醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)進(jìn)展詮釋著病毒的起源和進(jìn)化

周 鑫， 楊漫宇， 匡林林， MA Jianjie， ISAACS Williams， 徐學(xué)紅

(1. 陜西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；2. Ohio State University Medical Center Columbus OH, USA；3. Hopkins University School of Medicine Baltimore MD, USA)

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·實驗技術(shù)·

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)進(jìn)展詮釋著病毒的起源和進(jìn)化

周 鑫1， 楊漫宇1， 匡林林1， MA Jianjie2， ISAACS Williams3， 徐學(xué)紅1

(1. 陜西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；2. Ohio State University Medical Center Columbus OH, USA；3. Hopkins University School of Medicine Baltimore MD, USA)

在人類依然抗?fàn)幹萘鞲胁《尽滩〔《疽约癝ARS病毒等對生命威脅和享受現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及分子生物學(xué)的最新研究成果的同時，思考病毒的起源和進(jìn)化的分子機(jī)理是痛定思痛且必須關(guān)心審視的醫(yī)學(xué)科學(xué)問題。病毒是介于生命與非生命間的非細(xì)胞生命體，關(guān)于它的起源及進(jìn)化有3種觀點:①自起源理論，病毒先于細(xì)胞產(chǎn)生于生命前地球，然后進(jìn)化成原核細(xì)胞及真核細(xì)胞；②平行進(jìn)化理論，病毒和細(xì)胞是在生命前環(huán)境條件下同時平行起源而成，進(jìn)化過程中形成寄生于細(xì)胞的關(guān)系；③細(xì)胞源退化理論或逆向理論，病毒是細(xì)胞形成之后，向外“拋出”的大分子或其復(fù)合體，來源于并寄生于細(xì)胞。近些年的分子生物學(xué)的一些進(jìn)展揭示：理解并接受病毒起源的多元性，認(rèn)同病毒在生命歷史起源進(jìn)化的多機(jī)制特征，是回答自然賦予的這一生物醫(yī)學(xué)課題命題的最合理答案。

病毒起源； 逆轉(zhuǎn)錄； 朊病毒； 起源與進(jìn)化多元性

0 引 言

病毒是目前地球上所發(fā)現(xiàn)的最小生命單位，是一種最簡單的非細(xì)胞結(jié)構(gòu)生命形式，其生活和繁殖必須借助于其他生命個體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)生命個體[1]。從多細(xì)胞高等動物植物到僅有一個細(xì)胞的動植物和微生物，從結(jié)構(gòu)和功能高度分化的真核細(xì)胞到進(jìn)化地位公認(rèn)低于真核細(xì)胞、結(jié)構(gòu)和功能相對簡單的原核細(xì)胞，都可以是其賴以生存的宿主。病毒在離開其宿主時，不能表現(xiàn)出生命的最主要特征——繁殖，即使是在充滿構(gòu)建生命大分子材料的環(huán)境中，細(xì)胞結(jié)構(gòu)生命體足以生存的情況下，沒有其所需的特定宿主，病毒依然不能繁殖，這顯然是一種非生命狀態(tài)；非生命狀態(tài)的病毒，只有在進(jìn)入細(xì)胞后，或者說接觸到宿主細(xì)胞時，才表現(xiàn)生命狀態(tài)，進(jìn)入細(xì)胞的遺傳物質(zhì)利用宿主的遺傳復(fù)制裝置和蛋白質(zhì)合成裝置以及相關(guān)的分子調(diào)控系統(tǒng)，制造起自身繁殖所需的組件蛋白質(zhì)，和能使自身特性穩(wěn)定遺傳于子代病毒的基因組核酸[1]。顯然，病毒這種生命形式是一種介于生命狀態(tài)和非生命狀態(tài)間的準(zhǔn)生命形式。

關(guān)于病毒的起源及進(jìn)化地位，目前可歸納簡述為：① 自起源理論，該理論認(rèn)為病毒先于細(xì)胞產(chǎn)生于生命前(pre-biotic)地球，然后進(jìn)化成原核細(xì)胞及真核細(xì)胞；② 平行進(jìn)化理論，該學(xué)說認(rèn)為病毒和細(xì)胞是在生命前環(huán)境條件下同時平行起源而成，進(jìn)化過程中形成病毒寄生于細(xì)胞的關(guān)系；③ 細(xì)胞源退化理論或逆向理論，依據(jù)相關(guān)證據(jù)該理論認(rèn)為，病毒最初是細(xì)胞中的組份，進(jìn)化過程中逐漸丟失掉寄生生活中非必需的能夠獨立生活的基因，最初是由于某種原因，細(xì)胞向外“拋出”的大分子、大分子復(fù)合體或“小細(xì)胞”，來源于并寄生于細(xì)胞。這3種假定起源程式，最終形成現(xiàn)在存在的病毒的完全寄生方式。雖然，部分生物學(xué)工作者偏向于第3種觀點，但從近些年的現(xiàn)代分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的一些重大進(jìn)展來看，特別是瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎授予對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影響經(jīng)久不息的[2-5]“朊病毒(prion)”的發(fā)現(xiàn)者，加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Stanley B Prusiner；時隔幾年后，又將該獎項授予了拯救千萬人生命[6-8]的導(dǎo)致人類宮頸癌的“皰疹病毒(human papilloma viruses)”的發(fā)現(xiàn)者和導(dǎo)致人類免疫性缺陷疾病的逆轉(zhuǎn)錄RNA病毒“人類免疫缺陷病毒HIV(human immunodeficiency virus)”的發(fā)現(xiàn)者，德國癌癥研究中心的Harald zur Hausen和法國巴斯德研究所的Fran?oise Barré-Sinoussi及世界艾滋病研究防護(hù)基金會的Luc Montagnier[9-11]，次年又授予霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Carol W. Greider等，以表彰其發(fā)現(xiàn)揭示癌癥及衰老奧秘[12-14]的具逆轉(zhuǎn)錄特性的端粒酶；這都使廣大關(guān)注這一重大自然命題的哲學(xué)及自然科學(xué)工作者認(rèn)識到，摒棄另外兩種觀點是不科學(xué)的。在已經(jīng)或依然抗?fàn)幹萘鞲胁《?、艾滋病病毒以及SARS病毒等的過程中，享受著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及分子生物學(xué)的最新研究成果的同時，也思考著病毒起源與進(jìn)化的基礎(chǔ)科學(xué)問題，而只有理解并接受病毒起源的多元性，才應(yīng)是回答自然賦予的這一神秘命題的最有說服力的答案。

1 病毒的類型、生命的特征及起源的相關(guān)理論

病毒不僅生命形式低級，而且維持其低等生命形式的組份，比較于細(xì)胞結(jié)構(gòu)生命也顯得極為簡單。通常所見的病毒，氨基酸單位重復(fù)構(gòu)成位于病毒表面的蛋白質(zhì)規(guī)則多面體形狀，遺傳物質(zhì)核酸包裹于其中，部分病毒表面還包有主要由雙親性脂類構(gòu)成的囊膜。數(shù)種蛋白質(zhì)、一條核酸即構(gòu)成了這一生命形式，極為簡單。更有甚者，僅有一條RNA單鏈的類病毒和僅有一條肽鏈的朊病毒，也像其他常見病毒一樣具有感染性，這兩種病毒即是到目前為止發(fā)現(xiàn)的世界上最簡單的生命。歷史上，瘋牛病在西方人日常生活上留下了可怕陰影，這種導(dǎo)致他們主要食品來源危機(jī)的朊病毒性家畜疾病，即是這種最簡單生命形式寄生于高等脊椎動物，極端復(fù)雜且高度分化的真核細(xì)胞所致，瘋牛病朊病毒寄生的結(jié)果是直接導(dǎo)致畜牛大腦神經(jīng)元細(xì)胞死亡，從而在腦組織形成“空洞”。同時朊病毒也會導(dǎo)致人類疾病，如克雅二氏病，根據(jù)腦部受破壞區(qū)域不同癥狀也不同，致死率極高[15]。極強(qiáng)的致死性，使這種最簡單生命形式的病毒的種類十分稀少。

自Miescher從外傷病人繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出富磷有機(jī)化合物——核素(即DNA)后，Avery以其經(jīng)典的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗精巧地證明轉(zhuǎn)化因子是DNA以來，科學(xué)家們已公認(rèn)核酸是一切生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。雖然依據(jù)病毒的大小，形態(tài)結(jié)構(gòu)和易感染宿主等性質(zhì)，有詳盡的分類系統(tǒng)，但通?？筛鶕?jù)核酸的種類將病毒分為兩大類，即DNA病毒(包括雙鏈DNA病毒和單鏈DNA病毒)和RNA病毒(包括雙鏈RNA病毒和單鏈RNA病毒)。前者可以轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白，后者可以反轉(zhuǎn)錄成DNA最后進(jìn)入經(jīng)典的中心法則[16-17]，逆轉(zhuǎn)錄RNA病毒的發(fā)現(xiàn)，如AIDS病毒HIV和其在動物體及人類中的傳播方式，如它僅僅在大猩猩這一特有的動物體內(nèi)能像在人類中發(fā)病一樣以及在恒河猴體內(nèi)能以潛伏無癥狀的表象傳播以外，在其他動物體內(nèi)均不能存活以及分子生物學(xué)上各類機(jī)理的發(fā)現(xiàn)[18-21]表明：這一獨特的病毒與宿主的關(guān)系，使得病毒在進(jìn)化上的地位更加撲朔迷離，再加上以上朊病毒，這種引起廣大科技工作者廣泛重視的簡單病毒形式。這種從生物大分子本質(zhì)上的分類，為我們探討研究病毒的起源和進(jìn)化地位提供了極具生物學(xué)本質(zhì)特性的有效依據(jù)和途徑。

上述這種介于生命與非生命，既依賴于細(xì)胞才能表現(xiàn)出生命特征，又較細(xì)胞明顯簡單的準(zhǔn)生命形式，其在地球生物物種中的地位以及起源，自病毒發(fā)現(xiàn)之日，就引起自然科學(xué)家的極大興趣。自1898年Beijerinck首次證實細(xì)菌過濾性煙草花葉體，實際上是另一種生命形式，并命名為病毒以來，已有一個多世紀(jì)。百年多的努力，人類依然尚未弄清病毒的起源與進(jìn)化地位，在地球生物的進(jìn)化樹上，我們?nèi)晕礊椴《具@一生命形式找到其確切的位置[16]。

因為病毒這一生命形式具有的獨特生物學(xué)特征，它的起源與進(jìn)化必然與細(xì)胞(包括原核細(xì)胞和真核細(xì)胞)有著內(nèi)在的聯(lián)系。目前，病毒與細(xì)胞在起源上的相關(guān)性，有以下3種理論[17]：

隨著現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)進(jìn)入分子研究水平，病毒起源的這3種假說也正在接受著檢驗。當(dāng)然，檢驗的結(jié)果并不一定就是某兩個觀點的錯誤，某一觀點的正確，兩種或三種以及加之其他觀點的產(chǎn)生相互補(bǔ)也是可能的。誠然，病毒進(jìn)化和起源的多元性更應(yīng)引起自然科學(xué)工作者以及生物醫(yī)學(xué)工作者的重視。

2 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)進(jìn)展與病毒起源理論

2.1 自起源理論：病毒起源于生物大分子前體、進(jìn)化地位先于細(xì)胞

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物學(xué)的發(fā)展已經(jīng)深入到了揭示生命本質(zhì)的分子水平的階段，其中也包括對地球生命起源的探索。特別是近二三十年來，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的研究成果成批涌現(xiàn)，分子生物學(xué)技術(shù)的不斷突破，人類對生命的認(rèn)識日新月異，一些老的理論由于新知識的注入，而重現(xiàn)活力。其中，病毒起源與進(jìn)化的理論也因此而漸現(xiàn)明了。自起源理論認(rèn)為在遠(yuǎn)古地球，小分子肽及寡聚核苷酸等生物分子前體形成“亞生命單位”，這些“亞生命單位”即為或即將發(fā)展為亞病毒/病毒，然后與其他分子，如脂類分子等自組裝/相結(jié)合，如包被于脂類分子形成細(xì)胞的雛形，這種細(xì)胞雛形具有現(xiàn)代細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，脂類分子將小分子肽及寡聚核苷酸與外界“惡劣”環(huán)境隔絕的同時，也為它們進(jìn)一步聚合、特化、偶聯(lián)以及協(xié)同形成生物大分子提供了不可缺少的環(huán)境，最后形成原核細(xì)胞然后進(jìn)化成真核細(xì)胞。在該理論中，顯然亞病毒/病毒在進(jìn)化地位上先于亞細(xì)胞/細(xì)胞。

《RNA世界(RNA World)》的討論專集提出“RNA世界”這一概念，即是在產(chǎn)生生命之前的時期，生物大分子是以RNA占統(tǒng)治地位的。此概念的提出是基于美國科羅拉多大學(xué)Cech等的工作，他們的研究表明，RNA分子具有自身拼接的功能，在一定的條件下，RNA分子也可以具有使單核苷酸聚合成寡聚核苷酸(即RNA)的功能，這一結(jié)果大大擴(kuò)展了人類對生物酶的認(rèn)識，酶不僅是蛋白質(zhì)的概念得到了重要擴(kuò)充，即RNA也是一種酶(核糖核酸質(zhì)酶)，RNA可以自身催化自己的拼接，可以復(fù)制自己[22]。Ekland等在世界著名科學(xué)雜志《Nature》上報導(dǎo)RNA可以以自身為模板化三磷酸核苷聚合，其正確配對率較錯配率高1 000倍[23]。這些實驗表明，RNA極可能在沒有蛋白質(zhì)或者肽出現(xiàn)的生命前時期的條件下，獨立“生存”并將其“遺傳信息”延續(xù)給子一代RNA分子。然后RNA分子再與其平行發(fā)生的多肽相結(jié)合，形成一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，當(dāng)其陷入生命前期的“囊泡”[16]后即形成了原始的細(xì)胞。設(shè)想，在生命前時期，具逆轉(zhuǎn)錄酶性質(zhì)的蛋白酶將RNA逆轉(zhuǎn)錄成DNA，最后形成了具穩(wěn)定遺傳特性的原始原核細(xì)胞，然后通過其相應(yīng)的進(jìn)化途徑最終發(fā)展出真核細(xì)胞[24-25]。實驗表明，這一設(shè)想的病毒進(jìn)化成細(xì)胞的途徑，在現(xiàn)代細(xì)胞中仍有著明顯的痕跡。如，1989年Varmus報導(dǎo)的細(xì)菌的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象[26]，以及近些年來的分子生物學(xué)研究熱點——真核細(xì)胞染色體穩(wěn)定遺傳的必需組分之一，端粒酶，即是蛋白質(zhì)與RNA的復(fù)合體，其蛋白質(zhì)組分能以此RNA為模板反轉(zhuǎn)錄成DNA[12]，這一2009年獲得諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎的工作在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域造成了極大的影響[25]，同時也表明細(xì)胞內(nèi)本身就具有反轉(zhuǎn)錄功能，它向胞外的“拋出”形成現(xiàn)在的逆轉(zhuǎn)錄病毒也是可能的。

自起源理論認(rèn)為，在當(dāng)今出現(xiàn)的病毒種類上仍然保持著進(jìn)化的痕跡，如僅由RNA分子構(gòu)成的類病毒不被一些病毒學(xué)權(quán)威分類歸為病毒類，而屬亞病毒類。又如人類丁型肝炎病毒具有與類病毒相雷同的RNA基因組，不能合成蛋白質(zhì)衣殼，靠利用乙型肝炎病毒衣殼而生存，這些被認(rèn)為是“衛(wèi)星病毒”的亞病毒物質(zhì)進(jìn)化地位明顯低于病毒的進(jìn)化中間體。雖然自起源理論是幾十年前普遍公認(rèn)而隨后又極有可能被自然科學(xué)工作者拋棄的觀點，但現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展，特別是近些年來醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的重大進(jìn)展無疑為這種行將過時的觀點注入了新的血液，使它重新成為了一種不可輕視的理論。

2.2 平行進(jìn)化理論：病毒進(jìn)化平行于細(xì)胞，然后建立與細(xì)胞的依賴關(guān)系

平行進(jìn)化理論與自起源理論都認(rèn)為病毒起源獨立于細(xì)胞起源，不同的是后一學(xué)說認(rèn)為，如前所述在遠(yuǎn)古地球上病毒先于細(xì)胞出現(xiàn)于地球，并為細(xì)胞進(jìn)化的先期生命形式。而平行進(jìn)化理論認(rèn)為，遠(yuǎn)古生命有幾種不同的形式，生命前體分子以兩條相對獨立的進(jìn)化途徑分別形成病毒和細(xì)胞；現(xiàn)在病毒依賴于細(xì)胞生命的格局是進(jìn)化后期，病毒為更有效地應(yīng)對環(huán)境而進(jìn)化成的，是適應(yīng)進(jìn)化的漸變的結(jié)果進(jìn)而在我們面前呈現(xiàn)出復(fù)雜的不同的病毒與細(xì)胞間的關(guān)系。

Piccirilli在《Nature》雜志上發(fā)表評述指出，在生命前期的地球環(huán)境中，首先產(chǎn)生能自我復(fù)制的前RNA(pre-RNA)，有RNA進(jìn)化壓力的迫使而導(dǎo)致的DNA/蛋白質(zhì)世界(DNA/Protein world)出現(xiàn)，直至現(xiàn)今復(fù)雜的包羅萬象的生物世界[27]。同期《Nature》上，Bohler及其同事報道了一種結(jié)構(gòu)上既不同于RNA，又不同于蛋白質(zhì)的大分子肽核酸PNA(peptide nucleic acid)[28],PNA以多聚甘氨酸為骨架(這一結(jié)構(gòu)通常為蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu))，以亞甲基與堿基(通常為核酸的主要組成部分)相鍵合， 兩條結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的鏈形成雙股結(jié)構(gòu)。PNA不僅外觀上與雙股核酸相似，其復(fù)制行為上也與其相同，依照Waston-Crick互補(bǔ)復(fù)制原則而自我復(fù)制。而且PNA在結(jié)構(gòu)組成上以及動態(tài)化學(xué)行為上均介于蛋白質(zhì)和核酸之間。Piccirilli和Bohler及其同事均認(rèn)為，PNA是生命前地球環(huán)境中出現(xiàn)的早于Pre-RNA的物質(zhì)，極有可能是RNA的前體[27-28]。

隨后Lee及其同事在《Nature》上報導(dǎo)了肽(蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的亞單位)可以由比其更小的肽復(fù)制而成的實驗結(jié)果[29]。雖然肽復(fù)制的機(jī)理尚待研究，但由于這一現(xiàn)象完全違背Watson-Crickz中心法則，暗示自然界還存在另一種不同于經(jīng)典的堿基配對的復(fù)制體系，當(dāng)時引起了生物學(xué)界的強(qiáng)烈反響?！禢ature》雜志編輯部委托著名的生物學(xué)家Kauffman在同期刊物上發(fā)表對這一實驗結(jié)果的評議[30]，他認(rèn)為這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在RNA世界尚有許多問題仍待解決的時候，提出我們生命前時期還可能存在另一個(或取代前一個)生物起源發(fā)生的途徑。顯然，肽可以進(jìn)行自身復(fù)制就如同RNA可以自身復(fù)制一樣，在生物起源及進(jìn)化上具有同等重要的意義。

綜合以上分析，Piccirilli提出的地球上生命進(jìn)化起源的可能過程[27]可進(jìn)一步充實如下：

*注：---作者補(bǔ)充的各類病毒起源的可能途徑

根據(jù)以上討論，細(xì)胞由DNA/蛋白質(zhì)世界逐漸演化而成的同時，與之平行，RNA世界可能演變出RNA病毒(如類病毒)，DNA病毒可由DNA/蛋白質(zhì)世界演化而成，而肽世界則可能進(jìn)化產(chǎn)生朊病毒，如圖中虛線所示。這一理論在當(dāng)今生物世界有著很有趣的代表性生物，如朊病毒最早發(fā)現(xiàn)于綿陽瘙癢癥，后又發(fā)現(xiàn)也會導(dǎo)致人類庫魯和雅克綜合癥。這種朊病毒為氨基酸形成的類似肽結(jié)構(gòu)，它自身可以復(fù)制。正常生物中有與其一級序列相同的蛋白和編碼這些蛋白的基因，但它們的高級結(jié)構(gòu)卻決然不同。朊病毒的侵入會使內(nèi)源的肽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將后者轉(zhuǎn)化成朊病毒[2, 3, 5]。從這些最新的分子生物學(xué)發(fā)現(xiàn)和相關(guān)疾病機(jī)理的研究來看，病毒與細(xì)胞平行進(jìn)化，然后形成與后者的依賴性寄生的進(jìn)化觀點也是非常合理的。

2.3 細(xì)胞源退化理論或逆向理論：起源于細(xì)胞產(chǎn)生于細(xì)胞的病毒進(jìn)化起源理論

病毒起源于細(xì)胞的觀點是當(dāng)今生物學(xué)界占主導(dǎo)作用的理論[17]，有大量的實驗支持這一觀點，這里不作贅述。這一理論認(rèn)為，病毒是細(xì)胞在其進(jìn)化過程中“拋出”的一個細(xì)胞組分，由于它來源于細(xì)胞，所以與細(xì)胞有著不可割舍的密切關(guān)系，又由于它雖然源于細(xì)胞卻又只是細(xì)胞的一個組分，所以在細(xì)胞之外不能獨立繁殖生存，它的生命特征必須依賴于細(xì)胞來表現(xiàn)。然而，這些細(xì)胞的組分為何會被細(xì)胞拋出？這一過程是細(xì)胞的主動過程還是被動行為？是一些細(xì)胞死亡留下的活性大分子，待時機(jī)成熟時再回到細(xì)胞？這是一個適應(yīng)進(jìn)化的過程呢還是選擇過程？許多問題當(dāng)前分子生物學(xué)的最新進(jìn)展尚不能解釋，它們的分子機(jī)制是目前該理論尚未解決的問題。

從現(xiàn)代細(xì)胞分子生物學(xué)的研究結(jié)果來看，當(dāng)今細(xì)胞中仍然存在與病毒結(jié)構(gòu)功能接近的類似結(jié)構(gòu)組分。例如，RNA病毒基因組通常具有逆轉(zhuǎn)錄酶基因，而正常生長的原核細(xì)胞中也存在逆轉(zhuǎn)錄酶，這說明其基因組中也包括有相應(yīng)的逆轉(zhuǎn)錄酶基因片段；另外，近些年來的研究結(jié)果表明[25]，真核細(xì)胞遺傳物質(zhì)要穩(wěn)定流向子一代細(xì)胞，染色體上必須的DNA片段之一即是每條染色體線性脫氧核糖核酸的端部必須存在端粒序列，而這一特定序列是不直接受上代DNA模板控制的，它是由一種被稱為端粒酶的來復(fù)制完成的。如前所述，端粒酶是由一個起模板作用的RNA片段和一個起逆轉(zhuǎn)錄作用的蛋白酶構(gòu)成，后者以前者為模板逆轉(zhuǎn)錄成DNA，并連接于真核細(xì)胞每一條染色體DNA雙鏈的末端。顯然，端粒酶的RNA片段和蛋白部分在真核細(xì)胞的基因組中都應(yīng)具有相對應(yīng)的基因。生物學(xué)家們通常認(rèn)為，這些組分形成的復(fù)合體的“拋出”，即是最早的病毒。

顯然，病毒起源觀點三的關(guān)鍵是“拋出”的合理性。那么，在現(xiàn)代生物中是否有這種現(xiàn)象呢？答案是肯定的。從現(xiàn)在我們認(rèn)識到的生命過程來看，多種情況下細(xì)胞會拋出其某些組分。某些動物種類在進(jìn)化過程中，細(xì)胞中染色體數(shù)目有一個片段的流失；轉(zhuǎn)座因子(mobile element)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)就是一個有力的證據(jù)，真核細(xì)胞中有一些基因在一定情況下，會從線性DNA鏈的位置通過RNA的介導(dǎo)逆轉(zhuǎn)錄至另一位置。以上兩種過程中，如遇到該細(xì)胞偶然死亡，細(xì)胞的破裂則會導(dǎo)致DNA或RNA組分的外泄，即“拋出”。細(xì)胞凋亡(apoptosis)的正式發(fā)現(xiàn)使得“死亡與生命生存在生物世界同等重要”的觀點在醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)界被廣泛接受，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者及主要貢獻(xiàn)者S Brenner，H R Horvitz 和J E Sulston于2002年10月7日共享諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎[31]。這一死亡形式是真核細(xì)胞死亡的常見形式，是細(xì)胞的一種正常的死亡方式。所說的正常是指它是生物體發(fā)生發(fā)育生存繁衍所必需，是一種受細(xì)胞自身自主控制的死亡，是一種主動的死亡過程。細(xì)胞在啟動其程控死亡后，細(xì)胞核內(nèi)DNA鏈會被隨機(jī)、非特異性地切割成小的片段。如細(xì)胞在正常死亡過程中，遇外界原因而突然瓦解，這些片段則被拋出細(xì)胞之外，顯然，細(xì)胞中的任何一個片段或碎片都有這種機(jī)會。在現(xiàn)今生物界中，質(zhì)粒經(jīng)常能游離于微生物細(xì)胞之外，又能進(jìn)入相應(yīng)的細(xì)胞之中，已被視為某些病毒起源的可能模式[16]。綜合以上分析，上述過程的發(fā)生，可能會導(dǎo)致各類病毒的起源，拋出的DNA片段(含蛋白質(zhì))可能會形成DNA病毒；拋出一個具逆轉(zhuǎn)錄功能的RNA(也可能含有蛋白質(zhì))，則可能形成RNA病毒；拋出可自我復(fù)制的肽，這可能形成朊病毒。

3 病毒起源、進(jìn)化理論觀點的多元性

許多醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)近期的研究進(jìn)展都表明，像物種進(jìn)化一樣，地球上病毒的進(jìn)化仍然在永不停息地進(jìn)行著，感冒病毒的變異進(jìn)化就是一個典型的例證。流感病毒如禽流感H7N9以及其他同類病毒有一個共同的特點就是基因的變異性極強(qiáng)[32-34]，表現(xiàn)在病毒表面蛋白上即是結(jié)構(gòu)不斷變化，導(dǎo)致每次流行病域的流感感冒病毒對人類都有很大的影響，預(yù)制的疫苗都不能起到相應(yīng)的作用。這樣的病毒特性有不少仍然對人類有著重大的影響，又例如先天性免疫缺陷疾病艾滋病病毒HIV，從發(fā)現(xiàn)它的存在到現(xiàn)在，已有30年的歷史，疫苗的研制工作也幾乎有相同的時間，雖然病毒作用機(jī)理上的研究結(jié)果不斷有突破性的進(jìn)展[10-11]，但是仍然沒有通常意義上的疫苗研制成功。發(fā)生在這些常見的或罕見的病毒身上的作為進(jìn)化的基本動力的變異表明病毒中確實存在現(xiàn)代分子生物學(xué)已有原則不能解釋的“不明機(jī)理”，而且我們認(rèn)為這種特異性不明機(jī)理明顯表示各種病毒對細(xì)胞的依賴性的發(fā)生是迥然而異的，預(yù)示著在變異特性進(jìn)化的不停息的同時，各種病毒進(jìn)化理論都是可能存在的。

2007年，科羅拉多大學(xué)和米蘭大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)，小到幾對核苷酸的DNA 寡聚物就可以在體外自組裝形成液晶狀態(tài)，這是現(xiàn)今為止我們發(fā)現(xiàn)的最早的可能的生命前體狀態(tài)，無需蛋白、RNA或任何其他可能的生命大分子，依靠自身的自由能形成有序的類似前期生命的形式[35]，這一發(fā)現(xiàn)似乎更支持DNA是最早形成的生命起源的假想，但它是否會先形成DNA病毒顯然是不確定的。

病毒是如何起源的，它是在地球生命前時期先于細(xì)胞產(chǎn)生，作為簡單的細(xì)胞前生命體，然后發(fā)展進(jìn)化成？還是在漫長的化學(xué)進(jìn)化過程中與細(xì)胞平行進(jìn)化而同步產(chǎn)生，而后再與細(xì)胞形成初步的寄生關(guān)系，物競天擇，最后成為完全的寄生關(guān)系？或者是它本身就是細(xì)胞的某一或某幾個大分子組份，因某種因素暫時性地以非生命的狀態(tài)獨立于細(xì)胞之外，再次與細(xì)胞接觸時，又能重返細(xì)胞形成寄生的生命狀態(tài)，從而周而復(fù)始地進(jìn)行著自己的準(zhǔn)生命過程？生物學(xué)家及自然科學(xué)工作者們至今尚不能確定其確切途徑。

自然界中，生物的起源和進(jìn)化是一個極其漫長而復(fù)雜的過程，從達(dá)爾文經(jīng)典的物種起源理論，到現(xiàn)代分子生物學(xué)不斷發(fā)展的進(jìn)化學(xué)說，無一不體現(xiàn)這一特性。顯然，病毒的起源和進(jìn)化也不例外，并且，依以上的分析和討論，更充分地表現(xiàn)出進(jìn)化的多樣性。因而，病毒的起源及進(jìn)化極有可能存在不同的途徑，DNA病毒、RNA病毒以及朊病毒分別會依照其自身的軌跡發(fā)祥發(fā)展至今。雖然，病毒進(jìn)化的結(jié)果具很強(qiáng)的統(tǒng)一性，如其繁殖特性表現(xiàn)出對真核及原核細(xì)胞的完全依賴性，和脫離細(xì)胞后完全無生命性質(zhì)的特點，它們的進(jìn)化軌道并不重要，其進(jìn)化途徑很可能是具多元性。起源理論觀點三雖然看起來比較完善，大量的事實都表明它對解釋DNA病毒和某些RNA病毒的起源是比較合理的，有較為充分的研究結(jié)果支持，但對解釋某些特殊的病毒如僅有一個RNA分子的類病毒，僅有一個肽分子的朊病毒，則顯示出明顯的不足。生物學(xué)家們尚未確定細(xì)胞中存在能自我復(fù)制且能催化蛋白質(zhì)合成的RNA分子，也尚未有確切的證據(jù)表明在細(xì)胞中，肽能行使自我復(fù)制的功能。如細(xì)胞中不具這種功能的組份，則不可能向外“拋出”它們，以形成現(xiàn)今的類病毒和朊病毒。這里，病毒起源觀點一和觀點二則顯示出其優(yōu)勢。在生命前時期地球的某些環(huán)境可能造就能自我復(fù)制的前肽物質(zhì)世界，也可產(chǎn)生能獨立復(fù)制、自我拼接的前RNA分子，獨立于細(xì)胞之外，可能產(chǎn)生現(xiàn)今類病毒和朊病毒的前身，然后與細(xì)胞建立寄生關(guān)系，以發(fā)展成類病毒和朊病毒?？磥?，病毒起源觀點一和觀點二并不能簡單地被否定，相反，它們很可能是觀點三所必需的補(bǔ)充。雖然，朊病毒的發(fā)現(xiàn)者S B Prusiner獲得了諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎，但由于這一發(fā)現(xiàn)的意義重大[3-5]，所以有關(guān)朊病毒的爭議尚未結(jié)束。當(dāng)然，正如發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)具有自我復(fù)制現(xiàn)象的分子生物學(xué)家Lee所說的那樣，即只有在發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)能以更小的肽段完成復(fù)制之后，才能進(jìn)一步完善Watson-Crick遺傳物質(zhì)復(fù)制中心原則，同時使病毒進(jìn)化、起源理論的多元性有更充分的實驗證據(jù)。病毒起源這一自然留給我們的神秘命題尚未解決，而至今地球上新的病毒卻在不斷被發(fā)現(xiàn)。是否是生命前物理自組裝進(jìn)化原理任然在地球上進(jìn)行尚不可斷言[36]，但用我們?nèi)祟悓ι举|(zhì)不斷深入的理解和認(rèn)識來看，生命的發(fā)生與延續(xù)在某種意義上看是與細(xì)胞也是與病毒共同進(jìn)化存在發(fā)展的過程，例如，整十年前的SARS病毒犧牲掉了眾多人類生命的同時，我們戰(zhàn)勝了病毒[37-39]，但可以預(yù)料的是它們并不會從地球上徹底消失，而極有可能進(jìn)入潛伏，待條件適宜時再以變異的形式重新再現(xiàn)。

4 結(jié) 語

不同種類的病毒在特性上有著十分重大的差異，它們在細(xì)胞中進(jìn)行其生命過程的具體路線和涉及的代謝途徑也差異頗大。由此推論，僅以一種病毒起源理論解釋所有病毒在地球上的產(chǎn)生，明顯有很大的局限性；而以多種起源理論相互補(bǔ)充，來看待病毒的起源進(jìn)化問題才是科學(xué)的思維途徑。科學(xué)的范式是多元化的范式，并不能以某一范式而統(tǒng)一。病毒起源理論的多元化，是我們早日確定各類病毒在地球生物進(jìn)化樹上的確切位置、完成大自然賦予的這一神秘問題的最合理答案。

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The Origination and Evolution of Virus Base on Contemporary Progress of Molecular Bio-Medicine

ZHOUXin1,YANGMan-yu1,KUANGLin-lin1,MAJianjie2，ISSAACSWilliams3，XUXue-hong1

(1. College of Life Sciences, Shanxi Normal University, Xi’an 710062, China；2. Ohio State University Medical Center；3. Hopkins University School of Medicine)

Along challenging against life-threaten from various viruses for instance avian flu, AIDS, SARS, ect., and enjoying the progresses of molecular biomedicine, it is the time for us to decipher the deep fact on virus origination and evolution. Virus is a non-cell organism existing between life and non-life. It shows a complete parasitic characteristic in its way of living. Concerning its origination and evolution, there are three different hypotheses. One is that virus was generated before cell on the earth of pre-biotic stage. As a former organism, it would evolutinate to prokaryotic cell and eukaryotic cell. The secondary is that both cell and virus were generated simultaneously in the pre-biotic stage. During evolution, virus developed its parasitism on cells. The third is that virus is a macromolecule or macromolecular complex, "being thrown out of cells". It came from cells and was parasitic to cells. Three hypotheses address that eventually, virus evolutinated its complete parasitic style of living. Although the most of biologists believed the third hypothesis previously, they are paying their most attention to all these hypotheses nowadays regarding the proceedings of medical molecular biology. Both proceedings of molecular biology and natural philosophy show that the understanding to the pluralism of virus origination would be the most credible solution to assure the position of virus on the evolution tree on the earth, which accomplished the central dogma of molecular biology.

virus origination; reverse transcription; prion；pluralism of origination and evolution

2014-07-15

國家自然科學(xué)基金資助項目 (31371256)；中央高校團(tuán)隊資助項目(GK201301001)；國家教委外事司邀請項目(MS2014SXSF038)；秦巴山區(qū)持續(xù)發(fā)展協(xié)同中心項目(201310718021)

周 鑫(1989-)，女，山西長治人，博士生，主要研究方向為醫(yī)學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)。

Tel.：18729043246；E-mail: zhouxin19890714@163.com

徐學(xué)紅(1962-)，男，江蘇徐州人，博士， 教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)。

Tel.：13289838136；E-mail: xhx0708@snnu.edu.cn

Q 111

A

1006-7167(2015)05-0005-06