病毒的起源

时间:2015-06-01 21:45:39 来源:科学网 点击量:

病毒是我们人类得病的主要原因之一。其实不光我们人类,其他动物、植物、真菌、原生生物、原核生物也都不断受到病毒骚扰。甚至大的病毒也被比自己小的病毒(virophage)感染(1)。 

病毒是怎样起源的,如何演化而来的呢?这个问题又一次体现了基础研究和应用研究的关系。在我们和病毒的战斗中,知彼知己才能百战不殆。探究病毒的起源不仅是满足人类对自然界的好奇心,也是为临床上彻底战胜病毒打基础。 

目前,关于病毒的起源有三种主要假说:进化假说(The Progressive Hypothesis)、退化假说(The Regressive Hypothesis)和病毒先于细胞起源假说(The Virus-First Hypothesis)。

一、进化假说,此处的进化与常说的进化(evolution)不同(2),有前进性的意思。众多基因组测序之后,发现很多生物基因组中存在与病毒基因组极其类似的转座子。这些转座子和很多病毒不仅基因组结构组成类似,在细胞中的转录、DNA合成乃至插入宿主基因组的方式都很相似。稍微多思考一下就会意识到二者存在进化上的母子关系。但谁先谁后,我个人更倾向于以病毒退化成转座子为主,转座子进化成病毒很少或者没有发生过 。 

二、退化假说,病毒是由细胞退化而来的。目前已经公认了线粒体是由远古细菌共生到细胞质中不断简化而来的。长期在细胞内繁衍,很多功能,宿主能提供,共生体或寄生体就没必要再携带相关基因了。多余的功能慢慢退化,由远古细胞简化成目前的病毒颗粒。如果病毒都太简单,和细胞太不相似了,这种假说也就会被看作是一种微乎其微的可能性而已。2003年,一群法国科学家发现了一种个头很大的病毒,由于体积大,之前误以为是胞内共生细菌(3)。之后发现的类似病毒越来越多。这些病毒的基因组很大,有的竟然编码1000多个基因。比较基因组分析越来越支持病毒由远古细胞退化而来的假说(4)。同时,这类大病毒的发现也激起了病毒算不算生命的争论(5-6)。 

三、病毒先于细胞起源假说。如果存在很复杂的病毒,也就不能排除现有的细胞是在病毒的基础上进化产生的。

病毒种类繁多,基因组结构组成、遗传物质的合成和传递方式也多样。可能,所有病毒共有某一种起源方式。也可能,当今世界的病毒是通过多种方式起源的。近几年,基因组学等相关学科发展迅速,最终答案也许不需要等太长时间。

(作者:牛登科)

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注释和参考文献:

本文改写自Wessner, D. R. (2010) The Origins of Viruses. Nature Education 3(9):37,有删补。顺便说一下,Nature Education是一个很好的网络资源,其中介绍的很多知识深入浅出,非常适合非专业人士扩展知识面,当然也非常适合作为课堂教学的辅导材料。我个人感觉,这些材料的易读性大于Nature的News and Views及其他期刊的类似栏目论文,也比Scientific American等科普期刊易懂。

1、Bernard La Scola et al. (2008). The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. Nature 454 (7205): 100–4. doi:10.1038/nature07218

2、Evolution一词用来描述达尔文进化理论本不太合适。这个词有向前进(progress)的意思,好象是生物有简单到复杂有方向的进化。达尔文进化理论的核心是:随机突变,适应环境的生存下来,不适应的被淘汰掉,没有方向性,没有好坏、高低之分。中文把"evolution"翻译成"进化",沿袭了"evolution"一词的不准确性。因此时不时就有学者呼吁将“进化”一词改为“演化”。我的看法是,大家已经习惯了evolution和进化,就这么用吧,化学中的“碳水化合物carbohydrate”不也就这么用着吗。只要我们的教学和科普跟上,误解会逐渐消除。

3、La Scola, B. et al. (2003). A giant virus in amoebae. Science 299, 2033.

4、Arslan, D. et al. (2011). Distant Mimivirus relative with a larger genome highlights the fundamental features of Megaviridae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108: 17486-17491.

5、Raoult, D. and Forterre, P. 2008. Redefining viruses: lessons from Mimivirus. Nat. Rev. Microbiol. 6: 315-319.

6、Moreira, D. and Lopez-Garcia, P. 2009. Ten reasons to exclude viruses from the tree of life. Nat. Rev. Microbiol. 7: 306-311. (此文的网页上有这两篇论文的后续争论的链接)

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