文章專區

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RN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。……【更多內容請閱讀科學月刊第521期】