科学出版社分享 http://blog.sciencenet.cn/u/sciencepress 中国最大的综合性科技出版机构之一,科学家的出版社!

博文

如果不是靠你身体里的病毒基因,你根本无法出生在这世上 精选

已有 3078 次阅读 2018-12-7 10:42 |系统分类:科普集锦

陌生人和你的 DNA 之间的差别平均只有0.1%,人类和近亲黑猩猩的 DNA 的差别只有1.2%。这很容易让我们产生一种错觉:我们身体里的基因都是人类独有的。



直到最近20年我们才发现,这种想法实际上是个巨大的幻觉,我们身体里有不少来自其他生物的基因。


猜一猜,人类和病毒有什么亲缘关系?


你或许会想,不会有关系吧,人类是多细胞生物,病毒连是不是生命都成问题,人和病毒能有什么亲缘关系呢?


可是你知道吗,人类基因组的8%都是来自病毒的 DNA 片段,它们的数量大概有10万个。其中的一些来自病毒的基因,对于人类乃至哺乳动物的繁衍至关重要。


大多数这些病毒 DNA 都属于一类特殊的病毒——逆转录病毒。听名字有点耳熟是吧,让人闻风丧胆的艾滋病病毒 HIV 也属于逆转录病毒哟。


艾滋病病毒 HIV(蓝色)示意图


逆转录病毒会入侵宿主的细胞,然后把自己的基因插到宿主的 DNA 里实现寄生。通过“篡改”宿主基因蓝图的方式,这些病毒基因参与了宿主细胞的日常,并创造出自己的副本。


如果逆转录病毒钻到了卵子或者精子里面,那么宿主的下一代就可能也携带着它们。一旦某个逆转录病毒被宿主一代代地遗传下去,它们就变成了内源性逆转录病毒(endogenous retrovirus)


其中最引人深思的,就是一种使你成为哺乳动物,并且顺利降生的内源性逆转录病毒基因。



哺乳动物区别于其他动物的特征就是胎盘


6500万年前,你的祖先,同时也是所有哺乳动物的祖先长得就像一个老鼠。你的祖先在地下活动,昼伏夜出。不过,它还没有成为真正的哺乳动物,因为它还没有胎盘。


哺乳动物的共同祖先假想图

@Carl Buell



后来胎盘的出现,就和逆转录病毒有密切的联系。故事要从90年代说起。


你可能听说过90年代风风火火的人类基因组计划(the Human Genome Project)。当时,测序技术已经比较成熟,野心勃勃的科学家们用测序技术测定了人类染色体中所有的核苷酸序列,试图破译人类的所有遗传密码。


人类染色体


1997年,生物技术公司 Genetics Institute 的分子生物学家 John McCoy 和 Steve Howes 利用人类基因组计划的成果,发现了合胞素(syncytin)这种长得像病毒蛋白质,干的事情也像病毒蛋白质的物质。


实际上,合胞素和一种叫做三聚体包膜糖蛋白(env)的病毒蛋白质几乎一摸一样。而这个 env 的功能就是麻痹宿主,让病毒和宿主细胞融合。而制造合胞素的基因,正是来自古老的逆转录病毒。


更奇怪的是,他们发现这种奇怪的蛋白质并不是别人制造的,而恰恰是胎盘自己造出来的。他们把这个研究发表在了2000年的《自然》(Nature)上。


原来,在卵子和精子合二为一(受精)的一周后,一个初级版本——胚泡(blastocyst)就会在子宫上制造胎盘。合胞素就是胎盘和母体直接接触的那层细胞分泌的。


胚泡(那个圆球状的东西)


这些胚胎外层的细胞叫做合胞体滋养(syncytiotrophoblast),没有它们分泌的合胞素,你就不能粘住你妈,也不能从你妈身体里吸收营养,生长发育更是无从谈起了。


可以说,是合胞素分配给你访问和调取你妈资源库的权限。


人类胎盘的合胞体滋养层(右图中蓝色)


不仅是人类,所有胎盘动物都有制造合胞素的基因,只不过大家的版本不同。黑猩猩和大猩猩还有猴子具有和人类相同的合胞素基因(syncytin-1 和 syncytin-2),携带这种基因的逆转录病毒在大约2500-4000万年前感染了灵长动物的祖先。McCoy 说,“哺乳动物演化中的分水岭就是对合胞素病毒基因的成功捕捉。”


你看懂了吗?


哺乳动物的祖先遇见了某个逆转录病毒,逆转录病毒表示要进来参观参观,你的祖先就顺水推舟,“当初是你要进来,进来就进来”,巧妙地利用了它产生的蛋白质突破宿主防火墙的功能,演化出了被服务器授权访问的胎盘。



如果病毒基因出问题了,会怎样呢?


2009年,法国国家科学研究中心 (CNRS)的病毒学家 Thierry Heidmann 和小伙伴发现,如果把合胞素的基因从小鼠的染色体中敲除,那么小鼠的胚胎就会在受精11-13天后挂掉,因为它不能从母亲那里吸取营养,相当于是饿死的。


美国塔夫茲大学的病毒学家 John M. Coffin 说,“没有合胞素,哺乳动物的进化就会截然不同。”



不过,帮助你生而为人的病毒蛋白质可不只有合胞素一种。实际上,在你的胚胎发育时期,你身体里的内源性逆转录病毒非常活跃,天天开 party,制造了大量病毒蛋白质。



一些研究发现,这些来自病毒的蛋白质帮你造出了身体组织。而随着低阶版本的你发育成熟为高阶版本,这些病毒基因就被过河拆桥,逐渐关闭了。


所以说,胚胎时期的你,比现在的你更像病毒。


昆士兰大学的病毒学家 Paul Young 说,“从现在的眼光看,物种之间的界限并不分明。我们研究得越多,就会发现生物之间有许多重合。”


牛津大学的病毒学家 Aris Katzourakis 也同意这个观点,“这些发现改变了我们看待人类这个物种的方式。我们和病毒一直在交换着 DNA,你也可以说我们被病毒渗透了。”


Katzourakis 的研究还发现,人类基因组曾经经受了逆转录病毒的31次入侵,并把它们俘获同化,封存在我们的身体里。


不敢想象那31次逆转录病毒和人类祖先的大战是什么样的情景,可能像大面积 HIV 爆发吧。


不过说真的,到底是我们的祖先赢了,还是这31支病毒的残部赢了,真不好说。我们自以为聪明地驯化了病毒,利用它们传宗接代。但从病毒的角度讲,人类或许就像中了挖矿病毒的机器,消耗自己的 CPU 为别人跑程序而已。




本文经授权转载自“把科学带回家”微信公众号。版权归原作者所有。本文观点不代表本号立场。微信封面图片来自pexels。


延伸阅读


基因变迁史

王友华等著

北京:科学出版社,2018.3

ISBN 978-7-03-035246-0

责任编辑:李 迪


《基因变迁史》以基因为主线贯穿全文,分为四章。从解读基因和基因变化类型入手,讲述了基因变迁在大自然中各种生物体的生命过程中所起到的决定性作用,进一步描绘了现代社会中人类利用生物技术、通过改造基因来获取新的生物体或者新产品的案例,最后展望了未来基因变迁将给人类带来的福祉。


(本期编辑:王芳)


一起阅读科学!

科学出版社│微信ID:sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味




http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1150326.html

上一篇:封面文章:新一代中能电子探测器成果瞩目
下一篇:姚期智院士专访:量子计算的未来 |《国家科学评论》

7 赵克勤 武夷山 张叔勇 黄永义 贺玖成 文端智 王庆浩

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-12-15 21:36

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部