化敌为友!让病毒为人所用,推动文明演化

一个充满了病毒的真实世界
我们生活的世界中充满了病毒,病毒造就了地球今天这样的环境,只要有宿主物种存在的地方就有病毒,就有病毒存在,海洋、冰川、沙漠、火山,当然还包括在我们的身体里。病毒会在我们的身体内外不停地穿梭。每一天中,你体内的病毒数量是你体内细菌数量的10倍以上。

病毒可以感染所有的物种并生活在其中,从细菌到蓝鲸到红木。地球上病毒最多的地方就是海洋里,在一升的海水里,有1000亿的病毒颗粒。这些病毒在基因交换的过程中,就造与促成了海洋生物的演化。可以说病毒维持着生态的平衡,并且默默地改造着地球的环境。

古老病毒基因与人类“化敌为友”
从普通感冒到新冠肺炎,病毒对人们的日常生活产生了巨大影响,但数百万年前发生的感染也塑造了人类的进化——病毒基因会被纳入受感染宿主的DNA中,然后代代相传,随着时间的推移往往会产生不同的功能。据发表在《发育》杂志上的一项研究,日本东京医科牙科大学研究人员发现,小鼠因在数百万年前感染病毒而留下的两个基因,已经进化出可帮助保护大脑免受新感染的功能。

这两个基因是Rtl5和Rtl6,几乎所有哺乳动物都携带,并且与逆转录病毒(如HIV)中发现的基因相似。研究人员确信,这些基因一定在做一些重要的事情,因为尽管来自病毒,但这些遗传的病毒基因至少在过去的1.2亿年里一直保存在哺乳动物的基因组中。为了弄清楚这些基因在做什么,科学家们需要知道它们在哪里激活,因此他们要寻找Rtl5和Rtl6蛋白,这些蛋白只有在基因打开时才会产生。

他们发现Rtl5和Rtl6在大脑中的小胶质细胞中打开,小胶质细胞充当感染的“第一反应者”。研究团队在小鼠大脑中设置了假感染,以测试产生Rtl5或Rtl6的小胶质细胞如何对细菌或病毒做出反应。他们发现含有Rtl6蛋白的小胶质细胞对细菌样模拟物有反应,而具有Rtl5的小胶质细胞对模拟的病毒感染有反应。此外,当研究人员移除Rtl6基因时,他们发现小鼠无法消除假细菌感染,而没有Rtl5的小鼠无法清除病毒模拟物,这意味着Rtl5和Rtl6一起保护大脑免受两种最常见的感染。

研究结果提供了病毒衍生基因的第一个例子,这些基因已被重新用于保护哺乳动物大脑免受感染。病毒对人们的生活产生积极影响的观点可能令人惊讶,但像Rtl5和Rtl6这样的例子表明,从长远来看,病毒入侵也可使其宿主受益。

从病毒获得的基因是人类基因组的重要组成部分,在哺乳动物包括人类发育中发挥着各种至关重要的作用。研究人员认为,如果将这一观点扩展到来自逆转录病毒的灵长类动物和人类的特异性获得基因,有助于了解人类的进化。
利用和改造病毒
人类病毒组可以说是我们的第四个基因组。它直接或间接地与我们的其他三个基因组相互作用着。就像我们的基因组、表观基因组和微生物组一样,每个人的病毒组也是十分独特的。病毒生活在我们的肠道、口腔、肺部、皮肤,甚至血液中。当然,大部分人存在人体内的病毒组一定是良性的,我们与病毒相互依存、共同生活了几千年,病毒组一定给了我们一定的意义。

具体来看,作为人类快速进化的重要组成部分,病毒携带、交换和修改着DNA,从一个细胞到另一个细胞,从一个物种到另一个物种。它们在各个层次上都在驱动着进化,包括细菌、植物、动物和人。最简单的一个例子,就是细菌抗药性基因从一个细菌传播到它的所有同类,再传播到所有类型的细菌,传播到其他所有地方。一旦一个微生物身上出现一次有益突变,病毒就会协助其把这个变异迅速传播到整个微生物群落,甚至更广的范围。

有时候,病毒DNA还会把自身嵌入人的DNA里,在人类DNA里潜伏下来,或者在我们最不需要的时候活跃起来,导致口唇疱疹不停复发,或是早已痊愈的水痘处泛起疱疹,甚至是诱发癌症,特别是在我们的免疫系统变得虚弱的时候。在有些情况下,病毒还能嵌入精子和卵子的DNA里,然后传递给下一代。

基于病毒对于人类演化独特的作用,在科学家们不断认识病毒的同时,科学家们也在尝试不断改造病毒,并为人类所用。一方面,一些病毒促成了生命科学中很多重要规律的发现,历年诺贝尔奖中至少有14项颁给了与病毒有关的研究。由于病毒的组成和结构相对简单、容易操作,科学家们常常先从病毒学的研究中受到启发,进而管窥到自然界的奥秘。在基因治疗中,使用病毒载体向活体生物的基因组里插入基因。病毒之所以适合做载体,是因为其自身的特异性。

病毒基因组上有许多功能强大的遗传元件,利用这些遗传元件,科学家们设计了各式各样的载体,成为实验室里不可或缺的分子生物学工具。我们将病毒基因组中的致病成分删除、替换上外源基因,病毒就变成了运载基因的“小汽车”。今天,这些“小汽车”已经开始应用于临床,治疗某些遗传性疾病和肿瘤。