病毒是人类进化的主要驱动力
Nature中文摘要 · 2016/07/21
病原体和它们的宿主之间不断的战争长期以来被认为是进化的主要动力,但是在此之前,科学家们没有工具跨物种和跨基因组地对这些战争模式进行全局研究。在一项新研究中,来自美国斯坦福大学的研究人员使用大数据分析来揭示病毒“影响人类和其他哺乳动物进化”的完整程度。


论文第一作者、斯坦福大学博士后研究员David Enard博士说,“当一种病毒性流行病在进化过程的某一时间点上发生时,该病毒靶向感染的宿主群体要么适应,要么走向灭绝。我们知道这一点,但是真正让我们吃惊的是,我们清晰地发现这种战争模式的强度。这是首次证实病毒对适应产生如此强大的影响。

蛋白质执行各种各样的功能,从而让我们的细胞运转起来。通过揭示蛋白质形状和组成上小的调整(即所谓的蛋白质适应)如何有助人类和其他哺乳动物对病毒作出反应,这项研究可能有助于科学家们找到抵抗现今的病毒威胁的新疗法。

论文通信作者、斯坦福大学生物学系副主任生物学教授Dmitri Petrov博士说,“我们正在了解在过去,细胞中的哪一部分被用来抵抗病毒,同时想必这对有机体本身没有不利影响。这应当有助我们找到用来研究新疗法的蛋白。”

之前对病毒与蛋白之间的相互作用的研究几乎全部集中在直接参与免疫反应的单个蛋白上。最合乎逻辑的是,你会期望找到病毒驱动的蛋白质适应。这是首个研究对所有类型的蛋白进行全局性了解。

Enard说,“这里最大的进展之处不仅是非常特化的免疫蛋白经适应后抵抗病毒。几乎任何类型的蛋白与病毒接触后能够参与抵抗病毒的适应中。事实证明免疫反应之外的适应至少与免疫反应内的适应一样多。”

研究人员的第一步就是识别所有已知与病毒进行物理接触的蛋白质。在苦心查阅数万篇科学文摘后,Enard将这个清单缩减到大约1300种感兴趣的蛋白质。他的下一步是构建大数据算法对基因组数据库进行搜索,并对与病毒相互作用的蛋白质的进化和其他蛋白质的进化进行比较。

研究结果表明适应在与病毒相互作用的蛋白质中发生的频率是其他蛋白质的3倍。

Petrov说,“我们都对我们和其他生物如何进行进化和让我们成为我们现在的样子的进化压力感兴趣。这种与病毒之间的持续战争在每个方面都塑造着我们---不只是抵抗感染的新蛋白质,而是所有的一切---的发现是影响深远的。所有生物都与病毒共同生存了数十亿年;这项研究表明这些相互作用影响着细胞的每个部分。”

病毒几乎劫持宿主细胞的所有功能以便进行复制和传播,因此它们要比其他的进化压力(如捕食或环境条件)在更大程度上促进细胞结构进化是说得通的。这项研究揭示了一些长期存在的生物奥秘,比如亲缘关系较为密切的物种进化为不同的细胞机构来执行相同的细胞功能,如DNA复制或细胞膜制造。科学家们之前并不知道是进什么化力量能够导致这些变化。Petrov说,“这篇论文是首次提供足够大的和足够纯净的数据来一举解释很多这样的难题。”

当前,研究人员正在使用这些发现来更加深入地研究过去的病毒流行病,希望为抵抗当今的疾病提供新的见解。比如,类似HIV的病毒在整个进化史的多个时间点上快速地感染我们的祖先和其他的动物物种。研究这些病毒对特定群体的影响可能针对我们与病毒之间的持续战争和我们可能在下一场大战如何取得胜利获得新的见解。

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