病毒自起源理論的研究進(jìn)展

馮元昱，董昊東

（內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

病毒作為地球上目前發(fā)現(xiàn)的最小生命單位，是一種非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命個(gè)體，且不能獨(dú)立繁殖與生活，必須借助于其他生命個(gè)體來完成自身的生命活動(dòng)[1]。在過去的十幾年中，環(huán)境基因組學(xué)專家發(fā)現(xiàn)病毒（特別是噬菌體）是地球上最常見和最豐富的生物實(shí)體[2]。除了一些高度降解的胞內(nèi)寄生細(xì)菌，病毒可以寄生在所有細(xì)胞生物上。與其在生物圈中的物理優(yōu)勢(shì)相輔相成，病毒擁有地球上大部分生物的遺傳多樣性[3]。病毒特殊的寄生性和廣泛的遺傳多樣性，使得追溯病毒的起源變得困難重重。最近，科學(xué)家們提出，生物世界可以分為核糖體編碼生物（現(xiàn)代細(xì)胞）和衣殼編碼生物（病毒）[4]，而現(xiàn)代細(xì)胞起源于同一個(gè)祖先——LUCA[5]，但是在病毒上沒有找到類似的統(tǒng)一的信號(hào)分子。而通過對(duì)病毒衣殼蛋白的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)不同的病毒多次獨(dú)立選擇了自身病毒基因傳播方式[6]，并且通過混合不同的衣殼和病毒基因組，不斷進(jìn)化出新型病毒，因此人類永遠(yuǎn)不可能繪制出類似于現(xiàn)代細(xì)胞LUCA樹的“病毒樹”[7]。所以，了解現(xiàn)代病毒如何起源在一開始就注定了將比了解現(xiàn)代細(xì)胞進(jìn)化的歷史更復(fù)雜。目前，有關(guān)病毒起源的推測(cè)眾說紛紜，大部分研究者認(rèn)為病毒是細(xì)胞拋出的一個(gè)組分，提出了細(xì)胞退行性起源假說。有學(xué)者提出不能忽視病毒自起源與細(xì)胞平行進(jìn)化的觀點(diǎn)。近些年隨著分子生物學(xué)，生物信息學(xué)等一系列新技術(shù)的出現(xiàn)，越來越多的證據(jù)表明，病毒可能先于細(xì)胞出現(xiàn)，有不同于細(xì)胞的祖先。故本文將列舉一系列的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，深入分析病毒起源的自起源理論和平行進(jìn)化理論。

1 自起源理論的基本概念

自起源理論認(rèn)為病毒起源于生命前地球的生物大分子前體，然后再進(jìn)化成原核細(xì)胞和真核細(xì)胞，進(jìn)化地位先于細(xì)胞。認(rèn)為在遠(yuǎn)古地球的生命湯中，寡聚核苷酸和小分子肽等生物大分子前體先形成了“亞生命單位”，再由這些“亞生命單位”發(fā)展為亞病毒或病毒，最后通過與類似脂質(zhì)分子的其他分子相結(jié)合，形成現(xiàn)代細(xì)胞的雛形。一種病毒在不同的進(jìn)化壓力下最終可以進(jìn)化成為不同的宿主細(xì)胞。生物進(jìn)化通常遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律。在物質(zhì)上，在非生命物質(zhì)到生命出現(xiàn)這一漫長的過程中，病毒可能正好處于非生物與生物的過渡位置。在結(jié)構(gòu)上，立克次氏體、衣原體等最簡(jiǎn)單的細(xì)胞也比最復(fù)雜的病毒更復(fù)雜，可以說病毒剛好填補(bǔ)了從化學(xué)大分子物質(zhì)到原始細(xì)胞之間的空白。所以，病毒的自起源理論應(yīng)運(yùn)而生。

2 RNA世界概念與自起源理論的關(guān)系

“RNA世界”概念認(rèn)為，RNA可以和DNA一樣儲(chǔ)存和復(fù)制遺傳信息；RNA酶和蛋白質(zhì)酶一樣，可以催化對(duì)生命至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)。雖然如今DNA因其更好的穩(wěn)定性和耐久性，蛋白質(zhì)酶因其更豐富和多樣化的單體，取代了RNA與以RNA為基礎(chǔ)的核酶，但是這并不能否認(rèn)，甚至是更加證明了RNA在產(chǎn)生生命之前的時(shí)期占據(jù)了統(tǒng)治地位。Attwater J等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，RNA分子能將單核苷酸聚合成寡聚核苷酸，這表明RNA分子具有自身拼接的功能，并且可以自我復(fù)制。Ekland等[9]在Nature上報(bào)道了RNA可以自身為模板，聚合三磷酸核苷，有極高的正確配對(duì)率。這些實(shí)驗(yàn)均表明，RNA極有可能在無蛋白質(zhì)或者肽出現(xiàn)的生命前時(shí)期就已經(jīng)存在，并將遺傳信息通過自身復(fù)制傳遞給子一代RNA分子。然后與其平行產(chǎn)生的多肽相結(jié)合，形成RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，當(dāng)復(fù)合體陷入生命前期的“囊泡”中后即形成了原始的細(xì)胞[10]。而另一方面，蛋白酶將RNA逆轉(zhuǎn)錄成DNA，與其他分子相結(jié)合，形成了有穩(wěn)定遺傳特性的原始原核細(xì)胞，最終通過其相應(yīng)的進(jìn)化途徑發(fā)展出真核細(xì)胞[11]。且有實(shí)驗(yàn)表明，這一設(shè)想的病毒進(jìn)化成細(xì)胞的自起源途徑，在現(xiàn)代細(xì)胞中有著明顯的痕跡，如Varmus等[12]報(bào)導(dǎo)的細(xì)菌的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象以及近年來分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)，蛋白質(zhì)與RNA的復(fù)合體——端粒酶，作為真核細(xì)胞染色體穩(wěn)定遺傳的必需組分之一，其蛋白質(zhì)組分能以此RNA為模板反轉(zhuǎn)錄成DNA[13]，這些結(jié)果在理論和實(shí)踐上均表明了，RNA世界概念與自起源理論有密切的關(guān)系。

3 真核細(xì)胞起源對(duì)病毒自起源理論的補(bǔ)充

真核細(xì)胞的起源是進(jìn)化生物學(xué)中的一個(gè)主要問題，且是一個(gè)未被完全解決的問題。真核細(xì)胞的祖先（LECA）被認(rèn)為是一類典型的線粒體真核細(xì)胞[14]。且另一個(gè)與真核細(xì)胞起源有關(guān)的已知關(guān)鍵信息是，進(jìn)化保守的真核生物基因被明顯分成具有進(jìn)化親和力的基因和具有細(xì)菌親和力的基因（以及一些沒有被檢測(cè)到原核同源物）[15]。根據(jù)這些約束條件，真核細(xì)胞的起源情景主要被分為了兩類，一類是推測(cè)原代線粒體真核生物起源于古生菌，是古生菌的姐妹群，或者是古生菌一主要分支的姐妹群[16]；另一類情景是由真核生物中線粒體和相關(guān)細(xì)胞器的普遍存在而推動(dòng)其進(jìn)化的[17]。在這兩類起源情景的基礎(chǔ)上，有學(xué)者總結(jié)文獻(xiàn)，推測(cè)真核細(xì)胞病毒可能是從一些原核病毒或古菌病毒進(jìn)化而來[16]，最近有文獻(xiàn)還證實(shí)了古菌病毒的主要衣殼蛋白與真核生物和細(xì)菌的MCP高度同源，它們之間具有密切的進(jìn)化關(guān)系[18]。雖然目前已經(jīng)有很多證據(jù)表明了病毒在古菌、細(xì)菌、真核生物這三域中的起源和進(jìn)化存在著一定關(guān)聯(lián)或順序，但是依然不能系統(tǒng)全面地證明這一網(wǎng)絡(luò)的存在，所以這將會(huì)是今后研究病毒起源問題的一個(gè)重要方向。

4 結(jié)語

研究病毒的起源，目的是更系統(tǒng)和全面地認(rèn)識(shí)病毒，為未來能更好的處理由病毒引發(fā)的危害人類健康的疾病作出貢獻(xiàn)。病毒因其自身生長與繁殖的特殊性，導(dǎo)致在研究其起源與進(jìn)化的過程中困難重重，且以往的研究發(fā)現(xiàn)更偏向于認(rèn)為病毒是細(xì)胞的退行性或者是內(nèi)源性產(chǎn)物，認(rèn)為細(xì)胞來自同一個(gè)祖先。但近年來，隨著對(duì)病毒起源證據(jù)的不斷挖掘，研究者們借助基于分子生物學(xué)，生物信息學(xué)等一系列新的技術(shù)方法，取得了一系列研究成果，在更多方向上詮釋了病毒先于細(xì)胞或平行于細(xì)胞起源的可能性和理論存在的必要性。到目前為止，人類雖然還未能完全揭開有關(guān)病毒起源的真正謎底，但相信在不久的將來，一定會(huì)得到想要的答案。