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摘 要:揭示病毒起源问题对于病毒分类学、进化学、乃至临床医学都有着重要意义。在新型病毒不断涌现的今天,尽快阐明病毒起源问题显得尤为重要。关于病毒起源的假说有很多,其中主流的假说有三种,分别是:逃逸假说、退化假说、先于细胞假说。后两种假说由于自身理论的缺陷而不能自圆其说,而逃逸假说在经历了多次修正后逐渐被学界所接受。
关键词:病毒起源 逃逸 囊泡 RNA细胞
引言:对病毒起源的探究从病毒发现起便没有停止过,也取得了许多可喜的成果。自DNA成为生物学界研究核心以来,众多的分子生物学家将目光聚焦于病毒基因组与细胞生物基因组间的同源问题。但病毒如何从无到有,又如何完成从简单到复杂的进化,这些病毒起源的核心问题已经被学界忽略很久了。现今众多新型病毒在人间肆虐,及早的打开病毒起源问题的魔盒,对于认识病毒,预防与治疗病毒相关疾病有着重要的意义。
1.先于细胞假说及退化假说的不合理性
病毒相对于细胞而言结构更为简单,按照经典的达尔文进化论观点(从简单到复杂的理论)病毒应先于细胞出现。病毒被部分学者描述为进化史上重要一环,是最为早期的生命形式。但是,病毒是严格的营寄生生物,离开细胞将会很快死亡。它们缺乏生命所必须的细胞结构,若是在进化史上病毒先于细胞出现,那么病毒刚一出现就很快灭绝了,也就更担负不起进化为细胞的使命。显然,这一假说是自相矛盾的。
病毒与现有的其他生命体差别都是极大的,连最简单的生命体(如:支原体)都比其结构复杂的多,将病毒描述成为细胞退化的结果,缺乏进化学上支持。我们有理由相信,即便病毒是由细胞退化而来的,这种退化也因是逐步实现的,应该会在现有生命体中留下痕迹。我们至今没有观察到介于病毒和细胞间的生命形式,而从细胞直接退化为病毒显得跨度很大,这种跨度难以被现有理论解释。
2.逃逸假说能解释许多生物学现象。
2.1 现有的病毒大都只能感染一个到几个物种,有的甚至只感染宿主体内的某种细胞(比如HIV只感染人类CD4+T细胞),是宿主非常专一的寄生生物。它们有许 多蛋白质和基因组与其宿主是同源的,这在一定程度上说明了病毒与其宿主本身(而非其他细胞)有同源性。
2.2数据表明感染复杂细胞的病毒比细菌病毒(噬菌体)少的多,病毒的种类与其宿主细胞结构的复杂性呈一定的负相关。逃逸假说认为,越是复杂的细胞,其核酸结构越稳定,越不利于病毒的逃逸。
2.3除病毒外,DNA是现有的生命体唯一的遗传物质,RNA细胞在进化的长河中被无情的淘汰了。由于RNA是单链结构,相对与双链的DNA,它的结构很不稳定。极易发生损坏和变异。尽管变异是进化的源泉,但由于变异的少利多害性,频繁变异反而不利于生命体的生存,所以DNA细胞被自然选择下来并主宰了地球。与细胞不同的是,病毒的繁殖能力极强,大约是细胞的百倍以上。强大的繁殖能力使RNA病毒即便变异频率高,但不变异及有益的变异的个体也很多。宿主(无论是细菌、植物还是动物)会通过进化防御系统来消灭病毒,大量的变异有利于RNA病毒抵抗宿主的防御系统,从而更好的生存。这正是流感病毒(RNA病毒)时常流行而天花病毒(DNA病毒)能被消灭的原因之一[4]。
3.不同历史时期下的病毒逃逸学说
病毒逃逸学说被首次提出是在上世纪60年代,那时生物刚被分为原核生物与真核生物,病毒因不具有细胞结构而难以被分类。关于如何对病毒分类的问题,在学界内一直争论不休。与此同时,科学家开始思考病毒起源以及病毒与细胞的渊源问题[2]。最初,生物学家认为病毒是从以DNA为遗传物质的细胞(以下简称DNA细胞)中逃逸出来的。然而近来的研究表明,在DNA产生之前地球上曾今可能存在RNA细胞。由于RNA细胞核酸的不稳定,为病毒的逃逸提供了良好的条件。
病毒被一度认为自产生以来一直就是由蛋白质和核酸构成的。但最近的研究发现其实最简单的病毒可能只是由囊泡以及其包裹的RNA构成的。当然,为了能成功感染周围的细胞,这些始祖病毒还需要一些有功能的多肽[3]。
4.逃逸学说所描述的病毒逃逸及进化过程
在病毒逃逸过程中,RNA细胞起着重要的作用。由于变异的原因,本来用于进食和排泄的囊泡系统将其部分遗传物质(RNA)包裹,并分泌出去。其过程类似于外分泌细胞的分泌过程。不同于分泌过程的是,病毒囊泡所包涵的不是蛋白质,而是RNA。这种原始病毒由于囊泡表面具有相应的多肽,可以与受体结合,从而感染其他RNA细胞。随着细胞的不断进化,病毒也在不断进化。逃逸出的物质也就不仅限于RNA以及多肽,还包括了DNA,大分子蛋白质,病毒的遗传物质也由短链的RNA转变成为了具有基因座的复杂核酸结构。这也很好的解释了为什么病毒的核酸及蛋白的有些是与现有细胞同源的,有些却是病毒独有的,因为病毒是在细胞的基础上逃逸、继承并发展来的。
5.逃逸学说研究展望
想要真正完善逃逸学说,从而真正的揭示病毒的起源问题,我们还有许多问题要去解决。其一,RNA细胞并未被发现,逃逸学说的现实依据并不完整。RNA细胞倒底是全部灭绝了,还是在地球的某个角落里依旧生存着,或是根本就没有存在过,这一问题还有待学者的进一步研究。其二,病毒逃逸学说仍需进一步的实验支持。一种可能的实验方法是通过实验室对地球原始环境的模拟,为病毒起源提供更多的数据,若能在实验室观察到核酸的逃逸现象,逃逸学说将会得到学界更为广泛的认可。其三,逃逸学说可能对现有的病毒,尤其是新型病毒的起源问题提供另一种解释,我们不能局限的认为SARS,HIV,MERS一定是由动物传染给人的,也许它们同样是从人体细胞中逃逸出来的,以往不存在的新物种。
结语:逃逸假说认为,病毒源自于RNA细胞排泄与摄食时囊泡的分泌过程。最初的病毒仅含有脂质囊泡、短链RNA、以及简单的多肽。随着自然选择与进化,病毒发展成了结构较为复杂,种类繁多的一种生命形式。虽然逃逸学说能解释许多病毒方面的问题,但逃逸假说本身依旧不够完善,RNA细胞、始祖病毒等逃逸假说所提出的原始生命形式并未被观测到,需要广大生物医学研究者在这一领域继续刻苦专研。同时,逃逸假说的应用潜能依旧没有被发掘出来。逃逸假说在临床的预防与治疗活动中存在这巨大的应用潜力。
参考文献
1.P Forterre,M Krupovic. The Origin of Virus and Virocells : The Escape Hypothesis Revisited[M].virus : Essential Agent of Life,2012,pp 43-60.
2.Sapp J (2005) The prokaryote-eukaryote dichotomy: meanings and mythology. Microbiol Mol Biol Rev 69:292–305
3.Forterre P (2010) Manipulation of cellular syntheses and the nature of viruses: the virocell con-cept. C R Chimi. doi: doi:10.1016/j.crci.2010.06.007
4.勾万杰.新时期传染病的流行特点及其预防控制的策略[J].健康必读.2013(02) :49
5.姚磊.从甲型H1N1流感病毒流行论述人类病毒的起源[J].职业与健康.2010.26(04):451-452
关键词:病毒起源 逃逸 囊泡 RNA细胞
引言:对病毒起源的探究从病毒发现起便没有停止过,也取得了许多可喜的成果。自DNA成为生物学界研究核心以来,众多的分子生物学家将目光聚焦于病毒基因组与细胞生物基因组间的同源问题。但病毒如何从无到有,又如何完成从简单到复杂的进化,这些病毒起源的核心问题已经被学界忽略很久了。现今众多新型病毒在人间肆虐,及早的打开病毒起源问题的魔盒,对于认识病毒,预防与治疗病毒相关疾病有着重要的意义。
1.先于细胞假说及退化假说的不合理性
病毒相对于细胞而言结构更为简单,按照经典的达尔文进化论观点(从简单到复杂的理论)病毒应先于细胞出现。病毒被部分学者描述为进化史上重要一环,是最为早期的生命形式。但是,病毒是严格的营寄生生物,离开细胞将会很快死亡。它们缺乏生命所必须的细胞结构,若是在进化史上病毒先于细胞出现,那么病毒刚一出现就很快灭绝了,也就更担负不起进化为细胞的使命。显然,这一假说是自相矛盾的。
病毒与现有的其他生命体差别都是极大的,连最简单的生命体(如:支原体)都比其结构复杂的多,将病毒描述成为细胞退化的结果,缺乏进化学上支持。我们有理由相信,即便病毒是由细胞退化而来的,这种退化也因是逐步实现的,应该会在现有生命体中留下痕迹。我们至今没有观察到介于病毒和细胞间的生命形式,而从细胞直接退化为病毒显得跨度很大,这种跨度难以被现有理论解释。
2.逃逸假说能解释许多生物学现象。
2.1 现有的病毒大都只能感染一个到几个物种,有的甚至只感染宿主体内的某种细胞(比如HIV只感染人类CD4+T细胞),是宿主非常专一的寄生生物。它们有许 多蛋白质和基因组与其宿主是同源的,这在一定程度上说明了病毒与其宿主本身(而非其他细胞)有同源性。
2.2数据表明感染复杂细胞的病毒比细菌病毒(噬菌体)少的多,病毒的种类与其宿主细胞结构的复杂性呈一定的负相关。逃逸假说认为,越是复杂的细胞,其核酸结构越稳定,越不利于病毒的逃逸。
2.3除病毒外,DNA是现有的生命体唯一的遗传物质,RNA细胞在进化的长河中被无情的淘汰了。由于RNA是单链结构,相对与双链的DNA,它的结构很不稳定。极易发生损坏和变异。尽管变异是进化的源泉,但由于变异的少利多害性,频繁变异反而不利于生命体的生存,所以DNA细胞被自然选择下来并主宰了地球。与细胞不同的是,病毒的繁殖能力极强,大约是细胞的百倍以上。强大的繁殖能力使RNA病毒即便变异频率高,但不变异及有益的变异的个体也很多。宿主(无论是细菌、植物还是动物)会通过进化防御系统来消灭病毒,大量的变异有利于RNA病毒抵抗宿主的防御系统,从而更好的生存。这正是流感病毒(RNA病毒)时常流行而天花病毒(DNA病毒)能被消灭的原因之一[4]。
3.不同历史时期下的病毒逃逸学说
病毒逃逸学说被首次提出是在上世纪60年代,那时生物刚被分为原核生物与真核生物,病毒因不具有细胞结构而难以被分类。关于如何对病毒分类的问题,在学界内一直争论不休。与此同时,科学家开始思考病毒起源以及病毒与细胞的渊源问题[2]。最初,生物学家认为病毒是从以DNA为遗传物质的细胞(以下简称DNA细胞)中逃逸出来的。然而近来的研究表明,在DNA产生之前地球上曾今可能存在RNA细胞。由于RNA细胞核酸的不稳定,为病毒的逃逸提供了良好的条件。
病毒被一度认为自产生以来一直就是由蛋白质和核酸构成的。但最近的研究发现其实最简单的病毒可能只是由囊泡以及其包裹的RNA构成的。当然,为了能成功感染周围的细胞,这些始祖病毒还需要一些有功能的多肽[3]。
4.逃逸学说所描述的病毒逃逸及进化过程
在病毒逃逸过程中,RNA细胞起着重要的作用。由于变异的原因,本来用于进食和排泄的囊泡系统将其部分遗传物质(RNA)包裹,并分泌出去。其过程类似于外分泌细胞的分泌过程。不同于分泌过程的是,病毒囊泡所包涵的不是蛋白质,而是RNA。这种原始病毒由于囊泡表面具有相应的多肽,可以与受体结合,从而感染其他RNA细胞。随着细胞的不断进化,病毒也在不断进化。逃逸出的物质也就不仅限于RNA以及多肽,还包括了DNA,大分子蛋白质,病毒的遗传物质也由短链的RNA转变成为了具有基因座的复杂核酸结构。这也很好的解释了为什么病毒的核酸及蛋白的有些是与现有细胞同源的,有些却是病毒独有的,因为病毒是在细胞的基础上逃逸、继承并发展来的。
5.逃逸学说研究展望
想要真正完善逃逸学说,从而真正的揭示病毒的起源问题,我们还有许多问题要去解决。其一,RNA细胞并未被发现,逃逸学说的现实依据并不完整。RNA细胞倒底是全部灭绝了,还是在地球的某个角落里依旧生存着,或是根本就没有存在过,这一问题还有待学者的进一步研究。其二,病毒逃逸学说仍需进一步的实验支持。一种可能的实验方法是通过实验室对地球原始环境的模拟,为病毒起源提供更多的数据,若能在实验室观察到核酸的逃逸现象,逃逸学说将会得到学界更为广泛的认可。其三,逃逸学说可能对现有的病毒,尤其是新型病毒的起源问题提供另一种解释,我们不能局限的认为SARS,HIV,MERS一定是由动物传染给人的,也许它们同样是从人体细胞中逃逸出来的,以往不存在的新物种。
结语:逃逸假说认为,病毒源自于RNA细胞排泄与摄食时囊泡的分泌过程。最初的病毒仅含有脂质囊泡、短链RNA、以及简单的多肽。随着自然选择与进化,病毒发展成了结构较为复杂,种类繁多的一种生命形式。虽然逃逸学说能解释许多病毒方面的问题,但逃逸假说本身依旧不够完善,RNA细胞、始祖病毒等逃逸假说所提出的原始生命形式并未被观测到,需要广大生物医学研究者在这一领域继续刻苦专研。同时,逃逸假说的应用潜能依旧没有被发掘出来。逃逸假说在临床的预防与治疗活动中存在这巨大的应用潜力。
参考文献
1.P Forterre,M Krupovic. The Origin of Virus and Virocells : The Escape Hypothesis Revisited[M].virus : Essential Agent of Life,2012,pp 43-60.
2.Sapp J (2005) The prokaryote-eukaryote dichotomy: meanings and mythology. Microbiol Mol Biol Rev 69:292–305
3.Forterre P (2010) Manipulation of cellular syntheses and the nature of viruses: the virocell con-cept. C R Chimi. doi: doi:10.1016/j.crci.2010.06.007
4.勾万杰.新时期传染病的流行特点及其预防控制的策略[J].健康必读.2013(02) :49
5.姚磊.从甲型H1N1流感病毒流行论述人类病毒的起源[J].职业与健康.2010.26(04):451-452