是的,一些病毒也會受到其他病毒的「感染」,它們甚至還有專門防禦感染的「免疫」機制。

在最新一期的《自然》期刊上,一組研究者公布了他們的新發現:一些病毒也具有「免疫系統」(點這裡可以閱讀論文全文)。什麼,病毒還有免疫系統?它們要免疫系統幹什麼呢?

病毒也能被病毒感染!

免疫系統的任務是對付入侵的病原體,但病毒怎麼看都應該是去入侵別人的那一方才對。的確,自從被發現,病毒就和各式各樣的感染疾病聯繫在一起。病毒不能夠獨立地完成它們的「生命」週期,因此它們總要感染到某種類型的宿主細胞裡去。

但是,科學家們確實發現,一些病毒竟然也會遭到別的病毒的感染,它們的「健康」還因此受到了威脅。

這是怎麼回事呢?我們先要從一類奇特的超大號病毒說起。1992年,科學家們發現了一種微生物,它的大小、染色表現看起來都像是細菌,但到了2003年,進一步的研究卻發現,它其實是種大塊頭的病毒。這種酷似細菌的病毒被稱為「米米病毒」(Mimivirus)。

病毒
顯微鏡下的米米病毒。 / 圖片來自:PLoS Biol 7(4): e1000092.

米米病毒的出現顛覆了人們對病毒的認識:它實在太大了,遺傳物質的量也比其他病毒多出了很多。米米病毒的基因數是一般病毒的幾十到上百倍,這種病毒甚至還自己編碼了涉及基因組DNA修復和蛋白質翻譯功能的部分基因。不過,米米病毒還是必須依賴細胞宿主才能「生活」。在米米病毒之後,科學家們又陸續發現了更多巨型病毒,一種比米米病毒個頭還大的病毒還被命名成了「媽媽病毒」(Mamavirus)。

病毒圖
米米病毒與其他微生物的大小對比示意圖。這種病毒甚至比一些支原體和古菌還要大。 / 圖片來自:newscientist.com

講到這還沒完,在這些大塊頭被劃分為病毒之後,科學家們又發現了能夠感染它們的病毒!是的,病毒竟然還會被病毒感染,這個消息足以讓病毒學家們暈倒一片。

米米病毒等大病毒感染的宿主是阿米巴原蟲,它們入侵之後會在阿米巴的體內製造一個「大病毒工廠」(giant viral factory)的結構來製造新的病毒後代。而科學家們用電子顯微鏡觀察這些病毒時,又在大病毒工廠裡發現了另一種病毒。

一個細胞同時感染兩種病毒的情況並不少見,有些病毒(比如丁型肝炎病毒)甚至只有在另一種病毒的輔助下才能正常複製。但是這一次的情況就不一樣了:這種新病毒並不是和大病毒和平共處,而是對後者造成了威脅。它會進入「大病毒工廠」,並將裡面的「機器」搶奪過來,用於「生產」自己的子孫後代。這樣一來,大病毒的複製就受到了極大影響,不但減產,而且後代往往還帶有缺陷。

所以,科學家們認為這種新病毒更像是大病毒們的「寄生蟲」,它感染大病毒的過程也像是病毒感染宿主細胞那樣。於是,科學家們參照噬菌體,把這些新病毒叫做「噬病毒體」。噬病毒體的大小和經典的病毒差不多,除了與其他病毒類似的基因之外,它們還帶有來自米米病毒這樣大病毒的基因,這可能就是它們侵占「大病毒工廠」時從宿主那兒掠奪來的。就像其他病毒對宿主細胞做的那樣,這些噬病毒體也會把基因轉移給它們的大病毒宿主。

大病毒的「基因剪刀」

有入侵的地方總會有反抗,在演化過程中,宿主們也產生了抵抗病毒感染的系統。高等動物體內有複雜的免疫系統來負責這事兒,而細菌體內也有一套簡單有效的防禦系統——那就是近年來生物學家們競相追捧的「基因剪刀」CRISPR/Cas。

當病毒感染細菌之後,細菌會把病毒基因組序列的片段插入自己的基因組裡,把病毒的特徵記錄下來。細菌存放入侵病毒序列的基因區域呈現出「規律間隔成簇短回文重複序列」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR),這便是CRISPR。如果下次再有同樣的病毒來的時候,細菌便會調動這些之前插入的片段,讓它們帶著一個能夠切割病毒基因組的核酸酶去「殺死」病毒,這個酶便是Cas蛋白。這套系統剪切基因的特性也被人類用在了基因編輯當中。

米米病毒免疫系統
米米病毒的「免疫系統」與細菌的CRISPR/Cas系統有很多相似之處。 / 圖片來自參考文獻1

而這一次在米米病毒體內發現的「免疫系統」,它也是和CRISPR/Cas系統類似的一把「基因剪刀」。2014年的時候,有一種感染米米病毒的新噬病毒體被發現,它的名字叫Zamilon。科學家們發現,有一些米米病毒可以抵禦Zamilon,經過分析和實驗,他們在這些大病毒的基因組裡發現了噬病毒體的基因片段。在這個基因附近,科學家們還找到了類似細菌Cas蛋白的核酸酶「剪刀」。也就是說,大病毒也會把感染它的噬病毒體基因片段「記下來」,並用核酸酶「剪刀」去剪切入侵者的基因組,從而阻止它們進一步擴增。現在,米米病毒中發現的免疫系統也有自己的名字:MIMIVIRE(Mimivirus virophage resistance element,米米病毒噬病毒體抵抗元件)。

關於病毒是不是生命的問題,科學家們還沒有共識,而大病毒的發現則進一步模糊了「生命」和「非生命」的邊界——這些病毒依然不能獨立生存,但卻有著複雜的基因和功能,甚至連免疫機制都有了,我們究竟該如何看待它們呢?在第一個噬病毒體發現的時候,有記者在《自然》期刊上發表了一則新聞:《噬病毒體的發現表明病毒是活的》。不知道這個記者在看到MIMIVIRE的時候是不是會拍拍大腿,跳起來說:「看吧!病毒真是活的!」

參考資料:

1.Levasseur A, Bekliz M, Chabrière E, Pontarotti P, La Scola B & Raoult D. MIMIVIRE is a defence system in mimivirus that confers resistance to virophage. Nature, Published online 29 February 2016
2.La Scola, B et al. A giant virus in amoebae. Science 2003; 299:2033
3.Pearson H. ‘Virophage’ suggests viruses are alive. Nature 2008; 454:677

撰文:貝塔-魚

編輯:窗敲雨

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