《Journal of Virology》：Evidence for the acquisition of a proteorhodopsin-like rhodopsin by a chrysophyte-infecting giant virus
编辑推荐：
摘要 金藻（Chrysophytes）是广泛存在于水生生态系统中的纳米鞭毛原生生物，具有初级生产者和食细菌者的多样营养角色。分子证据表明，金藻通常被巨型病毒感染，但尚未报道此类病毒-宿主系统的分离株。在此，研究人员描述了第一个培养的金藻感染病毒——金藻纲H分支
摘要 金藻（Chrysophytes）是广泛存在于水生生态系统中的纳米鞭毛原生生物，具有初级生产者和食细菌者的多样营养角色。分子证据表明，金藻通常被巨型病毒感染，但尚未报道此类病毒-宿主系统的分离株。在此，研究人员描述了第一个培养的金藻感染病毒——金藻纲H分支病毒SA1（ChrysoHV），该病毒与其吞噬-混合营养宿主藻类一起从热带北太平洋表层水中分离。ChrysoHV的衣壳（直径290±40 nm）与一个疏松的囊状膜相关联，该膜使其有效直径扩展至720±120 nm，并呈现一个长（1200±240 nm）、细（20±2 nm）、柔韧的尾部，这种形态不同于任何已描述的病毒粒子。组装的基因组大小为1.19 Mbp。系统发育分析将ChrysoHV定位为巨型病毒科（Mimiviridae）中Aliimimivirinae亚科的第三个培养成员。ChrysoHV基因组编码两个螺旋视紫红质（heliorhodopsin）和一个变形菌视紫红质（proteorhodopsin）。变形菌视紫红质是细菌中著名的光驱动质子泵，但此前从未在病毒基因组中报道。预测的病毒变形菌视紫红质结构表明其可能不具备功能性视黄醛结合位点，暗示其具有光非依赖性功能。该基因组还编码两个核糖体蛋白和九个与海洋蓝细菌已知最接近同源物的基因，其中大多数注释为编码参与营养摄取的相关蛋白。这种不寻常的病毒可作为探索病毒视紫红质功能的模型系统，其基因组表明吞噬性原生生物可能作为感染病毒与摄入细菌猎物之间基因交换的细胞内市场。
重要性 金藻是丰富的真核浮游植物，其营养策略从光合作用到吞噬作用不等。它们作为水生原生生物中混合营养的模型，但此前尚未分离出感染金藻的病毒，这使得主要原生生物类群的实验性病毒-宿主系统存在空白。本研究报道了首个分离的金藻感染病毒——金藻纲H分支病毒SA1的特征。病毒粒子形态不寻常，具有一个围绕大衣壳的疏松囊膜和一条长丝状尾部。基因组包含编码核糖体蛋白的基因，这在真核病毒中罕见，以及多个与常见海洋细菌具有同源物的基因，其中一种视紫红质类型此前从未在病毒中报道过。研究人员假设，吞噬-混合营养生物通过感染和摄食，可能促进感染真核生物的病毒与细菌之间的横向基因交换，而这些实体通常不会直接相互作用。研究结果扩展了病毒形态多样性及已知病毒基因目录。
**论文解读：金藻感染巨型病毒ChrysoHV的发现及其独特的视紫红质基因**
**研究背景与问题**
金藻（Chrysophyceae）是一类广泛分布于淡水和海洋生态系统中的单细胞或群体原生生物，作为初级生产者和食细菌者发挥着多重生态作用。其中，混合营养型金藻既能进行光合作用，又能吞噬细菌猎物，在海洋亚热带环流中尤为重要，它们通过捕食占主导地位的初级生产者蓝细菌（如Prochlorococcus）影响食物网基础结构。分子证据表明，金藻常被巨型病毒（giant virus，属于Nucleocytoviricota门）感染，但迄今为止尚未分离出任何感染金藻的巨型病毒培养株，这限制了对该病毒-宿主系统的实验研究。此外，巨型病毒基因组中常携带细胞同源基因，包括微生物视紫红质（microbial rhodopsin），这些光感受蛋白可能参与离子梯度生成或信号转导。虽然已有多种病毒视紫红质同源物被实验证实，但变形菌视紫红质（proteorhodopsin, PR）——一种细菌中常见的光驱动质子泵——从未在病毒基因组中报道。本研究旨在分离并初步表征一种感染金藻的巨型病毒，揭示其形态、基因组组成及视紫红质基因的进化意义。
**研究内容与结论**
研究人员从热带北太平洋表层水（Station ALOHA，位于欧胡岛以北100公里）中分离出首个金藻感染病毒——金藻纲H分支病毒SA1（ChrysoHV），及其吞噬-混合营养宿主藻类（Chrysophyceae Clade H sp. UHM3501）。病毒粒子形态独特：衣壳（直径290±40 nm）周围附有疏松的囊状膜（直径720±120 nm），并带有一条长（1200±240 nm）、细（20±2 nm）、柔韧的尾部，末端有尾纤维（200±60 nm），这种形态不同于任何已描述的病毒粒子。基因组大小为1.19 Mbp，系统发育分析将其定位为巨型病毒科（Mimiviridae）Aliimimivirinae亚科的第三个培养成员。ChrysoHV基因组编码两个螺旋视紫红质（heliorhodopsin, HeR）和一个类变形菌视紫红质蛋白（proteorhodopsin-like protein），这是首次在病毒基因组中发现变形菌视紫红质。预测结构表明该视紫红质可能缺乏功能性视黄醛结合位点，暗示其具有光非依赖性功能。此外，基因组还编码两个核糖体蛋白（eL40和S27a）以及九个与海洋蓝细菌（如Prochlorococcus）具有最近同源物的基因，多数参与营养转运（如ABC转运蛋白、铵转运蛋白、孔蛋白、尿素结合蛋白等）。对全球海洋分布的分析显示，ChrysoHV类似序列在亚热带表层海洋（太平洋、印度洋、地中海）中丰度较高，其变形菌视紫红质同源物也主要分布于相同区域。该研究发表于《Journal of Virology》。
**主要技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：（1）从Station ALOHA（北太平洋亚热带环流，22°45′N, 158°W）采集表层海水，通过系列稀释与Prochlorococcus富集分离出混合营养金藻（UHM3500和UHM3501）及异养金藻菌株，并利用未过滤海水挑战金藻分离株以获取病毒；（2）采用流式细胞术检测宿主范围（测试7种原生生物）和感染动态，计算表观裂解量；（3）透射电子显微镜（TEM）观察病毒超微结构，对负染病毒粒子进行形态测量；（4）提取病毒DNA，采用PacBio Sequel IIe平台进行高通量测序，通过Flye组装和迭代抛光获得高质量基因组，利用GVClass进行基因预测和注释，并通过KofamScan、EggNOG-mapper和BLASTp进行功能注释；（5）构建系统发育树：基于7个核心蛋白（SFII、RNAPL、PolB、TFIIB、TopoII、A32、VLTF3）的串联比对分析ChrysoHV在Nucleocytoviricota门中的位置；基于微生物视紫红质氨基酸序列构建视紫红质基因系统发育树；（6）通过Tara Oceans数据集分析ChrysoHV PolB和变形菌视紫红质蛋白的全球分布，使用BLASTp和Ocean Gene Atlas进行同源性搜索；（7）采用ColabFold预测视紫红质保守域结构，并与AlphaFold和CATH数据库比较。
**研究结果**
**宿主范围、感染动态与病毒粒子结构**
通过挑战7种原生生物（包括3种金藻、3种硅鞭藻和1种微球藻），发现仅金藻H分支（UHM3501）在感染后发生裂解，病毒颗粒数增加，表观裂解量为24±2个病毒粒子/细胞。其他6种未裂解。TEM显示ChrysoHV衣壳为二十面体，直径290±40 nm，外附疏松囊状膜（直径720±120 nm），并有一条长尾（1200±240 nm，宽20±2 nm），末端有尾纤维（200±60 nm）。这种囊状膜结构可能通过促进吞噬作用帮助病毒进入宿主，类似于某些环境样品中观察到的“囊状病毒样颗粒”。
**基因组特征**
ChrysoHV基因组为线性DNA，长度1.19 Mbp，G+C含量23.42%，编码1138个预测基因，估计完整度91%。基因组包含两个核糖体蛋白基因（eL40和S27a），使其成为第二个已知编码核糖体蛋白的感染真核生物的病毒，也是首个编码S27a样蛋白的病毒。此外，还编码电子传递蛋白（如细胞色素b5、琥珀酸脱氢酶黄素蛋白和铁硫亚基）、7个ABC转运蛋白（包括磷酸转运蛋白）、2个氨转运蛋白（AmtB，其中一个与Prochlorococcus同源物有55%氨基酸一致性）、3个孔蛋白（44%–66%与Prochlorococcus同源）、2个尿素ABC转运蛋白底物结合蛋白（81%–90%与Prochlorococcus同源）、一个半SWEET糖转运蛋白、一个磺基转移酶和一个N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酸酰胺酶。多数Prochlorococcus同源基因的系统发育分析表明，它们是最近亲缘关系，支持横向基因转移（HGT）来自金藻捕食的蓝细菌。基因重复事件在孔蛋白和尿素结合蛋白中发生。
**独特的变形菌视紫红质谱系特征**
系统发育分析将ChrysoHV的类变形菌视紫红质蛋白置于一个包含Pelagibacter等变形菌变形菌视紫红质及环境序列的进化枝中。跨膜螺旋III（TM3）序列比对显示该视紫红质光谱调谐为蓝光（谷氨酰胺Q），与Station ALOHA的优势调谐残基一致。最接近的视紫红质序列来自黑海（50米）和北太平洋（5米，0.22–3 μm粒径组分）的宏基因组。ChrysoHV不编码合成β-胡萝卜素（视黄醛前体）的基因，且预测结构显示K102和E228之间可能形成盐桥，抑制视黄醛结合。若失去视黄醛结合能力，可能反映功能改变，类似于Psychroflexus torquis的ptqPR作为磷脂翻转酶维持膜电位。该视紫红质还缺乏保守的DTE质子泵基序，而具有ETL基序，这在Station ALOHA深水变形菌视紫红质中也有发现。预测结构最类似未培养的γ-变形菌克隆HOT 75m4视紫红质（35.9%氨基酸一致性），后者被证实可泵送质子。
**与Nucleocytoviricota中光感受蛋白的比较**
在Aliimimivirinae亚科中，仅两个其他代表（cPacV-1605和GVMAG-M-3300023174-43）编码视紫红质，均属于病毒视紫红质II组。40个其他代表编码至少一种光裂合酶（photolyase）。只有ChrysoHV和cPacV-1605编码多种视紫红质和光裂合酶，但cPacV-1605编码病毒视紫红质II组，而ChrysoHV编码变形菌视紫红质。ChrysoHV的变形菌视紫红质位于光敏感基因簇（包含两个光裂合酶和一个螺旋视紫红质）中，与cPacV-1605的基因排列不同。
**全球海洋分布**
通过Tara Oceans数据集分析，ChrysoHV类似PolB序列（≥90%氨基酸一致性）在太平洋和印度洋的亚热带表层以及地中海中检出，在夏威夷群岛以北的132站混合层和中层均有分布，表明表层与深层病毒种群存在连通性。ChrysoHV变形菌视紫红质样蛋白（≥80%氨基酸一致性）也在132站相对丰度最高，提示部分序列来源于ChrysoHV样病毒。
**总结与结论**
ChrysoHV是一种形态和基因组组成均极为独特的巨型病毒。其长柔韧尾部和囊状膜扩展了病毒形态多样性。作为唯一已知编码变形菌视紫红质和螺旋视紫红质多重谱系的培养病毒分离株，以及第二个编码核糖体蛋白的分离株，ChrysoHV为研究巨型病毒如何操纵宿主生理提供了实验模型。多个细菌/蓝细菌来源基因的发现支持了以下假说：吞噬性原生生物作为感染病毒与摄入细菌猎物之间直接或间接横向基因转移的场所。该病毒-宿主系统可用于未来研究捕食性原生生物的病毒细胞环境如何影响基因获取。研究结论：ChrysoHV是一种不寻常的感染浮游植物的病毒，其形态和遗传组成扩展了病毒圈的表型多样性；作为唯一已知编码变形菌视紫红质和螺旋视紫红质多重谱系的培养病毒分离株，以及第二个编码核糖体蛋白的分离株，该病毒为实验研究巨型病毒感染中可能的新机制提供了机会；多个细菌基因的发现支持了原生生物是真核病毒与细菌之间横向基因转移的位点。
