毀滅,還是創造?

無論是眼下正在給我們製造困難的COVID-19,還是自遠古以來就一直困擾人類的許多疾病,躲在它們背後的罪魁禍首都是病毒。在我們心裡,病毒有著很差的名聲,它們是威脅生命的敵人。難道,這些臭名昭著的病毒就沒有任何值得讚許的地方嗎?

其實在許多生物學家心中,至少有一種特定類型的病毒,或許可以被冠以「英雄」的稱號,這類病毒就是噬菌體。

噬菌體是一些能夠感染細菌的病毒,它們攜帶大量通常存在於細菌中的基因,並且能利用這些基因來對付它們的細菌宿主。

噬菌體是這個星球上最富集的生命形式,有大約10³¹個噬菌體時刻遊蕩在世界各地。它們與全球的微生物環境息息相關,無論是在陸地上還是海洋中,它們都控制著各種菌群。每天,海洋中有高達40%的細菌會被噬菌體殺死。可以說,在控制全球的細菌繁殖和有機物的重新分配方面,噬菌體起到了重要作用。

許多從事生物醫學研究的科學家對噬菌體非常感興趣,因為它們可以有選擇地殺死細菌。現在,科學家已經將一些天然的和經過生物工程改造的噬菌體成功地用於治療對抗生素沒有反應的細菌感染。這種能夠幫助抵禦抗生素耐藥性的過程被稱為噬菌體療法。

最近,由馬里蘭大學的生物學家Ivan Erill所領導的一項新研究發現,噬菌體還有另一個重要功能:它們可能是大自然的終極基因修補者,可以製造新的基因使細胞重新獲得新的功能

和所有病毒一樣,噬菌體也有著很高的複製率和突變率,這意味著它們的每次繁殖都會形成許多具有不同特徵的變體。大多數噬菌體都有一個堅硬的外殼,叫做衣殼,衣殼裡充滿了遺傳物質。

在多數情況下,噬菌體的衣殼內所能容納的空間,比它們用於儲存和複製DNA所需要的空間更大。這意味著噬菌體有空間攜帶額外的基因——一些對噬菌體的生存來說並不必要但可以隨意修改的基因。

為了了解這是如何發生的,我們需要更深入地了解噬菌體的生命週期。噬菌體主要有兩種類型:溫和噬菌體烈性噬菌體。烈性噬菌體和許多其他病毒一樣,有著「入侵-複製-殺死」的運作程序,它們進入細胞,劫持細胞的組成部分進行自我複製,然後爆發。

而溫和噬菌體則擅長玩「長線遊戲」,它們將自己的DNA與細胞的DNA融合,可能蟄伏數年,直到有什麼東西觸發它們激活,然後它們才恢復到和烈性噬菌體一樣的運作過程:複製和爆發。

許多溫和噬菌體會將DNA損傷作為觸發它們的因素。DNA損傷危及染色體的完整性,直接威脅細胞的生存。當細菌細胞的DNA受到損傷時,就意味著居住在那裡的噬菌體DNA很可能在下一輪遭到破壞。所以,這時噬菌體會明智地決定「棄船而逃」,引導噬菌體複製和爆發的基因就會被關閉。

細菌細胞也想知道它們的DNA是否被破壞了。如果是,它們就會激活一組試圖修復DNA的基因,這被稱為細菌的SOS應答。其實,細菌的SOS應答是一種解決DNA損傷的廣泛機制,如果SOS應答失敗,細菌細胞就會遭殃。

當一個溫和噬菌體感染一個細菌細胞並將其基因組與細胞的DNA整合在一起時,它通常會處於休眠狀態,直到被觸發衝出細胞。但一旦噬菌體的DNA成為細菌的一部分,突變就會破壞噬菌體的遺傳物質,使其失去活性。這意味著當DNA損傷發生時,噬菌體將無法重組並爆發出來。隨著時間的推移,細菌可能會調整噬菌體的開關來控制自己的SOS反應基因。| 圖片來源:Miquel Sánchez-Osuna / BioRender.com

細菌會利用一種能夠對DNA損傷做出反應的類似開關的蛋白質,來協調SOS應答——如果有損傷,它就打開;如果沒有損傷,它就關閉。迄今為止,科學家發現除了擬桿菌門(Bacteroidete)之外,大多數主要細菌群都具有這種SOS應答特徵。

然而,科學家一直在思考這樣一個問題:究竟是誰發明了這種開關,是細菌還是病毒?

之前的一些研究表明,最先「抵達戰場」的應該是噬菌體。在Erilll等人的最新研究中,他們發現擬桿菌的SOS應答是在噬菌體開關的控制下進行的,噬菌體開關被重新組裝,以實現細菌自身複雜的遺傳程序。這表明細菌SOS開關實際上是噬菌體開關,在很久很久以前就被重新組裝。

噬菌體的發明創造中似乎還不只有細菌開關,有研究表明,細胞分裂所需的細菌基因也是通過噬菌體毒素基因的「馴化」而產生的。許多細菌攻擊系統,比如毒素和將它們注射到細胞中的基因槍,以及它們用來逃避免疫系統的偽裝,都被認為有可能源自噬菌體。

即便如此,你可能仍然會覺得,就算噬菌體能給生命帶來種種助益,但被感染上病毒肯定不是什麼好事。其實,越來越多的證據表明,感染植物和動物的噬菌體也是這些生物體遺傳創新的一個主要來源。例如,馴化的病毒基因在哺乳動物胎盤的進化和保持人類皮膚溼潤方面發揮了關鍵作用。

最近甚至有證據表明,容納了DNA的細胞核也可能是病毒發明的。研究人員還推測,今天病毒的祖先可能率先使用DNA作為生命的主要分子。這可不是個小壯舉。因此,儘管你可能習慣於認為病毒是典型的惡魔,但它們可以說是基因創新的自然動力。人類今天的存在很可能就是因為它們。

#創作團隊:

原文:Ivan Erill

編譯:小雨

#參考來源:

https://theconversation.com/viruses-are-both-the-villains-and-heroes-of-life-as-we-know-it-169131

#圖片來源:

Zappys Technology Solutions / Flickr