巨型病毒及核质巨 DNA 病毒门中细胞色素 b5的研究：溯源、功能与进化谜题

为探究细胞色素 b5（cytochrome b5）在病毒中的进化、多样性及病毒血红素蛋白起源，研究人员分析多种病毒基因组和宏基因组数据。发现 cytochrome b5基因广泛存在于 Megaviricetes 类病毒中，其功能及起源仍未知，为病毒研究提供新方向。

　　在神秘的微生物世界里，病毒一直是独特的存在。传统观念中，病毒是介于生命边缘的生物实体，没有细胞结构和代谢能力，只能在宿主细胞内繁殖。然而，20 多年前巨型病毒的发现，打破了人们对病毒的固有认知。巨型病毒体型庞大，许多直径超过 0.2μm，基因组大于 300kbp，它们拥有一些曾被认为只有细胞生物才有的基因，这让科学家们对病毒的起源和进化充满好奇。

细胞色素 b₅（cytochrome b₅）是一种广泛存在于真核生物和细菌中的电子传递蛋白，在能量产生、脂质生物合成和细胞色素 P450 生物化学过程中发挥着重要作用。但在病毒领域，cytochrome b₅的研究还十分有限。为了揭开病毒中 cytochrome b₅的神秘面纱，来自斯旺西大学（Swansea University）、伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）等多个研究机构的研究人员开展了深入研究。相关研究成果发表在《npj Viruses》上。

研究人员主要运用了生物信息学分析、系统发育分析、同源建模、转录组分析等技术方法。他们从 NCBI 序列数据库和环境宏基因组数据库中获取候选病毒 cytochrome b₅序列，并进行比对和分析；通过最大似然法构建系统发育树，探究病毒 cytochrome b₅的进化关系；利用 Modeller 软件进行同源建模，预测蛋白结构；对 mimivirus 进行转录组分析，研究 cytochrome b₅基因的表达情况 。

研究结果

1. cytochrome b₅在病毒界的总体分布：研究人员在核质巨 DNA 病毒门（Nucleocytoviricota）的多个病毒类群基因组中发现了 cytochrome b₅基因，包括 Mimiviridae 科的 Mimivirus、Moumouvirus、Megavirus 属，tupanviruses，以及来自陆地土壤和海洋沉积物宏基因组数据组装的巨型病毒基因组，还有感染绿藻的病毒。这些基因编码的蛋白序列与已知真核生物 cytochrome b₅在二级结构和关键氨基酸残基上具有保守性。
2. Mimiviridae 科 cytochrome b₅基因：在 Mimivirus、Moumouvirus 和 Megavirus 三个属的巨型病毒中均发现了 cytochrome b₅基因。这些基因编码的蛋白有的是可溶性的单结构域蛋白，有的则具有 N 端跨膜锚定序列，与真核生物普遍存在的 C 端跨膜锚定不同。不同地区的 mimiviruses 中，cytochrome b₅蛋白同源物序列同一性高达 98 - 100%，Megavirus 和 Moumouvirus 属内的 cytochrome b₅蛋白序列同一性也较高。通过蛋白共定位预测发现，Mimivirus bradfordmassiliense 的 cytochrome b₅（Q5UR80）很可能通过 N 端序列与内质网（ER）共定位，但部分 Megaviricetes 类病毒的 cytochrome b₅预测定位在细胞质中。
3. Tupanvirus 的 cytochrome b₅基因：Tupanvirus 属的两种病毒都含有编码 cytochrome b₅的基因，且都有 N 端跨膜锚定序列。其 cytochrome b₅与 mimiviruses 和 megaviruses 的 cytochrome b₅蛋白有 55 - 60% 的同一性，与 moumouvirus 的 cytochrome b₅蛋白同一性仅 45%。亚细胞共定位预测显示，tupanvirus 的 cytochrome b₅蛋白很可能与 ER 相关，但部分其他病毒如 O. lucimarinus virus、marseillevirus 和 satyrvirus 的 cytochrome b₅蛋白预测定位在细胞质中。
4. 基因共线性、转录组分析和 cytochrome b₅光谱分析：Mimiviridae 科的 Mimivirus、Moumouvirus 和 Megavirus 属在 cytochrome b₅基因周围 8 个基因的顺序上具有高度共线性，与 tupanviruses 的共线性较少，与 Ostreococcus 病毒则无明显共线性。转录组分析表明，mimivirus 的 cytochrome b₅基因（MIMI_L628）在感染后 6 小时转录水平最高，属于 “晚期” 表达基因。纯化的重组 MIMI_L628 蛋白具有典型的真核生物 cytochrome b₅光谱特征。
5. cytochrome b₅二级结构和整体拓扑结构分析：真核生物 ER 结合的微粒体 cytochrome b₅和线粒体 cytochrome b₅均通过 C 端跨膜锚定在膜上，而病毒 cytochrome b₅要么是可溶性蛋白，要么通过 N 端跨膜锚定序列结合膜。蛋白建模显示，不同病毒的 cytochrome b₅与已知的 house fly 和 Ostreococcus cytochrome b₅在三级结构上具有高度同源性，但血红素相邻残基存在一定差异。

研究结论与讨论

研究人员在多个病毒类群中发现了 cytochrome b₅基因，这些基因在不同病毒中的分布、结构和定位存在差异。虽然目前还不清楚病毒 cytochrome b₅基因的具体功能，但推测其可能参与病毒的脂质代谢，为病毒复制提供足够的脂质，也可能作为抗氧化剂保护病毒复制过程免受活性氧（ROS）的损伤 。同时，病毒 cytochrome b₅基因的起源也不明确，似乎不是从当代宿主转移而来，可能来自已不存在的古代宿主。这项研究为深入理解巨型病毒的生物学特性、基因进化以及病毒与宿主的相互作用提供了重要线索，也为后续研究病毒中 cytochrome b₅的功能和起源指明了方向，推动了病毒学领域的发展。