全球生态系统中病毒组编码的健康相关基因与致病基因的共存

《Applied and Environmental Microbiology》：Coexistence of virome-encoded health-associated genes and pathogenic genes in global habitats

　　病毒基因组中健康相关基因的全球分布及与致病基因的共进化研究。通过整合微生物基因组数据库，发现4556个病毒携带与健康相关的基因，如BCO1、bioB、GPX1等，广泛分布于13个地区和8种病毒类群。实验表明，健康基因bioB可调控大肠杆菌内源性致病基因GCH1和UGDH的表达，在模拟肠道环境中显著抑制其表达。研究揭示了病毒作为基因库在人类健康与致病性之间的双重作用机制。

　　病毒在人类基因组中占据约8%的比例，这种现象反映了病毒与宿主之间长期且广泛的历史基因交换。尽管病毒通常因病原性而受到关注，但它们也携带了一些对人类健康有益的基因。这些基因可能通过水平基因转移（HGT）从宿主细胞获得，并在病毒基因组中作为辅助代谢基因（AMGs）发挥作用。然而，目前对这些健康相关基因在全球分布、功能特征以及与病原性基因共存模式的理解仍显不足。本研究利用全球公共数据库Integrated Microbial Genomes and Virome（IMG/VR v4），在八个不同栖息地类型中识别出4,556种携带与人类健康相关基因的病毒，覆盖了13个地区和76个国家。其中，与人类相关的病毒（共478种）所占比例最高。这些健康相关基因包括如BCO1（β-胡萝卜素氧化酶1）、bioB（生物素合成酶）、COQ2（4-羟基苯甲酸多烯基转移酶）、GPX1（谷胱甘肽过氧化物酶1）、GSTs（谷胱甘肽转移酶）、GSTT1（谷胱甘肽S-转移酶θ1）、GULO（L-古洛糖酸氧化酶）和menA（1,4-二羟基-2-萘甲酸多烯基转移酶）等。这些基因不仅与人类健康相关，还在病毒基因组中充当辅助代谢基因，为病毒适应不同环境和影响宿主代谢提供了支持。

值得注意的是，研究中发现一些携带健康相关基因的病毒序列中也包含了病原性基因，且这些病原性基因具有转录和表达的潜力，暗示了它们之间的功能相互作用。例如，将病毒的bioB基因通过噬菌体介导的转导方式引入大肠杆菌后，实验观察到宿主病原性基因GCH1（GTP环水合酶IA）和UGDH（UDP-葡萄糖6-脱氢酶）的表达发生了显著变化，进一步支持了健康相关基因与病原性基因之间可能存在交叉调控机制。整体而言，这项研究将健康相关基因纳入病毒基因组学分析，揭示了它们与病原性基因共存的现象，为理解病毒与宿主的共进化过程以及病毒在微生物生态学、生物技术和人类健康中的潜在应用提供了新的视角。

病毒是地球上最丰富的生物实体之一，它们通过水平基因转移在微生物进化中发挥着关键作用。虽然病毒通常因导致疾病而受到关注，但它们也携带了一些能够影响宿主代谢和健康的基因。这些健康相关基因可能来源于宿主细胞，并在病毒基因组中形成辅助代谢基因（AMGs）。这些AMGs不仅增强了病毒对不同环境的适应能力，还可能在感染过程中对宿主代谢产生积极影响。例如，一些病毒携带的基因在特定环境下可以促进宿主的生理适应性，甚至影响其生存能力。这种基因转移现象在自然界中广泛存在，且对生态系统的功能调控具有重要意义。

尽管病毒的健康相关基因已被识别，但它们的全球分布、功能和与病原性基因的共存关系仍存在较大知识空白。本研究通过整合健康相关基因的数据集，分析了全球范围内携带这些基因的病毒的地理分布和宿主关系，揭示了病毒在不同生态环境中如何携带和表达健康相关基因。此外，研究还探讨了这些基因在病毒基因组中的调控机制，以及它们如何与病原性基因共存并可能相互作用。这一发现不仅加深了对病毒功能多样性的理解，还为探索病毒在微生物生态学、生物技术和人类健康中的潜在作用提供了新的思路。

病毒基因组中健康相关基因的广泛存在表明，它们可能在生态系统中扮演着更为复杂的角色。在淡水环境中，病毒携带的健康相关基因数量最多，这可能与淡水系统中丰富的有机物质、高微生物多样性和密集的宿主种群有关。这些环境条件为病毒的复制和持久性提供了有利的生态位。从地理分布来看，美洲地区检测到的携带健康相关基因的病毒数量最多，这可能反映了该地区较高的采样密度以及特定的生态环境。然而，某些国家如洪都拉斯和南非的病毒基因组中，健康相关基因的平均数量较高，这可能与这些地区的高生物多样性和生态复杂性有关。此外，病毒携带的健康相关基因在不同宿主中表现出一定的保守性，这可能与其适应性策略有关，即在特定生态环境中保持这些基因的稳定性以增强宿主的生存能力。

病毒基因组中健康相关基因与病原性基因的共存现象表明，病毒可能通过复杂的调控网络来平衡这两种功能。在某些实验条件下，健康相关基因的表达可能抑制病原性基因的活性，从而降低宿主的病原性特征。例如，在模拟人类肠道环境的条件下，病毒携带的bioB基因对宿主的GCH1和UGDH基因的表达具有抑制作用，这可能有助于减少细菌的致病性。相反，在环境压力条件下，如低温和酸性环境，病原性基因的表达可能被暂时激活，从而增强细菌的传播能力。这种动态调控机制可能使病毒能够在不同的生态环境中灵活适应，同时兼顾宿主的生存和传播需求。

在病毒与宿主的相互作用中，健康相关基因和病原性基因的共存可能源于多种机制。一方面，病毒可能通过级联调控的方式，协调这些基因的表达，以实现对宿主的双重影响；另一方面，这些基因可能通过水平基因转移共同进入病毒基因组，形成一种基因共存的模式。这种机制在长期的宿主-病毒进化过程中可能具有重要意义，因为它允许病毒在不同生态环境中同时维持对宿主的适应性和病原性。通过这种方式，病毒不仅能够利用宿主资源进行繁殖，还可能在某些情况下促进宿主的生存，从而确保自身的长期传播和存在。

本研究还探讨了病毒携带的健康相关基因在宿主基因组中的潜在作用。通过将健康相关基因引入大肠杆菌，研究人员模拟了病毒基因在宿主中的表达过程，并观察到这些基因对宿主病原性基因表达的显著影响。这一实验结果不仅验证了健康相关基因在病毒基因组中的功能性，还揭示了病毒基因对宿主生理状态的调控能力。这些发现表明，病毒可能通过调控宿主基因的表达，影响其代谢过程和免疫反应，从而在宿主-病毒共进化过程中发挥关键作用。

尽管病毒携带的健康相关基因具有重要的生态和生理意义，但它们是否能够整合到人类基因组中并发挥功能仍然是一个未解的问题。未来的研究需要系统地筛查人类基因组中的病毒来源序列，并评估这些序列在模型系统中的功能影响，以明确病毒介导的基因流动对人类健康的具体作用。此外，研究还应关注不同生态环境中病毒基因组的演化模式，以及这些基因如何影响宿主的适应性和生存能力。通过进一步探索病毒与宿主之间的相互作用机制，科学家可以更好地理解病毒在生态系统中的角色，并开发新的生物技术应用，以利用这些基因促进人类健康。

为了确保研究的准确性，本研究采用了多种方法对病毒基因组进行分析。首先，通过文献综述和数据筛选，研究人员定义了“健康相关基因”的概念，并从中识别出55种具有代表性的基因，涵盖了抗癌症、维生素合成、抗氧化和延缓衰老等四个功能类别。随后，利用IMG/VR v4数据库，研究人员分析了全球范围内携带这些基因的病毒序列，并对其地理分布和宿主关系进行了详细研究。通过基因注释、基因簇可视化、启动子和终止子预测以及蛋白质结构预测等方法，研究人员进一步确认了这些基因在病毒基因组中的功能和表达潜力。

此外，研究还采用系统化的实验方法，如SDS-PAGE和Western blot，验证了健康相关基因在宿主细胞中的表达情况。通过将健康相关基因引入大肠杆菌，并在不同环境条件下进行培养，研究人员观察到这些基因对宿主病原性基因表达的显著影响。这一实验不仅证明了健康相关基因在病毒基因组中的功能性，还揭示了它们在不同生态环境中的表达模式。这些发现为理解病毒在宿主代谢和健康中的作用提供了重要的实验证据，并为未来的研究奠定了基础。

综上所述，病毒不仅在生态系统的物质循环和能量流动中发挥重要作用，还可能通过携带和调控健康相关基因对宿主产生深远影响。这些基因的广泛分布和功能多样性表明，病毒在生物进化和生态平衡中具有复杂的角色。通过进一步研究这些基因的调控机制及其在宿主中的功能，科学家可以更好地理解病毒与宿主之间的相互作用，并探索其在生物技术和医学领域的潜在应用。此外，研究还强调了未来在生态多样性较高但研究较少的地区进行更深入的调查的重要性，以建立更加全面和客观的全球病毒健康相关基因分布和演化模式。