近日，兰州大学泛第三极环境中心在期刊iMetaOmics上发表了题为“Functional and evolutionary characterization of potential auxiliary metabolic genes of the global RNA virome”的研究论文。本研究使用最近发表的RNA病毒基因组数据集（包括TaraOceans、RVMT和LucaProt），对RNA病毒的辅助代谢基因（AMGs）进行了系统分析，为深入了解RNA病毒的功能特性、进化历史以及与宿主之间的相互作用机制提供了重要依据。泛第三极环境中心2024级博士研究生赵洋为第一作者，刘鹏飞教授为通讯作者。

>图形摘要

病毒是地球上最丰富的生物实体，表现出巨大的多样性，并在生态系统中发挥着至关重要的作用。它们可以通过辅助代谢基因（AMGs）改变宿主的新陈代谢，从而影响重要的生态过程和生物地球化学循环。几十年来，有关AMGs的研究主要集中在DNA病毒上。

宏转录组测序技术的发展，揭示了全球RNA病毒尚未被充分挖掘的巨大多样性，以及它们在塑造宿主群落、推动进化和调节宿主新陈代谢方面的重要生态作用。RNA病毒的AMGs是实现这些作用的关键机制之一，但目前大部分研究尚未涉及此领域，仅有少数研究聚焦于特定环境。

本研究利用最近发表的全球RNA病毒组数据集，包括TaraOceans数据集、RNA病毒宏转录组（RVMT）数据库和LucaProt数据集，对RNA病毒的AMGs进行了功能和系统发育分析。通过填补病毒生态学这一关键空白来揭示全球范围内RNA病毒AMGs的生态功能、病毒与宿主的相互作用以及进化动态。

研究方法

本研究收集了来自TaraOceans 数据集、RVMT数据库和LucaProt数据集的3,216,257个RNA病毒片段（vContigs）。通过DRAM注释工具，结合KOfam、UniRef-90等数据库，对这些vContigs进行功能注释，并手动筛选出潜在的RNA病毒AMGs。通过系统发育分析，进一步预测AMGs的潜在来源，并将其与RNA病毒的预测宿主相比较来探讨AMGs的进化历史及其与宿主的关系。

>图1 全球RNA病毒AMGs分析流程

主要结果与讨论

通过对全球RNA病毒组数据集中的3,216,257个RNA病毒基因组（vContigs）进行注释和筛选，我们在225个RNA vContigs中鉴定出了256个潜在的辅助代谢基因（AMGs）。在这些RNA病毒中，有124个被分类到19个门类，包括5个已建立的门类、1个新提出的“Taraviricota”门和13个不同的LucaProt超群（图2A）。宿主预测显示，携带AMGs的RNA病毒主要感染真核生物（图2A）。

256个AMGs参与了与代谢、遗传和环境信息处理、细胞过程和生物体系统相关的58条生物途径（图2B）。这些途径涵盖了25个功能类别，前四个类别分别是翻译、能量代谢、膜运输和转录（图2C）。其中，最常见的蛋白是核糖体蛋白（RPs）（图2D），它们对核糖体组装和蛋白质合成至关重要。此外，在RNA病毒中还发现了大量编码分子伴侣蛋白和外周蛋白的AMGs，其可以调节宿主环境感知和应激适应能力。

>图2 RNA病毒与宿主相互作用和RNA病毒AMGs功能概览

通过对RNA病毒AMGs进一步分析发现，与DNA病毒相比，RNA病毒中只有少数AMGs参与氮和硫代谢，而没有与磷循环相关的AMGs（图3），这表明与DNA病毒相比，RNA病毒在生物地球化学循环中的作用可能更加有限。RNA病毒和DNA病毒的宿主范围差异可能是造成这种差异的原因之一，因为RNA病毒主要感染真核生物，而DNA病毒主要感染原核生物，包括细菌和古菌。

>图3 RNA vContigs编码的AMGs揭示了RNA病毒参与中枢、氮和硫代谢的情况

将RNA病毒预测宿主与其AMGs的潜在起源进行比较发现，有10个vContigs（19.6%）的宿主与其编码的AMGs来源不一致，这可能是由于RNA病毒的潜在宿主主要是根据其分类学分类来确定的。然而，预测未培养的RNA病毒仍是一项具有挑战性的任务。因此，这些编码原核生物起源AMGs的真核RNA病毒可能代表了原核RNA病毒的新谱系。另外，这些RNA病毒和细菌也可能具有相同的真核生物宿主。在共同感染过程中，RNA病毒、细菌和真核生物宿主形成三方联合，这样真核生物的RNA病毒就可能获得细菌编码的基因。此外，RNA病毒的AMGs还可能是宿主通过HGT事件从第三种生物中获得的。

结论

在这项研究中，我们利用全球RNA病毒组数据集，构建了关于RNA病毒辅助代谢基因（AMGs）的首个全面视图。研究结果表明：（i）RNA病毒展现出极高的AMGs多样性，涵盖25个不同的功能类别；（ii）AMGs主要编码参与环境和遗传信息处理调控的蛋白，而与营养循环相关的则较少；（iii）携带AMGs的RNA病毒的宿主既包括真核生物也包括原核生物；（iv）RNA病毒可能从其预测宿主范围之外的生物体中获得AMGs。总之，这些发现大大加深了我们对RNA病毒生态学的理解，揭示了RNA病毒在调节宿主代谢和生态系统功能中所扮演的复杂角色。

原文链接：https://doi.org/10.1002/imo2.70002