细胞色素b5存在于巨病毒和其他核细胞病毒门的病毒中

　　

巨病毒细胞色素 b5 的研究：分布、功能与起源的探索

2025 年，斯旺西大学医学院、健康与生命科学学院（第一作者单位）的 David C. Lamb 等研究人员在npj Viruses期刊上发表了题为 “Cytochrome b5 occurrence in giant and other viruses belonging to the phylum Nucleocytoviricota” 的论文。该研究在病毒学领域意义重大，首次广泛揭示了细胞色素 b5 基因在多种病毒中的存在情况，为深入理解病毒的代谢机制、进化起源提供了关键线索，推动了对病毒与宿主相互作用关系的研究。

一、研究背景

巨病毒是 20 多年前发现的全球微生物群落中神秘的成员。传统上，病毒被定义为处于生命边缘的生物实体，缺乏细胞结构和新陈代谢，只能在宿主细胞内繁殖。但 2003 年巨型病毒 —— 布拉德福德马赛拟菌病毒（Mimivirus bradfordmassiliense）的发现改变了这一观点。该病毒基因组代表了一类新兴且多样的病毒，即核质大 DNA 病毒（NCLDV）。随着越来越多的巨型病毒被发现，一个新的分类系统得以建立，包括新的门（Nucleocytoviricota）和新的纲（Megaviricetes） 。

细胞色素 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。此前，在奥氏病毒（Ostreococcus tauri virus OtV - 2）中发现了编码假定细胞色素 b5 蛋白的基因，且该蛋白已被表达和表征，这为研究病毒中细胞色素 b5 的功能提供了重要线索。然而，细胞色素 b5 基因在其他病毒中的分布、功能及其起源仍有待深入探索。

二、研究材料与方法

（一）研究材料

研究人员从 NCBI 序列数据库（截至 2024 年 12 月 15 日的在线版本）中检索候选病毒细胞色素 b5 序列，涵盖环境宏基因组数据库（env_nr）和非冗余数据库（nr）。涉及的病毒包括来自不同环境和宿主的多种巨型病毒及奥氏病毒等。

（二）研究方法

1. 序列分析：使用 ClustalOmega 将推断的蛋白质序列与 PfAM b5 结构域隐马尔可夫模型（PF00173）进行比对，并用 T - Coffee 评分，在 BioEdit 中可视化比对结果。通过比对序列中的保守结构元件和关键氨基酸残基来确定细胞色素 b5 基因。
2. 系统发育分析：采用最大似然法（ML，RAxML - ng v1.2.2），选择 VT + I + G4 氨基酸替代模型构建细胞色素 b5 的系统发育树。进行 20 次重复的 ML 搜索，并对最佳得分树进行快速自展分析，评估分支支持度。
3. 建模与结构分析：利用 Modeller（v9.16）基于大鼠、家蝇和奥氏病毒细胞色素 b5 结构进行病毒 b5 蛋白的同源建模，选择 DOPE - HR 评分最高的模型在 Pymol 中可视化，并使用 Thesesus 进行进一步结构分析。
4. 亚细胞共定位预测：运用 DeepLoc 1.0 和 DeepLoc 2.0 算法预测病毒细胞色素 b5 蛋白的亚细胞共定位，依据算法提供的可能性值判断共定位的概率。
5. 转录组分析与蛋白表征：合成拟菌病毒细胞色素 b5 基因（MIMI_L628），构建到大肠杆菌表达质粒 pET17b 中，通过 Ni2? - NTA 亲和层析纯化表达的蛋白。从纯化蛋白的还原与氧化差异光谱中定量细胞色素 b5 含量。

三、研究结果

（一）细胞色素 b5 在病毒界的总体分布

研究人员在核质病毒门（Nucleocytoviricota）的多个特定病毒类群基因组中鉴定出众多细胞色素 b5 基因。这些病毒包括奥氏病毒（虽为非典型巨型病毒，缺乏 RNAPol2）、拟菌病毒科（Mimiviridae）的多个属（如拟菌病毒属、Moumouvirus 属和 Megavirus 属）、土盘病毒属（Tupanvirus），以及从陆地土壤宏基因组数据中组装的巨型病毒基因组（如 satyrvirus、harvfovirus 等）和海洋沉积物中的巨型病毒基因组（如 marseillevirus 和 pithovirus） 。在感染绿藻的病毒基因组中也检测到该基因。通过序列和二级结构与已知真核细胞色素 b5 的保守性，以及关键组氨酸残基的保留和 Pfam 模型的结构域识别来确定这些基因。

（二）拟菌病毒科细胞色素 b5 基因

在拟菌病毒科的所有三个属中都发现了假定的细胞色素 b5 蛋白编码基因。这些蛋白在性质上要么是可溶性的，以单个亲水性结构域蛋白形式存在；要么是膜结合蛋白，具有单个 N 端跨膜锚定结构。不同地区拟菌病毒的细胞色素 b5 蛋白同源物之间序列同一性极高（98 - 100%），Megavirus 属和 Moumouvirus 属内的细胞色素 b5 蛋白序列同一性也分别大于 95% 。拟菌病毒科细胞色素 b5 基因均富含 AT（69 - 75%），与该科基因组整体特征相符，且亚组内核苷酸序列高度相似。通过蛋白质共定位预测，发现布拉德福德马赛拟菌病毒（Mimivirus bradfordmassiliense）的细胞色素 b5（Q5UR80）极有可能通过其 N 端序列与内质网共定位，但并非所有 Megaviricetes 纲病毒的细胞色素 b5 都如此，部分病毒的细胞色素 b5 被预测定位于细胞质，这可能与它们缺乏可识别的膜锚定结构有关。

（三）土盘病毒细胞色素 b5 基因

土盘病毒（Tupanvirus）与拟菌病毒科相关，其两个种（Tupanvirus altamarinense 和 Tupanvirus salinum）都拥有预测编码细胞色素 b5 蛋白的基因，且都含有 N 端跨膜锚定结构。这两种土盘病毒的细胞色素 b5 氨基酸同一性为 78%，与拟菌病毒和 Megavirus 属的细胞色素 b5 蛋白同一性在 55 - 60% 之间，与 Moumouvirus 属的同一性仅 45% 。对其细胞色素 b5 蛋白的亚细胞共定位预测显示，它们很可能与内质网相关，这可能是由于其 N 端区域存在内质网靶向序列，但这些结果需实验验证。而奥氏绿藻病毒（O. lucimarinus virus）、马赛病毒（marseillevirus）和 satyrvirus 的细胞色素 b5 蛋白则主要定位于细胞质，与内质网的共定位可能性较弱，这可能与它们缺乏膜锚定结构有关。

（四）基因共线性、转录组分析和细胞色素 b5 光谱分析

拟菌病毒科的拟菌病毒属、Moumouvirus 属和 Megavirus 属在细胞色素 b5 基因周围 8 个基因的区域内表现出高度的基因顺序共享（共线性），与土盘病毒的共线性较少，与奥氏病毒则无明显共线性。转录组分析表明，在拟菌病毒感染期间转录的所有基因中，约 90% 的基因中，假定编码细胞色素 b5 的基因 L628 在感染 6 小时时转录量达到最大，属于感染后期表达的基因。异源表达并纯化的带有组氨酸标签的拟菌病毒细胞色素 b5（MIMI_L628）是一种膜结合蛋白，其氧化重组蛋白的吸收光谱在 412、528 和 567nm 处有最大值，这与文献中描述的真核生物纯化细胞色素 b5 的光谱特征一致。

（五）细胞色素 b5 二级结构和整体拓扑结构分析

所有已研究的真核生物内质网结合的微粒体细胞色素 b5 蛋白和线粒体细胞色素 b5 蛋白均通过 C 端跨膜锚定结构锚定在膜上，如人和卡氏棘阿米巴（A. castellanii）的微粒体细胞色素 b5。相比之下，病毒细胞色素 b5 序列分析显示，其假定蛋白要么是可溶性的，要么通过假定的 N 端跨膜锚定序列而非 C 端锚定序列与膜结合。蛋白质建模表明，家蝇和奥氏病毒结晶的细胞色素 b5 与模拟的拟菌病毒、Megavirus 属、土盘病毒和 Faunusvirus 属的细胞色素 b5 在三级结构上具有高度同源性，血红素结合组氨酸在空间上保守，但血红素相邻残基存在一定差异。

四、研究结论与讨论

研究人员在多个病毒分类群中发现了细胞色素 b5 基因，包括拟菌病毒科、土盘病毒和马赛病毒科等。这些病毒的细胞色素 b5 基因与奥氏病毒的细胞色素 b5 基因并非同源，可能是趋同进化的结果。虽然基于结构和转录特征推测病毒细胞色素 b5 蛋白几乎肯定具有功能，但它们在病毒或宿主中的具体功能以及基因起源仍不清楚。

细胞色素 b5 在病毒中可能具有多种功能。在拟菌病毒科和土盘病毒中，由于存在多个细胞色素 P450 基因且在感染宿主中表达，细胞色素 b5 可能为细胞色素 P450 蛋白的催化循环提供还原当量。此外，细胞色素 b5 在细胞代谢中参与脂肪酸延长、去饱和以及胆固醇生物合成等过程，在病毒感染的背景下，其在内质网的定位表明可能参与病毒的脂质合成，为病毒粒子包膜的形成提供脂质，保障病毒的复制和装配。同时，细胞色素 b5 还可能作为抗氧化剂，保护病毒复制装置免受活性氧物质（ROS）的损伤。

关于细胞色素 b5 基因的起源，奥氏噬菌体中的细胞色素 b5 与藻类宿主有一定相似性，而其他核质病毒门病毒的细胞色素 b5 基因似乎并非来源于已知宿主，有可能是从不再存在的古代宿主转移而来。巨病毒中细胞色素 P450 基因和细胞色素 b5 基因存在情况的差异，表明这些基因可能是分别获取的，或者如果是共同获取的，那么细胞色素 b5 基因在富含 GC 的病毒分支中可能发生了丢失。另外，也不排除细胞色素 b5 基因是巨病毒的从头创造，但该过程受到限制，或者在进化过程中从富含 GC 的分支中丢失。由于巨病毒基因组中至今未发现完整的血红素生物合成酶机制，而细胞色素 b5 和细胞色素 P450 都绝对需要血红素辅因子，因此这两个病毒基因家族可能是从细胞宿主转移而来，或者巨病毒原本拥有血红素生物合成机制，但后来依赖宿主途径供应血红素而丢失了该机制。

该研究为病毒学领域带来了新的认知。一方面，揭示了细胞色素 b5 基因在多种病毒中的存在，丰富了对病毒基因组成的理解，为研究病毒的代谢机制提供了新的靶点；另一方面，对细胞色素 b5 在病毒中功能和起源的探讨，有助于深入研究病毒与宿主的相互作用，为进一步探索巨型病毒的进化历程和生命活动规律奠定了重要基础，推动了病毒学领域的发展。