从历史探究病毒的免疫系统

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从历史探究病毒的免疫系统
来源：贝塔-鱼 源正细胞 2016-03-21 11:51


CRISPR/Cas的工作原理不是很复杂，当病毒感染细菌之后，细菌会把病毒的基因组序列的片段插入自己的基因组里，这样病毒的“模样”就被记录下来了，细菌存放入侵病毒序列的基因区域呈现出“规律间隔成簇短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats， CRISPR），这便是CRISPR。如果下次再有同样的病毒来的时候，细菌便会调动这些之前插入进来的片段，让它们带着一个能够切割病毒基因组的核酸酶去“杀死”病毒，这个酶便是Cas蛋白。

有研究者宣布他们发现了病毒的免疫系统，病毒要免疫系统干什么？这还要从病毒本身说起。

十九世纪末，荷兰的茶叶种植园出现了状况，原本茁壮成长的烟草不知道患上了什么怪病，叶子出现黄绿相间花斑，并且扭曲变形，烟草生长缓慢大量减产。整个烟草行业大受打击，烟草种植者们苦不堪言，只能向农业学家求助。

德国农业化学家阿道夫·迈耶（Adolph Mayer）接下了这个重担。他先是仔细考察了种植园中温度、阳光和土壤的状况，但并没有发现什么异常的地方。接下来，聪明的阿道夫设计了一个实验，他把生病植株的叶片捣碎，把汁液接种到健康植株的叶片上，而这些健康的植株没过多久，也患上了同样的疾病。于是，他确定了这种疾病具有传染性，并把它命名为烟草花叶病。不过，他还是没有搞清楚烟草花叶病的真正病因。

大约在1892年前后，另一个荷兰微生物学家马丁努斯·贝杰林克（Martinus Beijerinck）继续了烟草花叶病的研究，因为他从事烟草种植业的父亲因为这个病而破产。通过前人的研究和自己的发现，贝杰林克认为导致烟草生病的东西是一种比细菌还要小的未知物质。他选择一种陶瓷滤片来过滤生病植物叶片的汁液，并将过滤后的汁液接种到健康的植株上，这些烟草毫不意外的生病了。贝杰林克在被传染的烟草上重复了试验，结论是这些被感染的烟草还能继续感染其他健康的植株。

在那个科学技术没有蓬勃发展的年代，贝杰林克当然没有办法搞清楚这些比细菌还要小的东西到底是什么。不过他还是给这些他称之为：“不是动物，不是植物，不是真菌，也不是细菌”的东西起了个名字：病毒（virus）。

今天我们对微生物的了解已经深入许多，它们的“长相”和“身材”也都备了案。细菌的形状多种多样，大小一般在0.5微米到5微米之间，1微米是一米的一百万分之一，而人的头发大约是50－90微米。而典型的病毒多为球形，直径只有20－30纳米，也就是0.02－0.03微米，远小于细菌。贝杰林克所使用特制的陶瓷片作为滤器，这种陶瓷片里的孔径很小，据估计应该在0.2－0.4微米。所以病毒不会被陶瓷片过滤掉，所以在相当长一段时间里，病毒也被称为滤过性病毒。

随着对病毒越来越深刻的了解，科学家发个头小并不是病毒最主要的特征。实际上，与细菌等其他微生物相比，病毒最不一样的地方在于它们不能够独立地完成“生命”周期，也就是说独立的病毒其实不具备生命的特性。

所以病毒算不上是严格意义上的生命，它们只能寄生在宿主细胞内。病毒的基因组仅含有一种核酸，要么是RNA，要么是DNA。病毒的基因组所编码的蛋白质种类也非常有限，一般也十几种，主要包括组成病毒颗粒的蛋白和负责病毒基因复制的蛋白，而蛋白质翻译和物质能量代谢等过程都需要借助宿主细胞来完成。所以病毒没有办法独立生活，但是独立的病毒也有“死和活”的概念，只有结构完整的病毒颗粒才具有感染宿主细胞的能力。

相比病毒而言，细胞体积要大得多，成分和结构也更为复杂。后者同时含有DNA和RNA两种核酸，基因组编码信息量大，能够自主进行物质能量代谢和蛋白质合成，而且具有增殖的能力或潜力。所以，所有真核细胞和原核细胞，无论是单细胞的还是多细胞的，都和病毒划清了界限。科学家往往通过上述特征，来区分病毒和细胞生命体（但关于病毒到底是不是生命，科学家们也没有达成共识）。

做了这么多铺垫，现在回到我们的主题上面来，研究者所谓的病毒免疫系统是什么东西呢？类似于人体的免疫系统，它其实就是病毒来抵抗其他病毒感染自己的一套防御系统。

什么？！病毒还能感染病毒！

是的，你没有看错，科学家们确实找到了一种能够感染病毒的病毒，但是被感染的这个病毒却不是普通的病毒，它叫米米病毒（Mimivirus）。

Mimivirus首次发现于1992年，由于体积大到可以直接在光学显微镜下看到，当时科学家们以为这是一种新的细菌，所以还用鉴定细菌的革兰染色法把它们染了一下，结果是阳性。直到2003年，科学家们进一步研究了这个家伙，然后认为它不是细菌，而是病毒，于是直接命名为Mimivirus（mimi：mimicking microbe，酷似细菌），所以直接翻译就是酷似细菌的病毒，还真是够直接的。

然而，Mimivirus的发现却不是一件普通的事情，它彻底刷新了人们对于病毒的认识，原因在于，它太大了。（本文不会进一步讨论大病毒，但其实随后不久科学家们又发现了好几种比Mimivirus更大的病毒）

Mimivirus的直径大约在0.4-0.5微米，它的直径比脊髓灰质炎病毒（直径约为0.02-0.03微米）大几十倍，几乎不能通过细菌滤器，所以这种寄生物放在过去，肯定是不会被归入病毒范畴的。

Mimivirus之大不仅体现在体积上，它的基因组含有近120万个碱基对，相比之下，脊髓灰质炎病毒仅含有约7500个碱基对。科学家对其基因组序列分析后发现，这种病毒大约编码将近1000个基因，是一般病毒的几十倍到上百倍，而且其中相当一部分从来没有在已知的病毒中发现过。更让科学家惊讶的是，这种病毒竟然自己编码了涉及基因组DNA修复和蛋白质翻译功能的部分基因，而这些功能一直以来都被认为仅存在于细胞生命体中。不过，由于Mimivirus没有编码核糖体相关蛋白，所以它仍然需要借助宿主细胞的翻译系统才能完成自己蛋白质的翻译。换句话说就是，Mimivirus还是必须在细胞宿主内才能够“生活”，它在一定程度上仍然符合经典病毒的特征。

在正式将Mimivirus划入病毒五年之后，科学家们发现了能够感染mMimivirus的病毒，病毒学家们晕倒了一大片。

是这样的，Mimivirus感染的宿主是阿米巴原虫，于是有一队科学家想用阿米巴来找到更多的大病毒，于是他们把一种称为多食棘阿米巴（Acanthamoeba polyphaga）放进从巴黎一个冷却塔打来的水里，他们真还找到了一种新的大病毒，而且它还更大一些，于是这群富有童心的科学家们把它命名为了mMamavirus（妈妈病毒）。为什么要在冷却塔里来找呢，因为1992年第一个mMimivirus就是在英国的一个冷却塔里找到的。

米米妈妈这类大病毒在感染阿米巴原虫后，会在阿米巴内制造一个称为“大病毒工厂”（giant viral factory）的结构来制造新的病毒后代，科学家们在用电子显微镜观察Mamavirus的时候，在大病毒工厂内又发现了另一种新病毒。

病毒共同感染的情况并不少见，而且科学家们还发现过一些称之为卫星病毒的家伙，这是一类缺陷病毒，它们单独感染宿主细胞时不能复制扩增，需要另一种病毒的辅助才行，比如丁型肝炎病毒（HDV）在扩增的时候需要乙型肝炎病毒（HBV）来提供包膜。不过这类卫星病毒并不会对相伴的病毒造成伤害。

而这个新病毒就不一样了，它与Mamavirus共同感染一个阿米巴原虫后，会进入“大病毒工厂”，并将里面的“机器”抢夺过来，用于“生产”自己的子孙后代。这样一来，Mamavirus的“生产”就受到了极大地影响，不但减产，而且后代往往还带有缺陷。

所以，科学家们认为这种新病毒更像是Mamavirus的“寄生虫”，它感染Mamavirus的过程类似于病毒感染宿主细胞。我们都知道感染细菌的病毒叫噬菌体，所以这群科学家们首创性地把这种病毒叫作“噬病毒体”。由于这种新病毒也类似于是Mamavirus的卫星病毒，他们又拿人类第一颗卫星的名字给这个病毒命了名——Sputnik。

Sputnik的大小与经典的病毒差不多，直径约为50纳米，基因组只含有21个基因。在这21个基因中，有13个基因与已经发现的病毒基因具有相似性，而有三个基因却与 Mamavirus的基因相似。这可能是Sputnik在“大病毒工厂”中制造自己后代的时候从宿主那里掠夺来的基因，而当Sputnik感染其他大病毒的时候，还有可能将这些基因“送给”新宿主。这种基因在不同大病毒个体之间传递的过程被称为基因的水平转移，而噬病毒体便是基因的搬运工。基因水平转移的现象在自然界中广泛存在，在高等生物中也会发生，这也是自然界生物进化的重要推动力，而推手便是各种各样的病毒。

病毒需要感染宿主细胞才能够复制扩增，而宿主也进化出了抵抗病毒的系统来保护自己。在高等动物体内，存在复杂而完善的免疫系统来抵抗各种病原体的入侵，而近年来科学家在细菌中也发现了抵抗病毒入侵的免疫系统，这个名为CRISPR／Cas 的免疫系统在经过改造之后还可以被用于编辑真核细胞的基因组，近年来被生物学家们竞相追捧。

CRISPR/Cas的工作原理不是很复杂，当病毒感染细菌之后，细菌会把病毒的基因组序列的片段插入自己的基因组里，这样病毒的“模样”就被记录下来了，细菌存放入侵病毒序列的基因区域呈现出“规律间隔成簇短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats， CRISPR），这便是CRISPR。如果下次再有同样的病毒来的时候，细菌便会调动这些之前插入进来的片段，让它们带着一个能够切割病毒基因组的核酸酶去“杀死”病毒，这个酶便是Cas蛋白。

受到CRISPR／Cas的启示，科学家们认为大病毒应该也会有防御噬病毒体感染的免疫系统。在2014年的时候，一种感染Mimivirus的新噬病毒体被发现了，它的名字叫Zamilon，它的发现使得科学家们的猜测得以验证。

科学家们发现有一些Mimivirus可以抵御Zamilon的入侵，经过复杂的分析和实验，科学家们在这些Mimivirus的基因组内真的发现了Zamilon的基因片段。如果在这些Mimivirus的基因组上清除这个片段所在的基因，Mimivirus便失去了抵御Zamilon的能力。在这个基因的附近，科学家们还找到了类似细菌Cas蛋白的核酸酶，这表明Mimivirus的免疫系统作用的原理应该和细菌的CIRSPR／Cas差不多。也就是说，大病毒会将感染它的噬病毒体的基因片段插入到自己的基因组里，如果下次再有同样的入侵者来的时候，这些基因片段会将核酸酶引导到入侵者的基因组上，核酸酶会将噬病毒体的基因组切断，从而阻止它进一步复制扩增。Mimivirus中发现的免疫系统也有自己的名字：MIMIVIRE（mimivirus virophage resistance element，米米病毒噬病毒体抵抗元件）。

关于病毒是不是生命的问题，科学家们还没有共识，而大病毒的发现无疑进一步拉近了生命和非生命的距离。在噬病毒体Sputnik发现的时候，有记者在著名的《自然》杂志上发表了一则新闻评论：《噬病毒体的发现表明病毒是活的》。不知道这个记者在看到MIMIVIRE的时候是不是会拍拍大腿，跳起来说：“看！病毒真是活的！”

参考文献

1.Levasseur A， Bekliz M， Chabrière E， Pontarotti P， La Scola B & Raoult D. MIMIVIRE is a defence system in mimivirus that confers resistance to virophage. Nature， Published online 29 February 2016

2.La Scola， B et al. A giant virus in amoebae. Science 2003； 299：2033

3.Pearson H. 'Virophage' suggests viruses are alive. Nature 2008； 454：677

4.Seed KD， Lazinski DW， Calderwood SB & Camilli A. A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innateimmunity. Nature 2013； 494：489-491

jcyyhlb

谢谢老师的资料分享，学习了解了。

神仙鱼

深度好文章，谢谢老师的分享！果断收藏！

狼头

好复杂 但看完了收益匪浅

纤手素琴

世间万物均有其生存的意义