病毒与宿主的“相爱相克”

作者: 钱雪坤、杨作敏、刘志瑾

来源: 中国科学院动物研究所

发布日期: 2020-04-07 07:30:00

文章探讨了病毒与宿主之间的“相爱相克”关系,涉及病毒的广泛存在、宿主与病原体之间的“世纪较量”、人类与病毒之间的“军备竞争”以及宿主抵抗病毒的防线。通过科学研究揭示病毒与宿主的协同演化机制,帮助人类更好地理解和控制病毒。

病毒的广泛存在人们发现病毒的历史可以追溯到1892年发现烟草花叶病毒,但实际上病毒的历史却比人类的历史更加久远。病毒广泛分布在自然界中,无论是动物、植物、真菌、细菌等,都有其对应的病毒。随着对新型冠状肺炎病毒研究的不断深入,人们也越来越关注这样一些问题:人类和其它动物在长期的演化过程中,是如何不断应对各种病毒感染的?因为人类属于灵长类动物,我们首先来看一下灵长类动物的情况。

灵长类类动物主要分布在热带与亚热带地区,这些地区同时也是病毒等病原体分布丰富的地区。因此灵长类动物的演化历史一直都伴随着与病毒的“相爱相克”。

宿主与病原体之间的“世纪较量”病毒除了具有体积微小不易被察觉的特点之外,还具有更加令人吃惊的“本领”:病毒会在与宿主长期共存的攻防战中不断演化。病毒与宿主的长期共存涉及到一个演化概念:“协同演化”。

“协同演化”是指两个相互作用的物种在进化过程中发展的相互适应的共同进化。举例来说,病毒需要与宿主体内的受体蛋白结合,从而感染宿主细胞。就像新型冠状病毒是通过与人体的ACE2蛋白结合来侵入细胞。宿主受体蛋白的“演化策略”是通过改变氨基酸序列来避免病毒的结合;反过来,病毒的“演化策略”是通过改变自身结合蛋白的氨基酸序列来保证结合。

人类与病毒之间进化的“军备竞争”

宿主与病毒之间频繁的“冲突”就导致了两者间的“军备竞赛”。一方面宿主受体蛋白不断突变以提升对病毒的抵抗力,另一方面,病毒则努力“制定政策”改变自身从而实现对宿主的成功感染,因此宿主和病毒之间就会发生周期性的适应与反适应。这种现象通常被称为“红皇后”场景。这个有点“文艺”色彩的说法来自英国童话《爱丽丝梦游仙境》。红皇后对爱丽丝答道:“在这个国度中,必须不停地奔跑,才能使你保持在原地。

”美国芝加哥大学进化生物学家范瓦伦(L. van Valen)1973年提出了这个颇有哲学色彩的假说,恰如其分地描绘了自然界中的协同演化现象。这种规律也具有一定现实作用,如果一类宿主的受体蛋白发现了可以检测到的适应性演化现象,说明它们可能受到过或正在受到某种病毒的侵染。研究者曾通过对蝙蝠的ACE2蛋白的适应性演化研究,预测了蝙蝠可能是SARS病毒的宿主之一,这个预测也被后来的实验研究所证明。

宿主抵抗病毒的防线那么面对病毒的侵入,宿主就只能束手无策吗?答案当然是“不”!在病毒侵入宿主之后,宿主体内有检测和对抗病毒的机制。例如Toll样受体(TLR)是对病原体受体进行识别的蛋白家族。在哺乳动物的TLR蛋白家族中有4个成员与病毒核酸的识别有关:TLR3、TLR7、TLR8、TLR9。克里米亚-刚果出血热是一种由布尼亚病毒科成员病毒引起的一种人类致死率极高的急性疾病。

这种疾病通常会通过蜱虫叮咬传播给人类。人体中的TLR8和TLR9有助于识别该病毒,并引起机体内相应的免疫反应。研究者发现,当TLR8氨基酸序列中第1位的缬氨酸(Val)突变为甲硫氨酸(Met)时,会使得个体更不易感染克里米亚-刚果出血热。

在病毒与宿主长期共存的演化过程中,双方都建立了一套“攻击”与“防御”的演化机制。客观的说,病毒也是自然界的一种生命形式,它们的演化也遵循自然法则和规律。这些客观规律通过系统的科学研究正在被逐步深入地揭示。我们需要做的是尊重自然界的客观规律,深入揭示自然界的客观规律。这一定能够帮助人类更好的控制与“战胜”病毒!

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