為什么有些病毒會感染人類,另一些卻不會?

為什么有些病毒會感染人類,另一些卻不會?
這張掃描電子顯微鏡圖像顯示的是,實驗室培養的細胞表面出現新冠病毒(呈金色圓形)。這種病毒是新冠肺炎的罪魁禍首。
供圖:NIAID-RML
 
撰文:KATHERINE J. WU
 
  據估計,在我們這顆星球上,病毒的數量達10的31次方,足以給宇宙里的每顆恒星送去1億個病毒。
 
  病毒存在于大自然的每個角落,它們在海水中翻騰,漂浮在大氣中,或者潛伏在土壤微塵中。這些病原體通常被視為非生命體,只能依靠宿主復制;它們會劫持生命之樹的每一根枝椏,包括大量人類細胞。
 
  不過,大多數時候,在這個充滿病毒的世界里,人類物種都會生活在相對沒有疾病侵擾的環境中。科羅拉多大學博爾德分校的病毒學家、疾病生態學家Sara Sawyer告訴我們,這背后的原因,與人體適應疾病沒有太大關系,而是和病毒本身的生物特性有關。這些病原體在選擇感染哪些細胞時非常挑剔,而且我們周圍的病毒只有極少部分會對人體構成真正的威脅。
 
  盡管如此,如今肆虐全球的新冠病毒仿佛在昭告天下:新型人類病毒大爆發的確會發生,而且并不意外。
 
  為了更好地預測和防止疫情爆發,科學家正在努力研究病毒的特性,試圖找到為什么有些病毒會傳染給人類,其他的卻不能。有些病毒變異更頻繁,可能有助于傳染給新宿主;另一些則通過與人類接觸的動物作為跳板,實現跨物種傳播。
 
  蒙大拿州立大學的疾病生態學家Raina Plowright說,大流行病“實際上是有模式可循的,而且是可預測的模型”。
 
跨越物種
 
  大部分新的傳染病進入人群的方式與新冠肺炎一樣,它們都是人畜共患病,即通過動物傳染給人的疾病。一般認為,哺乳動物和鳥類攜帶約170萬種未被發現的病毒,全世界的科學家因此調查全球的野生動物,為下一次人類大流病的到來做好準備。(細菌、真菌和寄生蟲也會從動物傳染給人類,但這些病原體繁殖通常不會感染宿主,而且很多病毒更擅長跨物種傳播。)
 
  為了成功實現跨物種傳播,病毒必須清除一系列生物學障礙。麥考瑞大學的病毒學家Jemma Geoghegan說,病原體必須離開一種動物,接觸另一種動物,然后才能感染第二宿主。這就是所謂的“溢出傳染事件”。病毒在新宿主體內扎穩腳跟后,就開始向該物種的其他成員傳播。
 
  具體數字很難估計,但絕大多數動物向人類溢出傳染最終的結果可能是走上了一條死胡同,也就是說,只會傳染給第一個個體。斯坦福大學的病毒學家、疾病生態學家Dorothy Tovar說,一種新病毒想要引起大爆發,“需要結合多種因素”。
 
為什么有些病毒會感染人類,另一些卻不會?
在越南芹苴,調查人員正在提取雞的血液樣本,測試禽流感。
攝影:LYNN JOHNSON, NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  這些因素包括攜帶病毒的動物與人類接觸的頻率,病毒的傳播方式,病毒在宿主體外能存活多久,病毒破壞人體免疫系統的效率。傳播過程中的任何環節出問題,都會導致病原體感染新物種失敗。即便是看似無關的因素,比如平均降雨量過多或當地食物不足,都會改變人類與動物之間的接觸情況。
 
  對于病毒來說,傳播過程中最具挑戰性的一步是進入新宿主的細胞,這些病原體利用細胞中所包含的分子結構,實現復制。在這一過程中,病毒通常會附著在人類細胞外的一個分子上,有點像鑰匙開鎖。契合度越高,病原體就越有可能進入細胞內部。導致新冠肺炎的新冠病毒就是通過與ACE2蛋白質結合,從而進入人體呼吸道的細胞。
 
  Sawyer說,對于任何特定宿主,以這種方式進入細胞的“病原體非常少”。我們遇到的絕大多數病毒都會被細胞反彈回來,最終只是“到此一游”。
 
多面病毒
 
  但有時候,病原體卻能設法通過。已知有200多種病毒會導致人類生病,而且全都能入侵人體細胞。但幾乎可以肯定的是,它們原本并沒有這種能力。
 
  Sawyer說,病毒搶占的宿主細胞被稱為受體,在不同物種之間,受體差別較大。“導致人畜共患病的病毒有一個關鍵特征,即只需要很少的進化步驟,就能適應人類的受體。”
 
  病毒極具遺傳可塑性,尤其是那些基因編碼為RNA而非DNA的病毒,它們非常擅長跨物種傳播。與DNA病毒和細胞相比,RNA病毒在復制基因編碼時,往往比較草率,因此突變概率很高。奧本大學的疾病生態學家Sarah Zohdy說,這個過程很容易出錯,RNA病毒因此獲得了巨大的多樣性,從而能快速適應新環境,包括新的宿主物種。
 
  近幾十年,感染人類的病原體主要是RNA病毒,包括埃博拉病毒、非典病毒、中東呼吸綜合征病毒、寨卡病毒、一些流感病毒,還有新冠病毒。
 
  一些病毒還能通過第二種方法改變基因編碼,這種方法有點像有性繁殖。當兩種基因不同的病毒感染同一個細胞時,它們在復制過程中,可能相互交換基因片段,產生與“雙親”不同的雜交病毒。流感病毒是一種RNA病毒,既能獨立變異,也會混合基因片段。借助這一特性,流感病毒在整個野生物種和家畜之間穿梭自如,包括豬、鯨魚、馬、海豹、幾種鳥類,當然還有人類。
 
“完美”病原體
 
  然而,無論是變異,還是雜交,都無法保證溢出傳染,而且即便沒有這種特征的病毒,也會感染很多不同的宿主。
 
  幾年前,Geoghegan和同事發現,引發人類生病的病毒有其他一些特征。分析結果顯示,長期潛伏在宿主體內且不致命,似乎對病毒有利。她說,這些隱蔽的病原體感染時間越長,越有機會適應并傳播到新物種身上。
 
  Zohdy說,很多病原體就是這樣,從嚙齒動物、蝙蝠和非人類靈長動物傳染給了人類,這可能是多種因素造成的:這些物種數量眾多、靠近人群、與人類的生物學特性相似。至于那些與已知人類病原體相關的病毒往往會構成威脅,比如新型流感病毒、新冠病毒。雖然這些微生物大部分最終對人體無害,但一點點基因變化就會讓它們進入我們的細胞。
 
  僅根據病毒特性,我們還不足以預測大流行病的情況。但加州大學戴維斯分校的副董事Tracey Goldstein說,科學家仍在給地球上的各種病毒分類,了解它們的特征,從而選出一些病原體,優先進行進一步研究。在現場分離出的病毒會被帶到實驗室,看看它是否會感染人體細胞,并完成復制。
 
  Tovar說,傳統上,這些步驟每一步都由不同的研究人員負責,一些人負責從野外環境采集病毒樣本,另一些人主要在實驗室里確定病毒特征。只有冒險進行實地檢測,我們才能了解這些病原體的整體情況;而想要確定最大的威脅來自何處,我們也需要在實驗室做實驗。
 
  “我們要把很多因素結合在一起,所有信息都很重要,”Plowright說。人類可以利用這種復雜性:研究人員找出的溢出因素越多,干預的機會就越多。最終,在有了足夠的信息后,我們甚至可以未雨綢繆,在大流行病爆發前就遏制住。
 
  “我們在很短的時間里,獲得了大量信息……令人難以置信,”Zohdy說:“我的心中充滿希望。”
 
(譯者:Sky4)
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