霍华德·特明和戴维·巴尔的摩发现逆转录酶后,1970年《自然》杂志于是发表一篇题为《中心法则逆转》的文章。可能当初克里克没有重视修辞学,认识他的人不少都对他留有狂妄的印象。因为,中心法则,The central dogma。Dogma,意为a principle or set of principles laid down by an authority as incontrovertibly true。法则是不容置疑的原则。这个词未免太过绝对了。如果当时他用“假说”或许会让人更容易接受。现在学界似乎可以认为克里克在1975年9月那场著名的演讲上提出的“中心法则”最终证明失败了。关于那次天马行空的天才的演讲,人们既有一些误解又把它很大程度忽略了。对于《自然》杂志的文章,克里克只用平淡的语气写了一篇回应文章,强调他从来没有认为从RNA到DNA的合成是不可能的。那时克里克已经太有名了,他不需要大发雷霆了。他当年在没有什么实验依据是就正确的预测出从DNA到RNA再到蛋白质的合成途径,并且天才的预测出当时人们还不知道介导RNA的序列信息和合成蛋白质的不同氨基酸的转移RNA——tRNA的存在。今天在当年克里克的手稿上的确曾经留下他认为有四种可能的遗传信息的流向:DNA→DNA,DNA→RNA,RNA→蛋白质,RNA→RNA。同时,克里克还认为DNA→蛋白质和RNA→DNA也是可能的。
破解了DNA结构之谜后,沃森与提出宇宙大爆炸理论的乔治伽莫夫(George Gamow)等一些生物学家、数学家和理论物理学家都对RNA产生了兴趣。RNA在细胞里数量很多,但和DNA相比,它们分子小,又极其容易降解,难以捕捉,因此,显得非常神秘。它们的作用到底是什么?于是,这些人组成了一个RNA领带俱乐部(RNA Tie Club),可能他们经常带着有RNA标志的领带,聚在一起又吃又喝,高谈阔论聊RNA的秘密。克里克则是一个人在单打独斗。但他阅读了大量各种主题并不相关的文献,同时他还与沃森保持着联系。1954年在他与沃森的一系列通信中,那时沃森已经回到美国,克里克还在伦敦,沃森一度认为DNA可以直接转化为RNA,但后来他放弃了这个想法,认为DNA可以做RNA的模板.对于这个想法克里克说“不赖”。几周之后,回信寄到了沃森的手中。
Question: So a virus unit is like a quiet mechanical installation with no energy supply of its own, but when it is in contact with the membrane (right word?) of the right type of cell, it can enter the cell to start its self-cloning process. Yet as I understand it the "entering" is some operation that requires energy too, which means that once that installation clicks into the membrane of the cell energy flows in automatically (and in what form of energy?). This must be some kind of ingenious design! Of course, the rest of your post describes much more complex operations once the virus is inside the cell, but this "entering" mechanism seems more curious.
How complex is this design, say, in comparison with an airplane or a space rocket?
However, you also wrote: 不同的病毒蛋白和病毒的核酸。。。混合在适宜的盐溶液里,然后,这些分子在溶液里剧烈混乱的随机运动,最后,所有的蛋白和核酸都有序的组装起来,形成一个个完整准确的病毒颗粒。
But that means the design of that "installation" isn't that complex since Brownian motion can hardly be responsible for forming that kind of complexity.
Am I missing something here?
This question probably sounds very dumb. I lack learning in basic biology.
新冠肺炎:病毒趣谈(中)
谁是病毒
我是病毒?不,我不是病毒。
想象不同的病毒蛋白和病毒的核酸(核酸有两种DNA,RNA,它们的理化特性很不同)混合在适宜的盐溶液里,然后,这些分子在溶液里剧烈混乱的随机运动,最后,所有的蛋白和核酸都有序的组装起来,形成一个个完整准确的病毒颗粒。但是,如果把所有细胞的成分放在溶液里,那么就是放一百年一万年一千万年,非常可能也不能随机的碰撞出一个有膜的完整的细胞。
生命的产生如此神秘,难以理解。
病毒究竟是什么呢?病毒就是由蛋白质和遗传图谱组装起来的一个小装置。遗传图谱可以是DNA,也可以是RNA,它们呈链状,被衣壳蛋白(Capsid)包裹藏在中心。有些病毒外壳还有由糖蛋白和脂类构成的囊膜。膜的结构为生物带来巨大好处。膜是生命中和遗传物质一样的核心的奇迹。生命展开上就是一张极大的膜,我们都生活膜上,其实我们就是一张膜而已。有囊膜的病毒在接触到宿主细胞时,囊膜可以通过与宿主细胞膜的融合被吞入或者吐出。没有囊膜的病毒在细胞内复制包装后,要把细胞撑破才能释放出来。那样动静就太大了。那样你不会感觉太舒服的。
组装好的病毒这时就变成了一台可怕的小装置。现在它具有了感染的能力。病毒的外观有三种形态:螺旋型的杆状病毒;正二十面体病毒,因为据说正二十面体的容积最大,效比最高;还有复合型病毒。这些小装置非常安静,它们没有代谢能力,没有能量系统,就是说,病毒没有能量。它只是一动不动停在那里,等待遇到我们,然后透过我们的皮肤或者粘膜,随体液、血液漫游,最后轻轻粘在某个细胞膜上。通常是病毒的壳蛋白的形状和它所能够感染的细胞膜上伸出的某个蛋白形状契合。这是前世的因缘,于是,咔嚓一下,病毒这个小装置就稳固的结合在细胞膜上了。这时,你才真正被感染了。
冠状病毒
冠状病毒(Coronavirus),就是有囊膜的病毒。它携带的遗传物质是一条单股正链RNA。囊膜上有日冕状的棘突(spike)。其实,直到2003年之前,人类认识的感染人类的冠状病毒还只有两种,而且它们感染的症状都很轻。
然而,2003年出现了第一个烈性的冠状病毒,严重急性呼吸系统综合症(Severe Acute Respiratory Syndrome,SARS),这就是我们熟悉的萨斯病毒;2004年又发现了人类冠状病毒NL63;2005年,人类冠状病毒HKU1; 到2012年又出现了一个烈性程度更高的中东呼吸综合征冠状病毒(Middle East respiratory syndrome,MERS);2019年发现的2019新冠病毒(Coronavirus disease 2019,COVID-19)。其实,从这些命名可见病毒发现很晚,命名还没有完全规范统一呢。就先随便叫吧。
关于病毒的命名,早先很随意。后来,世界卫生组织建议不要再用国家地区做疾病的命名啦,那样容易产生歧视,起码被叫的国家地区的人们听了可能不会快乐。这是文明的进步。可是,我看到这次疫情台湾有些文化人在疫情开始中国大陆灾难最危重时不停的公开写文章,叫嚣认为就是应该叫武汉病毒,甚至中国病毒。他们的一个理由是过去不是都叫西班牙流感,非洲猪瘟。我看后感到有些无奈。疫情中应该多一些理解和相互帮助,要有怜悯之心。过去还有过人吃人有过酷刑和蓄奴制呢。有人就要这样叫也没有办法。不过,现在世界上就分化出两种人,一种面对疫情,叫新冠病毒,一种,叫武汉病毒,中国病毒。
目前,冠状病毒也和人类一样分化出不同的毒品和毒格了。唉,世界越来越复杂。简而言之,冠状病毒科共分为四个属:α、β、γ、δ,其中β属冠状病毒又可分为四个独立的亚群A、B、C和D 。本次新型冠状病毒与2003年引发非典型肺炎的SARS-CoV同属β属B亚群。
今天新冠病毒在全球肆虐。它为我们带来一种全新的流行模式。我们过去应对流感和萨斯的方式都不能对付它们了。这次新冠的流行将是自中世纪黑死病暴发后,对人类影响最为深远的一次流行病的大流行。
许多人看到冠状病毒的样子花花绿绿, 但那只是示意图。在电镜下的冠状病毒的样子要朴素的多,然而那也是经过物理转化的图像。那么,肉眼看到的真实的冠状病毒是什么样子呢?我要说,肉眼看不见冠状病毒。它们存在,但在肉眼里只是一片虚无。但我们能感到它们的存在。
值得注意的是,不仅病毒面前人人平等,面对病毒,很多动物过的和我们也是差不多的无奈。它们受到各自的冠状病毒的侵扰:
鸡传染性支气管炎病毒(AIBV),1931年美国首先报道AIB,引起鸡的呼吸道症状,鸡支气管炎。这时鸡会像我们一样喔喔喔的咳嗽。
猪传染性胃肠炎病毒(TGEV),1933年在美国发现。这个更厉害,感染猪这时也和我们一样表情痛苦捂着肚子跑去水样腹泻。
猪流行性腹泻病毒(PEDV),于1976年至1977年首先发现于比利时和英国,导致各种年龄的猪群中暴发急性腹泻,和我们一样的呕吐,严重了猪也和我们一样脱水了。
幼驹冠状病毒(FC),于1975年美国某个地区发生40多例新生幼驹水样腹泻,发烧,你们看见过马发烧吗?而且淋巴组织病变,肿大,这被证明是马冠状病毒。
水貂流行性腹泻冠状病毒(ECGV),最早流行于美国,后在加拿大、前苏联、丹麦、斯堪的那维亚等国家和地区流行。1987年传入我国东部沿海地区,多次发生暴发性流行。
另外,还有小鼠肝炎病毒,猪血凝性脑脊髓炎病毒、新生犊牛腹泻冠状病毒、猪呼吸冠状病毒、大鼠涎泪腺炎病毒、猫传染性腹膜炎病毒、猫肠道冠状病毒、犬冠状病毒都是动物身上常见的冠状病毒性传染病。
而且,至今发现的病原性冠状病毒还有番鸭冠状病毒,绵羊冠状病毒,蜱的冠状病毒。冠状病毒感染似乎存在比较普遍的亚临床带毒现象。近年来,在许多临床健康的动物体内,甚至新生动物的心脏、肝脏等脏器中发现有冠状病毒存在。 然而,它们在动物体内则一直变异着。理论上未来都可能产生影响到我们人类的变异。这个应该注意。
病毒的六道轮回
如果我们今生不遇到病毒,病毒就伤害不了我们。然而,世界如此之大,病毒如此之小,遇到一个病毒容易吗?
我们总在判断什么容易什么不容易,但谁也不曾真正知道什么是容易的什么是不容易的。不过,病毒一旦与宿主细胞的受体结合,它就可以进入细胞,把细胞变成自己的复制、加工、组装的工厂,繁忙的工作起来。比如,一种肝炎病毒,它们是双链DNA病毒,一进入细胞,就连接成一个环,然后,转着圈复制,线性的DNA再被切断,可以想象这样的复制非常快。它们为什么要这么忙碌呢?就是要复制自我的基因,它的中心携带者的遗传蓝图。我写的这些都不是随意说说的,这里的每一步每一个结论都是许许多多研究人员研究的结果。许多实验相当艰难。
病毒在我们细胞里主要是在生产它们自己的后代。它们不管我们,只顾自己,这和我们人类有一定的共性。但他们对于他们的后代,不会像我们人类有时喜悦,有时欣慰,有时皱眉头。我们有时甚至会后悔。病毒从来不后悔。他们没有什么想法,也没有什么喜悦,只是无喜无悲的埋头生产。这样病毒又和我们中的一些人很像了。
一切都是盲目的,一切都是自私的,一切也都是身不由己。
不过,许多时候病毒进入人体,或者猪或其他什么生物的体内,一直在体液里漂流而没有遇到能与之匹配的细胞膜上的膜蛋白,爱情没有发生,那会怎么样呢?那样,就相安无事,连一场虚惊也没有。
然而,漫长寂寞的等待后,一旦因缘际会,病毒遇到命中注定的宿主,病毒就开始了六道轮回的生涯。大体有六个步骤:附着,入侵,脱壳,解体,合成,组装,和释放。附着,就是病毒的衣壳蛋白遇到细胞膜上的受体相结合的过程,结合后病毒发生变形,引发入侵细胞,有时病毒需要咬破细胞才能进入,但有时是通过膜的融合;脱壳,进入细胞后,病毒颗粒的衣壳蛋白被酶降解,病毒颗粒解体,遗传蓝图暴露出来,病毒开始依照自身的遗传物质,用细胞内的酶和原料复制基因组,转录RNA,合成病毒蛋白,病毒在细胞内工作非常忙,说实话,它们干起活来有些像咱们中国人,合成出基因组和病毒蛋白后,就开始把它们组装成病毒颗粒,并移动到细胞膜附近,从细胞膜释放到细胞外,进一步感染其他细胞。整个画面就像一部科幻大片。不过,这时情况可就有些恐惧了,想想看,艾滋病发病时每天可以制造出超过10亿个病毒颗粒,那不是小数目,而且都是一模一样的艾滋病毒颗粒!在这个过程中机体的免疫系统发现异常,于是开始清除病毒,首先是巨噬细胞直接吞噬病毒,但如果病毒太多,巨噬细胞就撑破。巨噬细胞是个大个子,但它们是好样的,像共产党员,在牺牲前它们还会释放出复杂的细胞因子,随血运召唤、激活远处的更有战斗力的大部队——机体的各种免疫细胞。这些细胞因子还增加毛细血管通透性,有利于免疫细胞更好渗入渗出,但也产生水肿,疼痛,发热等炎症表现,它们在你的体内战斗,任意践踏你的器官组织,根本不在意你。战斗激烈,产生了炎症风暴,机体的组织受损,这时你开始痛苦的在床上呻吟,你想这些都管你什么事啊,你没有招谁惹谁呀?但这招来了许多人,他们围在你身旁,他们说你病了,把你搀扶着送进你最想去的地方——医院,医生护士聚集到你的身边也参与了与你感染的病毒的战斗,把钢针插进你的肉里,血管里,抽出你的血,为你输液,把管子插进你的鼻子、尿道和肛门里,再严重时更多的机器连接到你的身体,你已经快不行了,但是那些病毒仍然无知无觉越来越多,它们毫无怜悯,也毫无恶意,在继续无休止的进行着六道轮回,忙碌着制造出更多的一模一样的病毒释放到你的身体里。你就快要不行了。医生正让你的亲人在病危通知书上签字。你的亲人开始落泪。但你已经什么都不知道了。
病毒的性生活
病毒致病的过程极为复杂,而且,不同病毒的致病机理也不尽相同,这里就不再具体介绍了。
与病毒致病的过程同样有趣的是病毒的基因。
不同病毒携带的遗物质也不相同。它们可以是DNA,也可以是RNA。DNA与RNA在理化性质、生物功能以及复制所需的酶系统都非常不同。它们的形状有的是线状,有的是环状,还有的是分节(segmented)状态,即病毒的整个基因组被分散到数条核酸片段上,然后一起包裹在病毒颗粒里。比如,著名的流感病毒一般会携带8条RNA。这样病毒可以分为双链DNA病毒;单链DNA病毒;双链RNA病毒; 正义单链RNA病毒;反义单链RNA病毒;单链RNA反转录病毒;双链DNA反转录病毒。
最小的病毒基因组只编码4个蛋白,最大的编码超过100个蛋白,有许多病毒的基因可以合成一条很长的肽链,然后再剪断折叠成数个蛋白。冠状病毒是很大的病毒,属于正义单链RNA病毒,基因组约有27000至30000个碱基,是已知最大的RNA病毒。SARS-CoV基因组有11个开放读码框,可以合成出23种蛋白质。
现在世界最大的病毒是西伯利亚阔口罐病毒(Pithovirus sibericum)。它是2014年法国科学家在西伯利亚永久冻土一个3万年前的样本中发现的。病毒埋在地下30米的更新世沉积层中。阔口罐病毒有500个不同的基因,其合成的蛋白质有2/3与已知病毒的基因不同。并且,这些30万年前的病毒解冻后仍然具有活性。不过,阔口罐病毒虽然个头最大,但基因的密度不高,它携带基因的数量比潘多拉病毒小一个数量级呢。潘多拉病毒(Pandoravirus)是2013年法国科学家发现的巨型病毒,生活在水下。其体积在病毒界位居第二,基因组规模则位居第一。长度达1微米,直径达0.5微米,其基因组DNA包含1.9-2.5百万个碱基对。在潘多拉病毒的基因组中,只有7%的基因在自然界可以找到同源性,其他的基因却是无缘无故无父无母的基因,在其他生物上找不到来源,功能也不清,这样的基因被称为“孤儿基因”。
在病毒的生活中,基因复制时经常会出现错误,大部分错误没有任何作用,但有时会偶然改变病毒的特性。这时过去不感染人的病毒可能就可以感染人了,过去毒性弱的病毒可能毒性突然增强。复制中的错误有点突变,还有DNA片段的交换,即重组。对于像流感病毒这样的携带了几条RNA的病毒还有一种特殊的变化。如果一个细胞里同时感染了两种流感病毒,那么它们合成的RNA在包装时会发生混合,这样就组合成不同的新型流感病毒,有时会导致病毒的性质明显改变,这时就会导致流感的大暴发。流感的这种产生新型后代的方式又被称为 “病毒的有性生殖”(viral sex)。这也就是凑合着这么叫吧。病毒的性生活其实是一点快感也没有的。
病毒的人生的根本特点就是盲目和无觉。
逆转录
逆转录是病毒学的重大发现,也是生命科学的重大发现。
DNA是生命的遗传物质,由DNA转录出RNA,再由RNA合成蛋白质,这便是中心法则(The central dogma)。然而,研究人员自然人会发问:RNA病毒是怎么合成它们的遗传物质DNA的?会不会存在由RNA到DNA的逆中心法则的过程呢?如果有这个过程一定是由某种特殊的酶来完成的。
1970年有两个年轻的研究人员同时研究了这个问题,并同时做出了重大发现。他们是美国麻省理工学院的戴维·巴尔的摩(David Baltimore)和美国威斯康星大学麦迪逊分校的霍华德·特明(Howard Temin)。
那真是一个分子生物学的黄金时代啊!随便研究点什么就会有重大发现。
戴维·巴尔的摩的实验方法和思路都非常简单。因为DNA是由C、A、T、G四种组分组成,而RNA是由C、A、U、G组成。所以,戴维·巴尔的摩用不同浓度的小鼠白劳氏白血病病毒(Rauscher mouse leukemia virus,R-MLV)感染细胞,然后再在细胞培养基中加入同位素标记dTTP。dTTP是DNA合成时T的原料。这样如果病毒在以RNA为模板合成DNA,那么同位素标记dTTP就会掺入DNA中,在不同时间测量细胞时就会显示出放射性的增加。如果病毒不能以RNA为模板合成DNA,那么dTTP洗去后,细胞的同位素水平就不增加。
这样,1970年5月4日,巴尔地摩的实验记录的左下角记录了实验结果:30分钟后,放射性计数由0分钟的109cpm增加至656,而被2倍病毒感染的细胞计数增加至1319。
这说明什么呢?说明那一天巴尔的摩可能做了不超过一个小时的简单的实验之后,就可以获得诺贝尔生理学或医学奖了。有时候我会想,生活对于某些人来说是不是有些太容易了?
小插曲
霍华德·特明和戴维·巴尔的摩发现逆转录酶后,1970年《自然》杂志于是发表一篇题为《中心法则逆转》的文章。可能当初克里克没有重视修辞学,认识他的人不少都对他留有狂妄的印象。因为,中心法则,The central dogma。Dogma,意为a principle or set of principles laid down by an authority as incontrovertibly true。法则是不容置疑的原则。这个词未免太过绝对了。如果当时他用“假说”或许会让人更容易接受。现在学界似乎可以认为克里克在1975年9月那场著名的演讲上提出的“中心法则”最终证明失败了。关于那次天马行空的天才的演讲,人们既有一些误解又把它很大程度忽略了。对于《自然》杂志的文章,克里克只用平淡的语气写了一篇回应文章,强调他从来没有认为从RNA到DNA的合成是不可能的。那时克里克已经太有名了,他不需要大发雷霆了。他当年在没有什么实验依据是就正确的预测出从DNA到RNA再到蛋白质的合成途径,并且天才的预测出当时人们还不知道介导RNA的序列信息和合成蛋白质的不同氨基酸的转移RNA——tRNA的存在。今天在当年克里克的手稿上的确曾经留下他认为有四种可能的遗传信息的流向:DNA→DNA,DNA→RNA,RNA→蛋白质,RNA→RNA。同时,克里克还认为DNA→蛋白质和RNA→DNA也是可能的。
1957年是一个什么样的年代?那时人们虽然知道了DNA是遗传物质,克里克与沃森破解了DNA双螺旋结构,但遗传信息究竟是什么?什么是基因?基因的作用是什么?RNA的作用又是什么?核糖体是一个什么样的结构?它的组成和功能是什么?蛋白质又是怎样产生的?这些今天都是常识性的知识那时全是未解之谜。传奇的弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)在1958年将要因为3年前发明的蛋白质测序方法第一次获得诺贝尔化学奖,但要到20年后才会发明DNA链终止法(chain termination method)的测序方法而第二次获得诺贝尔化学奖。在今天研究新冠病毒时应用的快速方便的核酸检测试剂盒和高通量病毒核酸测序技术,更是要等到1983年传奇得让人合不上嘴的凯利·穆利斯(Kary Banks Mullis)发明PCR,以及沃森主持的人类基因组计划完成后,由美国提出继续攻关才得以突破的高通量核酸测序仪发明后才能实现呢。当年,人类基因组计划完成后,美国人又提出今天“1千美元全基因组测序”计划,这在当时是一个天方夜谭式的计划,想想看那时全世界的科学家联合用了三年才完成人类全基因组的测序。而今天可以在一天之内完成了。而且,价格可以接受。1957年,那时我们有那么多的事情不知道。它好像离我们很近,又好像已经离我们非常遥远。那时一个迷人的时代。人们生活在引人入胜的透着亮光的蒙昧中,有许多的困惑,有许多的幻想。
破解了DNA结构之谜后,沃森与提出宇宙大爆炸理论的乔治伽莫夫(George Gamow)等一些生物学家、数学家和理论物理学家都对RNA产生了兴趣。RNA在细胞里数量很多,但和DNA相比,它们分子小,又极其容易降解,难以捕捉,因此,显得非常神秘。它们的作用到底是什么?于是,这些人组成了一个RNA领带俱乐部(RNA Tie Club),可能他们经常带着有RNA标志的领带,聚在一起又吃又喝,高谈阔论聊RNA的秘密。克里克则是一个人在单打独斗。但他阅读了大量各种主题并不相关的文献,同时他还与沃森保持着联系。1954年在他与沃森的一系列通信中,那时沃森已经回到美国,克里克还在伦敦,沃森一度认为DNA可以直接转化为RNA,但后来他放弃了这个想法,认为DNA可以做RNA的模板.对于这个想法克里克说“不赖”。几周之后,回信寄到了沃森的手中。
然后,在1957年9月伦敦大学关于生物大分子的研讨会上,克里克给出了那次关于“中心法则”的著名演讲。其实,这次演讲如果夸张些说几乎解决了分子生物学所有的核心问题。在演讲中克里克直接给“中心法则”,准确预测出了RNA的功能,准确的预测出了tRNA的存在,同时他提出了信息一旦流入蛋白质的三维结构就再也不能回到DNA或RNA中了。这个预测至今也未能打破。而蛋白质的结构特征是DNA序列的特性的表达。另一个被人们一直忽略的深远的论述是,克里克指出了未来科学家将能够通过比较基因序列来探索进化论。这就是后来的生物信息学。如今它已经成为进化论研究的最有力的工具之一,也是医学生物学不可缺少的。科学家由此不仅勾勒出人类走出非洲后的路线,连今天对于新冠病毒的来源的研究也在运用比较基因组学的生物信息学方法。
在这次演讲之后,克里克去了美国。他认为当时生物学的重大问题都已经解决了。唯一一个还存在重大理论价值的领域就是人类的意识。于是,他又开始研究人类的意识问题了。
克里克的这些今天看来在当时是相当超前的天才的想法,在提出之时没有太多实验依据,在提出之后其实也没有对分子生物学产生太多实质影响。但分子生物学依旧迅猛发展。可能因为生命科学不是甚至永远不会是单纯的数理科学,它是一门并不高度依赖理论的实验学科。今天生命科学对于理论假说的轻视较之当年更加严重。或许我们真正无法离开的一个关于生命的假说,或者说学说,只有达尔文的进化论。而对于这个假说我们可能永远也无法否认,但也永远无法证实。更不幸的是,可能我们永远无法离开它了。
在1957的那场会议上,法国的遗传学家诺贝尔生理学或医学奖得主弗朗索瓦·雅各布(François Jacob)第一次遇到了克里克。后来雅各布回忆说:
“克里克看起来像19世纪英国图书插图中的鸦片吸食者。他不停的说话,满脸快乐和狂喜的表情,好像他害怕没有足够时间把所有的东西都讲出来。他还不断地反复演示,以确定听众能够理解他的想法,他不时发出响亮的笑声,语句支离破碎,有时不停的重复。我听时有时会犯迷糊,感觉眩晕。”
雅各布并不是夸张,很多接触过克里克的人都反映克里克语速很快特别能说。
逆转录
逆转录病毒用自身携带的逆转录酶以自身RNA为模板合成病毒DNA,合成后还要把病毒DNA通过整合酶插入宿主细胞的基因组,从而永久的留在宿主的身体里面。的确是这样的。被逆转录病毒感染后,病毒就永久的留在我们的基因组里了。艾滋病病毒就是逆转录病毒。
艾滋病病毒的正式名称是人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)。这是一种感染人类免疫系统的慢病毒。慢病毒(Lentivirus)是反转录病毒科下的一个属,包括8种能够感染人和脊椎动物的病毒。人类免疫缺陷病毒(HIV)、猴免疫缺陷病毒(SIV)、马传染性贫血(EIA)、猫免疫缺陷病毒(FIV)都是慢病毒属。 Lentivirus中Lenti-在拉丁文中有慢的意思。顾名思义,慢病毒感染感染个体后在出现典型临床症状之前,大多经历长达数年的潜伏期。
HIV只感染人体一种重要的免疫细胞中的一个亚型,CD4+ T细胞。一旦感染,就会把它的基因组插入人的T细胞的的基因组里。整个过程患者会有一些轻微感冒的症状,有时感冒不是一个好兆头,不过,绝大部分时间,感冒就是一个小病。当HIV整合到基因组后,基因组中的病毒就进入休眠期沉默很多年,直到被激活后才开始大量转录HIV病毒RNA,并翻译出病毒蛋白,将RNA包装成有感染能力的病毒,继续感染其他T细胞,并最终在病毒释放过程中将靶细胞杀死。这时就开始发病了。正是由于HIV是永久的留在人的T细胞基因组中,所以很难清除根治。尽管HIV病毒颗粒在体内寿命很短,但每个病人每天产生的病毒高达10亿到1000亿,大量病毒一边被清除一边又产生,更糟糕的是这样大量复制的过程中会产生很多突变株,这些突变株都是一种天然的筛选,所以艾滋病病毒经常会产生可以逃避药物治疗的变异株,这样一度虽然开发出几种有效的治疗艾滋病的药物,但都很容易产生抗药性。
上世纪80年代被发现以来,艾滋病简直变成人类的一场噩梦,全世界有5300万人受到感染,2000多万人死亡。那时,艾滋病是一个最恐怖的名字,艾滋病患者受到极大压力。直到1996年美籍华裔科学家何大一提出通过三种或三种以上的抗病毒药物联合使用的鸡尾酒疗法治疗艾滋病,艾滋病虽然仍然不能根治但很大程度被控制了,只要每天晚上喝上一杯价格不菲的鸡尾酒。当然,它们或许是小药片,我也不知道。而何大一与不久前获诺贝尔生理学或医学奖的日本科学家用4种基因转入细胞将体细胞转变成胚胎干细胞的思维方式一样,都是一种东方式的思维,是中国中医的复方的思维方式。这并不是生拉硬拽,而是中国和西方在思维方式上的一种很深刻的不同。
比如,西方人在研究肿瘤时也是类似。美国遗传学家艾尔弗雷德·乔治·克努森(Alfred George Knudson)1971年研究肿瘤发生机理时,他给细胞转染一个原癌基因(Proto-oncogene)但细胞并不发生癌变,后来也不是一起转两个,而是在转了一个之后,再转一个。结果发现,这样细胞就癌变了。(原癌基因是好的基因,有重要生理功德,但当它们突变,或带有遗传变异拷贝时,这些基因就会导致肿瘤,那时它们就叫癌基因了。)于是,克努森提出癌症的二次打击学说(two-hit hypothesis)。这就是还原论的思维,中国式的思维是整体论。还原论的思维的好处是精确。因为,克努森通过这样的研究,首次发现了某些基因对癌症有抑制作用,这就是极为重要的抑癌基因(tumor suppressor genes)。
是啊,绝大多数人都经不起两次打击的,two-hit。所谓“漏屋偏逢连阴天”。
“法国感冒”
而“法国感冒”听起来就让人感觉浪漫。
逆转录病毒把自己的基因整合到宿主细胞的基因组上,这一特性非常有用。它可以被改造成无毒的载体用于医学研究。你先把要研究的基因放到病毒载体上,然后用体外包装好的病毒颗粒感染细胞或动物,这样你的基因就可以稳定的表达了。理论上,这种载体甚至可以直接用来治疗疾病,但是人们对它很害怕。而且,因为它是随机整合有时可能会导致肿瘤。不过,科学家在试图把它改造成定点整合的更安全的载体,但那样人们依然害怕,想想用艾滋病病毒做的载体把某个基因,比如优质水稻的,插入你的基因组里,永远也拿不出来了。所以,基因治疗一直被大家感觉非常恐怖,受到排斥。但是,其实很多疾病最终要依靠基因治疗根除。
我们当年曾经用过最早的慢病毒载体,那时也是有些害怕。理论上,它是安全的,但我们那时仍然笼罩在艾滋病的阴影里,天啊,什么理论上不理论上,谁知道会不会发生意外被意外了呢。比如,你一向沉默寡言在默默的研究老板交给你的一个人类雄辩的基因,你想把它转到小鼠身上,可不久你发现自己变得越来越爱讲话,而且有滔滔不绝的趋势。天啊,这绝对不是一个好现象。
理论上这样的载体和病毒武器没有本质区别。今天研发病毒武器在技术上没有任何障碍,而且科学家有着五花八门的想象力。比如,理论上,可以把感冒病毒与艾滋病病毒进行随机重组筛选,你可能得到通过呼吸传播的艾滋病病毒,那简直是噩梦。当然,你也可能得到一个轻松一点的结果:通过性交传播的感冒。当年欧洲人曾打趣法国人的浪漫,把梅毒称为“法国病”,那么,我们甚至可以把这样的感冒含蓄的称为“法国感冒”。
Last night I got a cold from France.
我想昨天晚上我得“法国感冒”了。
当然了,但愿人类永远不要把病毒当成一种武器。也不要把疫情当成一种政治。
小插曲——我们要尊重生物学家
我现在在这里说HIV病毒逆转录合成病毒DNA后,就会把病毒DNA插入人类基因组,仿佛是一件非常简单的事情。然而,现实远非如此简单。一个细胞中有上千亿个分子,小分子组装成大分子,大分子组装成异常复杂的分子机器-蛋白质复合物。这些如此小的分子如何能在对于它们而言像是宇宙一样大的细胞内认识找到它们相互作用的分子结合到一起呢?结合,那是一个既让人向往,又让人无奈的词啊!如果我们人类能像它们,那还有什么茫茫人海,还有什么知音难觅,找到自己的另一半就不成问题啦!那就是一个靠布朗运动就可以解决的问题啦!那你需要的就是运动,甚至守株待兔都有可能的。所有的分子都在快速的运动着,在运动中相互聚合或分离,水解能量分子获得能量完成各种复杂的反应。对,细胞内还有极为高效而靠谱的专业媒人,蛋白酶。细胞内高度混乱又高度有序,精确高效快速的进行着各种反应。
比如,一个简单的插入基因组,它需要有特异的酶把HIV的DNA拉近到人类基因组DNA处。而人的基因组DNA并不是一条裸露的DNA双螺旋长链,在真核细胞里DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体的染色质初级结构,初级结构上又有更多的结构蛋白和调节蛋白结合,将染色质折叠成高级构相。所以,要接触到高级构相的DNA并非易事,接触后先要用电锯切断基因组DNA链,再把HIV的DNA无缝连接到人类组DNA上,如果是同源重组复杂性更要升高几个数量级,要把位于一段DNA两端的两段同源序列与另一个DNA分子的同源序列比对,记住蛋白质都没有眼睛和脑子,怎么能知道两段DNA的序列是一样的呢?这是个问题。然后,再分别切下这两个片段进行交换,再把两个片段各自连接,而连接也要专门的连接酶进行。要想研究活的细胞中进行着的各种看不见摸不着的过程其困难程度可想而知。
所以,我们要尊重生物学家。他们不是在混饭吃,他们不是笨蛋,相反他们个个都非常聪明,他们拿的钱并不比别人更多,但工作辛苦,而且很伤脑筋。他们经过了几年的生物学实验研究之后,如果没有产生厌倦情绪没有得抑郁症,那除了生活所迫之外,还是需要很多很多的正能量的。
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先點讚,再讀。
不好意思,现在不能静心阅读大作。人在江湖飘,杂事必须做。。。
痛苦。
不过新冠病毒是正义单链RNA, 应该没有逆转录。
之后,我想把它们改成DNA小史,因为很系统,而且真是极为迷人。今年要是有时间我把它们整理一下,发出来,到时大家也可以看看。尤其有些很少有人提到的人和事情。令人感慨,
1. 病毒进入细胞, 病毒RNA会直接翻译,产生RNA 复制需要的蛋白和其他结构性蛋白。
2. RNA复制蛋白复制RNA, 产生负链。
3. 负链被用于反过来复制正链。 如此反复, 产生更多的病毒RNA.
这里没有把 RNA逆转录称DNA的过程。
尊重生物科学工作者。
“一切都是盲目的,一切都是自私的,一切也都是身不由己。”说的就是我们人类。
传说中的犀利哥。好家伙,那眼神
还有,“漏屋偏逢连阴天”在夏天还算好啊,我会觉得庆幸,呵呵
Question: So a virus unit is like a quiet mechanical installation with no energy supply of its own, but when it is in contact with the membrane (right word?) of the right type of cell, it can enter the cell to start its self-cloning process. Yet as I understand it the "entering" is some operation that requires energy too, which means that once that installation clicks into the membrane of the cell energy flows in automatically (and in what form of energy?). This must be some kind of ingenious design! Of course, the rest of your post describes much more complex operations once the virus is inside the cell, but this "entering" mechanism seems more curious.
How complex is this design, say, in comparison with an airplane or a space rocket?
However, you also wrote: 不同的病毒蛋白和病毒的核酸。。。混合在适宜的盐溶液里,然后,这些分子在溶液里剧烈混乱的随机运动,最后,所有的蛋白和核酸都有序的组装起来,形成一个个完整准确的病毒颗粒。
But that means the design of that "installation" isn't that complex since Brownian motion can hardly be responsible for forming that kind of complexity.
Am I missing something here?
This question probably sounds very dumb. I lack learning in basic biology.