RNA病毒是所有生物进化过程中不可或缺的一部分

时间:2026年5月25日
来源:Virology

编辑推荐:

罗杰·赫尔 已从诺里奇的约翰英尼斯中心退休 摘要 RNA病毒是细胞内的共生性寄生生物,其复制需要宿主因子和能量。它们的共生形式从对抗性(致病性,不参与宿主代谢)到互惠性(既为宿主带来益处,又对宿主代谢产生影响)不等。作为一个群体,它们具有几个独特特征:a) 元基因组研究表明,

广告
   X   

罗杰·赫尔
已从诺里奇的约翰英尼斯中心退休

摘要

RNA病毒是细胞内的共生性寄生生物,其复制需要宿主因子和能量。它们的共生形式从对抗性(致病性,不参与宿主代谢)到互惠性(既为宿主带来益处,又对宿主代谢产生影响)不等。作为一个群体,它们具有几个独特特征:a) 元基因组研究表明,它们可能是感染所有生物物种的最常见病毒群体,也是地球上最丰富的生物实体;b) 它们自最后一个共同祖先以来就存在,所有现存生物都从这个祖先演化而来;c) 相当一部分RNA病毒具有正链RNA基因组,或是逆转录病毒,这类病毒在复制过程中缺乏校对机制,因此会产生许多变异体(准种);d) 它们在内质网等细胞器中复制,而这些细胞器与其他细胞器以及膜和代谢网络系统相连。本文综合了这些事实,提出了一个假设:RNA病毒和逆转录病毒形成了宿主/互惠共生体,这种共生关系是一个进化单元,病毒对进化压力的响应非常迅速,并与宿主基因组的缓慢响应紧密相关。

引言

现有证据表明,地球大约形成于45.4亿年前,起源于与新形成的太阳相关的巨大旋转尘埃和气体云。随着地球冷却,尘埃聚集形成越来越大的颗粒,在重力作用下形成了地核和地壳。地核的巨大热量导致地幔破裂并引发火山活动,释放出气体,形成了大气层和水体,进而形成了海洋;这些海洋中含有多种化学元素,这些元素之间发生了化学反应,形成了“前生物汤”[1]。前生物汤时代是一个充满各种化学反应的时期,生态系统动态多变,化学成分、温度和能量条件各不相同,同时火山活动、闪电以及频繁的含有有机物质的陨石撞击也促进了这些反应[2]、[3]。
很可能在前生物汤时代存在某种形式的自然选择,这种选择基于分子的可用性和能量来源,以及正在形成的大分子的稳定性。尽管当时存在大量相对复杂的非生物化学分子,但它们各自的数量都非常少且无法自我复制。关于非生物分子如何演变成最后一个共同祖先(LUCA)并最终产生所有生物的复杂过程,在许多综述中都有讨论[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。这一过程中的关键步骤包括(虽然不一定按时间顺序):RNA的形成(RNA世界),使其具备催化(自我复制)和信息存储的能力;第一个共同祖先的出现,这些祖先是由能够将RNA分子翻译成肽的生物组成的集合体;前体被包裹进膜结合的细胞中;RNA转化为DNA[10];以及LUCA的出现,这是一种具有所有现存生物基本特征的自我复制细胞(详见[11]、[12])。有观点认为,RNA病毒样实体可能是这一过程中的驱动因素之一[13]。
大多数科学家认为,LUCA是一个单一的膜结合蛋白细胞,它具备了所有生物的基本特征:通用遗传密码、蛋白质合成机制(RNA和核糖体)、几乎所有20种氨基酸的相同手性[14]、使用三磷酸腺苷(ATP)作为能量来源,以及所有生物都拥有的DNA基因组[10]。穆迪等人[15]的研究提供了更多关于LUCA的详细信息,他们分析了298个与基因功能相关的标记物。通过分子钟方法、考虑水平基因转移(HGT)的系统发育重建以及现有的生物地球化学模型,他们估计LUCA存在于约42亿年前,其基因组至少为2.5 Mb,编码了约2600种蛋白质,表明它具备了现代原核生物的基本细胞结构。基因谱表明,LUCA是一种有机异养菌,这与当时的环境条件相符(见第2Ci节)。LUCA是三大生物域——单细胞原核生物域古菌和细菌,以及多细胞真核生物域——的起源[16],原核生物大约出现在30亿至38亿年前,而真核生物则出现在15亿至25亿年前。因此,LUCA是所有过去和现在生物的基本结构单位,即膜结合细胞[17]、[18]、[19]。
几乎没有疑问,单链正负链RNA(ssRNA)病毒是RNA世界中的复制体之一[20]。帕帕斯塔夫鲁及其同事[21]提出,RNA世界(以及LUCA)可能经历了达尔文式的自然选择过程,即适者生存。RNA的进化为蛋白质和脂质的合成提供了信息存储和表达的机制,而蛋白质和脂质是构建生物体的主要“工厂”。然而,RNA在表达过程中存在许多问题,如化学不稳定性和缺乏校对机制[22]、[23]、[24],这导致RNA复制过程中产生了大量变异。DNA的进化克服了这些问题,将RNA的信息和功能以DNA的形式保存下来,实现了代际传递,使得RNA病毒(以及类病毒[25])变得多余。这就引出了一个问题:“为什么它们能够存活下来?它们具备哪些选择性优势?”(见第3节)。很可能大多数RNA分子功能形式的“DNA化”(以及为RNA病毒找到新的功能)是RNA世界消亡的众多因素之一[26]。

章节片段

生物、病毒与进化

在提出这一假设时,我认为从LUCA群体到当前生物状况的进化过程中有三个“参与者”:生物本身、RNA病毒以及自然选择过程。

第1节和第2节提出的问题

在第1节“引言”和第2节“生物、病毒与进化”(框1)中提出了许多关于RNA病毒的问题,这些问题与假设(第4节)相关。

假设

假设认为,在生物的进化过程中,宿主基因组和互惠RNA病毒形成了一个共生体,应被视为一个完整的遗传“细胞器”(进化单元)。这样的细胞器能够对进化压力做出响应,从而成为自然选择的对象。细胞面临连续不断的压力(见第2Cii节),而病毒由于其快速的复制速度和准种特性,能够迅速作出反应。

讨论

有研究表明,病毒在生命进化中发挥了重要作用(参见[86]、[127]、[128]),这主要基于病毒是病原体的观点,以及克服或避免致病性是进化的主要驱动力。戈麦斯等人[129]提出了一个假设,认为细胞是由古老的、相互协作和竞争的“分子元素”组成的生态系统,这些元素推动了细胞的进化。

结论

这一关于RNA病毒和逆转录病毒在所有生物进化中发挥动态作用的假设,揭示了它们在生物长期进化中的重要积极作用。理清细胞内共生体应对压力的详细分子相互作用,将促进许多新的研究项目和病毒致病机制的研究方法的发展。

未引用的参考文献

[36]...

资助

没有研究所、资助基金或其他资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有