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生命进化的另一种方式:病毒是如何不断突变的?

2022-03-29 10:24:04 作者:出淤泥而不染 浏览次数:93 字号: T T T

生命进化的另一种方式:病毒是如何不断突变的?

北京时间3月29日消息,据国外媒体报道,病毒的突变是通过各种生物过程实现的,如复制错误、病毒与宿主的相互作用以及外部诱变剂的作用等。

从阿尔法到德尔塔,再到奥密克戎,在过去两年中,新冠病毒变异毒株每隔几个月就会换一个名字,出现在媒体报道中。之所以出现这种情况,是因为冠状病毒一直在不断进化或改变。事实上,不仅仅是冠状病毒会发生改变,所有的病毒都是如此,包括常见的流感病毒。这也是疾病控制中心建议每6个月注射一次流感疫苗的原因。

这些病毒的变化来自突变。这是一种十分正常的现象,无法避免,但我们可以了解它们是如何发生的,进而找到最佳的应对方案。

突变是什么?

如果你写过计算机代码,你就会知道,代码中即使出现最微小的变化,也会使整个程序发生改变。同样地,DNA的突变就是生物密码的改变。

基因是能够遗传且具有功能性的一段DNA或RNA片段,而突变就是基因发生的改变。我们的基因蓝图DNA由4种含氮碱基组成,分别是腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶。RNA中没有胸腺嘧啶,而是尿嘧啶。

4种碱基以特定的序列组合成DNA或RNA,序列中的任何变化都是突变。如果蓝图不同,最终的产品也会不同。保存信息的DNA序列的改变会影响表现型,即生物体所表现出来的特征。例如,眼睛颜色基因的改变可能会导致眼睛呈蓝色而不是棕色。遗传性疾病,比如镰状细胞贫血,是由于单一碱基的改变而导致的。

不过,并非所有的突变都对我们不利。非常罕见的突变可能是致命的,但也可能是有益的,但大多数突变既没有不良影响也没有有利影响。有些突变甚至不会引起任何变化,即所谓的“沉默突变”。

任何含有DNA/RNA的生物体都可能发生基因突变,病毒也不例外。

病毒是如何变异的?

生命进化的另一种方式:病毒是如何不断突变的?

许多自然发生的方式会改变病毒的遗传物质,包括:

复制错误

病毒的基因组包含其所有以碱基对形式拥有的遗传物质。本质上,基因组是保存生物体所有基因及其指令的“图书馆”。

与人类细胞相比,病毒的基因组简直不值一提,但仍然可以拥有上千对碱基。构成病毒基因组的物质,无论是DNA还是RNA,其复制和合成都是由复制酶完成的。

病毒缺少一些工具来复制它们的遗传物质。它们的方法是感染宿主细胞,劫持宿主细胞的复制机制,然后利用这些机制来复制自己的基因组。每次病毒感染细胞并完成复制时,就是一个复制周期。因此,病毒每一次感染细胞,并复制出更多的病毒时,所复制的遗传物质都是相等的。

在复制过程中,没有什么能够一直保持准确无误。在病毒一次又一次复制其遗传密码时,出错的几率就会增大。这类似于复印文件。当你将一份文件复制成三份时,获得完美无缺的副本可能性就很低;而如果你复印成千上万份文件,你就会发现有些页面会因为复印机发热而缺行或变淡。

同样,复制酶也会在DNA/RNA序列中添加错误的碱基对。随着复制周期的增多,出错的机会也在增加。病毒会不断感染细胞,产生数以千计的基因拷贝,因此突变率会变得很高。突变率也因遗传物质的不同而不同。

一些DNA病毒会携带修复DNA的蛋白质,而RNA病毒通常更小,没有这样的修复工具。另一个方面,与DNA病毒相比,RNA病毒的聚合酶更容易出错。一些基因组非常大的RNA病毒具有“校对”能力,进行校对的酶可以交叉检查RNA序列,看看是否添加了错误的碱基对。这相当于在文本中检查错别字。然而,这些校对酶在修正错误时也可能出错。

由于这些特性,RNA病毒比DNA病毒更容易发生突变。

生命进化的另一种方式:病毒是如何不断突变的?

与宿主的相互作用

当病毒感染宿主时,宿主的免疫系统会反击以保护自己。其中一种方法是产生活性氧类。活性氧类是生物有氧代谢过程中的副产品,包括氧离子、过氧化物和含氧自由基等。它们是具有高度活性的分子,能够破坏病毒遗传物质并引起突变。

有些宿主,比如人类,具有一类特殊的酶——脱氨酶。这些酶维持着含氮碱基的储备,从而减少碱基的可用性。因此,当病毒感染这些宿主时,就会缺乏复制基因组所需的原材料。

以病毒感染人类细胞为例。人类细胞具有胞苷脱氨酶,维持着DNA碱基T和C的储备。如果病毒在尝试复制新拷贝时需要在其基因序列中加入T或C,就会出现短缺的情况。聚合酶将别无选择,只能添加一个不同的碱基对。这会导致错误的核苷酸添加到基因组序列中,出现突变。打个比方,这就像一台没有彩色墨水的打印机:它依然可以打印,但颜色就不是你想要的颜色了。

有时,如果宿主非常倒霉,会被两种甚至更多的病毒感染。当这些病毒尝试复制更多的DNA/RNA时,它们之间可能结合并共享遗传信息,进而导致突变。

紫外线

环境中的病毒会暴露在太阳的紫外线下。众所周知,紫外线会破坏遗传物质。由于病毒暴露在紫外线下,会导致其突变率增加。

不过,紫外线对病毒突变的影响并不都是一样的,这取决于它们的遗传物质和周围的保护蛋白。

病毒会停止突变吗?

不,病毒不会停止突变。不仅仅是病毒,所有生命都不会停止突变。突变是生命进化的一种方式。

突变就像是基因组的抽签系统。你不知道这种突变是否有益。如果一种突变是有害的,有机体可能就会死亡,它的遗传物质也就无法继续遗传下去,从而减少这种突变遗传给下一代的机会。如果一种突变是有益的,那么有机体可能在它所处的环境中表现得更好。病毒的主要目标是生存,它们通过感染宿主和增殖来实现这一点。更强、更高效的病毒更擅长感染宿主,也更不容易被宿主的防御机制消灭。

如果一种病毒可以感染不同的宿主物种,那它的生存机会无疑会增加许多。冠状病毒的突变就是这样的例子,这些突变使它们不仅能够感染蝙蝠,也能够感染人类。

我们也不需要过于害怕。病毒的突变每天都在发生,但也不全是坏事。有证据显示,新冠病毒奥密克戎毒株已经是一种不那么严重的冠状病毒变异株。

结论

基因突变产生了新的物种。所有的生物都会不时地发生突变。人类DNA也会突变,但更加精良的DNA复制机制将我们与病毒区分开来。与此同时,人类拥有更好的DNA修复机制,来纠正破坏性的突变。

通过研究病毒的突变,我们可以追踪它们的谱系,更好地了解它们的感染模式。我们可以追踪病毒的起源,以及它们如何在全球范围内传播。正因为如此,世界各地的众多实验室都在致力于对新型冠状病毒进行测序,以追踪其传播途径和演变。

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