病毒感染機制的進化意義

關(guān)于病毒感染機制的進化意義第1頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、關(guān)于病毒的起源病毒與細胞同起源，來源是原生命成分中的大分子物質(zhì)RNA，RNA與蛋白質(zhì)復合體，DNA與蛋白質(zhì)復合體，它們是一種本身不能控制形成細胞的大分子物質(zhì)，細胞是它們適宜的生活場所，在長期的進化斗爭過程中，它們一些進化為現(xiàn)代的病毒，有些則進化為質(zhì)粒、反轉(zhuǎn)子等細胞內(nèi)的一種物質(zhì)。從進化的角度來說，病毒是一種進化，是從簡單到復雜，從低等到高等的進化過程。中間過渡學說：病毒是地球上生物進化過程中的一種最為原始的生命物質(zhì)，病毒既具有化學大分子的屬性，又具有生物的部分特征。病毒正處于非生物到生物的過渡位置，也就是說病毒正好填補從化學大分子到原始細胞生物中間的空白。第2頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、關(guān)于病毒的起源內(nèi)源性學說：病毒來源于正常細胞的核酸，因偶然途徑從細胞內(nèi)脫離出來而變?yōu)椴《荆恍嶒灥拈g接證據(jù)表明：病毒與質(zhì)粒的相似性，質(zhì)粒本屬于細胞的一部分，但它可以隨時脫離細胞，并在細胞之間傳遞；有很多DNA病毒，如細菌病毒中的λ噬菌體，植物病毒中的花椰菜花葉病毒，動物病毒中的乙肝病毒、腺病毒、皰疹病毒和乳頭瘤病毒等，這些病毒的DNA或全部或部分可以結(jié)合到它們所寄生的細胞的染色體上，從而變?yōu)榧毎囊徊糠?，這正好是細胞核酸外逸的逆過程。問題在于：如果是自身的部分，那怎還會對自身產(chǎn)生傷害呢？同時，要說明RNA病毒的起源也是十分困難。

第3頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五正鏈RNA病毒的大小與形態(tài)YourSubtopicsGoHere第4頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五負鏈RNA病毒的大小與形態(tài)第5頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、關(guān)于生物的進化達爾文與進化論：1809-1882，英國博物學家，1859年出版了震動當時學術(shù)界的巨著《物種起源》。主要觀點：以自然選擇學說為基礎(chǔ)的生物進化理論。生物進化的實質(zhì)在于種群基因頻率的改變。第6頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、關(guān)于生物的進化拉馬克的進化觀（1744—1829）生物是從低級向高級發(fā)展進化的觀點，肯定了環(huán)境對物種變化的影響。即——用進廢退問題在于：由于使用而發(fā)達起來的器官特征并不能遺傳給后代。比如：肌肉第7頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、關(guān)于生物的進化古生物學和地質(zhì)學上的一大懸案──寒武紀生命大爆發(fā)。大約6億年前，在地質(zhì)學上稱做寒武紀的開始，絕大多數(shù)無脊椎動物門在幾百萬年的很短時間內(nèi)出現(xiàn)了。這種幾乎是“同時”地、“突然”地出現(xiàn)在寒武紀地層中門類眾多的無脊椎動物化石，而在寒武紀之前更為古老的地層中長期以來卻找不到動物化石的現(xiàn)象，簡稱“寒武爆發(fā)”。寒武紀物種大爆發(fā)第8頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五

寒武紀物種大爆發(fā)第9頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五三、感染——病毒生存的基本方式現(xiàn)代分子遺傳學技術(shù)表明，病毒這一大類微生物界中的生命形式，和其他物種一樣，經(jīng)歷了漫長的進化。而病毒的存在與進化與“感染”這樣一個具有生物學特性和病理學特性的過程直接相關(guān)。感染的本質(zhì)：利用宿主細胞的合成系統(tǒng)合成復制并組裝自身的子代。感染機制：——受體介導的結(jié)合內(nèi)化——引發(fā)信號轉(zhuǎn)導（包括DNA的整合，蛋白質(zhì)的變化）——病理變化（免疫系統(tǒng)等的反應）——治病及在宿主群體中的進化選擇。第10頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五三、感染——病毒生存的基本方式淋巴細胞性脈絡叢腦炎病毒（LCMV)LCMV屬RNA型病毒，大小為50mm左右。屬于沙拉病毒（arenavirus）。由嚙齒動物傳播，在家鼠中流行，也能感染倉鼠及幾尼豬等嚙齒類寵物。任何嚙齒類寵物都可能會感染LCMV

癥狀變現(xiàn)：孕婦感染該病毒，會導致嚴重的疾病，或者導致新生兒缺陷。免疫能力正常者，絕大多數(shù)順利恢復罕有死亡者，可能有神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥第11頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五三、感染——病毒生存的基本方式感染機制：囊膜上GP-1和細胞膜上糖蛋白受體結(jié)合，再與GP-2形成的內(nèi)聚體形成棘突狀蛋白，并與受體結(jié)合，從而激發(fā)內(nèi)吞作用，加入細胞松弛素B和D均不能阻止其進入。病毒改變細胞內(nèi)的PH值，從而達到以整體的形式進入細胞，即核殼體跨膜轉(zhuǎn)入注：歷史上03-09年美國發(fā)生了多起LCMV通過器官移植傳播的病例。并導致患者死亡手術(shù)前后服用大劑量藥物導致體內(nèi)免疫系統(tǒng)減弱，病毒才得以生長。

第12頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五四、宿主機體對病毒感染的結(jié)局絕大多數(shù)病毒復制過程可分為下列六步：吸附、侵入、脫殼、生物合成、組裝和釋放。病毒的感染對于宿主來說無疑是一個導致病理損傷的過程。使細胞病變，或者組織壞死，甚至宿主生命結(jié)束。這種情況下，病毒的快速增殖會使更多的宿主感染，并最終導致病毒自身的滅亡。這是進化的邏輯必然。但是，實際并非如此，而是二者在選擇壓力下共同進化。病毒性腦膜炎增殖期HIV第13頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五五、病毒感染在宿主群體中傳播結(jié)果病毒感染在群體中的表現(xiàn)主要為引起大范圍的傳播，以至于眾多個體同時或不斷發(fā)病。重者形成災難性的社會后果。同時：病毒感染從一個個體延續(xù)到另一個個體，理論上必須克服不同個體的病理反應對其的影響和制約。換句話說，其存在和增殖是在宿主群體對其不斷的選擇壓力下進行的。病毒自身必須不斷的適應這種環(huán)境以保證其的生存。進一步的問題是：如果病毒在這種不斷的壓力選擇下生存，受到個體累加的環(huán)境壓力，那么這種選擇壓力最終會使病毒感染走向一個什么樣的結(jié)果？在其感染周期之后毒力變強還是變?nèi)跄?？因此：我們必須將病毒看做一個物種的群體來探討其在進化方面的問題！第14頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五六、病毒進化和物種入侵是否能將病毒的感染看做是一般的物種入侵呢？首先：任何具有感染能力的微生物（包括病毒）在其生存和增殖能力上的成功進化均取決于其表型選擇。而表型選擇起源于其的遺傳可變性——基因突變和基因重組。對于病毒：其基因突變是非常常見的。主要因為其在于宿主的相互作用下極易誘導基因的突變。例如：流感病毒（RNA病毒），其兩個主要抗原成分（血凝素H，神經(jīng)氨酸酶N）變化周期之短，變化速度之快，令人防不勝防。多次引起世界性大流行。1918～1919年，死亡2000萬～4000萬。H0N1：1930～1946；H1N11946～1957；H2N21957～1968；H3N2H1N11977～至今流感病毒第15頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五六、病毒進化和物種入侵HIV病毒：一種感染人類免疫系統(tǒng)細胞的慢病毒，屬反轉(zhuǎn)錄病毒。幾十年間基因突變導致抗原性漂移極為明顯。僅艾滋病毒I型至少包括了9個亞型和眾多的重組型。疫苗研制屢屢受阻。HIV的起源：HIV是一種老病毒，在數(shù)百年以前就已存在。HIV起源新解釋：可能由兩種病毒重組而成證據(jù)顯示：在歐洲的某些變異可以增進人對HIV的抵抗力。那么歷史上有什么疾病足以產(chǎn)生這樣的壓力？流感、麻疹、猩紅熱、傷寒、霍亂……許多傳染病襲擊過歐洲，但致死率和流行程度足夠高的，目前只有兩個候選者：黑死病和天花。第16頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五六、病毒進化和物種入侵我們再來看看物種的入侵1859年英國人從歐洲帶去24只家兔，關(guān)在墨爾本動物園里供人觀賞。一次偶然發(fā)生的火災燒毀了柵欄，這些家兔趁機逃脫，成了自由而不受管束的野兔。由于沒有天敵的制約，僅僅幾十年時間，澳大利亞南部三分之二的土地，被兔子大軍占領(lǐng)，它們與羊爭食并毀壞莊稼，給南澳地區(qū)的牧羊業(yè)造成巨大損失。

這是一場真正的“反侵略”戰(zhàn)爭，人們把一切可以想到的辦法都用上了：火攻、毒殺、網(wǎng)捕、犬獵、槍擊……甚至動用了全副武裝的正規(guī)部隊，對兔子進行大圍剿，但卻收效不大。到了19世紀90年代，人們耗用了大量鐵絲網(wǎng)，建起一條長達1600千米的柵欄，試圖攔住向西澳牧場進軍的兔群，但是，這個柵欄很快就被突破了。

1950年，生活在澳大利亞草原上的兔子，總量已達40多億只，它們每年吃掉的牧草相當于1億只羊的飼料。最終，人們利用多發(fā)性粘液瘤病毒來對付野兔。成功使其數(shù)量下降。

第17頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五

澳大利亞的野兔第18頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五六、病毒進化和物種入侵再看物種入侵的另兩個例子：海蟾蜍：為了控制甘蔗園中的蟲害，澳大利亞人引進了大批海蟾蜍，指望它們把甘蔗蟲吃光。然而，事與愿違。海蟾蜍并沒有起到滅蟲的作用，反而帶來了另一場災難。首先，雖然甘蔗地的食物無法滿足海蟾蜍的營養(yǎng)需要，但是它們胃口很好，可以吃掉身邊所有的可能食物，這對當?shù)厥澄镦溤斐蓢乐赜绊憽Ｆ浯?，它們身上的毒液可以殺死許多捕食者，讓它們在澳大利亞成為沒有天敵的強者。蛇頭魚：它們能夠憑借特殊的呼吸系統(tǒng)，在無水的情況下蠕動身體越過陸地，去尋找新的池塘。一旦它們在一個池塘或是湖泊中大批滋生的話，它們會吃掉所有能夠發(fā)現(xiàn)的目標。當旱季池塘干涸后，它們能夠憑借特殊的呼吸系統(tǒng)，在無水的情況下蠕動身體越過陸地，去尋找新的池塘，最長可堅持四天。地方政府曾經(jīng)在整個湖泊中投毒，就是為了徹底殺死潛伏于爛泥中的蛇頭魚。

第19頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五

海蟾蜍和蛇頭魚第20頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五六、病毒進化和物種入侵那么，我們是否可以將病毒的感染看做是物種入侵呢？首先：二者均能引起大范圍的災難和破壞生態(tài)穩(wěn)定。但是，病毒與宿主的進化表現(xiàn)出“和平共處”的趨勢。以澳洲兔群為例，引入瘤病毒后，幾乎使兔群消失殆盡。但很快，此病毒毒力迅速下降，瀕臨滅絕的兔群很快又重新繁殖。80年代，此病毒又逐漸恢復其極強的致病性。也就是說，病毒同時走向相反方向，為50%對50%的選擇進化。其次：物種入侵時，基本是在無進化選擇壓力下發(fā)生的。即沒有天敵，食物的因素影響。但是，病毒對宿主的感染和傳播是在不斷累加的選擇壓力下進行的。二者的進化和途徑是不同的。因此，答案是否定的。二者具有不同的進化方式。第21頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五病毒感染機制的進化意義之一——進化概率對等的感染模式第22頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、進化概率對等的感染模式首先：病毒感染的概念不是一個停留在病毒個體和宿主細胞個體之間相互作用的描述，事實上包含了病毒與宿主在各個層次、各個環(huán)節(jié)上的相互作用，以及相互作用對雙方在群體意義上和共同進化過程中所產(chǎn)生的直接或間接的影響。甚至包括了可以預測的下一次這樣的相互作用的影響。其次：對病毒進化的認識就是對病毒與細胞相互作用的認識，也就是從病毒在個體宿主細胞感染過程到宿主機體乃至群體的感染過程的認識。深入了解形成一種特定病毒感染機理的系統(tǒng)背景，就應該認識病毒與宿主機體在相互作用的進化過程中所建立起來的一系列相互關(guān)系。即：病毒對宿主的感染在不斷累加的個體選擇壓力下，遵從自然選擇的原理，最終與宿主達成共同進化的趨勢。第23頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、進化概率對等的感染模式意義：病毒在宿主環(huán)境中與各種因素的相互作用下，形成的選擇壓力促成了其基因結(jié)構(gòu)乃至蛋白結(jié)構(gòu)的變化。導致受體識別能力和感染范圍的變化。這就是病毒本身在不斷的壓力下尋找更佳宿主和生存方式的原動力。反之，病毒不能適應此壓力，對病毒來說就是致死性的。如：歷史上記載的曾經(jīng)肆虐尼羅河岸但后來卻自行消失的“昏睡性腦病”。條件：對等進化條件下，必然存在選擇壓力下的相同和相反的變異個體。因此：尋找變異的有利條件和個體，以人工手段擴大其基因在種群中的頻率，以達到抵御感染進化趨勢的目的。例如：袁隆平尋找不育株——“天然雄性不育株”人工各種誘導因素導致變異，從中尋找有益的變異基因等

第24頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、進化概率對等的感染模式另外：在自然選擇、進化壓力對病毒和宿主細胞相互作用的影響下，病毒抗原部位、受體識別和結(jié)合能力也將發(fā)生變化。2001年中美洲出現(xiàn)的一些導致了麻痹性脊髓灰質(zhì)炎小規(guī)模流行的脊髓灰質(zhì)炎重組病毒株。2002年出現(xiàn)的SARS病毒就表現(xiàn)了作為冠狀病毒新準種在與受體結(jié)合的S蛋白結(jié)構(gòu)的特異性。雖然S蛋白所能識別的受體尚不清楚，但序列同源性在50%以上的變異表明，能識別和結(jié)合的受體已經(jīng)不可能是冠狀病毒人株229E和O443了。因此，從病毒在進化壓力下產(chǎn)生的變異，也可以挑選出合適的變異基因型，以人工條件使其在病毒種群中占有相當比例，擴大基因頻率，調(diào)整病毒種群的種類結(jié)構(gòu)。以期達到減小感染范圍和程度的目的。第25頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五病毒感染機制的進化意義之二病毒感染機制的進化意義之二——參與復雜器官的進化第26頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化具有復雜結(jié)構(gòu)和重要生存功能的器官（例如眼睛）如何進化而來呢？正常人的眼球是一個直徑約24毫米的球體，它由眼球壁和包在眼球內(nèi)的一些組織結(jié)構(gòu)組成眼球壁有三層，外面一層厚厚的白色膜叫鞏膜，俗稱眼白，起保護眼內(nèi)組織的作用；外層的最前部有角膜，它讓光線進入眼球內(nèi)。中間一層棕黑色的膜叫葡萄膜，或色素膜，主要起遮光作用，還起到供給營養(yǎng)的作用。在它的最前部是黑眼珠，叫虹膜。黑眼珠的當中有一個小圓孔叫瞳孔，可隨光線的強弱變大或縮小，控制光線進入眼球內(nèi)。在虹膜后面有一結(jié)構(gòu)稱睫狀體，一般情況下看不見，它起調(diào)節(jié)焦距和生成房水的作用。最里層是接受光線的視網(wǎng)膜。眼球內(nèi)還有：房水、晶狀體和玻璃體。蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼，能看清幾乎360度范圍內(nèi)的物體。小眼的構(gòu)造很精巧,它有一個如凸透鏡一樣的集光裝置,叫角膜鏡,就是小眼表面的六角形凸鏡,下面連著圓錐形的晶體,在這些集光器下面連接著視覺神經(jīng)。神經(jīng)感受集光器傳入的光點而感覺到光的刺激,而后造成“點的影像”。

第27頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五

人眼和昆蟲復眼第28頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化內(nèi)共生學說(endosymbionthypothesis)關(guān)于線粒體起源的一種學說。認為線粒體來源于細菌，即細菌被真核生物吞噬后,在長期的共生過程中,通過演變,形成了線粒體。該學說認為:線粒體祖先原線粒體(一種可進行三羧酸循環(huán)和電子傳遞的革蘭氏陰性菌)被原始真核生物吞噬后與宿主間形成共生關(guān)系。在共生關(guān)系中,對共生體和宿主都有好處：原線粒體可從宿主處獲得更多的營養(yǎng),而宿主可借用原線粒體具有的氧化分解功能獲得更多的能量。即：線粒體體來源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性細菌。這種細菌和前真核生物共生，在長期的共生過程中演化成了線粒體。葉綠體：可能起源于古代藍藻。某些古代真核生物靠吞噬其他生物維生，它們吞下的某些藍藻沒有被消化，反而依靠吞噬者的生活廢物制造營養(yǎng)物質(zhì)。在長期共生過程中，古代藍藻形成葉綠體，植物也由此產(chǎn)生。

第29頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化證據(jù)：共生是生物界的普遍現(xiàn)象，例如根瘤菌與豆科植物的共生關(guān)系，藍藻或綠藻與真菌共生形成地衣等。有一種草履蟲（Paramoeciumbursaria），其體內(nèi)有小的藻類與之共生，并能進行光合作用；葉綠體和線粒體都有其獨特的DNA，可以自行復制，不完全受核DNA的控制。線粒體和葉綠體的DNA同細胞核的DNA有很大差別，但同細菌和藍藻的DNA卻很相似。藍藻的核糖體RNA（rRNA）不僅可以與藍藻本身的DNA雜交，而且還可與眼蟲葉綠體的DNA雜交，這些都說明它們之間的同源性。

第30頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五

葉綠體、線粒體和藍藻葉綠體線粒體第31頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化細胞融合：目前,誘導細胞融合的方法有三種：病毒(Okada,1958)、聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)(Pontecorvo,1975)和電激(Zimermann,1980s)。病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能夠與細胞膜上的糖蛋白發(fā)生作用，是細胞相互凝集，細胞膜上的蛋白質(zhì)分子和脂質(zhì)分子重新排布，細胞膜打開，細胞發(fā)生融合。這一過程既能反映出糖蛋白在細胞識別中的重要作用，又能反映出細胞膜結(jié)構(gòu)的流動性特點。滅活：用物理或化學手段使病毒或細菌失去感染能力，但是并不破壞這些病原體的抗原結(jié)構(gòu)。由此，我們可以看出，病毒的感染機制在細胞融合以及吞噬等方面的獨特性質(zhì)。第32頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化由此，我們可以初步的推測：病毒對于不同細胞共生及融合具有促進作用?；蛘吣承┰技毎陨砭途邆洳《镜倪@種感染能力和機制?；蛘吣承┎《揪褪蔷哂刑厥夤δ艿拇蠓肿游镔|(zhì)。在進化過程里起著促進和整合的角色。例如，眼睛的進化我們可以推測其為具有各自特殊功能的結(jié)構(gòu)在某種條件下逐步的整合在一起，從而形成了具有更加強大功能的結(jié)構(gòu)，并且在進化的殘酷競爭下保留了下來。因此：病毒在這些進化進程里的地位應該是舉足輕重的。第33頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五二、復雜器官的進化意義：病毒在宿主環(huán)境中與各種因素的相互作用下，形成的選擇壓力促成了其基因結(jié)構(gòu)乃至蛋白結(jié)構(gòu)的變化。導致受體識別能力和感染范圍的變化。這就是病毒本身在不斷的壓力下尋找更佳宿主和生存方式的原動力。反之，病毒不能適應此壓力，對病毒來說就是致死性的。如：歷史上記載的曾經(jīng)肆虐尼羅河岸但后來卻自行消失的“昏睡性腦病”。條件：對等進化條件下，必然存在選擇壓力下的相同和相反的變異個體。因此：尋找變異的有利條件，以人工手段擴大其基因在種群中的頻率，以達到抵御感染進化趨勢的目的。例如：袁隆平尋找不育株——“天然雄性不育株”人工各種誘導因素導致變異，從中尋找有益的變異基因等

第34頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五病毒感染機制的進化意義之二病毒感染機制的進化意義之三——參與物種大爆發(fā)第35頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、物種大爆發(fā)和物種滅亡寒武紀物類大爆發(fā)正在始于5.42億年前，終了于5.1億年前的寒武紀，正在幾百萬年內(nèi)，已經(jīng)空蕩蕩的海洋突然間充滿了很多新的生命情勢，地球生命進化進入一個繁榮富強的時期，“奧陶紀物類大爆發(fā)”（又稱“第二次物類大爆發(fā)”），這一事件對于地球生物進化的嚴重意思絲絕不遜于“寒武紀物種大爆發(fā)”。5.1億年前，也就是奧陶紀之初，地球生命如星火燎原般加快進化。最先是一些海藻類開始大量繁衍，為濾食性生物提供了大量的食品，疊層石生物再次被排擠出生命進化的舞臺，海綿則成為珊瑚礁的主要建造者，珊瑚也加入其列。

第36頁，共40頁，2022年，5月20日，12點41分，星期五一、物種大爆發(fā)和物種滅亡科學界遍布以為，地球生命演化史經(jīng)歷過五次大規(guī)模的生物毀滅。第一次生物大毀滅產(chǎn)生正在距今4.4億年前的奧陶紀末期，導致大約80％的物類毀滅。第二次生物大毀滅產(chǎn)生正在距