《病毒完全圖鑑》:先天免疫、後天免疫&SARS相關冠狀病毒

《病毒完全圖鑑》:先天免疫、後天免疫&SARS相關冠狀病毒
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我們想讓你知道的是

人類和許多動物都演化出後天免疫,細菌和古菌也是。植物也有某種形式的後天免疫,但和動物後天免疫的作用方式非常不一樣。

文:瑪莉蓮・盧辛克(Marilyn J. Roossinck)

免疫

所有細胞都有某類型的免疫系統,可避免病毒感染,或是在被感染之後促進恢復。免疫主要有兩種:「先天」和「後天」。

每種生物用來對抗入侵者的防禦機制中,幾乎都有某種形式的「先天」免疫。後天免疫則更複雜一些。身體會「記得」感染,若是未來再度感染,就能迅速回應。疫苗接種就充分地利用了這個原則。人類和許多動物都演化出後天免疫,細菌和古菌也是。植物也有某種形式的後天免疫,但和動物後天免疫的作用方式非常不一樣。

先天免疫的機制可能非常簡單,像是可以阻止病毒進入身體的屏障,如皮膚、鼻內黏膜、能清洗眼睛的淚水,還有消化道中的酸和消化酵素。當這些屏障失效,就會啟動更複雜的先天免疫。化學哨兵回應感染,啟動名為發炎的反應。血液流入遭感染的部位——所以感染處周圍的皮膚才會紅紅的。名為巨噬細胞(意思就是「大食客」)的白血球細胞蜂擁而 上,吞噬並消化掉異物。體溫或許會大幅升高,可能是局部、也可能是像發燒那樣全身性的。高溫是對抗病毒的良好防禦,因為很多病毒能忍受的溫度範圍都不是很廣,如果環境太熱就無法複製。

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人類紅血球和一顆白血球的掃描式電子顯微鏡照片。各種白血球是人類免疫系統的重要組成。

除了先天免疫以外,大部分生物也都有適應性免疫系統,也就是後天免疫,是針對特定的入侵病原體量身打造的。在人類和其他脊椎動物的發育過程中,會牽涉到一種複雜的過程,讓適應性免疫系統學會認識「自己人」——也就是生物體中的正常組成——並加以排除,以免未來又被適應性免疫系統認出來。這代表之後任何進入人體的東西,都會被視為「不是自己人」,並且會特別針對這些入侵者製造抗體,加以毀滅。

當人體遇到不是自己人的實體時,適應性免疫系統就會記住這個東西,期間從一年到一輩子不等。這個系統通常運作得非常好。然而病毒也發展出許多聰明的對策,以避開先天與後天免疫。病毒可能會躲在細胞裡,以非常緩慢的速度複製,讓宿主不會注意到。病毒也可能模仿宿主細胞,這樣就不會被認出是入侵者。或者病毒也可能瞄準免疫系統的細胞,癱瘓原本該擊退病毒的免疫系統。

植物的免疫系統則非常不一樣。對病毒的先天反應,有時候對病毒和植物宿主來說都是很獨特的。例如有些病毒會觸發植物體的反應,把病毒圍堵在最初感染的細胞內,以免病毒移往其他組織。這就是所謂的「局部病斑反應」,有時會在原始的感染部位周邊造成黃色斑點,或是殺死感染病毒周邊的細胞,留下死掉組織,因此形成斑點。

有些病毒會觸發一種也會影響到其他病原體的先天反應,讓植物先抵禦其他入侵者。這個過程跟水楊酸的合成有關。水楊酸是一種在柳樹皮中含量很高的分子,美洲原住民會用來退燒和治療疼痛。在19世紀晚期,拜耳公司的科學家研發出了這種化合物的合成型態,也就是我們所知的阿斯匹靈。

植物的適應性抗病毒免疫最初在1930年代早期得到證實。以溫和的病毒株為植物接種,能保護植物不受更嚴重的其他同種病毒株感染。在有基因工具之前,這種方法也會被用來辨認病毒:如果A病毒可以提供交互保護、使植物不受B病毒感染,就會被視為是同一種病毒的不同病毒株。直到1990年代,科學家才研究出這類免疫的分子基礎。結果發現,植物也有一種名為「RNA靜默」的適應性免疫反應。

當病毒在感染植物的時候,通常會產生具雙股RNA的大分子。這種獨特的核酸形式會觸發植物體內的某種機制,把這些大分子切成非常小的片段,然後與病毒RNA結合,並針對病毒RNA使之降解。儘管這是針對特定病毒所準備的適應免疫,但植物似乎不會把記憶輸入這個系統。病毒(當然)也演化出各式各樣的詭計來抵擋這個系統。有些病毒會製造蛋白質,擋住RNA靜默機制的各種組成。也有些病毒會設法隱藏自己的雙股RNA,避免被發現。

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結果發現,這種以RNA為目標發展的適應免疫並不是植物所獨有。在真菌、昆蟲和其他某些動物如線蟲身上,也都有不同形式的這類免疫。這些生物同時也有先天免疫,包括預防感染的實體屏障,而在昆蟲身上,還有很多跟動物的先天免疫很像的反應。真菌跟植物一樣,常感染非常穩定、長期由親代遺傳給子代的病毒。這些病毒可能會、也可能不會受真菌 的免疫系統影響,但如果真的有免疫反應,也不足以清除掉病毒感染。某些有趣的研究顯示,昆蟲的免疫系統並不會清除那些複製循環很長的病毒感染,而是容許這些病毒維持低濃度的感染。

細菌和古菌的免疫系統,則是以每種細菌各自不同的酵素掃描外來DNA,並以特定的迴文序列切斷。迴文是一段從頭往後讀或從尾往前讀都一樣的東西,像是「上海自來水來自海上」之類。DNA的迴文看起來如下:

5’GAATTC3’
3’CTTAAG5’

這段序列是Eco RI酵素獨有的,這是一種來自大腸桿菌(Escherichia coli,簡稱E. coli)的酵素。這種所謂的「限制」酶,是分子生物學家用了幾十年的好用工具,因為它可以測繪出DNA的序列。另外一種更晚期才發現的細菌 疫系統就是CRISPR系統,這是一種有記憶的後天免疫系統。CRISPR是clustered regularly interspaced short palindromic repeats的簡寫,直譯過來就是「群聚且有規律間隔的短迴文重複序列」。

遭到病毒感染以後,可能會有小段病毒基因體嵌入宿主基因體的特定部位,可以在稍後啟動、製作能分解進入的相關病毒的小RNA。這個系統跟植物、昆蟲、真菌的小RNA免疫有點類似,但細節非常不同。CRISPR系統在科學界掀起一股浪潮,因為這個系統讓科學家得以瞄準任何生物體內想要的DNA序列,剪輯它的基因體。

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SARS相關冠狀病毒(SARS - Related Coronaviruses)

迅速出現並造成公衛危機的新興病毒

  • 類別:四
  • 目:網巢病毒目(Nidovirales)
  • 科:冠狀病毒科(Coronaviridae)
  • 屬:貝塔冠狀病毒屬(Betacoronavirus)
  • 基因體:線型、單一組成、含約3萬個核苷酸的單股RNA,編碼11個蛋白質
  • 地理分布:疫情遍及全世界
  • 宿主:人類,果子狸、蝙蝠
  • 相關疾病:SARS, MERS, COVID-19
  • 傳播方式:呼吸道、人際接觸
  • 疫苗:尚未核准
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Photo Credit: 大石國際文化出版
在這幅穿透式電子顯微影像中,可看到一顆SARS相關冠狀病毒粒子和膜外圍典型的「冠」。膜內是RNA基因體,緊密地擠在核蛋白內。

迅速有效的反應:冠狀病毒是因為在電子顯微影像中具有冠冕般的外型而得名。它是所有RNA病毒中基因體最大、也最複雜的,可以大到含有高達3萬2000個核苷酸。這個科底下有非常多種會感染人類與其他動物的病毒。有些是會感染人類的新興病毒,因此引起了大家的關注。

SARS(Severe Acute Respiratory Syndrome,嚴重急性呼吸道症候群),在2002年突然出現在中國南方,並迅速擴散到香港,然後是世界許多地區。這種疾病非常嚴重,死亡率將近10%。分子證據顯示這種病毒源自蝙蝠,然後跳到果子狸身上,最後才傳給人類。會蔓延全世界是因為有旅客感染,且不到三個月就傳到32個國家。

公衛圈和病毒學界反應迅速,大約六個月內就已經判斷出 病毒的完整序列,且之後再過幾個月就已經開發出一套複雜的工具,用來研究這種病毒。在當時,這麼迅速的反應是前所未見的。檢測受感染旅客的行動也非常迅速,中國和世界其他地方的某些大型機場都會偵測是否有人體溫過高。到了2004年4月,已有一支疫苗在小鼠身上進行測試,但其實在2004年1月之後就已經沒有新增的人類病例。這個病毒出現,醫學界與科學界迅速反應,然後這個病毒就消失了,之後再也沒有出現過。

2012年,沙烏地阿拉伯出現了一種有親緣關係的病毒——MERS(中東呼吸症候群冠狀病毒感染症)相關冠狀病毒。MERS的出現跟SARS無關,而是從蝙蝠傳給駱駝的。人傳人並不常見,大部分患者都是直接被感染的動物傳染的。

2019年底,中國武漢出現了一種新的呼吸道疾病(COVID-19),起因是一種新型的冠狀病毒。起先是在中國境內迅速傳播,然後快速擴散到世界其他地區,世界衛生組織在三個月內就宣布大流行。蝙蝠被認為是原始宿主,至於它如何跳到人類身上,一般認為是武漢的動物市場。

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書籍介紹

本文摘錄自《病毒完全圖鑑:你必須知道的101種病毒的構造、流行史與驚人多樣性》,大石國際文化出版

作者:瑪莉蓮・盧辛克(Marilyn J. Roossinck)
譯者:鍾慧元

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英國與美國亞馬遜4.5顆星評鑑
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本書由知名病毒學權威撰寫,揭露肉眼看不見的微生物世界裡的各種驚奇。你看待病毒的眼光將會從此改變。

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Photo Credit: 大石國際文化出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:王祖鵬


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