病毒的進(jìn)化

丁鏟

（中國農(nóng)科院上海獸醫(yī)研究所，上海閔行200241）

19世紀(jì)英國著名生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文在他的著作《物種起源》中提出了“物競天擇，適者生存”的進(jìn)化論。其中最核心的理論就是凡是生命體都是變化的；任何一種生命體都想使自身物種盡可能多、盡可能長久的繁衍下去；自然界的任何物種都存在變異，變異是生物適應(yīng)環(huán)境和維持生存的一種重要方式，是進(jìn)化的規(guī)律；生命體的進(jìn)化總是從簡單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)；越是個(gè)體大的生命體越是容易被消滅。

由此引出病毒的進(jìn)化。病毒(virus)是由一種核酸分子(DNA或RNA)與蛋白質(zhì)構(gòu)成的、必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型微生物，病毒起源于機(jī)體細(xì)胞本身，是所有生命體中變化最多的生物，是進(jìn)化生物學(xué)和傳染病預(yù)防控制中的重要課題。根據(jù)致病性病毒可分為絕對(duì)致病病毒、條件致病病毒、協(xié)同致病病毒和非致病病毒。 病毒可快速增殖出數(shù)目龐大的子代病毒、可通過變異產(chǎn)生巨大的遺傳多樣性以及對(duì)變化莫測的環(huán)境的適應(yīng)能力構(gòu)成了病毒生存和進(jìn)化的本質(zhì)，但是迄今為止人類對(duì)病毒的起源、進(jìn)化以及病毒與宿主群體的相互作用仍然知之甚少。

一、病毒的生存法則

最具有進(jìn)化優(yōu)勢的病毒應(yīng)該能夠最大限度傳播自身，同時(shí)對(duì)宿主造成的危害越小，越有利于病毒的長期生存與傳播。病毒在具有傳播能力的同時(shí)，不可避免地造成宿主適應(yīng)性的降低，從而引起發(fā)病。病毒的進(jìn)化會(huì)在傳播率最大和對(duì)宿主影響最小之間取得平衡，以使得病毒的基本增殖率最大化。

造成病毒變異的原因有兩個(gè)。首先是由于病毒本身的復(fù)制頻率很高，遺傳物質(zhì)很容易在復(fù)制過程中發(fā)生突變；其次是免疫壓，病毒在宿主體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制繁殖，必然要遭到宿主免疫系統(tǒng)的攻擊（免疫壓），因而，變異則成為逃避免疫殺傷的最好方式。

二、病毒進(jìn)化的機(jī)制

病毒以最少的基因組合，產(chǎn)生最大的多樣性，這是病毒進(jìn)化的首要條件。病毒基因突變（包括突變、轉(zhuǎn)入、插入、缺失、顛換、重組、重排等）和自然選擇是病毒進(jìn)化和病毒多樣性的基礎(chǔ)。

1.基因突變。高頻率基因突變是病毒進(jìn)化的基本條件，包括自發(fā)突變和誘發(fā)突變。（1）自發(fā)突變：大多數(shù)RNA病毒的突變率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DNA病毒，這種差別是由基因組成的機(jī)制決定的，在復(fù)制過程中RNA聚合酶的錯(cuò)誤率通常要高于DNA病毒依賴的DNA聚合酶。（2）誘發(fā)突變：主要是因?yàn)檎T變劑的作用造成的突變，其中體外誘變劑直接對(duì)核酸進(jìn)行化學(xué)修飾，不影響核酸復(fù)制，如亞硝酸、羥胺和烷基化合物（如亞硝基胍）；體內(nèi)誘變劑則需進(jìn)行代謝活化，它們可摻入到新復(fù)制的核酸中，并在不斷的復(fù)制過程中誘發(fā)突變。

2.病毒遺傳信息的交換。病毒可通過基因片段的重組、重配交換遺傳信息；兩種或多種病毒同時(shí)感染一個(gè)宿主細(xì)胞或個(gè)體時(shí)為病毒之間的遺傳物質(zhì)交換提供了機(jī)會(huì)；此外病毒與細(xì)胞基因組之間也存在遺傳物質(zhì)的交換。

3.自然選擇。能存在于自然界的完整病毒必須先于宿主進(jìn)行自然選擇；病毒通過快速變異和產(chǎn)生大量子代病毒，提供豐富的多樣性（RNA病毒）以適應(yīng)宿主。

病毒突變的雙重作用：病毒突變可使其抗原性發(fā)生改變，從而逃逸免疫應(yīng)答，但大多數(shù)突變是有害的，并會(huì)產(chǎn)生許多缺陷顆粒。所謂“野生型”病毒，實(shí)際上是由占大多數(shù)暫時(shí)未發(fā)生突變的類型組成，它們的作用主要是保持病毒在復(fù)制過程中的動(dòng)態(tài)平衡（即基因組的數(shù)量平衡）。雖然大多數(shù)突變類型是非感染性的或者對(duì)其生存極為不利的，并很快被清除，但自發(fā)突變卻是病毒進(jìn)化的重要?jiǎng)恿Α?/p>

三、病毒進(jìn)化常見的途徑

病毒進(jìn)化常見的途徑分為以下兩種。

1.病毒與其宿主共同進(jìn)化，二者具有共同的命運(yùn)，但病毒將面臨生存的瓶頸——因宿主的消亡或抗病毒措施的應(yīng)用而消亡。

2.病毒選擇多種宿主，從而具有較廣闊的生存環(huán)境，當(dāng)一種宿主面臨危險(xiǎn)時(shí)，病毒可在另外的宿主中增值。

一般而言，DNA病毒進(jìn)化依照第一條途徑，而RNA病毒的進(jìn)化大多數(shù)通過第二種途徑。這兩種途徑都為病毒提供了最佳的生存方式。

四、病毒進(jìn)化的特點(diǎn)

1.病毒進(jìn)化比一般生物快得多，病毒的基因變異表現(xiàn)出一定的“量子”特征。病毒的繁殖是以高于宿主10n倍的速度進(jìn)行的，病毒的的大量繁殖也加速了病毒的變異。

病毒實(shí)際上是以大致相同、但略有差異的一群病毒粒子的形式存在，也就是以居群（population）、亞種（subspecies）或者準(zhǔn)種（quasispecies）的形式存在于宿主體內(nèi)，而不是以均一的形式存在。

株：指同種病毒的不同系別或不同的分離株，如來源于不同地區(qū)或病人的病毒。

準(zhǔn)株（quasispecices）：指某株病毒在同一宿主內(nèi)發(fā)生變異所產(chǎn)生的變異株，應(yīng)注意變異體區(qū)別。型：指同種病毒的不同血清型（例如各種抗體中和表型）和基因型。

準(zhǔn)種：指表型與原始野生型不同的病毒，但其變異的遺傳機(jī)理尚不清楚。

2.新病毒基本上是從另一種宿主的病毒演化而來。

“老”病毒通過跨宿主轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)化可以較為高效地?cái)U(kuò)大病毒的多樣性，比重新產(chǎn)生一個(gè)新病毒容易，也有利于病毒在更廣泛的宿主環(huán)境中進(jìn)行數(shù)量和種類的擴(kuò)增?！袄稀辈《驹谛碌乃拗髦幸暂^快的速度分化變異，充分增加其多樣性，以維持其生存。新病毒穩(wěn)定后其毒力大多處于中等水平。因?yàn)椴《径玖μ珡?qiáng)會(huì)造成宿主和病毒的共同滅亡，不利于宿主和病毒的共同進(jìn)化和雙方多樣性的發(fā)展。弱毒株雖不能對(duì)宿主造成損傷，但也不能產(chǎn)生大量病毒，不利于病毒多樣性增長，僅能夠在宿主對(duì)其不會(huì)造成太大抑制的局部生存。中等毒力的病毒株既能保持一定的病毒數(shù)量，又能在宿主中不斷傳代下去，因而呈現(xiàn)出選擇優(yōu)勢。

病毒沒有完全的自身生命系統(tǒng)，必須依賴宿主的生命系統(tǒng)來進(jìn)行自我復(fù)制、散播，確保自身物種的繁衍。病毒—宿主及宿主—病毒之間的相互作用在病毒的進(jìn)化中顯得尤為重要。

3.病毒進(jìn)化既有隨機(jī)性又有方向性和穩(wěn)定性。病毒以各種方式隨機(jī)地產(chǎn)生變異，但這些隨機(jī)產(chǎn)物還要經(jīng)過病毒活性以及病毒與宿主相互關(guān)系的選擇，特別是宿主的適應(yīng)性以及免疫選擇壓力，因此病毒進(jìn)化受自然選擇的壓力而呈現(xiàn)一定的方向性和穩(wěn)定性。

4.病毒基因不同的進(jìn)化特征。在大部分病毒中，編碼外殼蛋白的基因進(jìn)化較快，而編碼內(nèi)部蛋白的基因卻相當(dāng)保守。如流感病毒，在編碼血凝素蛋白的基因中，與宿主免疫有關(guān)的部分變異較快，而與細(xì)胞粘附有關(guān)的部分變異較慢，內(nèi)部基因則相對(duì)穩(wěn)定。

凡是有生命的東西都是會(huì)變的，這個(gè)世界唯一不變的就是變化。隨著病毒的不斷進(jìn)化，人類和病毒的斗爭將是永遠(yuǎn)的！