在很長的一段時間內,基因在物種之間的穿梭,被認為是只存在於簡單微生物個體中的,與人類並無關係,例如溫和噬菌體可將自身基因整合到宿主基因中,成為宿主基因的一部分。
噬菌體作為針對於細菌、真菌等微生物的病毒總稱,常規情況下,在感染宿主微生物後,會在短時間內完成侵入、增殖、破裂等流程,造成微生物死亡。
而溫和噬菌體卻有所不同,溫和噬菌體在侵入宿主後,不會快速的完成複製增殖階段,而是會將本身的基因與宿主基因進行整合,並且會隨著宿主微生物的繁殖,分發到宿主所有的子代中,直到遇到合適的機遇,溫和噬菌體基因才會脫離宿主,破裂而出。
但在繁殖過程中,突變的發生,可能會導致溫和噬菌體基因被永遠的束縛在宿主基因內,成為宿主基因的一部分,導致基因完成了從一種物種到另一物種間的穿梭。
這種現象也被稱作基因平移,而基因平移曾一度被自視基因「純潔」的人類所不齒,直到上世紀60年代,一場席捲了養殖業的「禽白血病」,才讓人類清醒過來。
在研究禽白血病病毒的一次實驗中,美國科學家發現,健康的雞基因中,竟然也存在著這種病毒基因,也就是說這種病毒很可能不是單一的外部感染所致,存在著雞自身基因表達病毒的可能性。
在後續的研究中,科學家們證實了這一觀點,並且發現該病毒基因已經在雞體內存在了數千年之久。
這種病毒的發現,讓科學家開始對人類基因的「純潔」性產生了質疑。
2006年法國科學家海德曼,發現了人體內存在著一種病毒基因,並發現該病毒基因與人類基因的整合,可能已經存在了數十萬年的時間,因其存在時間長久,便對其命名為「不死鳥」病毒,從此「純潔」的人類不再純潔。
隨著生物學的發展,基因測定也相對簡單起來,人類基因的不純潔更容易被檢測,在2015年,《自然》雜誌就曾刊登過一篇報導,稱人類基因中有8%的基因是來自病毒的整合,要知道人類具有功能性的基因才佔25%,而病毒基因所佔8%可以說是非常之多了。
基因序列
2016年《美國國家科學院院刊》,再次公布了新發現的嵌合病毒基因19種,病毒基因在人體內的佔比再次增大。
既然人體內有如此之多的病毒基因,那麼他們到底是如何平移進去的呢?
在原核生物中,基因之間的平移要相對簡單得多,可以是直接攝取的轉化方式;也可以是以性鞭毛為中間介質的接合方式;還可以是以溫和噬菌體為主的轉導方式,但人類包含病毒DNA的原因,相比原核微生物之間基因平移要複雜得多。
能讓人類基因組包含十萬多種病毒基因序列,所有的功勞要歸功於一種病毒,那就是「逆轉錄病毒」。
什麼是逆轉錄病毒?在此之我們就必須先了解一下什麼是逆轉錄?
在百科中,轉錄是指遺傳信息從DNA流向RNA,在酶的作用下以DNA單鏈為模板生成RNA的過程,反之則是逆轉錄。
轉錄
逆轉錄病毒是指一類以RNA為遺傳物質的病毒,在進入細胞後,它會首先將RNA逆轉錄為DNA,並且將DNA插入到宿主細胞的遺傳物質中,形成穩定的重組基因,然後再通過轉錄、翻譯在宿主細胞內繁殖。
一般這種病毒的感染都會以宿主細胞的破裂或機體的死亡而結束,但是由於突變等隨機因素的存在,病毒基因被整合在宿主基因後,可能出現病毒被壓制,個例存活下來的情況,這就導致病毒基因和宿主基因的整合基因,會隨著宿主細胞分裂而複製。
如果剛好病毒基因出現在生殖細胞中,則宿主的下一代自然就攜帶了此種病毒的基因,從而被一代一代的傳了下去,而這種在脊椎動物體內存在基因片段的逆轉錄病毒又被稱做內源性逆轉錄病毒,
我們體內8%的病毒基因,正是在受到這種病毒感染後留存下來的,通過數百萬年,甚至數千萬年的積累而獲得的。
弄清楚是怎樣來的,我們就要關注一下,對我們是否有危害了?
突變是生物進化的必要因素,在人體內存在的病毒基因,可以分為三種情況來看,第一部分在隨宿主進化的過程中,因突變失去了再復活的可能性,而另外一部分則在人體內以不活性(靜默)的狀態存在著,除非用有特定的條件誘發,才會產生毒性,最後一部分的病毒基因在宿主的整合下被徵用,成為了有利於宿主的正向基因。
我們一一舉例來看。
內源性逆轉錄病毒HERV-L,可以說是失去再復活能力的代表,此病毒是現發現最古老的內源性逆轉錄病毒,大約在1到1.5億年前融入了我們共同的祖先體內,因其基因序列被分解到了各個基因組中,現未發現會造成危害。
我們上文中提到的「不死鳥」病毒,正是處於靜默狀態下的內源性病毒之一,由於突變使得該病毒在不同的個體中,變異部分不同,所以法國科學家海德曼在測定了不同個體的病毒基因序列後,利用數據計算,成功的合成了該病毒的活性DNA,此實驗完全可以說明,當出現誘變的情況下,該病毒完全可以再次突變出現活性,開始表達製造病毒。
有利於宿主的最典型例子,是與哺乳動物的胚盤形成有關,研究表明,哺乳動物的受精卵在子宮內著床後,會在外層形成一種特殊的合胞體滋養層,可增強胎兒內外物質的傳輸和交換。
合胞體滋養層形成是胚盤外層細胞分泌合胞素的結果,合胞素讓胚胎外層細胞粘接在一起,保護了分子在胚盤細胞內的流通,而合胞素卻是由病毒基因表達而來,這表明病毒基因與哺乳動物胎盤的形成有關。
並且在對照試驗中,科學家刪除小鼠的這一基因後,發現小鼠胚胎無一存活。
從談「毒」色變到依賴共生,病毒並未像我們所認識的那樣,百害而無一利,從自視「純潔」到雜合,人類總是在探索中前進,對基因的認識越多,越感嘆自然界的神奇。
因此將所有的人類文明建立都歸功到自身,顯得專制了點,病毒就像人類進化中的催化劑一樣,多了少了都無法達到預期的效果,只有恰到好處,才顯得完整。