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病毒大观园:谁是最出色的DNA或RNA微型载体?

2018-11-17  hl1bwcdm

病毒是这个星球上最小的生物复制器,大约比细菌小100倍。病毒只有很小的一点遗传代码,外面覆盖着一个微型的蛋白质外壳,它们根本无法“自己养活自己”。甚至,科学家仍然不确定,是否应该把病毒视为生命。

生命的细胞都有自身的一套分子生产线,它们时不时地复制自身的基因,然后通过叫做核糖体的分子机器将基因“泵出”。细胞读取基因的代码并将其作为模板来组装蛋白质。最简单的生物需要150到300个基因来生产维持生命所需的所有蛋白质,但是病毒只能依靠4个基因来存活。它们直接劫持其他生物的细胞,把后者变成了病毒的繁殖工厂。

病毒非常聪明,它们通过借用被感染细胞的物质来弥补自身的遗传缺陷。病毒没有自己的核糖体,所以它们将遗传代码输入到其他生物的细胞中,接管分子生产线。被感染的细胞就会停止生产自己所需的蛋白质,转而开始读取病毒代码,组装病毒蛋白质。

病毒的核心物质是它的遗传代码,和其他生物一样,病毒的遗传代码也是存储在基因中。有的病毒有双链DNA,就像人类一样;有的病毒只有单链DNA来凑合;有的病毒用RNA做遗传物质,RNA这种分子很像DNA,但分子的化学式不同,生命体的活细胞只会暂时用它来复制基因。另外,还有一些病毒携带一种能够生产逆转录酶的基因代码,这种酶可以让病毒将RNA的信息传递到生命体活细胞的DNA中。

遗传信息是脆弱的,容易损坏。所以,从一个细胞旅行到另一个细胞时,病毒需要想办法保护它们的遗传代码。病毒的基因能发出指令,生产特殊的蛋白质,这种蛋白质可以制作一种叫做“衣壳”的保护壳。“衣壳”上的蛋白质反复循环地形成重复的结构,相互锁定在一起,整体呈现出三维的形状。这种晶体状的构建模式意味着,病毒只需很少的基因就可以制作出完整的防护盾。比如,二十面体的“衣壳”,通常包含着大量的三角形结构,每一个三角形结构仅靠三种蛋白质就可以组成。这些三角形一起搭建出一个二十面的“球”,将病毒的基因保护起来。

病毒是生命么?

这是一个引起科学家激烈争论的话题。病毒带有些许生命的特征,却又不完全符合生命的定义。

赞成的观点:

“病毒使用与其他生物相同的分子来构建物质模块,比如RNA、DNA和蛋白质。”

“病毒能够进化,为了适应环境,它们的遗传物质能够发生复杂的变异。”

“有很多寄生生物只能依靠宿主生存, 而不能独立存活,病毒就属于此类。”


反对的观点:

“病毒在侵入细胞之前并不消耗能量,它们只是像石头一般静静地存在着。”

“病毒不能独立拷贝自身的遗传代码

——它们需要借助活的细胞才可以。”“病毒有着起保护作用的蛋白质外壳,但不是细胞结构,没有膜。”


由衣壳和遗传物质组成的“传染包”可以在细胞外存活,但它们不能自我复制。这些颗粒状的病毒需要进入细胞中,才能完成它们的生命周期,它们通过吸附细胞表面的分子来做到这一点。

“衣壳”外侧的蛋白质与细胞外部的蛋白质相互作用。这种相互作用可能会改变病毒颗粒自身的形状,使病毒颗粒与细胞膜融合。或者,病毒会诱使细胞将自己拉入一个被称为核内体的覆膜球体中。一旦进入细胞,病毒颗粒携带的酶——或者细胞自身的酶——就会解开“衣壳”的剩余部分,将遗传代码释放到细胞中。

然后,病毒基因组进入细胞的分子生产线,迅速生产三种重要的蛋白质。第一种是能够促使病毒复制更多自身基因的酶;第二种是能够干扰细胞正常生产过程的蛋白质;第三种是结构蛋白,用来制造新的病毒颗粒。

新的病毒颗粒制作完成后,它们需要想办法释放出来,以感染更多的细胞。“裂解性”病毒简单粗暴,迅速爆发,瞬间释放大量病毒颗粒,直接杀死细胞。“溶原性”病毒则比较温和,一个接一个地释放新的病毒颗粒,使宿主细胞可以继续存活下去。一些病毒甚至将自己的遗传代码“缝”进宿主的代码中,这样每当宿主分裂出新的细胞时,也会得到病毒基因的副本。这使得病毒可以在宿主体内长期存活,它们休眠一段时间,然后爆发——这就是所谓的潜伏期。


病毒世界里的巨人

病毒的基因组一般很短小,只有大约3000个碱基对。相比之下,我们人类的基因组有30亿个碱基对。病毒喜欢精简自身,只保留最重要的一小段基因,然后从它们感染的细胞中攫取所需的物质。即便如此,病毒界仍然有少数违反“传统”的另类巨型病毒存在。

拟菌病毒拥有冗长的基因组,内含120万个碱基对。它实在太大了,以至于科学家刚发现它时将其误认为细菌。与大多数病毒不同,它携带着生产自身蛋白质的基因,这表明它或许从一种能够自给自足的有机体进化而来,或者它从被感染的细胞中盗取了这种基因。

细胞确实也在努力让自己免受这种攻击,细胞会检查并破坏一些不正常的遗传代码,并向免疫系统发送信号,让后者得知感染的情况。但是,聪明的病毒已经证明了自己是个欺诈高手,不断利用细胞的机制来达到自己的目的。当病毒能够侵入免疫系统,阻止身体反击的时候,最严重的疾病就出现了。埃博拉病毒、马尔堡病毒和艾滋病病毒都损害了人体的免疫系统。

然而,病毒也并非都是坏的,病毒感染有时候有助于重塑人体的运行方式。科学家对于人类基因组的研究表明,人类大约有8%的遗传代码源自于远古病毒。这些病毒被统称为“人类内源性逆转录病毒”,简称HERVs。HERVs携带着三种病毒基因的遗迹:“gag”、“pol”和“env”,属于逆转录酶病毒,能够将自身的遗传代码“缝”进宿主的基因组中。

逆转录酶病毒在人类DNA上留下了永久的印记,使得人类祖先被感染的“后果”一代一代遗传了数千年。进化已经改变了病毒基因的序列,使其无法在人体内产生新的病毒颗粒。另一方面,人体也发现了遗留下来的病毒代码的新用途。比如,HERV-W(HERVs其中的一种)能够编码某种特殊蛋白质,用来制造病毒外壳,而人体在进化中改写了HERV-W的代码,通过它能够生产出滋养细胞膜的新蛋白。可见,人类的健康,离不开远古病毒的功劳。


5种最致命的病毒

①埃博拉病毒

埃博拉能够引发急性出血热,感染病毒者的病死率高达90%。埃博拉于2014年至2016年之间的爆发,是史上最严重的疫情之一。

②马尔堡病毒

马尔堡病毒源自果蝠,死亡率不如埃博拉的高,但它和埃博拉属于同一类型的病毒,都喜欢攻击血管。


③克里米亚—刚果出血热病毒

这种病毒的致死率接近40%,感染者通常会在两周内丧命。它通过非洲、中东以及亚洲的扁虱来传播。


④冠状病毒

中东呼吸综合征以及非典型性肺炎都由冠状病毒引发,使病人咳嗽、发烧和呼吸困难。中东呼吸综合征能够杀死35%的染病者。


⑤尼帕病毒

尼帕病毒首次出现于1998年,它由果蝠携带,引起发热、头疼、困倦,严重时引发致命的大脑肿胀。


病毒载体

这些微小的基因代码的“包裹”是世界上最厉害的寄生生物。

病毒善于突破细胞的防御,将遗传信息注入其中,但是在自然界里,它们的基因常常导致疾病。然而,如果我们去掉病毒基因中那些有害的代码片段,我们就可以用病毒作为外部载体,将有益的基因传递到受损的细胞中。这就是病毒载体的理论思想。

第一步,科学家需要删除病毒基因组中能够使病毒进行自我复制的那些代码片段。然后,科学家为病毒添加有用的基因代码。当被改造的病毒感染细胞时,它会携带那些新添加的基因。

最常用的载体是腺病毒和逆转录酶病毒。腺病毒含有DNA基因组,能够暂时感染哺乳动物的细胞。这些细胞在短时间内生产病毒蛋白质,然后就会恢复正常。逆转录酶病毒是一种RNA病毒,它们能够将遗传代码插入到被感染的细胞的基因组中,从而永久地改变细胞的DNA,使其永远能够生产病毒蛋白质。

在实验室里,病毒载体可以让科学家了解细胞的功能,比如细胞在生产不同蛋白质时会发生什么变化。除了实验价值,病毒载体可以通过向人体细胞传递新的遗传代码来修复受损的基因。然而,这项技术风险极大,因为科学家很难精确控制新基因在细胞中存放的位置。科学家还在继续研究,以确定人类是否可以使用病毒来进行基因疗法。



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