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2020-02-04 15:19
蝙蝠之前,病毒又从何而来?

本文来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:Mirror


病毒可以说是自然界中存在最广泛却又最令人摸不着头脑的有机体。从海洋到高空,病毒无处不在,其颗粒总数远超一切细胞生物个体数之和;从蓝鲸到细菌,无一物种能够幸免它们的侵染,狠起来就连“自己人”都不放过。


不仅数目惊人,病毒的种类也十分多样,而且变异频繁。自19世纪末人类首次发现病毒(烟草花叶病毒)以来,迄今约有5000种病毒被详细记录。然而据估计,光是感染哺乳动物的病毒就至少有32万种。


即便如此,新的病毒仍在不断出现,但只有那些对人类高危的病毒才会受到关注,比如最近举世瞩目的新型冠状病毒(2019-nCov)


追溯毒源


蝙蝠是众多病毒的宿主 | 图源:pixabay


我们已经知道传播到人类社会的很多病毒都来自于野生动物,比如蝙蝠家族是SARS、埃博拉病毒和新型冠状病毒的“窝点”。但蝙蝠等动物也并非“制毒者”,追根溯源,病毒究竟从何而来?又于何时在进化树上萌发?


要追溯一个物种的演化史,通常需要相应的化石证据,但病毒实在太过微小,几乎不可能有化石保存下来。而且它们大都存在于宿主细胞内,混在其基因组中,难以区分。


虽然找不到病毒化石,科学家们还是可以基于现有病毒及其宿主的基因组等信息,得到病毒演化的线索。由此他们提出了3种病毒起源的主流理论:逃逸假说(The Progressive Hypothesis)、退化假说(The Regressive Hypothesis)和先于细胞起源假说(The Virus-First Hypothesis)


病毒的“诡计”


在具体解释这3种理论之前,我们先来简单了解一些基本生物学概念。目前已知的所有细胞生物都是以DNA为主要遗传物质的。细胞想要获取DNA中的编码信息需要借助邮差,也就是信使RNA(mRNA)。它们专门负责把转录下来的信息送出细胞核,再传达给转运RNA(tRNA),最后在核糖体等细胞器内合成加工出蛋白质。


遗传信息传递遵循的中心法则 | 图源:维基百科


而病毒的组成极度简化,没有细胞结构,更别提复杂的蛋白质合成系统。它们基本上只有层蛋白质衣壳,包裹着遗传物质(DNA或RNA),因此只能盗用宿主细胞的生产工具来复制自己。更有甚者,直接潜入宿主细胞的基因组中当起了间谍。


最典型的当属逆转录病毒(也叫反转录病毒),它们是一类RNA病毒。逆转录指的是转录的逆向过程,即通过RNA合成DNA,然后病毒就可以把带有自身遗传信息的DNA整合到宿主基因组中,让被蒙在鼓里的宿主细胞替它们白干。


这样一来,即使我们想清除它们也很难不误伤友军。HIV就是这样一类狡猾的病毒,这也是它们难以攻克的一大原因。


逃逸假说:“叛逃”的基因


听起来很不可思议,但病毒最初可能就来自于细胞自身。在细胞生物包括我们人类的基因组里大量存在着一类“不安分”的“跳跃基因”,也叫转座子(transposon),它们能从原本的位置解离或者通过复制,转移到另一个基因位点,比如另一条染色体上。


科学家芭芭拉·麦克林托克发现玉米的彩色颗粒是受转座子的影响


而转座子复制的方式有的是从DNA直接拷贝为DNA,还有的则是从DNA转录为RNA,再逆转录为DNA,这种转座子就叫做逆转录转座子。


逆转录转座子的“骚操作”是不是让你联想到了上面提到的逆转录病毒?经过对比,科学家的确发现,逆转录转座子和逆转录病毒在基因结构和转移方式上惊人地相似。这就意味着,它们在演化史上很可能存在着某种关系。


一种理论的解释是,自我们的祖先诞生以来,就在不断受病毒侵染,渐渐地,一些病毒的基因被固定在了我们的基因组中,甚至参与了某些演化的关键环节,比如胎盘的发育。


另一种理论,也就是逃逸假说认为,病毒或许是“叛逃”的基因片段,比如转座子演化而来的,它们在某个契机下获得了蛋白质装备的加持,成功出逃,自此打开新世界的大门。


事实上,已有科学家证明某些转座子仍有被激活成病毒的潜能。但转座子和病毒在演化史上的出现究竟孰先孰后,仍未有明确结论。


细菌质粒DNA独立于拟核之外


也有观点认为DNA病毒的起源可能与“逃逸”的质粒(plasmid)有关,这是一种存在于细菌内的环状DNA,具有自主复制和在细胞间传递的能力。基因工程正是利用了质粒的这些特点,将其改造为目的基因的载体,以实现基因的水平迁移。


退化假说:“堕落”的细胞


类比线粒体和叶绿体这类半自主性细胞器的起源理论,退化假说提出,病毒的祖先原本有着相对完整的细胞结构,也是自立根生的“好细胞”,后来在和其他细胞共生的过程中,逐渐“迷失自我”,开始丢失基因,最后完全依赖其他细胞的劳动,甚至变本加厉,疯狂掠夺。


这一假说最有力的例证来自核质巨DNA病毒(NCLDV)。这类病毒与一般病毒最大的不同就是大,以至于会被其他小病毒感染。病毒的大小通常不超过200纳米,但NCLDV却能比细菌还大,比如拟菌病毒(Mimivirus),直径达750纳米。


拟菌病毒的电镜照片 | 图源:microbewiki


它们的大也不是徒有其表,关键在于其基因组也大,并且还拥有细胞生物蛋白质合成系统的相关基因,但并不完整,仍无法自主合成蛋白质。这种病毒的发现,在病毒和细胞的演化道路之间搭起了一座桥梁。


更有趣的是,拟菌病毒和一种细菌(普氏立克次体)十分相似,这更让一些科学家相信它们的祖先原本也是一种细菌,后来“退化”成了病毒,只是装备丢得没有一般病毒干脆。


不过2017年的一项研究发现,另一种大型病毒(Klosneuvirus)所携带的细胞基因只是它们从宿主那里“盗取”,逐渐积累而成的。


先于细胞起源假说:蛋先于鸡



上述两种理论都假设病毒是出现在细胞之后的,毕竟病毒都需要依赖细胞生存。但也有科学家打破了这一固定思维,在先有鸡还是先有蛋这个问题上,他们更倾向于后者。


该理论认为在第一个细胞出现之前,具有自我复制能力的RNA分子或许早已存在,随着时间的推移,它们演化出了各种功能,表达的蛋白质也越来越复杂。


在关键细胞结构被合成出来之前,一些RNA和蛋白质的组合已经开始蠢蠢欲动,它们中的一部分进一步发展成了细胞,而另一部分则保留了简单结构,成为最原始的病毒,而后随着细胞的诞生而激活。


在某些生物比如四膜虫的细胞里就有这样的RNA分子,叫做核酶(ribozyme)。我们知道酶是一类具有催化作用的生物分子,绝大多数都是由蛋白质构成的,但核酶却是种小分子RNA,参与催化蛋白质合成等重要反应。


某些核酶还能够自我复制,在细胞间传播,比如主要感染植物的类病毒(viroid)。类病毒与病毒不同,它们连蛋白质衣壳都没有,仅有RNA,但同样可以感染各种生物。


交织的演化史



上述理论都还仅仅是假说,仍未有充分证据证明,因此病毒起源和生命起源一样,至今仍是未解之谜。不过,2018年发表在《自然》上的一项研究表明,病毒很可能早在第一只脊椎动物出现之时就已经存在。它们伴随着整个脊椎动物乃至整个生物界的演化,至今仍在相互影响。


除了病毒起源,它们在自然界中究竟扮演了怎样的角色也十分耐人寻味。无处不在的病毒与其他物种之间似乎保持着一种奇妙的平衡。然而无知的人类却时不时将其打破,结果打开了潘多拉魔盒。要想关上魔盒,不仅需要科学家们对病毒更深入的研究,还需要我们每个人对自然法则的敬畏。


本文来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:Mirror


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