如果不是靠你身體裡的病毒基因,你根本無法出生在這世上

陌生人和你的DNA 之間的差別平均只有0.1%,人類和近親黑猩猩的DNA 的差別只有1.2%。這很容易讓我們產生一種錯覺:我們身體裡的基因都是人類獨有的。

直到最近20年我們才發現,這種想法實際上是個巨大的幻覺,我們身體裡有不少來自其他生物的基因。

猜一猜,人類和病毒有什麼親緣關係?

你或許會想,不會有關係吧,人類是多細胞生物,病毒連是不是生命都成問題,人和病毒能有什麼親緣關係呢?

可是你知道嗎,人類基因組的8%都是來自病毒的DNA 片段,它們的數量大概有10萬個。其中的一些來自病毒的基因,對於人類乃至哺乳動物的繁衍至關重要。

大多數這些病毒DNA 都屬於一類特殊的病毒——逆轉錄病毒。聽名字有點耳熟是吧,讓人聞風喪膽的艾滋病病毒HIV 也屬於逆轉錄病毒喲。

艾滋病病毒HIV(藍色)示意圖

逆轉錄病毒會入侵宿主的細胞,然後把自己的基因插到宿主的DNA 裡實現寄生。通過“篡改”宿主基因藍圖的方式,這些病毒基因參與了宿主細胞的日常,並創造出自己的副本。

如果逆轉錄病毒鑽到了卵子或者精子裡面,那麼宿主的下一代就可能也攜帶著它們。一旦某個逆轉錄病毒被宿主一代代地遺傳下去,它們就變成了內源性逆轉錄病毒(endogenous retrovirus)。

其中最引人深思的,就是一種使你成為哺乳動物,並且順利降生的內源性逆轉錄病毒基因。

哺乳動物區別於其他動物的特徵就是胎盤。

6500萬年前,你的祖先,同時也是所有哺乳動物的祖先長得就像一個老鼠。你的祖先在地下活動,晝伏夜出。不過,它還沒有成為真正的哺乳動物,因為它還沒有胎盤。

 

後來胎盤的出現,就和逆轉錄病毒有密切的聯繫。故事要從90年代說起。

你可能聽說過90年代風風火火的人類基因組計劃(the Human Genome Project)。當時,測序技術已經比較成熟,野心勃勃的科學家們用測序技術測定了人類染色體中所有的核苷酸序列,試圖破譯人類的所有遺傳密碼。

 

1997年,生物技術公司Genetics Institute 的分子生物學家John McCoy 和Steve Howes 利用人類基因組計劃的成果,發現了合胞素(syncytin)這種長得像病毒蛋白質,幹的事情也像病毒蛋白質的物質。

實際上,合胞素和一種叫做三聚體包膜糖蛋白(env)的病毒蛋白質幾乎一摸一樣。而這個env 的功能就是麻痺宿主,讓病毒和宿主細胞融合。而製造合胞素的基因,正是來自古老的逆轉錄病毒。

更奇怪的是,他們發現這種奇怪的蛋白質並不是別人製造的,而恰恰是胎盤自己造出來的。他們把這個研究發表在了2000年的《自然》(Nature)上。

原來,在你媽的卵子和你爸的精子合二為一(受精)的一周後,你的一個初級版本——胚泡(blastocyst)就會在子宮上製造胎盤。合胞素就是胎盤和母體直接接觸的那層細胞分泌的。

 

這些胚胎外層的細胞叫做合胞體滋養層(syncytiotrophoblast),沒有它們分泌的合胞素,你就不能粘住你媽,也不能從你媽身體裡吸收營養,生長發育更是無從談起了。

可以說,是合胞素分配給你訪問和調取你媽資源庫的權限。

 

不僅是人類,所有哺乳動物都有製造合胞素的基因,只不過大家的版本不同。黑猩猩和大猩猩還有猴子具有和人類相同的合胞素基因(syncytin-1 和syncytin-2),攜帶這種基因的逆轉錄病毒在大約2500-4000萬年前感染了靈長動物的祖先。McCoy 說,“哺乳動物演化中的分水嶺就是對合胞素病毒基因的成功捕捉。”

你看懂了嗎?

哺乳動物的祖先遇見了某個逆轉錄病毒,逆轉錄病毒表示要進來參觀參觀,你的祖先就順水推舟,“當初是你要進來,進來就進來”,巧妙地利用了它產生的蛋白質突破宿主防火牆的功能,演化出了被服務器授權訪問的胎盤。

如果病毒基因出問題了,會怎樣呢?

2009年,法國國家科學研究中心(CNRS)的病毒學家Thierry Heidmann 和小伙伴發現,如果把合胞素的基因從小鼠的染色體中敲除,那麼小鼠的胚胎就會在受精11-13天后掛掉,因為它不能從母親那裡吸取營養,相當於是餓死的。

美國塔夫茲大學的病毒學家John M. Coffin 說,“沒有合胞素,哺乳動物的進化就會截然不同。”

不過,幫助你生而為人的病毒蛋白質可不只有合胞素一種。實際上,在你的胚胎髮育時期,你身體裡的內源性逆轉錄病毒非常活躍,天天開party,製造了大量病毒蛋白質。

一些研究發現,這些來自病毒的蛋白質幫你造出了身體組織。而隨著低階版本的你發育成熟為高階版本,這些病毒基因就被過河拆橋,逐漸關閉了。

所以說,胚胎時期的你,比現在的你更像病毒。

昆士蘭大學的病毒學家Paul Young 說,“從現在的眼光看,物種之間的界限並不分明。我們研究得越多,就會發現生物之間有許多重合。”

牛津大學的病毒學家Aris Katzourakis 也同意這個觀點,“這些發現改變了我們看待人類這個物種的方式。我們和病毒一直在交換著DNA,你也可以說我們被病毒滲透了。”

Katzourakis 的研究還發現,人類基因組曾經經受了逆轉錄病毒的31次入侵,並把它們俘獲同化,封存在我們的身體裡。

不敢想像那31次逆轉錄病毒和人類祖先的大戰是什麼樣的情景,可能像大面積HIV 爆發吧。

不過說真的,到底是我們的祖先贏了,還是這31支病毒的殘部贏了,真不好說。我們自以為聰明地馴化了病毒,利用它們傳宗接代。但從病毒的角度講,人類或許就像中了挖礦病毒的機器,消耗自己的CPU 為別人跑程序而已。

 

科學家發現病毒能竊聽細菌溝通,有望以此改善噬菌體療法殺死細菌

科學家發現一種名為 VP882 的病毒能感應霍亂弧菌的分子信號,從而決定繼續潛伏抑或複製自己並殺死細菌,科學家確認這種病毒基因改造後,能對腸道沙門氏菌和大腸桿菌有同樣反應。

細菌能利用一種名為自體誘導物(autoinducer)的信號分子來感應周圍同伴的存在,從而協調細菌間的活動,達到細菌間的「溝通」,這種溝通模式稱為群聚感應(quorum sensing)。其中一個經常被研究的例子是霍亂弧菌(Vibrio cholerae)。

美國普林斯頓大學(Princeton University)分子生物學講座教授邦妮·巴斯勒(Bonnie L. Bassler)與研究生賈斯汀·希爾泊(Justin Silpe),最近發現一種名為 VP882 的病毒能感應霍亂弧菌間的群聚溝通,並作出反應。

巴斯勒教授對這次發現感到不可思議,她表示「病毒與細菌並不在同一個生物界——事實上,病毒根本不屬於任何一個生物界,因為它們並不能完全算作生物。」但病毒卻能理解細菌的「語言」,比起人類能與狗隻溝通更無法想像。

病毒是一種極簡單的生物體,它整個生活週期只有兩個狀態:留在寄主內,抑或殺死寄主。前者稱為「溶原」(lysogeny):病毒變得不活躍;後者稱為「裂解」(lysis):病毒控制寄主,並大量自我複製,大多情況最後寄主會崩潰破裂並釋出病毒。

病毒需要作出對自己有利的決定:如果周圍沒有太多寄主,裂解將會導致過多病毒被釋放,卻因無法找到寄主而死亡。科學家發現,VP882 病毒能感應霍亂弧菌釋放的 DPO 自體誘導物,如果周圍有大量細菌便開始裂解過程。

發現病毒能「竊聽」細菌間的溝通之後,科學家成功以基改實驗影響病毒的決定:第一,以人工手法引導 VP882 病毒開始裂解過程;第二,讓病毒也能對霍亂弧菌以外的其他細菌作出同樣的反應,其中包括腸道沙門氏菌(Salmonella enterica)和大腸桿菌(Escherichia coli)。

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噬菌體療法(phage therapy)利用這些能摧毀細菌的病毒來治療細菌引起的疾病。麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)生物學家馬克·米梅(Mark Mimee)認為,這項研究能解決噬菌體治療的一大難題:大部分噬菌體病毒只能攻擊一種細菌。但大多時候醫生不會有足夠時間找出適合的噬菌體,所以大多數噬菌體療法會混合不同噬菌體使用。然而這種噬菌體雞尾酒的製作,以及藥物監管的手續極其昂貴。

因此,能以基改技術讓 VP882 病毒殺死不同的細菌,將使得噬菌體療法更可行。匹茲堡大學(University of Pittsburgh)生物系哈特富爾教授(Graham Hatfull)表示:「細菌抗藥性是全球衛生一大危機,需要新技術和方法來解決這個問題。」而這種基改病毒有望成為對付抗藥性細菌的曙光。

 

資料來源:

Motta, E. V. S., Raymann, K. & Moran, N. A. (2018). A Host-Produced Quorum-Sensing Autoinducer Controls a Phage Lysis-Lysogeny Decision. Cell, 176(1), P260-280.

Chen, A. (2018, Dec 14). “Spy” Virus Eavesdrops on Bacteria, Then Obliterates Them. Scientific American.

Fuller-Wright, L. (2018, Dec 13). Biologists turn eavesdropping viruses into bacterial assassins. Princeton University.

 

 

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