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[闲聊] 病毒为什么会进化，如何进化？

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宏新家具11 发表于 2022-5-6 21:30:15 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
目前已知的任何生命系统都在不断地演化（evolution），其根本原因是生命系统并不是完美地、丝毫不差地在运行，生命的遗传物质总是在随机地发生一些变化，这些变化有可能被保留，当然更可能被直接淘汰掉。病毒之所以发生进化，主要是其遗传物质DNA/RNA在随机地发生突变/重组事件。
突变：就是DNA/RNA的复制和错配修复系统产生的错误，导致子代DNA和RNA产生一些核苷酸的替换、片段的插入或缺失。这些突变事件总是在随机的发生着，不同遗传物质发生的速率肯定不同，例如单链DNA/RNA突变速率肯定远高于双链DNA/RNA。由于密码子的简并性，核苷酸的替换不一定造成氨基酸的替换，因此现在更多的研究直接基于氨基酸的替换，也即非同义突变。
单链RNA病毒尤其突变快，例如这次肆虐的新冠状病毒，短短几个月已发现数百种变型，产生了巨大的种内多样性：

病毒为什么会进化，如何进化？ 第1张图片

病毒为什么会进化，如何进化？ 第2张图片
数据来源：
重组：重组也即不同来源的DNA/RNA发生片段的交换。理论上来说任意两个片段都有可能发生重组，然而同源片段发生的概率是远高于非同源片段的。当两个DNA存在于同一空间，它们的同源区域就有一定的机率发生交换。原核生物由于没有核膜的保护，病毒和宿主DNA产生重组是比较常见的，对于能整合进宿主基因组的温和噬菌体，甚至可以以很高的基因流通速率在演化。另一个重组机会就是共侵染，这无论是原核还是真核都可以普遍存在。为什么说蝙蝠是病毒的温床？由于蝙蝠免疫力强，它体内可能有很多不同病毒形成共侵染，这就导致不同病毒之间可能会发生重组，从而产生更加多样化的病毒（找了一个噬菌体和质粒重组的图放在下面）。

病毒为什么会进化，如何进化？ 第3张图片
进化模式：目前来看，病毒界是无法追溯到一个共同祖先的，也即病毒很可能是多起源的，真核生物和原核生物的病毒差异也很大，真核生物大多数病毒为RNA病毒，原核生物大多数病毒为DNA病毒。我们知道，细胞生物是可以找到一些普遍存在的、保守的基因，这些基因垂直演化且基本不会发生重组，例如核糖体蛋白基因以及一些DNA复制酶基因，因此所有细胞生物可以构造一个完整的树状谱系：

病毒为什么会进化，如何进化？ 第4张图片
然而病毒基因组频繁的发生重组，导致基因组存在镶嵌性（不同基因的进化历程不同），似乎没什么是不可以交换的，缺乏普遍存在的保守基因家族，其系统发育树根部节点支持率很低。因此，现在越来越多的科学家采用基因共享网络的方法来展示病毒之间的系统发育关系，也即病毒的演化是一个网状结构：

病毒为什么会进化，如何进化？ 第5张图片
参考文献：
[1] Iranzo J, Krupovic M, Koonin E V. The Double-Stranded DNA Virosphere as a Modular Hierarchical Network of Gene Sharing[J]. Mbio, 2016, 7(4): e00978-00916.
[2] Mavrich T N, Hatfull G F. Bacteriophage evolution differs by host, lifestyle and genome[J]. Nature Microbiology, 2017, 2(9): 17112.
[3] Low S J, Dzunkova M, Chaumeil P A, et al. Evaluation of a concatenated protein phylogeny for classification of tAIled double-stranded DNA viruses belonging to the order Caudovirales[J]. Nat Microbiol, 2019, 4(8): 1306-1315.
[4] Dion M B, Oechslin F, Moineau S. Phage diversity, genomics and phylogeny[J]. Nature Reviews Microbiology, 2020, 18(3): 125-138.
查看详细文献解读请移步公众号：微生态与微进化。


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标签：丝毫不差遗传物质根本原因之所以被保留
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