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狗血斗争史:病毒把祖传基因写入我们体内,却让我们更好地活着

2020-02-21  天下小粮仓
狗血斗争史:病毒把祖传基因写入我们体内,却让我们更好地活着

基因决定了每一个生物的性状,也造就了独一无二的你。然而不得不承认,人与人之间基因的相似度高达99.9%,我们的那些独特性仅占庞大基因组中的0.1%。

基因水平的研究揭示了人类和动物其实共享了很大一部分基因:人和黑猩猩的基因相似度高达96%,人和猫的基因相似度也可以高达90%。微生物这一大类群在基因上可以说打了一个翻身仗,据研究显示,人类与酵母菌的基因有46%的同源。这些相似的基因在不同的生物体中执行类似的功能,因此也不难理解为什么会有如此高的相似性。

然而有数据表明,人类基因组中有多达8%的序列来源于远古病毒。众所周知,病毒最喜欢白嫖,它们靠宿主细胞生活,用宿主细胞的能源与原材料给自己复制遗传物质完成繁衍。人类基因组中的这么多病毒基因难道会有什么作用吗?

在很长一段时间里,研究人员将这些序列称为垃圾DNA(junk DNA),但是现在看来这些来自远古病毒的基因不仅有作用,而且倘若没有它们,就可能没有现在的我们。

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2016年美国密歇根大学医学院的研究者在筛查了2500份人类基因组后,发现了36种“潜伏”在人类基因组中的病毒基因,其中有19种是之前从未见过的、新确认的来自病毒的DNA片段。在数百万年前,这些病毒侵入了人类祖先,并且将自己的遗传信息整合到人类基因组中,开启了漫长的潜伏之路。

病毒的名字与行为都给人一种“闻风丧胆”的感觉。人类与病毒是两种截然不同的生物,那么又是如何在基因水平产生交流的呢?首先我们要先认识一下基因。

基因的世界不像人类世界那么复杂,没有因为物种的不同而形成所谓的“方言”。全世界的生物——动物、植物、微生物以及不具有典型细胞结构的病毒,都共用一套遗传体系:所有生物的遗传物质都是DNA(脱氧核糖核酸)或者RNA(核糖核酸)。

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DNA由四种脱氧核糖核苷酸(A、C、T、G)组成,而RNA则由四种核糖核苷酸(A、C、U、G)组成。大自然的智慧在于,它不会为每一个生物量身定做核苷酸,而是所有的生物共用一套核苷酸,不同的遗传信息则体现在四种核苷酸的排列顺序上

这就好比英文里只需要26个字母,就可以根据不同的排列组合创造出成千上万个单词,人的核苷酸与其他动物、植物甚至微生物的核苷酸本质上并没有差异,生物之间的差别主要是通过核苷酸不同的排列顺序体现。

而基因呢,其实指的就是这样一段核苷酸序列。所以一个DNA或者RNA上可以有若干个基因。这对生物来说有一个好处,就是方便基因突变以及基因交流。只需要插入或剪切掉部分核苷酸或者改变核苷酸的种类,就有可能创造出表达新性状的基因。

生物遗传信息的传递遵循着中心法则,即遗传信息可以从DNA传递给RNA,再由RNA传递给蛋白质,从而完成遗传信息的转录和翻译,同时DNA也可以自我复制,所有有细胞结构的生物基本就遵循这样简简单单的套路。直到病毒的出现,人们发现原来RNA也可以自我复制,甚至能够逆转录出DNA链。

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中心法则

我们熟悉的艾滋病病原体HIV就是一种逆转录病毒。我们都知道病毒很强盗,自身只有核酸及必要的蛋白质,必须能依靠宿主细胞才能生存,而且用宿主细胞的原材料及能量服务于自己的繁殖,最后没准还要摧毁细胞。

逆转录病毒其实更加猖狂,它们进入宿主细胞后,首先用自身携带的RNA作为模板,在自己携带的逆转录酶的作用下,转录为双链DNA,随后将这段双链DNA直接整合到宿主细胞的基因中,构成原病毒。于是它就能够随着宿主细胞的复制而复制。

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逆转录病毒感染细胞,并整合到细胞最后形成子代的过程

如果这些逆转录病毒恰好进入了人类的生殖细胞精细胞或者卵细胞中,那么这段来自于病毒基因的衍生物就能随着人类的繁衍生息遗传下来,最终出现在现代人类的基因组中。我们现在称之为内源性逆转录病毒(ERV)。

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就像我们所关心的,这些内源性逆转录病毒会不会在某一天被激活而开始感染人类呢?

大多数内源性逆转录病毒在数十万年的演进过程中,由于突变的积累以及重组而不再具有转录表达的能力,它们可以看作是死去很久的病毒的残余。然而美国密歇根大学医学院的研究人员新发现的19个新的内源性逆转录病毒中,有一个包含了一种病毒的完整基因信息。也就是说,根据这些基因片段,有可能制造出具有传染性的病毒。这个完整的原病毒出现在X染色体上,被命名为Xq21,是目前已知的第二种潜藏在人类DNA中的完整原病毒。

且不说这些还停留在假说与实验基础上的想法,目前研究人员已经发现这些“垃圾DNA”在肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、多发性硬化症等神经退行性疾病,甚至癌症中发挥着一定的作用。

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肌萎缩性脊髓侧索硬化症,也被称为渐冻人症

比如人类内源性逆转录病毒(HERV)中最活跃的一个家族HERV-K(HML-2)可以产生病毒蛋白,并且与肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)相关;而其中的另外两个家族HERV-W、HERV-Fc则与多发性硬化症有关。

不过这些不速之客并非对人百害而无一利,最典型的例子要数哺乳动物胎盘的形成了。合胞素(Syncytin)与胎盘形态发生中的细胞滋养层到合胞体滋养层的分化过程十分相关。合胞体滋养层对胎儿与母体之间的营养物质和废物交换是至关重要的,同时它还能够阻断母体免疫细胞的入侵,防止胎儿的免疫排斥。

而Syncytin起源于病毒蛋外壳上的一个蛋白质,它可以与宿主细胞膜上受体结合,使得病毒能够进入细胞。而现在人类利用这种物质连接母体与胎儿,促成营养物质与废物的交换。

人类内源性逆转录病毒对人生长发育的影响不止于此。加拿大和新加坡的联合科研团队发现其下的一类HERV-H家族与人类干细胞的多能性也密切相关。

研究人员利用抑制HERV-H的RNA对人体干细胞进行处理。他们发现,干细胞只能长为与结缔组织中常见的成纤维细胞类似的细胞,同时抑制HERV-H也抑制了多能性所必需的蛋白质的生产。

有些人类内源性逆转录病毒还能够“诱导”胚胎干细胞的分化。准确地说,HERV在胚胎发育过程中的表达也具有阶段特异性与细胞群特异性。在胚胎发育的不同阶段,不同的人类内源性逆转录病毒表达程度是不同的;而在同一阶段的不同细胞群中,比如囊胚期时的上胚层细胞与非上胚层细胞中,不同的HERV在表达量上也有差异。

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上胚层

其实不仅人类的基因组中存在内源性逆转录病毒,在其他的动物中,ERV同样十分重要,比如与绵羊肺腺瘤病毒相关的内源性逆转录病毒,在绵羊妊娠早期,即胚胎开始发育期发挥着关键的作用。

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从我们的基因组信息中可以看到,人类与病毒的“斗争”从来都没有停止。据估计,现代人类出现后距现在最近的内源性逆转录病毒感染,发生在距今大约两百万年的时候,这些内源性逆转录病毒基因保存的比较完整,现在依旧比较活跃,仍然具有一定的潜在感染性,我们称这些病毒基因为HERV-K(HML-2)。

可以说内源性逆转录病毒在某种程度上促进了生物的演化,比如胎盘的产生。神奇的是,人类与一些猩猩、猴子等灵长类具有相同的Syncytin,从而促进了胎盘的形成,可以猜测带有Syncytin的远古病毒侵染了我们的共同祖先,但是小鼠合胞体的形成确实来源于另外的病毒。

而其他哺乳动物如狗、猫体内新的合胞体的发现,是否说明这些不同的宿主感染不同病毒后,反而都进化出了胎盘?即使不同动物的胎盘结构有所不同,这也是一个十分神奇的进化现象。

除了胚胎发育上的各种优化,远古病毒也给予现代人类一定的抵御病毒的能力。远古病毒的这些行为看起来比有情人终成兄妹更加狗血——你的死敌把祖传基因给了你,只是为了让你更好地活着。

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