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病毒:在塑造人类演变方面的非凡作用

病毒给我们感染来自Covid-19和艾滋病的普通感冒。但研究表明,他们也可能在塑造演变方面发挥了关键作用 HOMO SAPIENS. .

冠状病毒,zika,埃博拉,流感,甚至是无聊的老 普通感冒 - 我们都熟悉瘟疫人类的病毒。但是,虽然我们知道他们让我们生病了,但发现这可能会发现,超过数百万年来,我们已经设法利用和驯化了这些狡猾的入侵者。

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从生命的最早阶段到脸上的微笑, 病毒 对我们的人类进行了巨大影响。

病毒如何工作

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病毒几乎没有一系列基因(通常以称为RNA的分子形式)包装在蛋白质涂层中,并且它们都以相同的基本方式工作。

一旦病毒感染了细胞,它会劫持细胞自己的分子机制以复制其基因并搅拌病毒蛋白。新的病毒由这些新制造的零件组装,最终爆发以寻找新细胞攻击。

对于大多数病毒,如流感,故事结束于那里。但是少数逆转录病毒 - 包括艾滋病毒 - 甚至是鼻子,走私进入我们的方式 脱氧核糖核酸 。它们随机插入生物体的基因组,躺着,直到时间才能再次启动病毒生产。

酶HIV整合酶使HIV允许在宿主细胞的DNA中嵌入件©致动图形

但是,一旦逆转录病毒进入有机体的DNA,就无法保证它会留下来。遗传指令可以从嵌入病毒中“读取”,转化为DNA,然后粘贴到基因组中的另一个位置。一次又一次地重复这个循环,并且迅速积聚病毒DNA的多个副本。

数百万年,这些病毒DNA序列随机突变和变化,失去了它们从宿主细胞中脱离的能力。被困在基因组内,其中一些“内源性”逆转录病毒仍然可以跳到,而其他人则陷入困境,在那里他们持续的地方。

如果这些事件中的任何一种发生在制造鸡蛋和精子的生殖细胞中,那么它们将被传递到几代内,并最终成为生物体基因组的永久部分。

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大约一半的人类基因组由数百万的DNA序列组成,可追溯到长死亡病毒或类似的“跳跃基因”,共同称为可转换元件或转座子。

一些研究人员甚至将这个数字升级为80%,因为古代序列现在退化超出了可确认的病毒样的程度,如分子等基因组风化 化石 .

多年来,重复的重复病毒衍生的DNA乱扔垃圾的大块被丢弃的人类基因组被驳回为“垃圾”。这种重复性的比例无疑是我们遗传躯干中的垃圾,但随着研究人员在个人病毒元素看起来更仔细,更复杂的画面正在出现。

事实证明,除了我们的遗传敌人,我们基因组中嵌入的一些病毒已成为我们的奴隶。

Syncytin Evolution.

大约在15年前,美国研究人员发现了一种人类基因,只能在胎盘中活跃。它们称为Syncytin,因为它使得融合胎盘细胞在一起的分子,产生称为同步纲的特殊组织层。好奇地,Syncytin看起来很像来自逆转录病毒的基因。

后来发现了另一个Syncytin基因,这也参与形成胎盘以及预防母亲的免疫系统在她的子宫内攻击胎儿。同样,基因看起来像是来自逆转录病毒。

但是,虽然人类和其他大型灵长类动物具有相同的两个Syncytin基因,但在任何其他哺乳动物中未发现它们在胎盘中具有相似的熔融细胞层。

病毒可能在人类胎盘的发展中发挥了作用©Getty Images

小鼠还有两个Syncytin基因:他们做了与人类版本相同的工作,但它们看起来像完全不同的病毒。并且还有另一个单独的病毒衍生的Syncytin基因 小狗 ,两者都从同一个肉食祖先下降。

显然,所有这些哺乳动物物种都受到几百年前的特定病毒感染的。随着时间的推移,已经利用这些病毒在胎盘生长中发挥关键作用,使它们成为我们基因组中的永久夹具。

有趣的,猪和马在其胎盘中没有一层稠合的细胞,并且它们也没有任何看起来像病毒衍生的合成的基因。所以也许他们从未抓住了其中一个融合病毒。

跳跃基因

虽然Syncytin的病例揭示了病毒基因的批发通过,但还有更多的古代病毒序列如何影响当今人类的基因活动。

在20世纪50年代,长期忽视的美国遗传学家芭芭拉麦克兰特克丁的精心详细工作揭示了“跳跃基因”可能会影响玉米植物的基因组。

就像在玉米中鉴定的“跳跃基因的麦克兰座一样,在我们自己的人类基因组中潜伏的内源性逆转录病毒一直在数百万多年来,随机跳跃,并在其直接附近改变基因的活动。

Barbara McClintock首先确定了“跳跃基因”在玉米©Getty Images的影响

我们的细胞在试图阻止这些病毒元素继续跳跃时投入大量的能量。它们被标记并用化学标签锁定,称为 表观遗传学 分数。但是,随着病毒元素的移动,这些分子沉默者与它们一起移动,因此病毒序列的效果可以随时随地蔓延到邻近的基因。

相反,病毒也充满了吸引切换基因的分子的DNA序列。在功能性逆转录病毒中,这些“开关”激活病毒基因,使其再次变得感染。但是当类似病毒样序列在基因组中的另一个区域被拼接到基因组中时,这种充当遗传开关的能力最终可能会流动。

2016年,犹他大学的科学家发现,人类基因组中的内源性逆转录病毒 - 最初来自一种感染我们的祖先的病毒,大约4500万到6000万年前 - 开关一个名为AIM2的基因 当它检测称为干扰素的分子时,这是警告身体患病感染的“危险信号”。然后将感染的细胞迫使受感染的细胞自毁,以防止感染进一步扩散。

这些古老病毒已成为“双重代理商”,帮助我们的细胞解决正在攻击我们的其他病毒。

© Charis Tsevis

在称为PRODH的基因附近发现了可能形成我们物种的病毒的另一个例子。 PRODH在我们的脑细胞中发现,特别是在海马中。

在人类中,该基因由由长止血剂制成的控制开关激活。黑猩猩也有一个版本的ProDH基因,但它在他们的大脑上几乎是如此活跃。

一项可能的解释是,古代病毒在我们的长死亡祖先,数百万年前的祖先旁边的副本似的副本,但这在祖先的灵长类动物中没有发生在今天的黑猩猩中。

如今,Prodh中的错误被认为参与某些大脑疾病,因此它很可能对人性大脑的接线至少有某种影响。

同样,遗传交换机的变化对细胞之间的差异负责,因为我们在子宫中生长和黑猩猩的细胞之间的差异。虽然我们的基因几乎与黑猩猩基因相同,但我们肯定看起来不一样。因此,差异必须位于控制开关中。

通过他们的DNA序列来判断,许多活跃的细胞中的开关似乎最初来自病毒,这一定必须跳到我们今天的进化物种的进化型物种中的某个时候。

病毒驯化者

除了寻找改变我们生物学的长死病毒的例子,科学家正在寻找支持其效果的控制机制。关键的罪魁祸首是称为Krab锌指蛋白(Krab ZFPS)的特殊沉默分子,其抓住基因组中的病毒序列并将它们固定到位。

教授Didier Trono. 他的团队在瑞士洛桑大学发现了​​300多种不同的Krab ZFPS在人类基因组中,每一个似乎更喜欢不同的病毒衍生的DNA靶标。在那里,他们有助于招募转动基因的分子机械。

“这些Krab ZFP已被视为这些内源性逆转录病毒的”杀手“,”Trono解释道。 “但它们实际上是这些元素的剥削者,让生物体利用所在的病毒序列中的大量可能性。”

Trono和他的团队认为Krab ZFPS是有害性序列之间的缺失的链接,这些链接是积极有害的,并且已经成为命名控制开关的病毒序列。

他们有证据表明,蛋白质在某种“军备竞赛”中,蛋白质已经与病毒元素一起发展,最初抑制了它们,但最终抑制了它们。

“我们认为他们所做的是驯化这些元素,”Trono说。 “并通过驯化,我的意思是不仅确保病毒留下来,而是将它们转化为对宿主有益的东西,这是一种非常精致的对所有可能的细胞和情况中基因活性的方式。”

在我们的进化中,我们已经感染了病毒,但埃博拉(这里被图为)最近才出现。

支持此思想是发现不同类型的Krab ZFPS在不同类型的细胞中有效的发现。他们也发现了不同物种的特定模式。

如果它们只是抑制病毒,则参数出现,所有细胞都应该存在相同的蛋白质阵列。更重要的是,为什么他们会被发现与Trono和他的团队已经确定的数千个长死亡病毒元素有限?

没有点抑制死逆转录病毒,因此他们必须在控制基因活动中发挥重要作用。

虽然他的想法仍然有点争议,但Trono将Krab ZFPS视为病毒奴隶的力量,利用这些元素进行我们的竞标并将它们转化为遗传控制开关。

超过数百万年,这可能是一个强大的马达,用于创造新物种。例如,如果病毒随机地在一个祖传生物中跳上跳跃而不是另一个,并且随后被Krab​​ ZFP随时间驯服,它将创建可能对动物的外观或行为产生重大影响的新控制交换机。

更重要的是,这些跳跃元素在环境变化时变得更加活跃。随着时间的推移,物种需要找到适应的新方法,或者他们会消失。

激活这些移动元件重组基因组,呕吐新的遗传变化,为自然选择提供丰富的饲料以进行工作。

病毒:好的,坏的和有益的

很明显,在我们的基因组中陷入的病毒给我们带来了巨大的益处,对进化的时间迈出了。但他们并不是那么乐于助人。在20人中的一个人类婴儿出生在其基因组中的新病毒“跳跃”,这可能会停用重要的基因和引起疾病。

越来越多的证据表明跳跃的转座子有助于内部的遗传混乱 癌症 细胞。有趣的研究表明,脑细胞是重新激活跳跃基因的特别良好的位置,可能增加神经细胞的多样性并增强我们的脑力,但也可能导致衰老相关的记忆问题和精神分裂症等病症。

“切割和糊”酶转子酶(蓝色和紫色)​​的两种分子抓住DNA转座子(粉红色)的自由端,准备插入基因组中的新位点。

这些病毒在我们的DNA中我们的朋友或我们的敌人是什么? Paolo Mita是一位在纽约纽约纽约医学院研究的博士后研究所,表明它有点两者。

“我称之为我们的”狂热“,因为当你在一个人类寿命中的角色时,最有可能被动员存在消极的影响,”他解释道。 “在短期内,他们是我们的敌人。另一方面,如果您正在观察时间,这些元素是强大的力量 进化 他们今天仍然活跃于我们的物种。

“进化只是让生物响应环境变化的方式,在这种情况下,他们绝对是我们的朋友,因为他们已经形成了我们的基因组现在如何运作。”

这种病毒是今天感染我们的,如艾滋病毒,将来会对我们的进化产生影响吗?

“当然!答案是为什么不呢?“笑mita。 “但是在我们回顾并说出这种进化之前,这将是很多世代。

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“但是你可以看到内源性逆转录病毒和宿主细胞之间的基因组中先前臂谱的残余。这是一个连续的战斗,我认为它没有停止过。”

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