細(xì)胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，但病毒只有蛋白質(zhì)外殼包裹著緊湊的核酸物質(zhì)（DNA或RNA），并不具備完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。所以對(duì)于病毒而言，想要存活就必須寄生在宿主細(xì)胞中，并且借助宿主細(xì)胞的核苷酸和氨基酸來(lái)合成自身的一些組件，完成自己的基因組復(fù)制、蛋白質(zhì)外殼制造，以及組裝完整的新病毒。

在這個(gè)過(guò)程中，人們理所當(dāng)然地認(rèn)為，完整的病毒基因組只能同時(shí)感染一個(gè)宿主細(xì)胞，并在其中完成新病毒的復(fù)制、組裝和釋放。然而，最近eLife上發(fā)表的一項(xiàng)新研究顛覆了這一傳統(tǒng)認(rèn)知。

正如來(lái)自法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)的那樣，一些病毒不僅可以分成多個(gè)部分，分別感染宿主細(xì)胞，而且這些基因組分裂的病毒可以像拆散的拼圖一樣，分散在多個(gè)宿主細(xì)胞中蓬勃生存，然后這些在不同細(xì)胞中復(fù)制的病毒粒子，自我組裝成新的完整病毒并繼續(xù)感染。

圖 | 法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究所的植物病理學(xué)家Anne Sicard（左）及其同事（右）

本次新研究的作者、法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)和法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究所（INRA）植物病理學(xué)家Anne Sicard表示，病毒學(xué)中的經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為病毒復(fù)制周期發(fā)生在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)，但對(duì)于她和她的團(tuán)隊(duì)研究的多分區(qū)病毒（multipartite virus）來(lái)說(shuō)，似乎并非如此，這些病毒的多個(gè)粒子獨(dú)立感染細(xì)胞，并在植物宿主細(xì)胞中獨(dú)立地復(fù)制。

分開感染的病毒基因組

多分區(qū)病毒已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，當(dāng)時(shí)的研究人員意識(shí)到病毒可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的部分組成，而且每一個(gè)獨(dú)立的部分對(duì)于病毒感染都至關(guān)重要。例如，多分區(qū)病毒其中的一部分可能是制造關(guān)鍵酶所必需的，而另一部分則是制造包裝并轉(zhuǎn)運(yùn)病毒粒子的外殼所必需的。

但是，病毒為什么要把它的基因組分開呢？畢竟，將每一部分都很重要的基因組分成不同的部分，存在著相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，比如基因組的某些部分很容易丟失或組裝時(shí)落下，如果整個(gè)基因組的一部分丟失，那么剩下的基因組也基本就完蛋了。

科學(xué)家們?cè)诎l(fā)現(xiàn)多分區(qū)病毒后也感到十分疑惑，“為什么病毒會(huì)這樣做呢？為什么要分開基因組？將這些片段單獨(dú)包裝有什么好處？” 荷蘭生態(tài)學(xué)研究所的進(jìn)化病毒學(xué)家Mark P. Zwart表示。

為了探索這些問(wèn)題，研究人員曾開發(fā)模型來(lái)預(yù)測(cè)這種多分區(qū)的方式，將在什么情況下從一個(gè)更典型的病毒祖先進(jìn)化而來(lái)，所有這些理論都建立在假設(shè)所有的病毒片段必須同時(shí)感染一個(gè)細(xì)胞的基礎(chǔ)上。

但結(jié)果很令人困惑。2012年的一項(xiàng)研究得出結(jié)論，無(wú)論病毒基因組多分區(qū)的好處是什么，缺點(diǎn)都是如此之大，以至于不可能存在超過(guò)四個(gè)分段的病毒。然而，已知一些多分區(qū)病毒，如蠶豆壞死萎蔫病毒（FBNSV）有多達(dá)八個(gè)基因組片段，每個(gè)片段都由不同的病毒粒子所攜帶。從理論上講，它不可能進(jìn)化得來(lái)，但又如何解釋它的存在？

圖 | FBNSV導(dǎo)致的植物癥狀（Journal of Virology ）

在這項(xiàng)最新研究中，INRA的植物病毒學(xué)家認(rèn)為，人們對(duì)于病毒學(xué)的一些理論假設(shè)肯定在哪里搞錯(cuò)了。因此，研究人員決定對(duì)其中的關(guān)鍵假設(shè)——即所有病毒的基因組必須同時(shí)進(jìn)入同一個(gè)細(xì)胞才會(huì)發(fā)生感染——進(jìn)行驗(yàn)證。以前之所以沒(méi)有人提出質(zhì)疑，是因?yàn)樗腥硕祭硭?dāng)然地認(rèn)為這些多分區(qū)病毒的基因組片段必須在一起。

當(dāng)研究人員仔細(xì)觀察FBNSV感染過(guò)程時(shí)，果然發(fā)現(xiàn)了其中的“異常”。通過(guò)使用不同顏色的熒光探針同時(shí)標(biāo)記兩個(gè)病毒粒子，研究小組發(fā)現(xiàn)在他們檢測(cè)的絕大多數(shù)單個(gè)寄主植物細(xì)胞中，病毒基因組片段是缺失的。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)病毒復(fù)制所需的蛋白質(zhì)存在于沒(méi)有基因組編碼片段的細(xì)胞中。

由此，研究人員推斷，病毒粒子必須在細(xì)胞之間共享基因產(chǎn)物——信使RNA或蛋白質(zhì)，以便每個(gè)粒子都可以獨(dú)立復(fù)制，并將自身包裝成粒子以進(jìn)行傳播和再次感染。

但在植物宿主細(xì)胞中，病毒所必需的基因產(chǎn)物是如何共享的，研究人員目前還不完全清楚。

圖 | 存在于不同細(xì)胞的病毒基因組片段（來(lái)源：eLife）

這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，解釋了多分區(qū)病毒如何在植物體內(nèi)維持感染，并揭示了一個(gè)關(guān)于病毒如何傳播的新秘密。例如，F(xiàn)BNSV寄宿于吃蠶豆植物的蚜蟲來(lái)傳播自己，這些小昆蟲必須一次性捕獲FBNSV的所有八個(gè)病毒粒子，并將它們引入同一植物才能成功傳遞感染，但是據(jù)推測(cè)，大部分感染過(guò)程都沒(méi)有成功，因?yàn)檠料x只捕獲了八個(gè)病毒粒子中的一部分。

這也就部分解釋了宿主內(nèi)部的問(wèn)題，因?yàn)椴《玖Ｗ硬槐匾黄鸬竭_(dá)所有細(xì)胞，但在宿主之間傳播仍然存在難以解釋的問(wèn)題。

病毒學(xué)新認(rèn)知

為什么病毒會(huì)從多分區(qū)的感染方式中受益，仍然值得探究。

研究人員提出一個(gè)想法，認(rèn)為基因組的劃分允許每個(gè)片段在不同頻率上發(fā)生變化，這是一種應(yīng)急的調(diào)節(jié)基因表達(dá)的方式，因?yàn)橐粋€(gè)特定基因的活性水平可能取決于它在細(xì)胞中的復(fù)制數(shù)量。每次病毒感染一個(gè)新的宿主，片段的頻率就會(huì)發(fā)生變化，這可以讓病毒測(cè)試在新的細(xì)胞環(huán)境中基因表達(dá)的最佳程度。

美國(guó)坦帕大學(xué)的病毒學(xué)家Eric Freundt推測(cè)，如果宿主植物的先天防御僅破壞那些表達(dá)某些病毒蛋白的細(xì)胞，那么將病毒蛋白質(zhì)的基因分布到不同的粒子中，可能會(huì)保證病毒在某些細(xì)胞中不被發(fā)現(xiàn)。Freundt認(rèn)為，另一種可能性是，如果病毒一次性產(chǎn)生所有蛋白質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致宿主細(xì)胞超負(fù)荷工作，并“累死”細(xì)胞。通過(guò)將其基因組分布在許多植物細(xì)胞中，病毒可以避免壓垮任何單個(gè)寄生的細(xì)胞。

果真如此，這些病毒似乎本能地避免把雞蛋放在一個(gè)籃子里。

不過(guò)，研究人員仍指出，以上這些只是假設(shè)，多分區(qū)病毒的演變?cè)蛉匀缓苌衩亍?br>
Zwart指出，關(guān)于多分區(qū)優(yōu)勢(shì)的大多數(shù)想法都是關(guān)于基因組分割，而不是將病毒劃分為不同的感染單位。將基因組分成區(qū)段，允許病毒更容易地重組其基因的各種有利形式。

亞利桑那州立大學(xué)的病毒學(xué)家Arvind Varsani對(duì)此表示贊同，“從模塊化的角度來(lái)看，你可以看到多分區(qū)病毒的優(yōu)勢(shì)，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立，病毒可以更快地獲得每個(gè)模塊，并通過(guò)混合和匹配來(lái)適應(yīng)新環(huán)境?！?br>