病毒不仅能够引起传染性疾病,还能帮助宿主在优胜劣汰的环境中生存下来。圣彼得堡国立大学的科学家向我们讲述了病毒还有哪些益处,以及它们在科学中扮演着怎样的角色。

病毒是由核酸以及周围的蛋白质外壳构成的。以这样一种基础结构存在的生命似乎在大自然中并不是什么重要的角色,但事实并非如此。由于自身的属性,病毒在进化过程的调节中发挥着重要作用,并且帮助科学家们对整个地球进行研究。

“病毒的进化策略是不断繁殖并一直存在于宿主种群中。就像所有的有机体一样,病毒也参与着自然筛选,它们不断变异并在适当的时机感染新的宿主。比如,在细胞感染了流感病毒后,将会产生几百种新的病毒粒子。其中只有那些获得变异的病毒粒子才能感染新的细胞,它们不会降低或提高病毒的质量,而剩下的病毒粒子则会随着时间消失”,圣彼得堡国立大学微生物教研室教授阿列克谢·安纳托利耶维奇·波捷欣说道。

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阿列克谢·安纳托利耶维奇·波捷欣

据他介绍,地球上的所有生物几乎都有自己的病毒。在进化的过程中,它们就像对宿主个体数量进行监控的大自然机制一样。如果某个物种的数量过多,那么就会收到病毒感染,种群数量也会相应减少。这样就能释放出一些生态空间供其他物种成长,如此循环往复。“这一过程被称作生物的演替,是一种在群落生境中占据优势的物种不可逆的合乎规律的更替”,阿列克谢·波捷欣说道,“最直观的例子就是由于水体中水草的快速繁殖而引起的浮游生物的大量繁殖。例如,当芬兰湾中大量蓝藻繁殖的时候,水的颜色会变成特殊的绿色并且味道难闻。但过了几天之后就会再次变得清澈,水体也会恢复平常的样子。为什么会这样呢?因为病毒消灭了成为优势物种的微生物。这一过程被成为kill the winner原则,即‘杀死胜利者’原则”。

病毒的另外一个重要功能是维持不同的生物层中的食物链。在食物链的低层有一种自养生物,它们借助化学合成以及光合作用对构成细胞所必须的化学元素(氮、有机碳、磷等)进行加工。自养生物以那些不能自己合成细胞结构所必须的分子的异养生物和有机体为生。在大自然中,自养生物所必须的物质在不同物种死亡之后就会出现。这样就形成了能量和物质的循环,其中的每一个元素都非常重要。根据科学家的说法,病毒通过调节宿主的数量为营养链中的有机物群提供支持。宿主死亡后,有机分解体就会生成有机物,并在之后成为自养生物,而食物链也将继续存在。

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病毒在基因的水平传递中也发挥着至关重要的作用,即生物体之间的基因信息交换,这是进化的基本机制,能保证物种的生物多样性。“在过去的很长一段时间内,人们认为在没有同源关系的情况下,基因信息的片段从一个物种到另一个的物种的传递是极其少见的现象。但是随着时间的推移,人们学会了对基因组中的核苷酸进行测序,并发现在基因组的多样性中,基因的水平交换占据着很大一部分”,波捷欣教授讲述道,“病毒能帮助基因信息的水平传递,将一个宿主的基因传递到另外一个宿主上。比如,病毒参与了细菌之间的基因交换。细菌的DNA就进入了被传染的粒子,当病毒侵入另一个细菌的细胞时,之前的DNA就会生成一个新的基因组。之后可能会发生几种情况:要么是细菌死亡,要么是获得有益属性并开发出新的生态空间”。通过类似的方式也能获得致病属性,比如霍乱弧菌,它最初是一种自由生活在水中的细菌,在一般情况下并不会在人体中引起疾病。

“人类基因组”项目是一项国际科研项目,项目的主要目标是对构成DNA的核苷酸进行测速,并鉴定人类基因组中的基因。该项目开始于1990年,由詹姆斯·华生牵头,在美国国家卫生组织的领导下进行。2000年发布了基因组结构草图,2003年发布完整的基因组,但是有些部分的分析工作至今仍在继续。

有趣的是,基因的水平传递也出现在人类身上。有8%的人类基因组是由还原病毒带到人体细胞中的基因信息构成的,还原病毒是大量病毒组中的一种,艾滋病毒就属于还原病毒。这些病毒基因已经不能继续传染。它们还很可能完成着人体中的部分重要功能。也许,它们参与着染色质结构的排序或者基因的表达(将基因中的编码信息转化为细胞中的蛋白质的过程——编者注)。因为如果不这样的话,人类在进化过程中就能摆脱病毒序列了。

“还原病毒在结构上和逆转座子的一种类型非常相似(一种可以动的基因元素,能够自主在基因组中移动并进入新的区段——编者注)”,圣彼得堡国立大学遗传学和生物技术教研室教授塔季娅娜·瓦列里耶夫娜·马特维耶娃指出,“还原病毒和逆转座子之间的界限是非常模糊的。它们之间的主要区别在于病毒传染的自然条件以及是否存在于转座子中。逆转座子是基因组中重复度最高的,在一些植物中占据基因组的90%”。

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塔季娅娜·瓦列里耶夫娜·马特维耶娃

此外,病毒还以微生物群的形式存在于人体中。引起轻度鼻炎的鼻病毒以及一些隐藏在鼻咽部的腺病毒都是常见的人类伴侣。“它们让我们的免疫系统处于紧张状态。一般来说,当人体的免疫系统正常运行时,人体对于传染疾病的反应会战胜疾病并且不会引起严重的并发症”,阿列克谢·波捷欣解释道,“因为人体的免疫力总是会遇到各种不同的病毒,它们在种群中不断循环或者存在于人体内部,因此人体不断练习并学习着对其进行抵抗。练习的结果就是免疫系统能相应地对一种新的病毒进行反应,而不是一切从零开始”。

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在大自然中存在着宿主体内的病毒为其对抗敌人的情形。比如和蚜虫共生的共生菌(Hamiltonella defensa)中的原噬菌体(集成为细菌DNA的病毒基因组),它能帮助蚜虫抵抗姬蜂,这是一种与黄蜂同源的寄生昆虫。据波捷欣教授介绍,为了繁殖姬蜂需要使用其他种类的昆虫,比如蚜虫。姬蜂在蚜虫体内产卵,这些虫卵在成长过程中以昆虫为食。最后,从虫卵中会生成一种新的姬蜂个体,而蚜虫则会慢慢死掉。如果在蚜虫体内存在着由病毒基因组构成且对姬蜂有害的毒素的基因组的共生菌,那么这一切就不会发生。当姬蜂在蚜虫体内产卵时,共生菌就会释放出毒素并保护宿主。这样一来,姬蜂卵就会死亡,而蚜虫得以存活。

关于病毒起源的主要理论

  1. 逃逸假说。病毒是从更庞大的有机体基因组中逃脱出来的基因片段,并变得相对自主,但仍然保留着对细胞的依赖关系。
  2. 退化理论。病毒是起源于细菌或者其他细胞有机体。它们经历了退化,丧失了很多组成细胞,但是仍然保留着基因材料。
  3. 共同进化假说。病毒和最初的活性细胞共同起源于蛋白质和核酸的复合体,并以寄生的方式存在。

其他一些共生关系还有伦勃朗型郁金香(Tulips Rembrandt)的杂色,花朵由于感染了郁金香马赛克病毒而获得了杂色。如塔季娅娜·马特维耶娃教授所说,花朵的杂色有助于吸引更多传粉昆虫,这样就补偿了植物受病毒感染的负面影响。“从17世纪开始,这种郁金香的装饰属性在荷兰备受重视,那是荷兰油画的黄金时期。也许正因如此,这种杂色郁金香获得了伦勃朗郁金香的名字,”研究人员指出,“无论如何,一些感染了病毒的郁金香品种被种植了几个世纪。直到最近几年,荷兰的育种家才培养出带有同样色彩,但是没有感染郁金香马赛克病毒的品种”。

正确的载体

病毒一直是科学界关注的焦点。它们被用来研究细胞的结构和功能,并在分子生物、遗传学和基因工程的技术中进行使用。由于在病毒的分子中进行着与宿主细胞中同样的过程,而病毒又是用来研究基础过程更为简单和方便的模型,比如DNA和RNA分子的结构。“病毒促进着分析方法的发展(电子显微镜和超速离心法),也丰富了我们对生命分子基础的理解”,塔季娅娜·马特维耶娃说道,“正是有了病毒的帮助,我们才发现了遗传密码的三联性,才能证明多肽中的一个氨基酸对三个DNA和信使RNA(mRNA)核苷酸进行编码。而大肠杆菌病毒(λ噬菌体,其基因组根据大肠杆菌进行排序)在几十年前就被用于确定DNA片段的分子重量了”。

据阿列克谢·波捷欣介绍,病毒就像一种很方便的工具,一种载体(在基因工程中用于将基因材料注入细胞内部的核酸分子——编者注)。借助它能够到达细胞基因组,关闭某些基因,然后观察这些基因主要负责什么,细胞中的哪些过程停止正常运转。也可以反其道而行之:将被破坏的基因,也就是发生了对人体有害突变的基因进行替换,恢复其正常工作。

“病毒是有效的自然载体。在病毒基因组的基础上,比如包含DNA和RNA病毒,可以获得将基因传送到细菌、动物、植物细胞中的载体,并在其中获得所必须的蛋白质。病毒载体在人类基因组项目的实施以及基因组图书馆的建立中都发挥了至关重要的作用,基因组图书馆中的标记序列到现在仍然帮助着科学家对其他种类的未知基因组进行解密”,圣彼得堡国立大学遗传学和生物技术教研室讲师塔季娅娜·米哈伊洛夫娜·罗格莎指出。

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塔季娅娜·米哈伊洛夫娜·罗格莎

据她介绍,病毒最重要的应用领域之一就是基因疗法。以腺病毒相关的病毒为基础的载体广泛应用于肿瘤疾病的治疗。“这些载体接近完美”,科学家指出,“因为它们不会引起免疫应答,并且拥有一系列组织特异性抗原结构(与有机体组织的相似性——编者注)。因此,可以通过破坏血液供应,降低肿瘤基因的活性来延缓肿瘤细胞的生长,而在‘自杀基因疗法’中同样可以得到应用,当把基因引入肿瘤并将其关闭后,肿瘤就会死亡”。

自我斗争

病毒还可以用来制作疫苗。如塔季娅娜·罗格莎所说,对于这些目标来说,最具前景的系统之一就是杆状病毒表达系统,其中将使用基于杆状病毒的载体和昆虫细胞微的培养。通过这种方法研发多聚体的抗病毒疫苗,其中包含病毒蛋白质,但是不包含基因材料。Flublok就是这种疫苗。它包含两个A类流感病毒的血细胞凝集素蛋白合一个B类流感病毒的血细胞凝集素。

“另一个获取疫苗的方法就是利用病毒,它在属性上与病原病毒类似,但是却不会引起疾病。天花疫苗就是通过这种方法制取的”,阿列克谢·波捷欣说道,“还可以合成单独的传染试剂。比如,在乙肝疫苗中包含一个病毒粒子的外壳蛋白,它在没有病毒的酵母细胞中生长。这个蛋白自身无法引起肝炎的症状,但是能够启动免疫应答,因此人们能够获得免疫”。

据塔季娅娜·马特维耶娃介绍,我们一般将病毒理解为人类和动植物的感染源,但是它们在自然界中的作用要大得多。由于有了病毒,地球上的不同物种才能和谐共存,而科学家们才能够在微观和宏观的层面对世界进行研究。也许,没有病毒带来的危机,科学和医学就不会达到如今的水平,很多生物种群也无法获得在自然淘汰中生存下来所必须的品质。