，這可能表明病毒的大基因組一開始以更緊湊的形式出現(xiàn)。

找到病毒必需基因的一種方法是一次敲除一個基因，以找到病毒產(chǎn)生所需的基因。但要用巨型病毒做到這一點，Abergel需要一個在群體成員中起作用的基因編輯系統(tǒng)。在Abergel實驗室博士后研究員Hugo Bisio和艾克斯-馬賽大學同事的幫助下，Abergel使用了基于CRISPR/Cas9的基因編輯系統(tǒng)，修改了Acanthamoeba castellanii和感染它的巨型病毒Pandoravirus neocaledonia的基因組。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)被設計用于刪除特定基因，由兩個引導RNA和一個Cas9分裂酶組成。與其他CRISPR/Cas9系統(tǒng)類似，每個引導RNA包含17到20個堿基，被設計成與巨型病毒或變形蟲基因組上的一個特定位置結(jié)合，允許Cas9分裂酶在該位置切割基因組。

Acanthamoeba castellanii每條染色體包含25個副本，這使得設計一個可以刪除每個基因副本的有效CRISPR/Cas9系統(tǒng)變得困難。為了克服這個問題，研究人員修改了他們的CRISPR/Cas9系統(tǒng)，以產(chǎn)生鏈式反應。每當DNA被切割以去除一個基因時，編碼Cas9酶的DNA片段和負責切割的引導RNA將取代基因組中缺失的基因。這使得基因刪除重復和傳播，直到所有副本被刪除。

圖2 CRISPR/Cas9操作卡氏棘阿米巴（圖源：[1]）

復雜的病毒起源于更小更簡單的病毒

一旦他們優(yōu)化了CRISPR/Cas9系統(tǒng)，團隊就從Pandoravirus基因組中分別刪除了每個基因，并測量了由此產(chǎn)生的病毒生產(chǎn)變化，以確定每個基因?qū)Σ《旧芷诘闹匾浴Ｋ麄儼l(fā)現(xiàn)，必需基因聚集在基因組的一端，與非必需基因在另一端分離。比西奧說，在病毒中還沒有發(fā)現(xiàn)過這種水平的基因有序性。即使是細菌基因組也不那么整齊:雖然它們確實將功能相連的基因分組成稱為操縱子的基因簇，但這些基因簇往往分散在整個基因組中，而不是集中在一個點上。

必需基因簇可能與一種古老病毒的較小的“核心基因組”相呼應。這個基因組可能通過多輪偏向一個方向的基因復制而被拉長，以產(chǎn)生額外的一組多余的非必需基因。這可以解釋現(xiàn)代巨型病毒是如何擁有數(shù)千個基因的。

作者指出“我們的數(shù)據(jù)表明，復雜病毒起源于更小、更簡單的病毒，”需要進一步研究才能確定這是否適用于所有巨型病毒，還是僅僅適用于Pandoravirus。其他研究發(fā)現(xiàn)，巨型病毒中的一些基因是從它們的Acanthamoeba castellanii宿主那里篡奪的，這表明基因交換是巨型病毒增大體積的另一種方式。

研究小組隨后將目光投向Pandoravirus的眾多進化之謎之一:它沒有衣殼。小病毒將它們的基因組包裝成由病毒蛋白質(zhì)構成的衣殼。雖然一些巨型病毒，如Mimivirus，延續(xù)了這一傳統(tǒng)，但其他病毒，包括Pandoravirus病毒，卻沒有。如果巨型病毒確實是從較小的病毒進化而來，那么它們的基因組中可能隱藏著衣殼蛋白質(zhì)的痕跡。因此，研究人員開始研究Pandoravirus病毒的近親——較小的Mollivirus——潛在衣殼蛋白殘余的功能，這種病毒也可以感染A. castellanii。

圖3 潘多拉病毒基因組保留了其較小祖先的痕跡（圖源：[1]）

研究人員根據(jù)其基因序列和預測的3D形狀，懷疑一種名為ml_347的Mollivirus蛋白質(zhì)是從衣殼基因進化而來的。因此，該團隊通過使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)刪除該基因來研究其功能。他們發(fā)現(xiàn)該基因?qū)ollivirus的組裝很重要，作者說考慮到它可能的衣殼血統(tǒng)，這很有趣。有可能，隨著衣殼在巨型病毒進化中丟失，過時的衣殼基因被適應了新的組裝功能。

加州能源部聯(lián)合基因組研究所的進化生物學家Frederik Schulz點評：看到CRISPR/Cas9技術被引入其他宿主物種(如藻類)將是令人興奮的，這將允許研究人員將研究擴大到更多種類的巨型病毒。他還指出，該系統(tǒng)只適用于在宿主細胞核中復制的病毒，而大多數(shù)巨型病毒復制在被稱為病毒工廠的細胞質(zhì)結(jié)構中，Cas9酶和引導RNA無法穿透。

CRISPR/Cas9技術將用來梳理所有病毒基因的功能。

參考資料：

[1] Evolution of giant pandoravirus revealed by CRISPR/Cas9