狗血鬥爭史:病毒把祖傳基因寫入我們體內,卻讓我們更好地活著

狗血鬥爭史:病毒把祖傳基因寫入我們體內,卻讓我們更好地活著

基因決定瞭每一個生物的性狀,也造就瞭獨一無二的你。然而不得不承認,人與人之間基因的相似度高達99.9%,我們的那些獨特性僅占龐大基因組中的0.1%。

基因水平的研究揭示瞭人類和動物其實共享瞭很大一部分基因:人和黑猩猩的基因相似度高達96%,人和貓的基因相似度也可以高達90%。微生物這一大類群在基因上可以說打瞭一個翻身仗,據研究顯示,人類與酵母菌的基因有46%的同源。這些相似的基因在不同的生物體中執行類似的功能,因此也不難理解為什麼會有如此高的相似性。

然而有數據表明,人類基因組中有多達8%的序列來源於遠古病毒。眾所周知,病毒最喜歡白嫖,它們靠宿主細胞生活,用宿主細胞的能源與原材料給自己復制遺傳物質完成繁衍。人類基因組中的這麼多病毒基因難道會有什麼作用嗎?

在很長一段時間裡,研究人員將這些序列稱為垃圾DNA(junk DNA),但是現在看來這些來自遠古病毒的基因不僅有作用,而且倘若沒有它們,就可能沒有現在的我們。

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2016年美國密歇根大學醫學院的研究者在篩查瞭2500份人類基因組後,發現瞭36種“潛伏”在人類基因組中的病毒基因,其中有19種是之前從未見過的、新確認的來自病毒的DNA片段。在數百萬年前,這些病毒侵入瞭人類祖先,並且將自己的遺傳信息整合到人類基因組中,開啟瞭漫長的潛伏之路。

病毒的名字與行為都給人一種“聞風喪膽”的感覺。人類與病毒是兩種截然不同的生物,那麼又是如何在基因水平產生交流的呢?首先我們要先認識一下基因。

基因的世界不像人類世界那麼復雜,沒有因為物種的不同而形成所謂的“方言”。全世界的生物——動物、植物、微生物以及不具有典型細胞結構的病毒,都共用一套遺傳體系:所有生物的遺傳物質都是DNA(脫氧核糖核酸)或者RNA(核糖核酸)。

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DNA由四種脫氧核糖核苷酸(A、C、T、G)組成,而RNA則由四種核糖核苷酸(A、C、U、G)組成。大自然的智慧在於,它不會為每一個生物量身定做核苷酸,而是所有的生物共用一套核苷酸,不同的遺傳信息則體現在四種核苷酸的排列順序上

這就好比英文裡隻需要26個字母,就可以根據不同的排列組合創造出成千上萬個單詞,人的核苷酸與其他動物、植物甚至微生物的核苷酸本質上並沒有差異,生物之間的差別主要是通過核苷酸不同的排列順序體現。

而基因呢,其實指的就是這樣一段核苷酸序列。所以一個DNA或者RNA上可以有若幹個基因。這對生物來說有一個好處,就是方便基因突變以及基因交流。隻需要插入或剪切掉部分核苷酸或者改變核苷酸的種類,就有可能創造出表達新性狀的基因。

生物遺傳信息的傳遞遵循著中心法則,即遺傳信息可以從DNA傳遞給RNA,再由RNA傳遞給蛋白質,從而完成遺傳信息的轉錄和翻譯,同時DNA也可以自我復制,所有有細胞結構的生物基本就遵循這樣簡簡單單的套路。直到病毒的出現,人們發現原來RNA也可以自我復制,甚至能夠逆轉錄出DNA鏈。

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中心法則

我們熟悉的艾滋病病原體HIV就是一種逆轉錄病毒。我們都知道病毒很強盜,自身隻有核酸及必要的蛋白質,必須能依靠宿主細胞才能生存,而且用宿主細胞的原材料及能量服務於自己的繁殖,最後沒準還要摧毀細胞。

逆轉錄病毒其實更加猖狂,它們進入宿主細胞後,首先用自身攜帶的RNA作為模板,在自己攜帶的逆轉錄酶的作用下,轉錄為雙鏈DNA,隨後將這段雙鏈DNA直接整合到宿主細胞的基因中,構成原病毒。於是它就能夠隨著宿主細胞的復制而復制。

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逆轉錄病毒感染細胞,並整合到細胞最後形成子代的過程

如果這些逆轉錄病毒恰好進入瞭人類的生殖細胞精細胞或者卵細胞中,那麼這段來自於病毒基因的衍生物就能隨著人類的繁衍生息遺傳下來,最終出現在現代人類的基因組中。我們現在稱之為內源性逆轉錄病毒(ERV)。

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就像我們所關心的,這些內源性逆轉錄病毒會不會在某一天被激活而開始感染人類呢?

大多數內源性逆轉錄病毒在數十萬年的演進過程中,由於突變的積累以及重組而不再具有轉錄表達的能力,它們可以看作是死去很久的病毒的殘餘。然而美國密歇根大學醫學院的研究人員新發現的19個新的內源性逆轉錄病毒中,有一個包含瞭一種病毒的完整基因信息。也就是說,根據這些基因片段,有可能制造出具有傳染性的病毒。這個完整的原病毒出現在X染色體上,被命名為Xq21,是目前已知的第二種潛藏在人類DNA中的完整原病毒。

且不說這些還停留在假說與實驗基礎上的想法,目前研究人員已經發現這些“垃圾DNA”在肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)、多發性硬化癥等神經退行性疾病,甚至癌癥中發揮著一定的作用。

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肌萎縮性脊髓側索硬化癥,也被稱為漸凍人癥

比如人類內源性逆轉錄病毒(HERV)中最活躍的一個傢族HERV-K(HML-2)可以產生病毒蛋白,並且與肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)相關;而其中的另外兩個傢族HERV-W、HERV-Fc則與多發性硬化癥有關。

不過這些不速之客並非對人百害而無一利,最典型的例子要數哺乳動物胎盤的形成瞭。合胞素(Syncytin)與胎盤形態發生中的細胞滋養層到合胞體滋養層的分化過程十分相關。合胞體滋養層對胎兒與母體之間的營養物質和廢物交換是至關重要的,同時它還能夠阻斷母體免疫細胞的入侵,防止胎兒的免疫排斥。

而Syncytin起源於病毒蛋外殼上的一個蛋白質,它可以與宿主細胞膜上受體結合,使得病毒能夠進入細胞。而現在人類利用這種物質連接母體與胎兒,促成營養物質與廢物的交換。

人類內源性逆轉錄病毒對人生長發育的影響不止於此。加拿大和新加坡的聯合科研團隊發現其下的一類HERV-H傢族與人類幹細胞的多能性也密切相關。

研究人員利用抑制HERV-H的RNA對人體幹細胞進行處理。他們發現,幹細胞隻能長為與結締組織中常見的成纖維細胞類似的細胞,同時抑制HERV-H也抑制瞭多能性所必需的蛋白質的生產。

有些人類內源性逆轉錄病毒還能夠“誘導”胚胎幹細胞的分化。準確地說,HERV在胚胎發育過程中的表達也具有階段特異性與細胞群特異性。在胚胎發育的不同階段,不同的人類內源性逆轉錄病毒表達程度是不同的;而在同一階段的不同細胞群中,比如囊胚期時的上胚層細胞與非上胚層細胞中,不同的HERV在表達量上也有差異。

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上胚層

其實不僅人類的基因組中存在內源性逆轉錄病毒,在其他的動物中,ERV同樣十分重要,比如與綿羊肺腺瘤病毒相關的內源性逆轉錄病毒,在綿羊妊娠早期,即胚胎開始發育期發揮著關鍵的作用。

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從我們的基因組信息中可以看到,人類與病毒的“鬥爭”從來都沒有停止。據估計,現代人類出現後距現在最近的內源性逆轉錄病毒感染,發生在距今大約兩百萬年的時候,這些內源性逆轉錄病毒基因保存的比較完整,現在依舊比較活躍,仍然具有一定的潛在感染性,我們稱這些病毒基因為HERV-K(HML-2)。

可以說內源性逆轉錄病毒在某種程度上促進瞭生物的演化,比如胎盤的產生。神奇的是,人類與一些猩猩、猴子等靈長類具有相同的Syncytin,從而促進瞭胎盤的形成,可以猜測帶有Syncytin的遠古病毒侵染瞭我們的共同祖先,但是小鼠合胞體的形成確實來源於另外的病毒。

而其他哺乳動物如狗、貓體內新的合胞體的發現,是否說明這些不同的宿主感染不同病毒後,反而都進化出瞭胎盤?即使不同動物的胎盤結構有所不同,這也是一個十分神奇的進化現象。

除瞭胚胎發育上的各種優化,遠古病毒也給予現代人類一定的抵禦病毒的能力。遠古病毒的這些行為看起來比有情人終成兄妹更加狗血——你的死敵把祖傳基因給瞭你,隻是為瞭讓你更好地活著。

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There’s an Intact Ancient Virus Lying Dormant in Human DNA. SCIENCE alert. 2016.3.25.

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