病毒帮助人类进化
一提起病毒,人们立即想到疾病,但最新的科学研究表明,病毒在人类的进化中扮演了非同寻常的重要角色,如果没有这些进化中默默无名的英雄,我们现在可能还在原始汤中苦苦挣扎。
在进化过程中最难解释的问题恐怕就是复杂性的涌现了。第一个细胞是怎么从原始汤中出现的呢?自然选择又是怎么创造像人类大脑那样的奇迹的呢?生命之树上实在有太多这样的谜了——对于进化中的那些伟大的进步,它们的来龙去脉绝不是几句话能说清楚的。
但在发现DNA 后,生物学家就坚信他们知道了答案:在基因组一代代复制传递的时候时不时会出现一些小错误,它们就是复杂性的来源。尽管这些小错误很轻微,但在时间的长河中它们聚集起来形成的变化却可以相当可观。
这种关于进化的观点在过去的五十年里一直是科学界的主流思想,但现在生物学家们觉得它缺少了重要的一环:病毒。在现在这个基因组学的时代,人们意外地发现病毒在生物进化过程中竟然发挥了无可比拟的力量。“目光所及之处都能看到病毒在进化过程中的演出,它是个重要角色。”Luis Villarreal 说,他是加州大学欧文分校病毒研究中心的负责人。“我认为它们是已知最变化多端的基因实体。”
那么,是什么使病毒成为进化中的关键玩家呢?事实上,这种新基因的生产活动并不局限在病毒之中,病毒也会把新基因带到它们宿主细胞的深处。第一条与此有关的线索出现在二十世纪五十年代,那时研究者们发现噬菌体有多种感染细菌的方式。一些病毒奉行的是“焦土政策”——感染宿主并开始复制,最后杀死所在宿主并寻找新的宿主——而另一些病毒采取的则是长期战略:将自己插入宿主的基因组中,只有细胞分裂的时候才进行复制。这种潜伏行为一直令人觉得很奇怪,直到最近基因组测序的结果表明绝大多数细菌中有百分之10到20的DNA 都是原噬菌体。
并不是只有细菌之中才充满病毒基因。遗传学家已经发现在每种生物的基因组中几乎都遗留着远古病毒感染的痕迹。在真核生物这个最复杂的细胞形式生命(包括人类)的范畴内,这种病毒DNA 的主要来源就是RNA 逆转录病毒。它们在感染一个细胞后会将自己的基因组转换成DNA 然后再嵌入宿主的基因组中。有时候这些基因组会变成永久的附着物,被称为内源性逆转录病毒(ERV )。
人们在二十世纪七十年代就已经发现了ERV ,但直到2003年人类基因组测序完成后人们才发现它们完整的渗透范围,在我们的基因组中绝对处处有它们的身影。人类基因组中至少有8%是能清晰辨认出来的ERV ,而另外还有40%到50%看起来很像是ERV ,剩下还有很大一部分的基因片段以一种与病毒很相似的方式在不停复制和传播。这样算起来的话,在人类基因组中90%的基因都与病毒有些关系,这看起来非常不和谐。而在别的物种中,无论是啮齿动物、猿猴或者是考拉,几乎每种被遗传学家分析过的物种基因组里边都有ERV 。“病毒基因就像春雨一样在细胞基因组中随处散播。”Forterre 说。
ERV 病毒的具体作用是在子宫中帮助建立胎盘,这对于维持人类和高级生物的生存繁衍和种群发展是至关重要的。 研究人员发现,人和高级哺乳动物的DNA 中含有一些病毒的基因,这是病毒输送自己的基因到人体和高级哺乳动物细胞内的结果。这种结果极大地推动了人的细胞和高级生物的细胞的进化,因而研究人员称这样的病毒是母亲的“小帮手”,没有
它们,也许就没有人类的进化和高级哺乳动物的产生。一些生物学家认为ERV 的基因可能在某种地方适当地帮助了胎盘的功能,因为它们在胎盘组织中起到了高水平的开关转化作用。
美国加利福尼亚大学的研究人员的一项研究证实了这一推测。研究者使用的是一种抑制老鼠细胞DNA 中ERV 基因的病毒,当他们把这种病毒注入一个老鼠胚胎细胞后,这个胚胎产生了正常的小鼠。这说明这种病毒对ERV 基因的抑制并不影响胚胎的发育。但是,当研究人员把这种病毒注入到老鼠的形成胎盘细胞时,这些胚胎没有在老鼠的子宫中种植。这使得生殖过程一开始就出师不利。但其结果从反面证明,ERV 基因可能是通过调节胎盘的功能对胚胎的着床起到重要作用的。
人体和生物体是一个非常排他的系统,但为什么母亲体内的免疫系统不排斥从受精卵开始就存在于子宫内的胎儿呢? 对此人们提出了很多假说,其中之一就是有某种因素在制约着母亲的免疫系统使其不排斥胎儿。现在,研究人员证明ERV 基因能调节或控制胎盘的形成,于是推论这种病毒基因在进化的过程中也许同样有通过调节胎盘的功能而阻止母亲的免疫系统排斥胎儿的作用。也就是说,当没有外来因素(病毒) 阻止ERV 基因起作用时,ERV 基因就能保证胎盘的形成,从而让受精卵植入,同时能防止母体的免疫系统排斥胚胎。
病毒的传送系统也可以解释为什么脊椎动物能直接从病毒那里遗传100多种基因,而病毒也可以轻易地把这些基因输送到人的细胞内。这可能是因为我们身体内复制的DNA 的酶系统也可能来自病毒。这是由病毒自然特点决定的,即它们能迅速改变自己,当新的复杂的生物将要被创造出来时,病毒能给较高级的细胞提供一种迅速的定位能力。而且,如今已经成为哺乳动物染色体中永久性固定物质的ERV 要比环境基因的进化快得多,所以,病毒可能是其宿主(人和高级哺乳动物) 进化中一种巨大的创造性力量。