Science：揭示病毒的一種新的進化之路

病毒通過將它們自身結合到細胞表面上的分子受體而感染細胞。這些受體是病毒入侵細胞必須要打開的「鎖」。針對這些鎖的「鑰匙」是被稱作宿主識別蛋白的病毒蛋白。在這個領域開展研究的研究人員專註於突變如何改變這些蛋白鑰匙以及哪些改變讓它們能夠打開新的鎖。多年來科學家們已知道病毒能夠相對較少的突變獲得新鑰匙，但是他們尚未解決這些突變首次出現的奧秘。這個問題導致與美國加州大學聖地亞哥分校、耶魯大學和日本東京工業大學的研究人員合作開展研究。

圖片來自UC San Diego。

在一項新的研究中，在加州大學聖地亞哥分校生物科學助理教授Justin Meyer和Meyer實驗室的Katherine Petri的領導下，這些研究人員利用λ噬菌體開展一系列實驗，其中λ噬菌體是一種感染細菌但不感染人體的病毒，從而允許在實驗室測試中具有廣泛的靈活性。這些研究人員發現λ噬菌體能夠像預期的那樣感染「正常的」細菌宿主，但是通過一種之前在進化中未觀察到的過程獲得感染新的宿主靶標的能力。他們說，他們的發現解決了長期存在的關於基因如何獲得新功能和突變如何產生從而使得更容易在宿主間傳播的秘密，而且可能適用於對寨卡（由寨卡病毒感染導致的）、埃博拉（由埃博拉病毒感染導致的）和禽流感（由禽流感病毒感染導致的）等病毒性疾病的研究。相關研究結果發表在2018年3月30日的Science期刊上，論文標題為「Destabilizing mutations encode nongenetic variation that drives evolutionary innovation」。

Meyer 說，「這項研究表明病毒具有的適應性比之前預期的更強。通過了解病毒如何實現進化靈活性，我們對如何阻止新疾病出現有了新的認識。」

這些研究人員發現通過違反公認的將遺傳信息轉化為蛋白的分子生物學規則，λ噬菌體克服了使用新受體的挑戰。他們發現單一基因（即λ噬菌體宿主識別基因J）有時會產生多種不同的蛋白。這種病毒進化出一種易於出現結構不穩定性的蛋白序列（即宿主識別蛋白J），從而導致至少兩種不同的宿主識別蛋白產生。對這種病毒而不是宿主幸運的是，這些不同類型的蛋白能夠利用不同的鎖。

Petrie說，「我們能夠捕獲到這個進化過程發揮作用。我們發現這種蛋白存在的『錯誤』使得這種病毒感染它的正常宿主和不同的宿主細胞。這種蛋白存在的這種非遺傳性變異（nongenetic variation）是一種讓單個DNA基因序列獲得多種功能的方法。對這種蛋白而言，這就像買一送一。」

這些研究人員如今正在尋找他們新發現的進化現象的更多例子，並尋找它有多普遍的證據。 他們也在降低研究規模，探究這種新進化過程的細節，以便關注單個分子的進化過程。

參考資料：Katherine L. Petrie, Nathan D. Palmer, Daniel T. Johnson et al. Destabilizing mutations encode nongenetic variation that drives evolutionary innovation. Science, 30 Mar 2018, 359(6383):1542-1545, doi:10.1126/science.aar1954

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