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主要内容

病毒的演化

病毒的演化和遗传变化。抗药性艾滋病毒。流感病毒重新分类。

要点:

  • 病毒经历进化和自然选择,就像基于细胞的生命一样,并且大多数病毒进化迅速。
  • 当两种病毒同时感染一个细胞时,它们可能会交换遗传物质,以产生具有独特性质的新型"混合"病毒。例如,流感毒株可以以这种方式出现。
  • RNA病毒具有高突变率,导致其特别快地进化。艾滋病毒耐药性的演变就是一个例子。

介绍

你有没有想过为什么每年都有不同病毒株出现?或者艾滋病毒是如何具有耐药性的?
对这些问题的简短回答是病毒进化了。也就是说,病毒群的"基因库"会随时间而变化。在某些情况下,人群中的病毒(如一个地理区域中的所有流感病毒,或患者体内所有不同的 HIV 颗粒)可能通过自然选择演变。随着时间的推移,有利于病毒繁殖的可传染性特征(如流感的高传染性或艾滋病毒的耐药性)在病毒人群中会越来越普遍。
病毒不仅进化,而且进化速度也往往比宿主(如人类)更快。这使得病毒进化成为一个重要话题——不仅对研究病毒的生物学家,而且对医生、护士和公共卫生工作者,以及任何可能接触病毒的人(提示:这代表我们所有人!)。

病毒的变异

只有当自然选择有正确的起始材料——遗传变异时,才能进行自然选择。遗传变异意味着一个种群中有一些可遗传的基因差异。在病毒中,变异来自两个主要来源1
  • 重组:病毒交换大块的基因材料(DNA或RNA)。
  • 随机突变:发生在病毒的DNA或RNA序列中的变化。
    我们可以看到我们周围病毒的变化和演变,前提是我们要知道去观察病毒的哪里——比如,在每年新出现的流感毒株中。

混合:重组

在我们专门研究流感之前,让我们先来看看病毒是如何通过一个叫做重组的过程来交换DNA和RNA的。
重组通常发生在两个病毒同时感染同一个细胞时。由于两种病毒都使用细胞来生产更多的病毒颗粒,因此会有很多病毒部件——包括新制作的基因组——同时漂浮在细胞中。
在感染同一细胞的两种病毒株之间的重新分配。
毒株A有八段遗传物质。 毒株B也有八个片段,它们具有相似的基因,但是不同的版本。
两种菌株共同感染同一个宿主细胞。基因段在宿主细胞中混合。
这导致重组病毒的产生。重组病毒具有 A 型毒株的 3、6、7和8片段,B 型的片段 1、2、4和5。
图片来源: "片段重配," 由 ViralZone/瑞士生物信息学研究所, CC BY-NC 4.0.
在这种情况下,重组可以以两种不同的方式进行。首先,病毒基因组的类似区域可以配对,并交换片段、物理断裂和重新连接DNA或RNA。其次,具有不同片段(类似小染色体)的病毒可以交换其中一些片段,这个过程称为重配2,3

重组和流感

流感病毒是重配的能手。他们有八个RNA片段,每个携带一个或几个基因4
当两种流感病毒同时感染同一细胞时,细胞内产生的一些新病毒可能具有混合的片段(例如,A型1-4段和B型菌株的片段5-8)。
人类流感病毒和禽流感病毒感染同一个猪细胞。每个病毒的基因组都有八段RNA。
当细胞中新病毒被制造时,片段被混合。
各种不同的重组可以发生。例如,我们可以得到一个含有从人类病毒中获取片段1-4,合从另一个片段获得 5-8 的片段的病毒颗粒,反之亦然。
猪是流感病毒的众所周知的"混合容器"5 。猪细胞可以识别,从而感染,人和禽流感病毒(以及猪病毒)6。如果猪中的细胞同时感染了两种类型的病毒,它可能会释放含有人类和鸟类病毒混合基因物质的新病毒。
这种交换在本质上对流感病毒是常见的。 例如,还记得2009年导致流感大流行的H1N1流感毒株("猪流感")吗?H1N1病毒来自人类和鸟类病毒的RNA片段,以及来自北美和亚洲的猪病毒。这种组合反映了多年来一步步发生的产生这种H1N1病毒株的一系列重组5,7

病毒突变

我们已经看到重组如何影响病毒进化,但是突变呢?突变是病毒遗传物质(DNA或RNA)的永久变化。病毒如果在复制DNA或RNA时出现错误,就会发生突变。
有些病毒的突变率非常高,但这不是普遍的情况。一般来说,RNA病毒的突变率往往很高,而DNA病毒的突变率往往较低8
为什么会这样呢?关键的区别在于复制机制。大多数DNA病毒使用宿主细胞的酶复制其遗传物质,称为DNA聚合酶,其可以"校对"(捕捉并修复错误)。 RNA病毒使用称为RNA聚合酶的酶,这些酶不进行校对,从而犯更多的错误9

案例研究:艾滋病毒抗药性

人体免疫缺陷病毒HIV)是引起获得性免疫缺陷综合征艾滋病AIDS)的病毒。HIV是一种具有高突变率的RNA病毒,并且进化迅速,导致耐药毒株的出现。

HIV病毒的高突变率

由于像HIV病毒这样的RNA病毒的突变率很高,因此在患者体内的HIV病毒种群中会有很多基因变异。许多突变将是有害的,突变病毒将简单地"死亡"(无法繁殖)。然而,一些突变帮助病毒在特定条件下繁殖。例如,突变可能对药物产生抗药性10

HIV病毒抗药性的演变

某些药物可以通过抑制关键的病毒酶来阻止艾滋病毒的复制。服用这些药物之一将首先降低病人的病毒水平。然而,过了一段时间,HIV病毒水平通常"反弹"并恢复到高水平,即使药物仍然存在。换句话说,病毒的抗药性形式出现10
为了了解为什么会发生这种情况,让我们使用特定类型的抗病毒药物,一种逆转录酶抑制剂做例子。逆转录酶抑制剂,如下图所示的奈韦拉平分子,与一种称为逆转录酶(红褐色结构)的病毒酶结合。这种药物阻止酶将HIV的RNA基因组复制到DNA中。如果这种酶没有活性,HIV病毒不能永久感染细胞11
HIV逆转录酶与逆转录酶分子奈韦拉平结合的球棍模型。
图片修改自 "结构探索," 由 David S. Goodsell, RCSB PDB 月度分子, CC BY 4.0.
大多数HIV病毒被奈韦拉平抑制。然而,在HIV种群中,有很小一部分病毒(偶然)在逆转录酶基因中发生突变,使它们对药物产生抗药性。例如,它们可能有一个基因变化,改变药物对酶的结合位点,使药物不再能够锁定和抑制酶活性。
具有这种抗药性突变的病毒将继续繁殖,尽管存在药物,并且几个世代之后,可以恢复到药物施用前的病毒水平。不仅如此,这时整个病毒种群现在都会对药物产生抗药性!

HAART 药物抗药性

如果艾滋病毒能围绕一种药物进化,如何阻止病毒?似乎一种组合方法将会是最好的,即同时服用三种或三种以上的药物。这种治疗方法称为高效抗逆转录病毒治疗,简称HAART。HAART"鸡尾酒"中给出的药物通常针对HIV生命周期的不同部分12,13
HAART 方法之所以有效,是因为一个群体中的任何一个 HIV 病毒都不太可能同时发生三种突变,导致所有三种药物产生抗药性。虽然耐多药形式的病毒最终确实会进化,但多药组合大大减缓了耐药性的进化10
要了解有关艾滋病毒生物学的更多知识,请参阅有关病毒生命周期的文章。要了解有关艾滋病毒和艾滋病的症状、治疗和预防的更多情况,请参阅关于健康与医学部分的艾滋病毒和艾滋病文章。

为什么病毒进化速度如此快?

病毒的进化速度比人类更快。为什么这样?
正如我们在HIV病例中所看到的,一些病毒的突变率很高,提供更多的变异作为起始材料。这有助于它们快速进化。导致病毒快速进化的另外两个因素是种群规模大和生命周期短14
种群越大,它产生具有自然选择可以作用于的特定随机突变(例如,抗药性或高传染性)的病毒的几率越高。此外,病毒繁殖迅速,因此其种群在比宿主更短的时间尺度上进化。比如,HIV病毒在短短52小时之内便可经历一个生命周期;相比之下,人类则要大约2015
我们需要哪些工具来对抗快速进化的病毒?采取措施防止传播,确定治疗新药,开发和使用疫苗都是重要的策略。

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