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类病毒中的RNA聚合酶,通过转录能聚 [复制链接]

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类病毒,一个环状RNA分子而已,怎样才能劫持一个细胞来复制自己呢?类病毒虽然是个环状分子,但由于大范围的自我配对,类病毒在整体上被拉长成了双链,这不但让它更加稳定,还让它能冒充双链DNA结合到RNA聚合酶上,然后利用这个酶复制自己。

但是,RNA聚合酶的本职工作是转录,是根据DNA的模板链聚合互补的RNA链。所以,即便被类病毒劫持,它也只能以类病毒的母链为模板,聚合出来一条类病毒的“负链”。

同时,类病毒是个环,RNA聚合酶沿着它转圈,聚合出来的负链就会是一条无穷无尽的重复线性序列,又该怎么恢复成一个个的“类病毒正链”呢?我们已知的类病毒有两个科,它们用不同的方式解决这些问题,追究起来,也都很有趣。

首先是较早发现的马铃薯纺锤块茎类病毒科,这个科的类病毒都是二级结构近似一对双链,就像苏东坡那句“柳庭风静人眠昼。昼眠人静风庭柳”,出句对句就是互相转个身,RNA聚合酶绕着它走一圈,转录出来的负链就会与正链几乎一样,也能形成大段大段的自我配对。

又因为这些序列头尾相连,于是就折叠成了一大串“……几几几几几几几……”这样的“连体负链”。更要紧的是,既然负链与正链非常类似,那么这每个“几”也将酷似DNA的双螺旋,也都能劫持DNA聚合酶,于是在每个“几”上面,又一轮新的聚合反应开始了。

这一次的聚合产物当然就是正链了,但是,既然负链是连体的,这些新合成的正链也还是“……几几几几几几几……”这样的连体正链。但是如此多的RNA双链实在太刺眼了,细胞自己的RNA很少形成这样的结构,这显然是病毒入侵的标志。

所以,细胞的RNA干扰机制会派出一种“III型RNA内切酶”(RNaseIII),上去把它们全都剪断。这下反而中了计,把正愁分不开的连体正链齐齐整整地分开了!最后,每一个成功分离的正链都会折叠成一个双链,只是某处还有一个断口,而这样的结构又能欺骗细胞里面用来修复DNA缺口的“I型DNA连接酶”,把断口连接上。

事儿就这样成了,类病毒复制成功。稍晚被发现的鳄梨日斑类病毒科在结构上则有所不同。它们虽然也是个环,但二级结构要复杂得多,一端照例是双链,用来劫持RNA聚合酶,而另一端就是个“锤头”似的结构。

由于正链和负链互为镜像,所以这些类病毒的负链也有这个锤头。负链的锤头就会发挥酶RNA的功能,把自己所在的负链与下一个负链剪切开,成为一个独立而完整的类病毒负链。

这个过程很像自剪接内含子,所以人们一度怀疑它们有什么进化上的渊源,但比较了碱基序列之后,它们又实在不像。话说回来,类病毒的负链也会因为自我配对而形成普遍的双链。这种酶本来负责把剪除了内含子的转运RNA重新接好,这下却帮着把类病毒的负链修复成了一个环。

接下来的事情就好办了,这个类病毒的负链像极了类病毒本身,它将从劫持RNA聚合酶开始,把上面的工作重复一遍,也就能够复制出新的类病毒了。人类已经知道,这个世界上还有许许多多比病毒更小、更简单的感染性有机体,它们被统称为“亚病毒因子”。

目前为止,我们已知的亚病毒因子可以分为三类:类病毒、“卫星”和朊毒体。“卫星”是一个庞大而复杂的类群,凡是那些本身没有感染能力,必须与某种病毒搭配起来才能感染传播的亚病毒因子,就被统称为“卫星”。对于每一种具体的卫星,那些帮助它们感染传播的病毒,就被称为它们的辅助病毒。比如丁型肝炎卫星核酸的辅助病毒就是乙肝病毒。

而根据与辅助病毒的关系,卫星又分为两类。第一类是卫星病毒,这种卫星不能劫持细胞的酶,但是能够劫持辅助病毒的酶(当然,辅助病毒的酶也是辅助病毒劫持了细胞的酶才制造出来的),所以,卫星病毒是依赖辅助病毒复制自己,但它们自己能够编码衣壳蛋白,可以封装自己。

其中,那些能够抑制辅助病毒的卫星病毒,就叫“噬病毒体”,它们的辅助病毒往往是一些巨型病毒。第二类是卫星核酸,这种卫星能够亲自劫持细胞中的酶复制自己,但是不能合成衣壳蛋白,必须盗取辅助病毒的衣壳蛋白才能完成封装,脱离原始细胞,感染新的细胞。

其中,某些核酸是环状RNA的卫星核酸,并不编码任何蛋白质,从结构到复制机制像极了类病毒,它们就被叫作“拟病毒”(virusoid)。那种造成丁型肝炎的卫星核酸常被视为拟病毒的代表,但事实上,丁型肝炎的卫星核酸编码了一种蛋白质用来调节复制的速度,这个蛋白质很可能是在进化中劫持来的。

最后,朊毒体,俗称朊病毒,非常特殊,是已知的唯一不含核酸的感染性有机体。顾名思义,“朊”是“蛋白质”的旧称,朊毒体就是一种“有害的蛋白质”。但这种蛋白质的来源却很正经,就是动物细胞自己合成的朊蛋白,主要分布在神经系统、免疫系统、消化系统的细胞膜上,维持着多种生化功能,是一种常见的结构蛋白。

但是,某些朊蛋白的三维结构没有正常折叠,出现了一些关键的错误,就会从结构蛋白变成具有催化能力的酶,也就是朊毒体。至于朊毒体的催化能力,说出来很简单,后果却很可怕:朊毒体能重新折叠那些正常的朊蛋白,把它们都变成朊毒体,使细胞里的朊毒体越来越多。

不仅如此,朊毒体的三维结构与乐高积木颇有些异曲同工之处,能互相拼接起来,动不动就聚集成一长串,团成一大团。而这样的朊毒体团块极其稳定,不但细胞内的各种蛋白酶无法分解它,高压锅慢炖4小时、短波紫外线持续照射、福尔马林浸泡,统统不能使它失活,动物的消化系统当然也不能破坏它们了。

这些朊毒体的纤维和团块越长越大,越聚越多,最后就会杀死整个细胞。而中枢神经系统,尤其是大脑中的朊蛋白特别多,所以朊毒体对大脑的损伤就格外严重——疯牛病、库鲁病、变异型克——雅脑病,都是大脑被朊毒体严重损害的结果,死亡率高达%。

但是朊病毒毕竟不是病毒,那种接触诱变的扩张方式在感染初期非常慢,要经过5年甚至几十年的发展才达到致病的程度,这已经超过了几乎所有动物的预期寿命。而且,朊病毒在不同的物种身上也多多少少有些不同,所以它们通常也不会通过猎物感染掠食者。

所以,朊毒体总是通过同类相食的行为传播开的。朊毒体更容易侵入同物种体内,也更容易把同物种的朊蛋白诱变成朊毒体,使感染者体内积累更多的朊毒体。如果同类相食接连不断,朊毒体积累的速度也会越来越快,潜伏期也就越来越短,朊毒体相关疾病也就暴露出来了。

比如库鲁病暴发是因为新几内亚的某些部落会在葬礼上吃掉族人的尸体,疯牛病暴发是因为英国用牛下水作为蛋白饲料添加剂再来喂牛,而变异型克——雅脑病则是大量食用患疯牛病的病牛肉的结果,这类病例全球只发现了例,其中有例来自英国。从RNA世界到细胞,最关键的变化是一层封闭的脂质膜,它们把一些大分子的RNA包裹起来,就形成了第一批原始细胞。

在原始细胞内,日渐复杂的RNA将会开始合成蛋白质,由此,RNA世界就将过渡到一个RNA与蛋白质的“联合世界”。蛋白质的多样性远远强于RNA,可以催化各种复杂的化学反应,由它接替RNA的代谢功能可以极大地加快进化的速度。此后随着逆转录酶的出现,RNA又会把遗传功能让渡给性质更加稳定的DNA,由此进入一个“逆转录世界”。

但是,要从逆转录世界发展到延续至今的DNA世界,却在进化上有一些难度了。我们构建了一个存在于白烟囱里的繁荣的RNA生态系统。在那里,各种各样的酶RNA拥有各种各样的催化能力,它们互相协作,利用白烟囱里的有机物壮大自己的团体,并且在竞争中变得越来越复杂。生命不是进化的起点,而是进化在复杂性上的拐点。

这些RNA的自我复制团体,正是位于起点与拐点之间的东西。因为它们正在混沌的原始地球上制造高度有序的核酸和蛋白质,施展着竞争与协作的生存策略,进化得越来越复杂,越来越繁荣,明显远离了平衡态。

但是,这个耗散结构还没有发展出任何的控制功能,我们还不能将它们称作生命。最初的生命只需三种基本的控制功能,也就是物质和能量代谢、中心法则以及边界控制。物质和能量代谢的起源已经在上一幕里露面,中心法则的起源是这一幕的重点,但生命是一个整体,如果没有恰当的边界控制,没有细胞膜,其余两种也无法走得太远。

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