2013年5月1日

可伸展的病毒基因組

為克服宿主體內防禦機制,突變率低的DNA 病毒,發展出基因擴充的方式,幫助個體適應環境中的挑戰。

作者/許家偉(業餘科普撰稿人)

許多傳染病的病徵,是由各種不同的致病性微生物侵入動物體內,與宿主發生交互作用所引起。然而,當微生物感染宿主時,宿主當然也不會坐以待斃。通常宿主會有一套抵禦入侵者的防衛機制,例如當病毒(侵略者)感染細胞(宿主)時,細胞裡的蛋白激酶R(protein kinase R, PKR) 會被雙股RNA(double strand RNA,dsRNA)活化並進一步去磷酸化(phosphorylate)轉譯啟動因子(translation initiation factor)eIF2α,使得轉譯作用停下來,這樣病毒就無法綁架細胞的轉譯機制來合成自己的蛋白質。

在這種情況下,病毒就得要找出破解的招式才能保命,例如痘病毒(poxvirus)會表現出兩種病毒蛋白來抗衡PKR 的功能:一個是病毒的E3L蛋白,它能阻止dsRNA與PKR的結合而使PKR不被活化;另一個是病毒的K3L蛋白,它能阻止PKR對eIF2α的磷酸化。科學家統稱E3L及K3L這類用來反制宿主的蛋白質為對抗劑(antagonists)。

依病毒裡頭所包含的基因物質,可將病毒分成DNA病毒及RNA病毒兩大類,這兩種病毒的最大分別之一就是RNA病毒的突變率比DNA病毒來得高,這是因為複製RNA時的出錯率比較高,但這樣反而增加了RNA病毒新品種(突變品種)出現的機會,無形中幫助了RNA病毒
對環境的適應性(fitness)。

但痘病毒是屬於DNA病毒,它衍生出感染牛的牛痘病毒(cowpox virus)、感染人的痘苗病毒(vaccinia virus)及感染猴子的猴痘病毒(monkeypox),這些都是人畜共通的病毒(zoonotic viruses)。然而, 令科學家想不通的是:痘病毒要面對這麼多樣化的物種,在各個物種中又有不同版本的PKR,而痘病毒又是突變率低的DNA病毒,那麼它在入侵宿主的時候,是如何應付宿主的抵抗機制?

西雅圖佛瑞德哈欽遜癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center) 的科學家將痘苗病毒的E3L基因剔除,再將這株E3L剔除病毒去感染痘病毒的非受納細胞(nonpermissive cell)——人類子宮頸癌細胞——這種細胞並不適合痘病毒的複製,兩天後收集含有新病毒的培養液,再將這培養液去感染新的人類子宮頸癌細胞,就這樣重覆地進行感染循環,每一次的感染稱為一輪(round)或一個世代(passage), 這樣就等於強迫痘病毒只用另一個基因——K3L——去應付細胞裡惡劣、不利的環境,用演化學的術語來說,就是將選擇壓力(selection pressure)或演化壓力(evolutionary pressure) 集中到K3L基因的身上。研究人員要問的問題正是:這株E3L剔除的痘病毒只得K3L基因來面對環境,它會做什麼改變來適應細胞內的環境?

一如預期般,這株E3L剔除病毒在細胞裡的複製能力一開始就比正常的痘病毒低,在第一輪時它的新增病毒就比正常的痘病毒(擁有E3L及K3L基因)少了接近1000倍,但在經過四至六輪的感染循環後,新增病毒量就有顯著上升,相當接近正常痘病毒的水平,而同時,研究人員發現K3L基因的拷貝數目(copy number) 從第四至六輪感染時就開始增加,直到第十代時,K3L基因的數量可高達至少15份,這種基因在數量上的增加稱為基因擴充(gene expansion)。K3L的擴充跟新增的痘病毒數量成正比的關係,暗示越多的K3L基因,越能提高病毒的適應性。

而由於基因在擴充後的拷貝數增加,研究人員的確發現痘病毒在K3L基因擴充15倍的情況下,它的基因組全長加長了7~10%。以痘病毒基因組全長20萬個核苷酸鹽基對來說,7~10%的增長是顯著的改變,可幸基因組變長對痘病毒的包裹沒造成影響。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

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