病毒自起源理论的研究进展

冯元昱，董昊东

（内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古呼和浩特 010070）

病毒作为地球上目前发现的最小生命单位，是一种非细胞结构的生命个体，且不能独立繁殖与生活，必须借助于其他生命个体来完成自身的生命活动[1]。在过去的十几年中，环境基因组学专家发现病毒（特别是噬菌体）是地球上最常见和最丰富的生物实体[2]。除了一些高度降解的胞内寄生细菌，病毒可以寄生在所有细胞生物上。与其在生物圈中的物理优势相辅相成，病毒拥有地球上大部分生物的遗传多样性[3]。病毒特殊的寄生性和广泛的遗传多样性，使得追溯病毒的起源变得困难重重。最近，科学家们提出，生物世界可以分为核糖体编码生物（现代细胞）和衣壳编码生物（病毒）[4]，而现代细胞起源于同一个祖先——LUCA[5]，但是在病毒上没有找到类似的统一的信号分子。而通过对病毒衣壳蛋白的结构分析，发现不同的病毒多次独立选择了自身病毒基因传播方式[6]，并且通过混合不同的衣壳和病毒基因组，不断进化出新型病毒，因此人类永远不可能绘制出类似于现代细胞LUCA树的“病毒树”[7]。所以，了解现代病毒如何起源在一开始就注定了将比了解现代细胞进化的历史更复杂。目前，有关病毒起源的推测众说纷纭，大部分研究者认为病毒是细胞抛出的一个组分，提出了细胞退行性起源假说。有学者提出不能忽视病毒自起源与细胞平行进化的观点。近些年随着分子生物学，生物信息学等一系列新技术的出现，越来越多的证据表明，病毒可能先于细胞出现，有不同于细胞的祖先。故本文将列举一系列的实验研究结果，深入分析病毒起源的自起源理论和平行进化理论。

1 自起源理论的基本概念

自起源理论认为病毒起源于生命前地球的生物大分子前体，然后再进化成原核细胞和真核细胞，进化地位先于细胞。认为在远古地球的生命汤中，寡聚核苷酸和小分子肽等生物大分子前体先形成了“亚生命单位”，再由这些“亚生命单位”发展为亚病毒或病毒，最后通过与类似脂质分子的其他分子相结合，形成现代细胞的雏形。一种病毒在不同的进化压力下最终可以进化成为不同的宿主细胞。生物进化通常遵循从简单到复杂的规律。在物质上，在非生命物质到生命出现这一漫长的过程中，病毒可能正好处于非生物与生物的过渡位置。在结构上，立克次氏体、衣原体等最简单的细胞也比最复杂的病毒更复杂，可以说病毒刚好填补了从化学大分子物质到原始细胞之间的空白。所以，病毒的自起源理论应运而生。

2 RNA世界概念与自起源理论的关系

“RNA世界”概念认为，RNA可以和DNA一样储存和复制遗传信息；RNA酶和蛋白质酶一样，可以催化对生命至关重要的化学反应。虽然如今DNA因其更好的稳定性和耐久性，蛋白质酶因其更丰富和多样化的单体，取代了RNA与以RNA为基础的核酶，但是这并不能否认，甚至是更加证明了RNA在产生生命之前的时期占据了统治地位。Attwater J等[8]的研究发现，在一定的条件下，RNA分子能将单核苷酸聚合成寡聚核苷酸，这表明RNA分子具有自身拼接的功能，并且可以自我复制。Ekland等[9]在Nature上报道了RNA可以自身为模板，聚合三磷酸核苷，有极高的正确配对率。这些实验均表明，RNA极有可能在无蛋白质或者肽出现的生命前时期就已经存在，并将遗传信息通过自身复制传递给子一代RNA分子。然后与其平行产生的多肽相结合，形成RNA-蛋白质复合体，当复合体陷入生命前期的“囊泡”中后即形成了原始的细胞[10]。而另一方面，蛋白酶将RNA逆转录成DNA，与其他分子相结合，形成了有稳定遗传特性的原始原核细胞，最终通过其相应的进化途径发展出真核细胞[11]。且有实验表明，这一设想的病毒进化成细胞的自起源途径，在现代细胞中有着明显的痕迹，如Varmus等[12]报导的细菌的逆转录现象以及近年来分子生物学研究的热点，蛋白质与RNA的复合体——端粒酶，作为真核细胞染色体稳定遗传的必需组分之一，其蛋白质组分能以此RNA为模板反转录成DNA[13]，这些结果在理论和实践上均表明了，RNA世界概念与自起源理论有密切的关系。

3 真核细胞起源对病毒自起源理论的补充

真核细胞的起源是进化生物学中的一个主要问题，且是一个未被完全解决的问题。真核细胞的祖先（LECA）被认为是一类典型的线粒体真核细胞[14]。且另一个与真核细胞起源有关的已知关键信息是，进化保守的真核生物基因被明显分成具有进化亲和力的基因和具有细菌亲和力的基因（以及一些没有被检测到原核同源物）[15]。根据这些约束条件，真核细胞的起源情景主要被分为了两类，一类是推测原代线粒体真核生物起源于古生菌，是古生菌的姐妹群，或者是古生菌一主要分支的姐妹群[16]；另一类情景是由真核生物中线粒体和相关细胞器的普遍存在而推动其进化的[17]。在这两类起源情景的基础上，有学者总结文献，推测真核细胞病毒可能是从一些原核病毒或古菌病毒进化而来[16]，最近有文献还证实了古菌病毒的主要衣壳蛋白与真核生物和细菌的MCP高度同源，它们之间具有密切的进化关系[18]。虽然目前已经有很多证据表明了病毒在古菌、细菌、真核生物这三域中的起源和进化存在着一定关联或顺序，但是依然不能系统全面地证明这一网络的存在，所以这将会是今后研究病毒起源问题的一个重要方向。

4 结语

研究病毒的起源，目的是更系统和全面地认识病毒，为未来能更好的处理由病毒引发的危害人类健康的疾病作出贡献。病毒因其自身生长与繁殖的特殊性，导致在研究其起源与进化的过程中困难重重，且以往的研究发现更偏向于认为病毒是细胞的退行性或者是内源性产物，认为细胞来自同一个祖先。但近年来，随着对病毒起源证据的不断挖掘，研究者们借助基于分子生物学，生物信息学等一系列新的技术方法，取得了一系列研究成果，在更多方向上诠释了病毒先于细胞或平行于细胞起源的可能性和理论存在的必要性。到目前为止，人类虽然还未能完全揭开有关病毒起源的真正谜底，但相信在不久的将来，一定会得到想要的答案。