想像你是一隻病毒:敵方免疫大軍來襲,單兵如何處置?

想像你是一隻病毒:敵方免疫大軍來襲,單兵如何處置?
圖片來源:科學月刊
我們想讓你知道的是

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?

文:許家偉

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(non-permissive 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?

痘苗病毒

痘苗病毒屬DNA病毒,其宿主範圍廣泛,能感染許多種類的細胞。

雖然痘苗病毒的源頭不明,但是相信是感染人及牛的痘病毒重組而成的病毒。痘苗病毒有兩種,一種是對人類造成嚴重病變(天花)的痘苗大天花病毒(variola major),另一種是只會產生比較溫和疾病的痘苗小天花病毒(variola minor)。其實,我們一般所稱的天花病毒(smallpox virus)是前者,而後者則利用作為天花疫苗。

圖1(2)
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圖一:天花病毒。

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20萬個核苷酸鹽鹼基對來說,7~10%的增長是顯著的改變,可見基因組變長對痘病毒的包裹沒造成影響。

在DNA定序後,研究人員發現在這些大量擴充的K3L基因中,找到兩個K3L基因序列出現「非同義多型性」(nonsynonymous pol ymorphism),即是說這兩個突變K3L基因的蛋白質產物上會有胺基酸改變,這代表有新版本的病毒K3L蛋白出現。

如果純化出這種有K3L基因突變株病毒(第十代)並直接感染人類子宮頸癌細胞,新的病毒量就跟正常病毒一樣高,代表經過十輪的感染後,病毒對本來非受納的細胞已具有適應性。由於在K3L基因上所出現的突變是針對細胞裡PKR抗衡機制,換句話說,這些突變的確是具有演化意義。

很有趣的是,當基因擴充後的病毒去感染痘病毒的受納細胞(permissive cell)──倉鼠的腎細胞時,由於這是適合痘病毒增殖的環境,痘病毒上的基因擴充就不顯著,只需要一份K3L基因拷貝即可,也沒有產生出多型性。但將這株從倉鼠腎細胞所得的病毒放回人類子宮頸癌細胞時,K3L基因擴充現象在四輪感染之後又立即重現。

牛痘病毒

牛痘病毒能導致名為「牛痘」的皮膚疾病。牛痘能夠經由牛隻的皮膚傳染給人類,患者皮膚會出現紅疹症狀,但人類患病的案例一般極少。

由於牛痘病毒具有與天花病毒相似的抗原,感染過牛痘病毒的人類,其免疫系統將產生天花病毒的抗體,因此牛痘病毒在18世紀一度被使用於免疫接種以預防天花。

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圖二:牛痘病毒。

其實,用增加基因拷貝數這種基因擴充方式去適應環境的機制也出現在某些微生物上,包括瘧原蟲(Plasmodium)、酵母菌及一些細菌,這次是首次發現在DNA病毒上也有同樣的情況出現。所以,低突變頻率的DNA病毒就是採用這種基因擴充的方式來面對及應付環境的挑戰。由於基因組像手風琴般可以伸長縮回,研究人員又稱這種狀態為「基因手風琴」(gene accordions)。

研究人員進一步分析這種基因數目增加的機制,發現是經由基因上的複製斷點(duplication break points)進行的基因重組(recombination)所造成的,而這些斷點序列也出現在其它痘病毒的基因附近。因此,科學家相信不只K3L基因會有擴充的現象,假若再遇到需要的情況,其它基因也可以出現同樣的擴充機制來幫助個體去適應環境。

這項研究正好引證演化生物學裡的紅后效應(Red Queen effect),這個名稱的由來是取材自童話故事《愛麗絲鏡中奇緣》(Through the Looking-Glass, and What Alice Found There, 1871)第二章裡的紅皇后這個角色,她無論跑得多快,總是在原地踏步,沒有前進。

的確,在這個研究中我們能窺見:「生命會尋找出路」(Life finds a way),遑論最簡單的病毒。

紅后效應

在演化上,「紅后效應」是闡述宿主及寄生體共同演化(host-parasite coevolution)的機制:縱使一個物種(例如宿主或被捕食者)有自己的策略去適應環境使自己存活,但對手(例如寄生體或掠食者)也會發展出另一套策略去反制,好使自己也能應付環境,不致於被淘汰,即是說物種必須不斷針鋒相對地演化出新的策略,才能起碼在競爭中保持現有地位。

「紅后」理論由美國演化生物學家范華倫(Leigh Maiorana van Valen, 1935~2010)在1973年提出,再由英國演化生物學家漢彌爾頓(William Donald Hamilton, 1936~2000)在1980年代將這個「紅后原理」應用在生物生殖策略的演化上發揚光大。

參考資料
  • Elde, N. C. et al ., Poxviruses deploy genomic accordions to adapt rapidly against host antiviral defenses, Cell , Vol. 150: 831-841, 2012.

本文經科學月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航