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嵌到DNA里的病毒

已有 3867 次阅读 2012-9-21 09:59 |系统分类:科普集锦| 基因, 病毒, 胚胎, 细胞

我们都是从一个受精卵发育而成,这个最初的圆球直径跟发丝差不多,但最终却变化出十万亿个组成身体的细胞。但我们并不是相同细胞的组合体,而是由数百种不同类型的细胞连结而成。我们的身体被皮肤包裹着,骨架由骨骼细胞构成,在头骨中是柔软而又脆弱的,由神经元交织形成的大脑。

这种神奇的组合是如何实现的呢?功劳的一部分得记在病毒身上。

无数的病毒无时不刻地涌入我们的身体。有时候它们令我们生病,有时候我们的免疫系统将其扫除,而有时候,它们还就赖在我们的身体里不走了。有一类病毒,名为反转录病毒,能通过把基因插入细胞DNA的方式进行复制。这些外来的基因在细胞中的工作,就是给新病毒制造部件。艾滋病毒做的就是这种营生,同样的还有相当数目能引发癌症的病毒。

在一些罕见的情况下,反转录病毒会感染卵细胞。然后诡异的事情就发生了。如果卵细胞成功受精,并发育为成年个体的话,整个身体的细胞就都带有这种病毒。如果这个人有了后代,那病毒就会被传下去。

一开始,这些所谓的内生性反转录病毒过着两种生活。一方面它们仍然可以从宿主身体内脱离,感染新的宿主。考拉就深受这类病毒疾病的困扰。然而,经过了数千年的时间,有些病毒逐渐被禁锢起来。它们的DNA发生了突变,丧失了感染新宿主的能力。与此相反,它们能复制的那些基因片段,最后又重新回到了宿主细胞的DNA中。无数次的复制造就了现在的基因组。为了限制这类病毒对身体功能的干扰,哺乳动物制造了许多蛋白质来“锁住”大部分的病毒。最终,大部分内生性的反转录病毒突变得太过厉害,变成了遗传“行李”,不能再有什么作为。但它们还是具有病毒的所有特征,在科学家进行基因组测序的时候也可以很好地识别。科学家发现,人类基因组中含有10万个内生性反转录病毒的基因片段,在我们的DNA中约占8%。

演化是一个永无止尽的创造过程,它能将看起来全然无用的东西变得有价值。人类基因组中散落的所有病毒碎片,其实就是为新适应性的产生提供的大量原材料。随着时间推移,我们的祖先给病毒DNA系上了缰绳,让其为己所用。在《自然》杂志的一篇新文章中,一位名叫萨缪尔·普法夫(Samuel Pfaff)的科学家及其团队,报道了有关这些用途的一个例子:帮助卵细胞发育为成体。

索尔克生物科学研究所(Salk Institute for Biological Sciences)的普法夫和同事们在研究中检查了受精的小鼠卵细胞。在受精卵开始分裂的时候,其产生的新细胞具有分化成胚胎任何部分的能力,包括胚胎周围的膜细胞和传输母体营养的胎盘细胞。事实上,在这个时期,你挑任意一个细胞出来,它都可以发育成整个生物。早期细胞的这种特性被称作细胞的全能性。

几天之后,细胞团发育成一个中空的球形。组成球体的细胞仍然具有多种发育的潜力。细胞最终能成为身体里的哪类细胞,取决于这一阶段所接收到的信号。一旦胚胎到达这一阶段,其细胞就失去了形成整个新生物体的功能,此时的细胞称为多能性细胞。多能性细胞的后代被“锁定”只能发育成某些特定的细胞。例如造血细胞就只能形成多种不同的血细胞,而再也不能分化为皮肤细胞。

普法夫和同事们检查了刚刚分裂成两个细胞的小鼠受精卵,此时细胞具有最大的全能性。他们列出了此时细胞中活跃的基因,正是这些基因赋予了细胞最大的分化潜力。他们发现有100个在两细胞阶段活跃的基因,在胚胎变成空心的胚泡时就突然“停工”了。

细胞开启和关闭基因的方法之一,是产生能与其附近DNA片段——即启动子——结合的蛋白质。蛋白质和启动子之间的结合必须很精确,否则基因将每次都在错误的时间上跳过,无法制造出所需的蛋白质。普法夫和同事发现,双细胞期所有的基因都具有同样的启动子,这可能就是它们能在同一时间变得活跃的原因。

这项研究中最非同寻常的一点便是这些启动子的起源,它们来自病毒。
在胚胎发育的最初阶段,这些病毒控制的基因处于活跃状态。之后细胞“制止”了这些基因的活动,病毒也再也不能兴风作浪。这些基因的沉默,马上就使全能性的细胞变成多能性的了。

普法夫和同事还在多能性细胞团中发现了一些有趣的现象,如随着时间推移,有些多能性的细胞会重新开启病毒基因,然后又把它们关闭。这些细胞会不断重复这一过程,科学家将其称为“魔术期”(magic state),此时细胞会暂时重获全能性。图片中粉红色的细胞正是处于这一时期。

处于魔术期的细胞可以分化生成胚胎的任一部分,以及胎盘等胚胎之外的组织。一旦病毒基因再次被关闭,这些细胞也就失去了全能性。这一发现揭示出这类病毒基因在细胞全能性的控制中至关重要。

普法夫及其同事提出,这些病毒启动子基因的“驯养”在有胎盘哺乳动物的进化中是关键的一步。病毒造就了现在的我们,这样的观点听起来似乎很诡异,但普法夫却还是第一个提出证据的人。比如去年,Carl Zimmer就曾写了篇文章,介绍哺乳动物如何偷取病毒的蛋白质来帮助胎盘的发育

如此让人惊奇的发现又提出了众多目前难以回答的问题,如病毒基因在最初的两个细胞中做了什么?没人知道。一亿年前,有胎盘哺乳动物的崛起是否与病毒DNA的“驯养”有关?为何病毒基因在胚胎发育过程中的参与如此频繁?

我们不必等到所有的问题解决,事实上,科学家已经开始研究如何利用这些病毒了。近年来,科学家用成体或胚胎获得基因重组的细胞,观察它们早期的发育过程。通过干细胞的研究,科学家希望获得对抗帕金森氏症和其他细胞缺陷疾病的新疗法。普法夫认为我们应该开启这些病毒基因,使细胞重新回到魔术期。

如果普法夫的直觉是对的,那这将是人类对病毒的一项伟大的胜利。一亿年前导致疾病感染的罪魁祸首,最终却成为人类在再生医学中的新工具。

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摘译自Carl ZimmerA Planet of Viruses.

有些发育方面的词汇可能不是太准确,请专业的老师童鞋指教。

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