从古老传播到无处不在,人们需要病毒的什么? -2022世界杯买球

文/观察未来科技

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。

正是基于病毒对于生物演化独特的作用,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。正如病毒与人类共存的上万年里,病毒并不是全然有害的,而有益或者能为人类所用的病毒,还将帮助人类朝着目标的方向行进,并对进化产生积极的作用。

病毒推动人类文明的演化

大多数人真正感受到病毒的存在,或许还是因为新冠疫情。但实际上,一直以来,病毒和人类的关系都远比我们想得要更密切。人类身体上的病毒组有几万亿个,都生活在我们的细胞内外,此外还有更多的病毒待在我们体内的细菌当中。

更重要的是,病毒深刻影响着人类的进化。近些年来的人类基因组研究揭示,我们的基因组里有成千上万病毒基因的痕迹,而这些病毒基因的频繁变异以及新病毒基因的侵入,无时无刻不在发生着。美国著名科普作家齐默的《病毒星球》一书中就指出,地球上生命的基因多样性,很大一部分即蕴藏在病毒之中;我们呼吸的氧气,其中很大一部分是在病毒帮助下产生的。

连地球的温度都与病毒活动息息相关。我们人类基因组一部分就来自感染了人类远古祖先的上千种病毒。齐默在《病毒星球》一书的末尾还写道,人类作为哺乳动物的一员,已经跟病毒组成了难以分割的混合体。清除了体内的病毒基因,我们可能无法活着从子宫里生出来。

虽然病毒和人类进化关系密切,但至今,人类对于病毒组还所知甚少——病毒就好像“自然界和人类身体内的暗物质”。我们知道它在那儿,却很难描述它,也不知道它在做什么。

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。

病毒入侵有机体后,假以时日,可能会发生三种情况。第一,病毒杀死有机体——毕竟,从过去到现在,病毒导致的传染病杀死了数百万的人、动物、昆虫、植物和细菌,最后的结果是病毒可以继续感染的宿主越来越少,最后病毒也逐渐消亡了。第二,身体杀死病毒,病毒停止传播。第三,病毒和宿主物种协同进化,比如人类。随着病毒的毒性减弱,宿主的免疫系统也就不再去攻击人体内的病毒。

让病毒为人所用

除了病毒消灭了人体,以及人体消灭了病毒外,人们之所以很长时间以来没能了解病毒与人类的共生,是因为科学家们一般会把精力放在那些传染性极强的有害病毒上,而要研究其他病毒则很难拿到研究资金。

然而,正是人类与病毒共生的情况部分地解决了人类快速进化的难题。全新的基因或者基因变异体总是来自入侵人类基因组的病毒。病毒另一个人们都已经知道的特点,就是变异快。2013年,一项关于人类肠道病毒组的研究跟踪检测了一个人体内病毒的种类、数量和变异情况,结果发现,其中有478种相对普遍的病毒,而绝大多数以前都没有识别出来。大部分病毒都是噬菌体,就是可以感染细菌的那类病毒。

80%的病毒在两年半的观察时间中都存活着,但它们都变异了,变异的速度各不相同。有些病毒变异得非常之快,以至于后来它们都被认定为新的物种。

人类整个基因组中至少有8%的序列的源头是病毒。10多万个逆转录病毒dna片段嵌在我们的核心基因组里,在那里它们已经复制传播了几千年。

也是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。

比如,霍华德·特明、戴维·巴尔的摩从病毒中发现反转录现象,完善了生命的“中心法则”。又比如,彼特·杜赫提、罗夫·辛格纳吉在研究体内免疫细胞对病毒的识别时,发现了决定器官移植时是否排斥的主要组织相容性复合体,为免疫遗传学奠定了基础。

另一方面,病毒之毒也给了人们以毒攻毒的机会。比如,脊髓灰质炎病毒是引起小儿麻痹症的元凶,为了预防这种病毒,要给幼儿吃一种糖丸,而这种糖丸就是一类安全有效的减毒活疫苗——其有效成分就是基因组变异后毒力减弱的病毒株。糖丸疫苗自20世纪60年代由美国科学家阿尔伯特·沙滨发明后得到广泛应用,有效降低了全球小儿麻痹症的发病率。

还有一种被称为病毒载体疫苗的技术,会让“从良”的病毒形成免疫记忆。通过在体外改造病毒,在细胞内大量扩增、纯化后制备的病毒载体疫苗,是把病毒进行了“移花接木”的改造,使其“从良”,然后在健康人体内形成免疫记忆。

项目负责人、中国工程院院士、军事医学研究院研究员陈薇说得形象:在“学习”病毒的前提下,对病毒进行“手术”,用移花接木的方法,改造出一个我们需要的载体病毒,并注入人体产生免疫。

利用和改造病毒

改造病毒,才是对病毒最高级的应用。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。

比如,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。毕竟,病毒演化出了极为有效的方式,可以渗透进一切类型的细胞。无论是哪个种类的生物,包括细菌、植物、动物等都必须对抗寄生性病毒,因为病毒的唯一目的就是劫持细胞,把它们的dna插入宿主,并借助宿主细胞完成自身的复制。

在亿万年的演化过程中,病毒几乎“摸清了”细胞防御系统的每一个弱点,它们向宿主中安插基因的策略近乎完美。因此,作为工具,病毒载体极为可靠,研究人员使用病毒载体向目的细胞中投递基因的成功率接近100%。

病毒不仅知道如何把自己的dna导入宿主细胞,而且知道如何把它们融入宿主的基因组。二十世纪二三十年代,科学家开始利用细菌进行遗传学研究。然而,令科学家感到困惑的是,细菌的病毒(噬菌体)看起来好像是凭空出现,引起了感染。后续研究表明,这些病毒实际上把它们的基因组打碎成几个片段,插入基因组,并潜伏在那里,直到条件合适才引起感染。

逆转录病毒,比如艾滋病毒在人体里也会做同样的事情,它们把自身的遗传信息打碎,安插进细胞的基因组里。由于这个特点,逆转录病毒很难被根除,结果,它们在我们的基因组里留下了不可磨灭的印记。人类基因组里有8%——超过2.5亿个dna碱基——是古老的逆转录病毒感染人类祖先所留下的“遗迹”。

基于病毒载体的应用,基因治疗得以飞速发展。并且,通过新的生物技术和新的生物化学方法,科学家在20世纪70年代开始开辟新的途径,剪切dna片段,复制dna片段,让其进入基因组,或者分离出特定的基因序列。他们开始把治疗性基因引入病毒,同时移除有害的基因,使病毒不会破坏受感染的细胞。

在这个过程中,这些病毒被改造成了无害的“运载火箭”,把特定的遗传物质运输到指定位点。到了20世纪80年代末,研究人员已经可以利用改造的逆转录病毒成功在实验室小鼠里引入重组dna。

病毒在不断进化,但人类认识、改造病毒的探索也不会止步。在未来,人类对病毒性疾病的防控会越来越得力,改造病毒的能力也会越来越强,这也将为人类带来更多福祉。

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