什么叫反转录病毒(生命的起源微小的反转录病毒)

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生命起源之始,其模式更像反转录病毒,其遗传基因组是RNA而非DNA。这是生物化学家马丁和计算遗传学家库宁共同研究基因与基因组起源于海底碱性热泉的可能性后,在2005年发表的充满启发性的想法。

他们认为古老矿物细胞的生命周期,或许与现在的反转录病毒十分类似,比如艾滋病毒。反转录病毒的基因组通常都很小,成分是RNA而非DNA。当反转录病毒入侵细胞后,它会用一种“反转录酶”把自己的RNA反转录成DNA。这段DNA就会插入宿主细胞的基因组中,当宿主细胞读取自己的基因时,也会一起读到病毒的基因,从而帮助病毒完成复制。所以当病毒复制自己时,使用的是DNA,然而它却把RNA作为遗传物质,传给下一代。病毒缺乏的正是复制DNA的能力。一般来说,这种比较复杂的程序都需要许多酶共同参与。

什么叫反转录病毒(生命的起源微小的反转录病毒)

这种生命周期有优点也有缺点,更大的优点就是繁殖迅速。既然病毒可以利用宿主细胞的整套机器把DNA转录成RNA,再翻译成蛋白质,那病毒自己就可以丢掉一大堆基因,省下不少时间和麻烦。而更大的缺点是,病毒必须依赖“适当的”细胞才能生存。第二个比较小的缺点是,RNA能储存的信息和DNA相比十分有限。RNA分子的化学稳定性较差,不过反过来说,又比DNA分子容易反应,这是RNA分子具有化学催化性的原因。但也因为这种化学活性,大段的RNA分子容易断裂,而这种尺寸限制将会影响病毒独立自主的能力。一个反转录病毒必须包含的信息量,差不多就是RNA所能储存的更大信息量了。

不过在矿物细胞里就不一样了。矿物细胞可以提供至少两个好处,让RNA式的生命进化得更复杂。之一个好处是许多独立生活所需的物资,热泉都可以免费提供,这样至少让细胞有个好的开始。比如快速增加的矿物细胞已经有完整的外膜,也会提供能量。就某方面来说,广布在热泉口的会自我复制的RNA,已是病毒了。第二个好处则是这些群聚在一起的RNA分子有很多机会,可以通过互相连通的矿物细胞彼此混合,任意配对。“合作融洽”的RNA分子们,如果可以一起扩散到邻近的细胞里,就有可能在选择中胜出。

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马丁和库宁所设想的,就是这样一种出现在矿物细胞中的互助合作式的RNA分子,每段RNA分子各自携带相关基因中不同的几个。这种生活模式当然有缺点,其中更大的致命伤就是RNA族群有可能面临找不到配合对象的窘境。然而如果有一个细胞能够把所有合作愉快的RNA片段都转换成一整段DNA,那它就掌握了所有的“基因组”,可以保存所有的优点。它可以用类似反转录病毒的方式繁殖,把所有基因转录成一群RNA,然后感染邻近的细胞,让它们也有能力把所有的遗传信息再存回DNA银行里。每一群RNA都从这个银行里直接铸造,所以不太容易出错。

矿物细胞要在这种情况下“发明”DNA有多难?可能不会很难。DNA和RNA在化学成分上只有两处小小的不同,但是加在一起却让整个结构大不相同:一个是卷曲又具有催化能力的RNA分子,另一个是双螺旋的DNA。这种细小的变异在热泉区恐怕很难不发生。这个反应之一步要先从核糖核酸(RNA)上移走一个氧原子,让它变成“脱氧”核糖核酸(DNA)。这种机制牵涉到一些活性很强的中间物(活性自由基),至今仍可在碱性热泉中发现。反应的第二步则要在尿嘧啶(U)上面加上一个甲基,让它变成胸腺嘧啶(T)。同样,甲基是甲烷的自由基碎片,在碱性热泉口更是信手拈来。

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现在我们知道了,要制造DNA并不难,它很可能和RNA一样在碱性热泉中自行合成(我是说它可能从简单前体,然后由核苷酸、氨基酸、矿物质等东西催化而来)。比较麻烦的地方是要维持密码信息的正确性,也就是要制造出一段和RNA一模一样的序列,但是字母要换成DNA。当然这也不是不能克服,因为从RNA转换成DNA,只需要一个酶,那就是反转录酶,而这个酶现在依然存在于反转录病毒中(比如艾滋病毒)。让人意外的是,反转录酶过去被认为是打破生命中心法则(就是由DNA制造RNA然后制造蛋白质的法则)的酶,而如今这种酶也可以把病毒RNA所感染的早期多孔岩石,变成现在我们熟知的生命形态。或许,我们真该感激这些微小的反转录病毒,为我们带来生命的起源。

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