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01mimivirus fwjmath的上一篇《法则与混乱》请见这里。fwjmath说:感谢William915同学提出意见,桔子同学修改一些术语。

《新科学家》8月27日,原文链接

如果没有这些进化中默默无名的英雄,我们现在可能还在原始汤中苦苦挣扎。让我们跟着 Garry Hamilton 来调查一下它们吧!

在进化过程中最难解释的问题恐怕就是复杂性的涌现了。第一个细胞是怎么从原始汤中出现的呢?自然选择又是怎么创造像人类大脑那样的奇迹的呢?生命之树上实在有太多这样的谜了——对于进化中的那些伟大的进步,它们的来龙去脉绝不是几句话能说清楚的。

但在发现DNA 后,生物学家就坚信他们知道了答案:在基因组一代代复制传递的时候时不时会出现一些小错误,它们就是复杂性的来源。尽管这些小错误很轻微,但在时间的长河中它们聚集起来形成的变化却可以相当可观。

这种关于进化的观点在过去的五十年里一直是科学界的主流思想,但现在生物学家们觉得它缺少了重要的一环:病毒。近一个世纪以来,这些基因中的寄生虫一直被认为是生物之树上可有可无的附属品,而它们引起人们注意的主要原因也只是它们的致病性。然而,在现在这个基因组学的时代,人们意外地发现病毒在生物进化过程中竟然发挥了无可比拟的力量。“目光所及之处都能看到病毒在进化过程中的演出,它是个重要角色。”Luis Villarreal 说,他是加州大学欧文分校病毒研究中心的负责人。“我认为它们是已知最变化多端的基因实体。”

这样的启示会令很多人感到意外。病毒常常被看作是一种精密的杀人机器——它们的基因组十分精简,只包含那些能用于攻击细胞和劫持细胞“生化工厂”的基因。在某些方面看来,它们并非浪得虚名。按照定义,病毒是一种寄生物,生存和繁殖完全依赖宿主,而病毒感染也是造成人类历史上许多大瘟疫的凶手。

然而,在八十年代后期,这种观点开始悄然改变。研究人员开始在不同环境采样计算病毒数量,尝试通过这种方式探索病毒世界(或者说“病毒圈”(Virosphere))的疆界和多样性。经检验,来自北极附近的巴伦支海(Barents Sea)的海水每毫升含有60000颗病毒颗粒,而来自德国的普鲁色湖(Lake Plussee)的水样中每毫升更是含有2.54亿的病毒颗粒。各方面的结果都表明,病毒的数目比原来的估计可能要多上千万倍。

随后的研究证实病毒无处不在,而且数量也相当庞大。只要一个地方存在能够感染的生命形式,不管是在温泉、沙漠、极地湖泊还是地下两千米处的岩石,我们在那里都能找到病毒的身影。“生物圈中所有噬菌体(感染细菌的病毒)的数量比所有其它生命形式加起来的还多,”美国宾夕法尼亚州匹茨堡大学的Graham Hatfull说。“如果你把所有的噬菌体颗粒首尾相接排起来的话,总长会达到2亿光年。这听起来有点不知所谓,但却说明了问题。”Villarreal补充道:“这个世界基本上是属于病毒的,它们是最丰富多样的基因实体。”

病毒圈的多样性也很令人惊讶,现在人们普遍认为病毒大概有一亿种。它们拥有比细胞更多样的生化机能,而且遗传信息的载体也更多变,无论是单链还是双链的DNA或者RNA都有病毒采用。最近对于病毒的搜索发现了一种含有混合基因组的病毒,即它们的基因组一部分是单链DNA,另一部分是双链DNA。这在病毒界也是独一无二的。在这些搜索中人们还发现了很多形态各异的病毒:有像瓶子的,有两端长尾巴的,有像小水滴的,还有像一根丝线的。最惊人的发现就是Mimivirus(题图),它的体型在病毒界中可算相当庞大,甚至比一些细菌还要大(《新科学家》,2006年3月25日,37页)。但我们的探索只触及了病毒圈的表面,离深入研究还差很远。“就多样性而言,我们对将来在病毒圈内会发现的东西一无所知。”来自加拿大英属哥伦比亚大学的微生物学家Curtis Suttle说。但可能最令人惊讶的事情是,当我们扫视越来越多的病毒基因组时,我们不断发现数以百计的新基因——而且是之前在任何其它病毒和细胞中都没有出现过的新基因。据Villarreal所说,这些新基因占病毒基因总数的80%。这个比例相当惊人,但是我们对它们的作用仍然一无所知。

02 Bluetongue&humanpapilloma

(图注:蓝舌病毒和人类乳头瘤病毒)

死物还是活物?这是个问题

长久以来,人们认为病毒根本不属于生命之树——它们只被认为是一些没有生命的遗传物质,由于某种原因脱离了细胞形态,转为靠寄生过活,这就是病毒这种多样性令人惊奇的部分原因。然而,随着被测序的病毒基因组数目向1000靠拢,人们越来越相信病毒身后还有更有趣的故事。科学作家,《Virus X: Tracking the new killer plagues》的作者Frank Ryan说:“现在绝大多数病毒学家都不再相信病毒来自宿主的基因组了,他们认为病毒可能是作为一种独立的生命形态出现的,甚至可能比细菌还要原始。”

当Hatfull和他的同事Roger Hendrix将许多噬菌体的基因组进行比较从而尝试描绘它们的进化路线图时,一部分关于病毒的有趣故事浮出了水面。他们发现,相比起有共同祖先、能组成家谱树的其它生物而言,这些噬菌体似乎更像是由DNA碎片随机拼接而来的。他们得到的结论就是:病毒的基因组就像一个什么都装的袋子,经常不小心装进些感染相同宿主的其它病毒的基因。

这种基因的混合并不是特例。在世界各地的样本中都能发现一些一模一样的病毒基因,这表明这些基因序列经常在病毒和病毒之间互相复制粘贴,这种交流就像在一条全球的“DNA 信息高速公路”上进行一样。“实质上,病毒的基因信息在整个地球上到处不停传播,而传播途径应该就是不同病毒感染相同细胞的时候发生的基因重组。”Shuttle说。这种基因广泛传播的特性再加上高变异率使病毒成为了最丰富的新DNA序列的产地。

那么,是什么使病毒成为进化中的关键玩家呢?事实上,这种新基因的生产活动并不局限在病毒之中,病毒也会把新基因带到它们宿主细胞的深处。第一条与此有关的线索出现在二十世纪五十年代,那时研究者们发现噬菌体有多种感染细菌的方式。一些病毒奉行的是“焦土政策”——感染宿主并开始复制,最后杀死所在宿主并寻找新的宿主——而另一些病毒采取的则是长期战略:将自己插入宿主的基因组中,只有细胞分裂的时候才进行复制。这些被称为“原噬菌体”的病毒有时候能够重新变成病毒颗粒,但当然它们也能永久潜伏在细菌的DNA中。

03 phage phi29

(图注:phi29噬菌体)

这种潜伏行为一直令人觉得很奇怪,直到最近基因组测序的结果表明绝大多数细菌中有百分之10到20的DNA都是原噬菌体。各种细菌中还有一些被命名为ORFans的基因,它们与在别的地方找到的基因毫无相似之处。

“当给(细菌的)基因组测序的时候,你总会找到大约占总数十分之一的不明基因,”来自法国巴黎十一大的Patrick Forterre说道:“当初我们以为这些新基因的出现是因为我们还没有看过足够多的基因组。但即使是现在,尽管已测序的基因组已经超过了500个,但每次对新的基因组进行测序我们还是能看到占总数十分之一的ORFans不明基因。”Forterre发现那些ORFans多数很小,跟病毒的基因非常相似,而且很多都位于原噬菌体惯常落脚的地方附近。他据此得出结论,认为大约百分之九十的ORFans基因很可能来自病毒。

并不是只有细菌之中才充满病毒基因。遗传学家已经发现在每种生物的基因组中几乎都遗留着远古病毒感染的痕迹。在真核生物这个最复杂的细胞形式生命(包括人类)的范畴内,这种病毒DNA的主要来源就是RNA逆转录病毒。它们在感染一个细胞后会将自己的基因组转换成DNA然后再嵌入宿主的基因组中。有时候这些基因组会变成永久的附着物,被称为内源性逆转录病毒(ERV)。

人们在二十世纪七十年代就已经发现了ERV,但直到2003年人类基因组测序完成后人们才发现它们完整的渗透范围,在我们的基因组中绝对处处有它们的身影。人类基因组中至少有8%是能清晰辨认出来的ERV,而另外还有40%到50%看起来很像是ERV,剩下还有很大一部分的基因片段以一种与病毒很相似的方式在不停复制和传播。这样算起来的话,在人类基因组中90%的基因都与病毒有些关系,这看起来非常不和谐。而在别的物种中,无论是啮齿动物、猿猴或者是考拉,几乎每种被遗传学家分析过的物种基因组里边都有ERV。“病毒基因就像春雨一样在细胞基因组中随处散播。”Forterre 说。

04 Sindbis

(图注:Sindbis病毒)

这些病毒DNA的奇异之处在于它们不仅占据了基因组的空间,而且有相当一部分是有用的。“绝大部分(的病毒基因)都没什么用所以就被消灭了,”Forterre 说。“但这些基因产生的蛋白偶尔对细胞也是有用的——我们先不管有什么用——这时候对应的基因就能被保留下来,有时还会改变整个谱系的历史——它们可以改变细胞的进化方向。”

在二十世纪五十年代,人们在根治白喉的努力中偶然发现了病毒DNA在进化中的作用。研究人员发现这种疾病的罪魁祸首白喉杆菌会将自己拴在咽喉的细胞上,然后放出毒素来干它杀人的勾当。后来他们发现编码这个毒素的基因来源于一个原噬菌体。从那时候开始研究人员开始编制一个长长的疾病列表,表中致病菌那致命一击所需的基因都是由原噬菌体提供的。这个列表中包含了肉毒中毒、霍乱、腺鼠疫和坏死性筋膜炎,这都是些杀人如麻的恶魔。

根本上的进化

在其他方面原噬菌体基因也可能很有用。例如Hatfull发现的一个原噬菌体基因就能赋予细菌一种能力,让它们能聚集成一个名为“生物被膜”的群体。他说:“病毒很有可能以尚未发现的各种各样的有趣方式影响宿主的生理机能。”来自位于瑞士洛桑的雀巢公司的微生物学家Harald Brüssow提出一个论点,认为病毒DNA给细菌提供了另一个“进化引擎”,使它们能获得全新的能力,从而让它们能够迅速适应短期的环境压力。

这种事情并不是只有在细菌上才会发生。有证据表明病毒对于多细胞生物(其中包括人类)也有贡献。最戏剧化的例子就是哺乳类动物的胎盘,它的进化过程被认为是现代哺乳动物崛起过程的轴心。有一个基因在胎盘的形成过程中起到了关键作用,它对所谓的合胞体蛋白进行了编码。在2000年,马萨诸塞州剑桥的遗传学研究所的研究人员发现这个基因来源于ERV(Nature, vol 403, p 785)。

05 HIV&ribgress mosak

(图注:艾滋病病毒(又称人类免疫缺损病毒,HIV)和长叶车前草花叶病毒)

好戏还在后头。人类细胞的细胞质中充满了由病毒基因转化而来的信使RNA,而在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室最近发表了一个列表,上面列出了35个在人类生理活动中扮演重要角色的病毒基因。众所周知,人类的免疫系统对“素未谋面”的病原体也能做出快速反应,这种能力是在过去5亿年里最重要的进化革新之一,而病毒在这种能力的进化过程中似乎扮演了关键的角色。从ERV演变而来的一些基因序列似乎与控制基因开关的基因调控网络也很有关系。如果我们了解相近物种的差异主要在于基因表达的差异,而不是基因本身的差异的话,我们就能明白为什么病毒可以算是进化中的关键推动器了。

但病毒在进化舞台上最出人意料的一台戏可能是在遥远的过去上演的。根据Forterre和其他人的研究,在早期的进化过程中,病毒主导了一些甚至全部的主要进化飞跃,包括细胞的形成。

在二十世纪七十年代,Forterre开始研究DNA复制中的分子机制。当时科学家们刚刚知道细胞形态的生命能分成三界:细菌、古菌和真核生物。他们认为通过比较在这些生物中普遍存在的生化过程(如DNA复制),我们可以更了解这几个界之间的联系。

但研究结果相当令人困惑。一些生化组分表明了三界有共同的祖先,这是意料之中的,但另一些组分却展示了更复杂的关系。比如说,在古菌和真核生物中的DNA复制酶显然是有关系的,但细菌的DNA复制酶却与这二者截然不同。还有一些组分是古菌和细菌共有的,但真核生物对应的组分却大为不同。这种互相渗透的现象说明我们没办法将三个界放到一棵标准的家谱树中。

06 Hepatitls C

(图注:丙型肝炎病毒)

Forterre 认为这暗示了这三个界可能是一个更为多样的原始生物圈中的幸存者,当时可能还不存在细胞结构(Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 103, p 3669)。Forterre 和其他研究人员正在收集证据来构造一个图景,在这个图景中,生命在早期发展中经历了一段疯狂的实验时期,那时新的分子系统不断被创造出来,然后就被拼在一起形成更复杂的整体(Virus Research, vol 117, p5)。当细胞结构进化出来之后,这种实验在变异革新和早期病毒造成的基因传递的驱动下仍然在继续。最终的结果就是数不胜数的生命系统,这些系统都是随机地用可供利用的组件拼凑起来的。但到了现在,只有三种系统留了下来,那就是现在的三个域的生物各自使用的系统。但仍有很多被淘汰的系统部件仍然保存在病毒圈中。

这个图景将病毒放在了早期进化中的核心部分。“如果你意识到病毒总是比细胞多得多的话,你应该会作出结论,认为基因更倾向于从病毒流向细胞,”Forterre说,“这样的话,我们就不难理解为什么主要的革新都是先在病毒世界中出现,然后才被传递到细胞当中的了。”

07 P22

(图注:P22噬菌体)

Hendrix也赞同这个观点。“如果你是一个原始细胞的话,你可能会觉得要进化出现在的细胞拥有的所有复杂的生化过程非常困难,”他说,“你需要的是一种机制,通过它你能在不同细胞中分享成功的实验结果,而最好的方法就是通过病毒来传递基因。”

Forterre现在相信,在远古生物复杂性的每一次飞跃中,比如说遗传物质从RNA演化为DNA的过程,还有细胞核的产生,都有赖于病毒创新能力的帮助。

总而言之,生物学家现在可能正在敲响另一个重大思想进步的大门,对于进化研究来说这可能是自基因的发现以来最大的革新。我们不断积累的关于病毒的知识正在考验我们关于进化的许多信条,包括“进化是由自私的基因之间的竞争推动的”这种观点。我们关于病毒的知识提出了另一个强有力的论点:进化同时也是由能使物种适应性突然提高的基因传递推动的。

我们甚至可以认为进化不一定是一个渐进的过程。病毒传递基因的速率暗示我们,生命可能能够直接在海洋中得到新的遗传材料,也可以在一次病毒感染期间就在进化过程中产生梦幻般的飞跃。

08 T4

(图注:T4噬菌体)

我们关于生物体和物种的概念也可能会被这次进步所颠覆,这也许会是它带给我们意义最深远的改变。以往每个个体的遗传信息都被认为是继承延续自一条历经千百万年的进化轨迹而来,在整个路径中没有别的遗传信息流入。但实际上这个过程不是完全封闭的,DNA可以任意出入。这样的话,现在整个生物圈看上去越来越像一个由流动不息的基因组成的巨大网络,在其中所有东西都是互有联系的。也许我们可以把它称为一个“泛基因组”(pangenome),这个术语是由微生物学家Victor Tetz最近提出来的,他来自俄罗斯的国立圣彼得堡巴甫洛夫医科大学。

哦,还有一件事。我们必须重新修订我们的家谱。没错,猿猴是我们的祖先,但那些小小的病毒似乎跟我们也有亲戚关系。

Garry Hamilton是西雅图的一位作家

注:本文中所有图片均非真正比例大小。

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16 Responses to “欢迎【小红猪】来到病毒圈!”

  1. 桔子帮小帮主说道:

    在科研界多么漂亮和单纯的病毒,在生活中许多都令人不寒而栗。

    • 靳庆年说道:

      “这听起来有点不知所谓,但却说明了问题。”是否应该为“这听起来有点不知所措,但却说明了问题。”啊?!——文章前面该说的都说了,就不能说“不知所谓”了吧?!

  2. 桔子帮小帮主说道:

    欢迎小猪来到病毒圈,欢迎我来到病毒圈,欢迎你……

  3. 阿企说道:

    如果这种理论被证实的话,应该和进化论、发现DNA结构一样震古烁今吧……
    很震撼,或许生命真的是如此进化而来的,就像一个巨大无比的基因交流试验,变异的病毒越多,组成高级生命形态的几率就越大。但病毒的使命现在似乎已经没那么重要了,比如人类进化的动力已经越来越多地从biological转向社会了。

    • kcno说道:

      那是因为人类有文明的历史太短了,生物层面的进化太长了而已

  4. j13说道:

    这篇的出处是?新科学家?

  5. 跳跳蟒说道:

    病毒汤,或者说基因汤

  6. fwjmath说道:

    其实翻译的时候我也非常吃惊,怎么说呢,非同寻常的理论需要非同寻常的证据。如果这篇文章说的都是真的话我觉得证据很充分但是还不到非同寻常的程度。
    如果直接观察到病毒帮助进化的过程的话那会更令人信服,但是可能需要的时间太长了吧……不清楚~~~

  7. 十方世界说道:

    T4噬菌体,相当眼熟

  8. ligand说道:

    这相当于一种“获得性遗传”,一些细胞搞出了具有进化优势的新特性,通过病毒很快把这种新特性传播给别的细胞!

  9. [...] 欢迎【小红猪】来到病毒圈! (10) [...]

  10. [...] 译者:fwjmath。他从前的译作请见这里,这里,那里。原文在这里。 [...]

  11. [...] 原文,译者:fwjmath,他的其他译作请见这里,这里,这里和那里。 [...]

  12. [...] 原文,譯者:fwjmath,他的其他譯作請見這里,這里,這里和那里。 [...]

  13. hzqim说道:

    怎么病毒的样子都那么恶心?