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在传染病有机体中,哪些方面体现了类病毒是 [复制链接]

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年,美国植物病理学家西奥多·迪纳调查了“马铃薯纺锤块茎病”,发现这种传染病的病原体是一种前所未见的有机体,像病*,但是比病*更简单,于是把它称为“类病*”。

简单地说,类病*是一种环状的RNA,而且这个RNA真就只是RNA而已,完全裸露着,不像病*那样裹着衣壳和包膜。而且类病*的RNA极端微小,不到个碱基,甚至只有多个,哪怕最小的病*也有它们的几十倍大。

当然,这样短小的RNA也不可能编码任何蛋白质,它们所做的一切就是通过伤口钻进细胞,然后劫持细胞里负责中心法则的酶,复制自己。如果类病*的尺寸与行径让你疑心它与RNA世界有什么联系,那你的确想到前面去了。

迪纳在发现类病*之后投入了十余年做深入研究,到年,他做出了一个大胆的推测:类病*很可能是RNA世界最古老的孑遗。或许由于当时的人们还不够了解类病*,迪纳的推测在当时并没有收到太多反响。

但是到了近些年,关于类病*的推测被人们重新拾起,开始得到郑重对待。比如,西班牙巴伦西亚理工大学的分子生物学家里卡多·弗洛雷斯就是类病*研究的重要人物,他在年的论文中提出了非常引人注目的推测:类病*那微小的尺寸和极致简单的结构,非常吻合早期RNA应有的模样,迪纳关于类病*是RNA世界孑遗的想法,很可能是对的。

比较直观的是,类病*的一级结构是个首尾相接的环,这样就更加稳定,也不容易在复制时丢失两端的序列;同时,它们的碱基也含有更高比例的C和G,它们配对之后比A和U更加结实,那些生活在火山温泉和热液喷口的嗜热微生物也同样拥有这个特征。说起配对,类病*虽然短小,却也同样形成了精巧的二三级结构。

由于大范围的自我配对,类病*在整体上拉长成了双链,这不但让它更加稳定,还让它能冒充双链DNA,结合到RNA聚合酶上,然后利用这个酶复制自己。对于那些熟悉中心法则的读者来说,上面这段话稍一推敲就会冒出三个疑点。

第一,RNA聚合酶通常以DNA为模板,转录出互补的RNA链,那么,它以类病*为模板,也应该是聚合出来一条类病*的互补RNA。第二,RNA聚合酶的工作总有个开端,所以互补RNA将不是一个环,而是一条线。

第三,类病*的一级结构是个环,RNA聚合酶沿着它周而复始,聚合出来的RNA就会是一条无穷无尽的循环序列,又该怎么分割呢?大概可以概括地说:类病*的三维形态还能劫持RNA聚合酶之外的酶,而且,有些类病*就像自剪接内含子一样,是个自己催化自己的酶RNA。

所以,小而稳定,不能编码蛋白质,却能够利用中心法则的酶系统,还具有催化能力,这简直就是RNA世界早期的缩影,然而它们究竟是否真的仅凭这些伎俩就幸存了40亿年,这又是一个难以捉摸的问题。

迄今为止,我们知道的一切类病*都只感染农作物,包括土豆、柑橘、啤酒花、椰子、苹果、薄荷,还有鳄梨、桃子、茄子,而且会令它们患上减产的疾病。当然,这非常可能是一种“幸存者偏差”,毕竟像类病*这样微小的环状RNA,如果不酿成什么经济损失,恐怕根本就没有机会被人类注意到。

不过,即便是已知的这些类病*,也似乎透露了一些关于进化的古老信息:已知的类病*分为两个科,一个是马铃薯纺锤块茎类病*科,或者叫棒状类病*,另一个是鳄梨日斑类病*科,或者叫锤头类病*。

前者专门感染植物细胞的细胞核,利用那里面的酶复制自己;而后者专门感染植物的色素体,比如叶片中的叶绿体和块茎中的造粉体,利用那里面的酶复制自己。这两科类病*除了三维结构有很大的差异,整个复制机制也有很多差异。

也就是说,植物的色素体曾经是一些独立生存的蓝细菌,大约在15亿年前它们才侵入了植物祖先的细胞,在那里面定居下来,在进化中舍弃了大部分不必要的结构,最终简化成了一种细胞器,但是仍然在很大程度上保持着遗传上的独立,它们有自己的DNA,有自己的核糖体,有自己的整套遗传系统。

弗洛雷斯因此推测,这两科类病*曾经分别感染过早期真核细胞和细菌,后来随着内共生全都荟萃在了植物身上,在今天尚未被人类细致观察的单细胞真核生物以及细菌体内,很可能同样存在着未知的类病*。至于我们动物同样是古菌的后代,却为何不被类病*感染,我们或许可以归因为更加有效的防御机制。

首先,植物细胞很容易被啃咬,导致破损,比如蚜虫那注射器似的刺吸式口器就是类病*传播的主要媒介,各种植物病*也往往通过这样的伤口进入植物的细胞。其次,植物的细胞普遍存在着“胞间连丝”,也就是相邻的细胞都以很细的管道互相沟通,像曹操的战船都被铁索连环绑在了一起一样。

类病*或者病*只要侵入了其中一个细胞,就能顺着这些胞间连丝火烧赤壁,迅速蔓延开来。但动物细胞一旦破损就会死亡,活细胞的表面又分布着层层叠叠的受体蛋白,绝不允许来路不明的物质随便进出,所以感染动物的病*总要编码一些特殊的衣壳蛋白,骗取细胞的信任,才能悄悄溜进去,而类病*不编码衣壳蛋白,也就无法进入动物细胞了。但果真如此吗?事情恐怕还有玄机。

在类病*和病*之间,还有另一种被称为“卫星核酸”的亚病*因子。这种小东西一方面像类病*一样,只是一段极简单的核酸序列,并不编码任何衣壳蛋白,另一方面又不像类病*那样裸露着,而是会盗窃某种病*的衣壳蛋白,装配出完整的病*结构,由此获得感染动物细胞的能力。比如丁型肝炎的病原体就是一种卫星核酸,它们可以偷取乙肝病*的衣壳蛋白,打扮得像个正经病*似的,出来感染人类的细胞。

显然,卫星核酸一定要与某种病*一起感染宿主细胞,才能获得传播能力。凡是丁型肝炎的患者,必然先是乙型肝炎的患者。如果说病*是小偷,那么卫星核酸就是专偷小偷的小偷,在施皮格尔曼怪的世界里,也有“强盗遇上打劫的”这种咄咄怪事。

这些卫星核酸各式各样,有单链的,也有双链的,有环形的,也有线形的,有RNA的,也有DNA的。其中最值得我们注意的,是某些卫星核酸是一个环状的RNA,像类病*一样只有几百个碱基,不仅三维形态与锤头类病*长得像极了,在宿主细胞里的复制机制也与锤头类病*的复制机制如出一辙。

它们与类病*唯一不同的,就是需要与某种病*一起传播感染。于是,弗洛雷斯警觉地提出,这样的卫星核酸就是另一群类病*,只不过在进化中无比奸诈地利用了真正的RNA病*,大大增强了传播与感染的能力。丁型肝炎可以被看作其中的典范,它只有个碱基,在已知的能够感染动物的核酸里,这是最小的。

如果你注意到它比说好的几百个碱基大了很多,那是因为它还额外编码了一个蛋白质,可以帮助它调控复制的速度,而这个蛋白质的基因,很可能也是它在进化中偷盗来的,这在核酸的世界里是再寻常不过的事情了。

在年的论文结尾,弗洛雷斯引用上面这段话称赞了RNA世界假说的远见,并最终总结了类病*作为RNA世界孑遗的若干理由。但我们除了思考同样的问题,还遇到了一件新的值得思考的事:我们曾把那个互相催化的RNA世界看作一个“各物种相互依存的生态系统”,无论实验室的发现还是自然界的痕迹,又都暗示着一个尔虞我诈、激烈竞争的RNA世界。当然,这两者并不冲突。

毕竟,今天这个由细胞组成的生命世界也是这副样子,一边是互利共生,一边是生存斗争,进化用这两种方式塑造了我们每一个物种。然而,这是直到今天才刚刚出现的局面吗?现在看来,事情恐怕远远早于我们的预期:在中心法则启动了第一个箭头,遗传和复制刚刚开始,细胞都尚未出现的那个时代,这样的格局就已经建立起来了。

毫无疑问,这是意义深远的事情。因为协作和竞争使RNA面临的选择压力不再只有“最大限度地利用核苷酸”,还有投资与回报、利用与被利用的无限复杂的生存博弈。在细胞诞生后的世界里,就是这样的生存博弈让地球上的生命进化出了惊人的多样性,每一个物种都与其他物种交织成了错综复杂的关系网络。

同样,在细胞诞生之前的RNA世界里,这样的生存博弈也把所有RNA乃至所有有机分子的进化之路纠缠绑定起来,导向了不可避免的复杂未来。当然,我们也不要忘了,在我们的故事里,支撑起这复杂未来的仍然是海底深处的白烟囱,那地质化学反应提供的绵绵不绝的物质与能量。

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