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病毒是生命吗?Nature:让生命界限更加模糊

时间:2020年02月18日 02:02

来源:未知作者:admin

图片来源:UC San Diego Health图片来源:UC San Diego Health

  病毒究竟是不是生命?直到现在,这个问题仍然令科学家犯愁。目前的主流观点是,病毒是非生命单位或者介于生命与非生命之间的形式。现在,《自然》的最新研究,让两者的界限变得更加模糊了——一种新发现的噬菌体不仅基因组非常庞大、甚至超过了细菌,而且它们远比人类想的要聪明,机制也更灵活。

  病毒是不是生命?这个问题的答案非常复杂。目前,科学界对于这个问题仍然存在争议,但大部分人都将病毒列为了非生命单位,而生命则包括了细胞组成的个体、原核生物以及古细菌。但其实,病毒在科学史上经历了多次定义的变更,从生命到类生命,再到生化分子,然后是介于化学物质和生命之间的形式。

  不断改变定义的病毒

  病毒从被发现至今也不过短短一百多年。最早在19世纪末,有研究者发现狂犬病或许不是细菌导致的疾病,而致病的分子似乎要比细菌小得多,因此他们将这种分子称作“virus”,一个起源于拉丁语“poison”(毒药)的单词。因为这些分子能够在人体内活动,并且还能和细菌一样导致人患病,当时的科学家认为virus也是一种生命。

  到了1935年,美国生化学家Wendell M。 Stanley 提纯获得了烟草花叶病毒,通过他和其他同事后续的研究,人们才第一次见到了病毒的真面目——由蛋白质包裹的DNA/RNA核酸分子。除此之外,并没有细胞中用于代谢和生存所需的细胞器。这样看来,病毒似乎只能归类到化学分子。

显微镜下的烟草花叶病毒。图片来源:哥伦比亚大学显微镜下的烟草花叶病毒。图片来源:哥伦比亚大学

  不过,当这种“化学分子”进入细胞中时,它又表现得完全不像普通的分子。病毒会被激活,利用细胞里的各种细胞器和生化原料来生产自己的核酸分子和蛋白外壳。这样,病毒似乎就只能被放在介于生命和非生命的形式中。在本世纪,来自法国斯特拉斯堡大学的Marc van Regenmortel和美国CDC的Brian Mahy提出病毒更像一种“寄居”生命,因为它们的行为就像寄生虫,需要细胞宿主来进行复制。

  随着细胞中越来越多的细胞器结晶结构被发现,科学家已经确定生命离不开核糖体、线粒体、叶绿体等细胞器的帮助,而病毒是生命的声音也逐渐消失。大部分科学家也更加注重寻找病毒在分子生物学中的作用,比如借用病毒来给特定DNA序列插入目标片段,又或者是研究病毒与疾病的关系。

  不过,仍然有一部分科学家在寻找病毒在演化学上的意义,以及它与细菌之间那越来越模糊的界限。

  病毒与生命的界限

  2015年《自然-通讯》上的一项研究就展示了一系列超级微小的细菌,研究利用超精细过滤器对废水池的水进行了过滤,结果在获得的液体中发现了体积只有9±2 nm?大小的细菌,这比常规的病毒体积还要小。

 冷冻电镜下的超微小细菌,a图的标尺为100纳米,b图为50纳米 冷冻电镜下的超微小细菌,a图的标尺为100纳米,b图为50纳米

  这一发现不仅推翻了科学家之前有关细胞最小的运作体积为8~14 nm?的推测,而且从体积上看病毒与细菌的差异变得更小,甚至具有相互重叠的区域。因此,还衍生出“病毒-微生物连续体”的说法,这种说法让病毒和细菌的界限变得愈发模糊。

  一边是极微小细菌在不断被发现,而另一边许多研究也在报道体型巨大的病毒。有一些病毒所含的基因甚至比大肠杆菌还要多。比如,美国能源部联合基因组研究所的Frederik Schulz于2017年在澳大利亚一处废水池中,发现了一些未知的病毒序列,并且这些序列本应该只出现在细胞中才对。

  在后续的提取过程中,Schulz找到了这种特殊的病毒Klosneuvirus,其含有的基因组数量远远超过常见的病毒。在正常细胞中有20种氨基酰tRNA合成酶,这种酶对于将氨基酸连接到tRNA上很重要,而Klosneuvirus含有19种编码该酶的基因,这意味着它在蛋白合成过程中,几乎是完全独立的。

 Klosneuvirus和其他病毒基因组大小对比 Klosneuvirus和其他病毒基因组大小对比

  巨型噬菌体

  此外,还有一类以细菌为猎物的病毒——噬菌体一直受到科学家的关注。噬菌体会追捕特定类型的细菌种群,因此能给环境中的微系统带来很大影响。其在进入细菌后,可以劫持细菌的代谢工具用以自己复制,并造成细菌裂解释放下一代噬菌体。

  并且这些噬菌体可能会给细菌造成基因突变,促进细菌耐药性的产生,科学家曾在人类的肠道、口腔都检测到特定的噬菌体,这意味着其能影响人体内部环境,并带来不可预期的后果。

  加利福尼亚大学伯克利分校的地球和环境科学教授Jill Banfield就一直在追寻这些特殊病毒。而在发表于《自然》杂志的最新研究中,她展示了一类特殊的大型噬菌体。这些大型噬菌体来源于30多种不同的环境,既有孕妇的肠道,也有青藏高原上的热泉,甚至南非的生化反应堆。

  一般的噬菌体基因长度都在50 kb(kilobase,千个碱基对)左右,而Banfield搜寻出的351种噬菌体基因组长度已经超过200kb,是普通噬菌体的4倍,其中一种噬菌体基因长度竟然长达735kb。Banfield将这一类噬菌体统称为“巨型噬菌体”(Huge phage)。

  这些噬菌体不仅基因组庞大,更重要的是其基因的构成也是五花八门,不仅仅是能编码包装噬菌体的蛋白外壳,还包括转运RNA、转运RNA合成、修饰酶、转录起始和延长因子。“是否具有核糖体和蛋白翻译功能,是判断其是否是生命的一项重要条件,噬菌体的这些发现让我们更难以判断它是不是生命了。”Banfield表示,另外,她还发现噬菌体基因组还具有一种非常关键的细菌系统CRISPR/Cas系统。

  了解基因编辑的读者应该对这个系统并不陌生,从加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier发现并应用到基因编辑领域后,CRISPR就名声大噪。这本来是一种细菌用来抵御病毒入侵的免疫系统,可以特异性地靶标基因片段并进行切除,这也是其被当作基因编辑工具的原因。如今,这种细菌系统却出现在了病毒的基因序列中。

  尽管这不是科学家第一次在噬菌体中发现CRISPR基因,但Banfield找到了一种全新的与Cas9同源的噬菌体Cas蛋白,她将这种噬菌体中的系统称作CRISPR/Cas ?。当噬菌体的基因进入细菌后,噬菌体就可以截获细菌的CRISPR系统来为自己工作,其产生的CRISPR系统专门用于应对其他的病毒种类。

 巨型噬菌体中的CRISPR系统,左侧红色 巨型噬菌体中的CRISPR系统,左侧红色

  也就是说,当这种巨型噬菌体进入细菌后,它就能高枕无忧地享用这个细菌了,让细菌帮助自己生产抵御其他竞争对手的CRISPR系统,然后再自己进行复制和繁殖。这样看来,噬菌体其实比人类想象的要“智能”很多。

  这类巨型噬菌体已经让其与细菌之间的差异越来越小,用Banfield的话来说,那就是隔在病毒与细菌之间的那条界限宽度已经越来越窄。“通过提升基因组的长度是一种聪明的生存方式,现在我们发现病毒已经做到了,”Banfield表示。

  Banfield根据351种巨型噬菌体的发源地将它们分成了10个种群,分别来自中国、日本、美国、澳大利亚、法国各地。也就是说,这种“聪明”的病毒已经潜伏在了世界上各个角落。而还有多少更加聪明的病毒正等待人类发现呢?我想,这或许不会存在一个完结的答案。

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