原文作者：Amber Dance
新型冠状病毒（SARS-CoV-2）只是地球上无穷无尽病毒中的沧海一粟。科学家在快速确定大批新病毒物种。
在非洲白蚁丘、南极海豹、红海水体中，Mya Breitbart都发现了多种新型病毒。但想要获得大发现，只要步入她位于佛罗里达家中后院。在她家泳池漫步着乳突棘蛛（Gasteracantha cancriformis）——外形奇妙的蜘蛛，有着球形白色身体、黑色斑点、六根猩红尖刺，看起来像某种中世纪武器。作为南佛罗里达大学的病毒生态学家，让Breitbart更惊奇的是这种蜘蛛的内在。她和同事收集并磨碎一些蜘蛛样本后，发现了两种之前科学界未知的病毒[1]。
虽然我们人类自2020年初开始特别关注一种尤其烦人的病毒，但是还有千军万马的其他病毒有待发现。科学家预计，任何时候仅在海洋中栖居的病毒颗粒就有约10^31个——是已知宇宙中恒星估计数量的一百亿倍。
我们逐渐明白，生态系统和生物体，都有赖于病毒。病毒轻如鸿毛，作用却重于泰山，它们跳转于宿主间，改变宿主基因，从而驱动了百万年的演化进程。在海洋里，病毒切开微生物，将内容物倾入大海，让食物网富于营养。英属哥伦比亚大学病毒学家Curtis Suttle说：“要是没有病毒，人类不会存在。”
图示不同形状、大小的病毒，如巨型拟菌病毒（右上）、登月器形状的噬菌体（中心）。| 伪色电子显微照片（比例尺不一致）。首行左至右：天花病毒、酸菌瓶状病毒、拟菌病毒。中间行左至右：狂犬病病毒、T4噬菌体、轮状病毒。末行左至右：埃博拉病毒、烟草脆裂病毒、HIV-2病毒。SPL; M. Häring et al./J. Virol.; E. Ghigo et al./PLOS Pathog.; Frederick A. Murphy/CDC Global
国际病毒分类委员会（ICTV）只列有9110种已命名的病毒，这显然只是冰山一角。部分原因是，过去要正式分类一种病毒，要求能在宿主体内或宿主细胞内培养出这种病毒。即使这能做得到，也颇为耗时。另一方面，以往研究偏向于对人类或其他人类关心的生物致病的病毒，例如牲畜或作物。但是，新冠疫情给我们敲响了警钟，我们需更多理解那些能转换宿主、威胁到牲畜、农作物及人类自身的病毒。
过去10年来，已知且已命名的病毒数量剧增，这得益于发现病毒技术的进步，再加上确定新病毒物种的规则近期发生了变化，无需培养病毒及宿主即可命名病毒。宏基因组技术是影响最深远的技术之一，研究人员能利用这项技术提取环境基因组样本，无需培养单个病毒。更新的技术（如单病毒测序技术）进一步增补了病毒列表，包括一些很常见但直到如今才受到关注的病毒。做这类研究正赶上了一个激动人心的时代。Breitbart说：“我认为，从各种意义上说，现在是病毒组学的时代了。”
仅2020年，ICTV就在其正式列表中增加了1044种病毒，还有上千种正在等待描述和命名。基因组激增不仅促使病毒学家重新思考病毒分类的方式，还有助于澄清病毒的演化过程。强有力的证据证明，病毒出现过多次，而非单一起源。
即便如此，Jens Kuhn说，病毒世界的真实范围大多未明。他是美国国家过敏和传染病研究所的一名病毒学家，他说：“我们真的完全不知道那里有什么。”
无处不在
病毒有两个共同特性：每个病毒的基因组都包裹在蛋白衣壳里，每个病毒都依赖宿主（可能是人、蜘蛛或植物）完成自我复制。但除此之外，病毒差异巨大。
微小的圆环病毒只有两三个基因，巨大的拟菌病毒“体型”能超过某些细菌，携带上百个基因。从形状来说，有像登月器一样、感染细菌的噬菌体病毒，也有现今世界深恶痛绝的冠状病毒，像个杀手刺儿球。有些病毒以DNA存储基因，有些为RNA；甚至有种噬菌体，用的是另一套遗传字母表，把标准ACGT系统里的A碱基换成了名为Z的分子。
对乳突棘蛛的研究发现了两种之前学界未知的病毒。| Scott Leslie/Minden Pictures/Alamy
病毒无处不在，甚至科学家没找它们也会出现。Frederik Schulz在读取废水中的基因组序列时，并没有打算研究病毒。2015年时，他是维也纳大学的研究生，正用宏基因组技术寻找细菌。这项技术要从混合的生物体中分离DNA，分割成片段后全部测序，再通过计算机软件把片段组装成个体基因组，类似把上百块打乱的图块拼起来。
Schulz无法不注意到，在细菌的基因组中有一大块病毒基因组（非常明显，因为有病毒衣壳基因），拥有高达157万对碱基对[2]。后来发现这是种巨型病毒，属于一类基因组和绝对尺寸都很大的病毒（通常直径200纳米以上）。这类病毒侵染变形虫、海藻等其他原生生物，因此处在一个能影响水陆生态系统的位置上，
Schulz如今是美国能源部联合基因组研究所的一名微生物学家，他决定在宏基因组数据库中寻找相关的病毒。Schulz及其同事在2020年发表的一篇文章中[3]就描述了包含巨型病毒的群中2000余个基因组；在此之前，公共数据库中仅存有205个这样的基因组。
病毒学家也在人体内寻找新病毒物种。病毒生物信息学家Luis Camarillo-Guerrero和维康桑格研究所的同事合作，分析了人肠道的宏基因组并建立了一个数据库，囊括了14万多种噬菌体，半数以上都是新发现的。他们的研究[4]于二月发表，发现感染我们肠道细菌的最常见噬菌体是一类被称为crAssphage的病毒（2014年以发现它的交叉组装软件命名），这一发现与他人的结果相符。Camarillo-Guerrero说，除了它们的丰富性外，人们对这类病毒对人体微生态有何影响所知甚少。他目前就职于DNA测序公司Illumina。
宏基因组虽然检出了多种病毒，但忽略的也不少。一般的宏基因组并不测RNA病毒，于是爱尔兰科克大学微生物学家Colin Hill及其同事，在名为宏转录组的RNA数据库中寻找RNA病毒。这些数据通常用于了解一个群体中正积极转录为信使RNA以制造蛋白的基因，但RNA病毒基因组也会从中出现。Colin Hill团队利用计算技术从数据中提取病毒序列，在淤泥和水体样本的宏转录组发现了1015个病毒基因组[5]。又一次，研究者们在单篇研究中大大增加了已知病毒的数量。
图为巨型病毒图邦病毒（tupanvirus），在阿米巴变形虫身上发现，长1000多纳米，其编码基因是已知病毒中最大的。| J. Abrahão et al./Nature Commun.
虽说这些技术偶尔会整合出并不真实的病毒基因组，但是研究人员会利用质控技术防止这种情况。除此之外，还有其他盲点。举个例子，如果单个病毒基因组变化很大的话，这种病毒就很难为人发现，因为计算机软件很难把相距甚远的序列拼凑起来。
另一种方法是每次只测一个病毒的基因组，阿利坎特大学的微生物学家Manuel Martinez-Garcia就是这么做的。他决定尝试通过分选仪缓滴海水来分离单个病毒，扩增其DNA然后测序。
第一次他发现了44个基因组，后来发现其中一种对应的是海洋中最丰富的病毒[6]。这种病毒非常多样——其遗传拼图彼此差异巨大——所以宏基因组研究从未检出过其基因组。研究团队将其命名为37-F6，这源于它最初实验室培养皿的编号，但Martinez-Garcia调侃道，既然这种病毒这么能藏，就藏在我们眼前，它就该跟着虚构的超级间谍詹姆斯·邦德，叫007。
病毒演化树
海洋病毒邦德缺个正式的拉丁种名，其实过去十年里，宏基因组发现的上千个病毒基因组大多都没有正式种名。发现这些序列让ICTV面临两难：单凭一个基因组够不够命名一种病毒？到2016年，科学家仍需培养出病毒及其宿主，才能向ICTV提请一个新病毒物种、新分类种，很少有例外的情况。而在那年，病毒学家们经过唇枪舌战，最终达成共识：基因组就够了[7]。
于是新病毒、新种群的申请蜂拥而来（见“病毒家族壮大”）。但是彼此间的演化关系常不清楚。病毒学家主要根据病毒形状（比如说瘦长，或者有一头伴一尾）、基因组（DNA或RNA，单链或双链）给病毒分类，但这无法揭示多少关于共同祖先的信息。举个例子，双链DNA病毒可能有至少4次独立起源。
图片来源 | ICTV
起初的ICTV病毒分类跟细胞生物谱系图截然不同，只涉及演化分级中较低的几级，从种、属到目——类似多细胞生物分类中灵长目或针叶树的等级。之前没有再高的等级了。而且很多病毒科都是独立存在的，跟其他病毒没有亲缘关系。因此，ICTV于2018年增添了更高的等级：纲、门、界[8]。
最上层等级为“域（realms）”，对应的是细胞生物的“域（domains）”——细菌域、古细菌域和真核生物域——（英文）用词不同，用以区分两个演化树。（几年前，曾有科学家提出某些病毒可以融进细胞生物的演化树上，但这一想法没有得到广泛认同。）
ICTV勾勒了病毒演化树的分支，并将RNA病毒归为核糖病毒域（Riboviria）。SARS-CoV-2及其他冠状病毒都是单链RNA基因组，因此属于此域。但后面的种系分类，就要依靠病毒学家了。巧的是，美国国家生物技术信息中心的演化生物学家Eugene Koonin已经组建了一支研究队伍，分析所有病毒的基因组，结合病毒蛋白的最新研究，建立了第一版病毒分类系统[9]。
他们把核糖病毒域重新划分，提出增加另外三域（见“病毒域”）。Koonin说，虽然细节上有些争议，但这一分类法在2020年正式生效，ICTV成员多无异议。2021年又批准了两个域，但他说原来的四域应该还是最大的。Koonin推测，最终病毒域的数目可能会达到25个之多。
图片来源 | ICTV (talk.ictvonline.org/taxonomy); ICTV 冠状病毒科研究组. Nature Microbiol. 5, 536–544 (2020)
这个数字符合多位科学家的推测，即病毒没有单个的共同祖先。Koonin说：“病毒没有共同的单一根源。”就是说，病毒在地球上或许起源过多次——这种起源也很可能再次出现。Mart Krupovic说：“新病毒从头起源的事件仍在进行中。”他是巴黎巴斯德研究院的病毒学家，曾参与ICTV新分类决策，也是Koonin分类研究团队的一员。
病毒学家在域的起源上莫衷一是。一种说法是，它们在地球早期细胞成形前，各自衍生于独立的遗传片段。还有一种是，他们是从完整细胞中脱离或“转移”出来的，丢弃了多数细胞器，实现最小限度的存在方式。Koonin和Krupovic两人支持两种假设的结合：原始遗传片段窃取了些细胞生物的基因，从而组装了自己的病毒颗粒。因为病毒可能有多种起源，所以它们起源的方式也可能很多样，Kuhn说。他也曾是ICTV委员会成员，并参与了新分类法的提出。
所以，虽然病毒和细胞演化树截然不同，但是二者的树枝相互交错、基因相互传递。病毒是否为“生命体”，取决于个人对于生物的定义。很多人认为病毒不是生命体，但也有人认为是。信息生物学家绪方博之（Hiroyuki Ogata）说：“我倾向于认为它们是生命体。”他就职于日本京都大学，致力于病毒研究。“病毒在不断演化，他们的遗传物质包含了DNA和RNA，他们还对所有生物的演化都有重大意义。”
大多数人认为，现在的分类系统还只是初次尝试。有些病毒学家觉得这个分法略显杂乱。而且还有很多个科没有归入六大域中。“好的方面是我们正在尝试梳理着这一团乱”，Martinez-Garcia说。
病毒改变世界
地球上病毒的总重量相当于7500万头蓝鲸，科学家很确定，病毒改变了食物网、生态系统乃至地球的大气层。加速发现新病毒的过程“成了道分水岭，揭示了病毒直接影响生态系统的新途径。” Matthew Sullivan说，他是俄亥俄州立大学的环境病毒学家。但是，科学家仍然难以量化病毒产生的影响。
绪方说：“我们现在还无法简而言之。”在海洋中，病毒拆开其微生物宿主，释放出碳，其他生物或病毒回收这些宿主体内物质并产生二氧化碳。然而最近科学家也发现，爆开的细胞常聚在一起，然后沉入海底，从而将碳封存，远离大气。
图为瑞典斯托达林沼泽的融化冻土。从中采集的病毒基因组所含的基因可能参与分解和释放碳。| Bob Gibbons/Alamy
Sullivan说，融化的冻土是陆地主要碳源之一，而且对于此环境下微生物的碳排放，病毒似乎作用重大。2018年，他与同事描述了1907个源于瑞典融化永冻层的病毒基因组和片段，其中一些基因编码的蛋白，或能影响碳复合物如何分解以及潜在转变为温室气体的过程[10]。
病毒还能通过影响基因组来改变其他生物。比如说，病毒把耐药基因从一个细菌转到另一个后，后一种就成了耐药株。时间一长，这种转化就变成了种群中重要的演化改变，Camarillo-Guerrero说。这种影响不限于细菌——约8%的人类DNA源于病毒。举个例子，我们的哺乳类祖先就从病毒那里获得了一个胎盘发育必须的基因。
要想回答关于病毒的诸多问题，除了其基因组外，还需要更多的信息。他们需要找到病毒的宿主。病毒本身可能就带了些线索：比如，病毒可能在其基因组中携带着一小点宿主遗传物质。
Martinez-Garcia和同事用单细胞基因组，确定了内含新发现的37-F6病毒的微生物。它的宿主也是一种海洋中最丰富、最多样的生命体，是一种远洋杆菌属（Pelagibacter）的细菌[11]。在一些水体中，这些细菌可占到存在细胞的一半。Martinez-Garcia说，即使只有这一种病毒突然消失，海洋生物系统也将彻底失衡。
Alexandra Worden说，要想了解病毒产生的所有影响，科学家需要清楚病毒是如何影响宿主的。她是位演化生态学家，在德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心工作。她在研究一种巨型病毒，其携带的基因编码了视紫质（rhodopsin），一种捕光蛋白。理论上讲，这些基因能为宿主所用——用于能量转换、信号传递等——但仅凭序列并不能确认这一点。Worden为了探究视紫质基因的后续过程，计划一起培养宿主和病毒，研究二者在“病毒细胞（virocell）”态下，如何协同发挥作用。她说：“只有细胞生物学能确认其真正作用，以及这将如何影响碳循环。”
回到佛罗里达。Breitbart虽然还没有培养出蜘蛛病毒，但对它们的了解正在加深。这两种病毒极小的环形基因组令Breitbart啧啧称奇，它只编码了两个蛋白，一个是蛋白外壳，另一个是复制蛋白。其中一种病毒只在蜘蛛的躯干发现，从未在蜘蛛足里检出，因此，她认为这种病毒可能实际上侵染的是蜘蛛食用的某些生物。另一种则在蜘蛛的躯干、足、幼体中都有发现，因此她认为这种病毒可以由亲代传递给子代[12]。就Breitbart所知，这种病毒似乎没对蜘蛛造成什么伤害。
说起病毒，“发现它们实际上是容易的部分”，她说。解析病毒是如何影响宿主生活史、影响生态就难得多了。但首先，她说，病毒学家需要回答的最难的问题是：“怎么选、选哪个来研究？”
参考文献
[1]Rosario, K. et al. PeerJ 6, e5761 (2018).
[2]Schulz, F. et al. Science 356, 85–85 (2017).
[3]Schulz, F. et al. Nature 578, 432–436 (2020).
[4]Camarillo-Guerrero, L. F., Almeida, A., Rangel-Pineros, G., Finn, R. D. & Lawley, T. D. Cell 184, 1098–1109.e9 (2021).
[5]Callanan, J. et al. Sci. Adv. 6, eaay591 (2020).
[6]Martinez-Hernandez, F. et al. Nature Commun. 8, 15892 (2017).
[7]Simmonds, P. et al. Nature Rev. Microbiol. 15, 161–168 (2017).
[8]International Committee on Taxonomy of Viruses Executive Committee. Nature Microbiol. 5, 668–674 (2020).
[9]Koonin, E. V. et al. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 84, e00061-19 (2020).
[10]Emerson, J. B. et al. Nature Microbiol. 3, 870–770 (2018).
[11]Martinez-Hernandez, F. et al. ISME J. 13, 232–236 (2019).
[12]Rosario, K., Mettel, K. A., Greco, A. M. & Breitbart, M. J. Gen. Virol. 100, 1253–1265 (2019).
原文以Beyond coronavirus: the virus discoveries transforming biology为标题发表在2021年6月30日的《自然》的新闻特写版块上
© naturedoi: 10.1038/d41586-021-01749-7
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