諾獎科學家解密:如何破解有3萬個鹼基對的新冠病毒

2020-12-13 澎湃新聞

原創 Peter Doherty 世界頂尖科學家論壇

導語

還記得之前給大家推送的有趣的「手滑漲粉」的免疫學泰鬥、澳洲「國寶級」諾獎科學彼得·多爾蒂（Peter Doherty）教授嗎？

新冠爆發以來，80歲的多爾蒂教授不僅躬身入局，活躍在新冠疫苗研發一線，更是筆耕不輟，用他慣有的輕鬆詼諧以一周一會的頻率撰文做「科普」。

新的一周開始，科學家和新冠病毒的「死磕」仍在繼續。小編給大家帶來他最新科普文，解讀人類如何發現的DNA編碼機制及新冠病毒作為一種有3萬個鹼基對的RNA病毒該如何破解。

「世界頂尖科學家論壇」（WLF）已經獲得多爾蒂教授的編譯授權。

回到基礎：一切盡在DNA中

你做過基因測試嗎?

花幾百塊錢購買一套工具包，按照其中的說明將自己的唾液密封進一個小試管中，再把它寄回給基因分析公司。這些「尋根DNA」的公司藉助先進的技術和高科技設備，沿著人類基因組的23條染色體，對其上30億個鹼基對之中的大約100萬個「測序快捷鍵」進行分析。

基因測試可能告訴你很多意料之外的家族信息 | 圖片來自網絡

此外，他們還會檢測媽媽遺傳給我們的線粒體DNA。爸爸提供的精子DNA使媽媽的卵細胞受精孕育為胚胎，因此父母對寶寶基因帶來大致相等影響。但是，由於卵細胞的線粒體會攜帶的一點額外的基因，是我們可以追溯到20萬年前的「線粒體夏娃」。

將你的基因信息與現有的大量資料庫進行比較後，這些「基因偵探」可能會告訴你，你的祖先可能來自法國南部、印度、美洲的「新世界」，或者其他一些讓你意想不到的地方。基因測試的結果可能會讓你驚訝於：原來我還有這些血統，原來我如此神秘!

當我（此處指多爾蒂本人）得到自己的結果時，數據認為我是所有澳大利亞白人中最為常見的盎格魯人或愛爾蘭人。這兩種血統都可能包括一些狂暴和掠奪性的維京人基因，這讓我的家族史變得更加戲劇性，也增加了我罹患杜普伊特倫攣縮病的風險。

看到這裡，你也許會好奇：30億個鹼基對到底是什麼？

早在上世紀50年代, 吉姆·沃森和弗朗西斯·克裡克在劍橋大學的卡文迪許實驗室就地取材，用木棒、線、紙板以及一些實驗室既有的材料建立了一個DNA模型。沃森和克拉克向我們展示了遺傳密碼是如何被組織成兩條互補的雙螺旋結構DNA鏈。在此之前，我們已經對遺傳的遺傳學有了很多了解，但對其背後的化學原理卻一無所知。

沃森和克拉克在實驗室搭建出了DNA模型 | 圖片來自網絡

真正的DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋「扭曲階梯」的骨架是由糖（也就是DNA中的「D」，脫氧核糖）和磷酸鹽組成。

而非常簡單的分子的配對氮鹼基，即由腺嘌呤和胸腺嘧啶，鳥嘌呤和胞嘧啶（ATGC）結對而成的核苷酸，組成核酸（DNA中的「NA」）的生物學基礎聚合物，它定義了我們是誰。這些不同A-T、G-C鹼基對的序列就是人類基因學領域的研究人員能夠完全就讀的內容，也是這些基因公司「審訊」的部分。

現在，我們回到今天的COVID-19問題上。

從基因組學的角度考慮，我們可以把發生在我們人類身上的各種變化視為一系列由30億個鹼基對編碼的基因、蛋白質等之間複雜的相互作用，而不是像新冠病毒那樣僅僅由3萬個鹼基對編碼完成。

如果像我們需要應對的病原體是白喉棒狀桿菌，那我們面對的是250萬個入侵鹼基對。人類與細菌的共同之處在於遺傳物質都是DNA。有部分病毒也是如此，比如腺病毒和痘病毒，但HIV，流感病毒或冠狀病毒卻不同。

Photo by CDC on Unsplash

這些都是RNA(核糖核酸)病毒，這意味著胸腺嘧啶(T)被尿嘧啶(U)所取代，因此RNA鹼基配對是A-U,、G-C。3萬個鹼基對的數目對於RNA病毒來說是很大的，與新冠病毒相比HIV病毒的鹼基對有9200個，而流感病毒為13500個。

但是，這些看起來微不足道的病毒卻給我們人類造成致命的危險。他們是怎麼做到的呢？新冠病毒的答案需要我們比較康復者和死亡病例的基因組才能找到，而這些分析可能要到此次疫情大流行完全結束後才能進行。

這些病毒並不像外表看起來那樣簡單。沒有病毒可以獨立的生長或轉移，它們必須入侵宿主然後在活體細胞中進行繁殖。致病性的RNA病毒——新冠病毒入侵我們的呼吸道上皮細胞並在其中使用DNA定向機制。感染發生後，會有越來越多的肺細胞轉化為病毒生產工廠，它會通過線粒體提供必要的能量。

為了尋找更多宿主擴大傳播範圍，這些病毒會在我們在走路時伴著咳嗽、飛沫或體液接觸向外擴散。我們可以想像以下，新冠病毒正在利用我們的眼睛，神經，大腦，肌肉等器官中的多少人類基因產物來確保其不斷傳播擴散、繁殖生存？那這些病毒為什麼要致我們於死地呢？這又是另一個故事了。

當我們試圖去解開COVID-19全球大流行的奧秘時，我們將會對病毒基因組中的突變、核苷酸鹼基的添加或丟失進行跟蹤，同時逐步對新的病毒分離物進行基因測序。這些結果能夠幫助我們搞清楚新冠病毒的傳播路徑、提醒我們再開發疫苗和特效藥物時應注意哪些潛在問題。

當然，這些都只是最基礎的信息。在進一步剖析COVID-19疾病的複雜方面，我們還有很長一段路要走。

（備註：編譯儘可能保留多爾蒂教授的語言風格，原文含義以英文翻譯為準。）

編譯：譯婷

編輯：Kai

責任編輯：小文

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