病毒战场 细胞战场

经纬创投

发布时间:01-2217:46

这几天,“新型肺炎”的消息刷屏了。

截至1月22日16时,全国13省(区、市),累计报告新型冠状病毒感染的肺炎确诊病例443例,死亡9例。

随着确诊病例数字的攀升与地域的扩散,每个人都在关心:病毒是如何传播的?究竟该如何预防?

今天这篇文章,分析了5大关键问题:

●带有病毒的人打喷嚏是如何将病毒传到另一个人身体里的?

●病毒与细菌有什么区别?

●武汉新型冠状病毒有什么特征?

●病毒如何攻破人体重重防御?

●病毒如何防治?

希望可以让你更了解病毒的原理,也更重视保护自己和身边人。以下:

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带有病毒的人打喷嚏

是如何将病毒传到另一个人身体里的?

根据BBC拍摄的纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》,喷嚏中的一滴液珠就携带有数百万个入侵者 ,它们穿过人体的薄弱点,眼睛、口腔、鼻腔。

这些外来的入侵者是极其狡猾的致命机器。比如腺病毒,是可以感染人类的20科病毒之一,可以引起各种各样的疾病,从一般感冒到肺炎。

在其坚固外壳内含有一些简单的指令,它的任务是破坏细胞防御,朝着细胞核一路前进,一旦到达细胞核,任何一个这种病毒,都能控制细胞中健康的DNA,并且将其替换为自己具有破坏性的DNA

细胞核,原来是细胞组织的中心,被攻破后成为了一万个致命基因的住所,每一个都准备好扩散,然后尽可能多地去感染我们体内的细胞。

这支军队的唯一目标就是,增殖并摧毁尽可能多的人体细胞,导致疾病,甚至死亡。

这也就是为什么,在众多防范措施中,特别重要的一条就是“戴口罩”。如有咳嗽、喷嚏时,注意用纸巾、衣物遮挡口鼻以减少病菌传播。

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病毒与细菌有什么区别?

很多人都容易混淆细菌和病毒,把病原体都称为病菌,这是不对的。病毒和细菌存在很大的区别。

首先在大小上病毒比细菌小得多得多,病毒是纳米级的颗粒,小到十几纳米,大到几百纳米,需要借助电子显微镜才能观察到它。而细菌是微米级的颗粒,在普通显微镜下就能观察到。

其次,从生命的形态上病毒有核酸,或者说是遗传物质和蛋白质裹在一起的一个生物大分子。但它没有细胞结构,它必须依赖于细胞才能生存,要在细胞或动物体内才能完成它的生命里程。而细菌它有完整的细胞结构只要有合适的培养基它就可以生长

比如常见的艾滋、流感和乙肝都是由病毒引起的,而结核、伤寒和鼠疫这些都是由细菌引起的。

这两类病原体在治疗上面也是不一样的。治疗病毒需要特异性的抗病毒药物治疗细菌要用抗生素,也就是大家常说的消炎药。治疗细菌的抗生素是不能治疗病毒性疾病的,反过来也一样。

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武汉新型冠状病毒有什么特征?

根据SCIENCE论文,武汉新型冠状病毒属于Beta冠状病毒属(Betacoronavirus)。Betacoronavirus是蛋白包裹的单链正链RNA病毒,寄生和感染高等动物(包括人)。

冠状病毒属于RNA病毒,它的特点就是进化快,因为RNA相比于DNA更不稳定,所以复制出错的概率更高。因为进化快和变异快的原因,它也可能很快把自己进化没了,这就是为什么当年SARS只有一次爆发,后来就没有再出现的原因。但与此同时,RNA病毒还有一个副作用就是很难设计疫苗,因为疫苗设计好后时,病毒的基因可能已经有了很大的变化了。

在进化树的位置上,Betacoronavirus与SARS(导致2002年“非典”)病毒和类SARS(SARS-like)病毒的类群相邻,但并不属于SARS和类SARS病毒类群。

它们进化上共同的外类群是一个寄生于果蝠的HKU9-1冠状病毒。所以武汉冠状病毒和SARS/类SARS冠状病毒的共同祖先是和HKU9-1类似的病毒。由于武汉冠状病毒的进化邻居和外类群都在各类蝙蝠中有发现,推测武汉冠状病毒的自然宿主也可能是蝙蝠。如同导致2002年“非典”的SARS冠状病毒一样,武汉冠状病毒在从蝙蝠到人的传染过程中很可能存在未知的中间宿主媒介。

SARS病毒是通过其表面的S-蛋白与宿主表面ACE2蛋白结合完成感染的,这个机制是由经纬系公司华辉安健创始人、北生所研究员李文辉于2003年发现的。虽然武汉冠状病毒S-蛋白中与ACE2蛋白结合的5个关键氨基酸有4个发生了变化,但变化后的氨基酸,却在整体性上维持了SARS病毒S-蛋白与ACE2蛋白互作的原结构构象。

根据论文作者模拟预测的结果,尽管武汉新型冠状病毒的新结构与ACE2蛋白的互作能力由于丢失的少数氢键有所下降(相比SARS病毒S-蛋白与ACE2的作用有下降),但仍然达到很强的结合自由能(-50.6 kcal/mol)。

这一结果说明武汉冠状病毒是通过S-蛋白与人ACE2互作的分子机制,来感染人的呼吸道上皮细胞

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病毒如何攻破人体重重防御进入细胞核?

BBC拍摄的纪录片《人体奥妙之细胞的暗战》,以腺病毒为例,展示了病毒如何攻破人体重重防御进入细胞核。我们将其分成了9个阶段:

阶段一:病毒如何躲过白细胞抗体防线?

病毒的目标是我们鼻腔黏膜上的一个细胞,但是在它到达目标外壁之前,会遭遇大量的抵抗者。

抗体在细胞之间的空旷地带巡逻,它们的任务是发现并中和病毒,一旦识别已知敌人,它们就会紧紧钳住敌人的外壳,通过将它们铐在一起,游荡在外以病毒为食的白细胞就更容易捕获病毒。

抗体构筑了有力的第一道防线,但很快寡不敌众,成千上万的病毒到达了表皮细胞的细胞膜外。

阶段二:病毒如何骗过细胞膜?

第二阶段入侵即将开始,一队病毒抵达了细胞膜表面,错综复杂的细胞膜构筑了第二道防线。任何外物都被阻挡在外,除非细胞识别对方无害。比如营养物和蛋白质,它们有着与细胞膜表面的锁相匹配的特殊钥匙,才能通过。

但经过数十亿年的斗争,腺病毒演化出了这一专用钥匙的拷贝抗体让大量的病毒钥匙失去了功能,但仍有很多漏网之鱼细胞膜表面的锁被病毒愚弄,病毒大军长驱直入,就像最原始的特洛伊木马一般。

细胞膜下的膜蛋白误以为对方是重要的营养素,准备接受病毒,膜蛋白下拉细胞膜形成了一个囊泡,将病毒包裹其间[称为胞吞],一个分离膜蛋白挤出囊泡将病毒送入细胞内部。

阶段三:病毒如何利用核内体的分解?

病毒大军用障眼法顺利进入表皮细胞内,但细胞也拥有坚不可摧的防御组织,阻止病毒进一步入侵。送入细胞内部的物质,都会迅速被细胞内分拣站捕获拘留,它们叫做核内体。分拣站开始处理进入的物质,包括病毒,以便能把它们输送到细胞内各处。

第一步是将其分解,核内体的外壁与专门的蛋白泵相匹配,这种泵会释放带电氢原子,使核内体内部呈浓酸性,这种酸能够把营养物质分解成更小的分子,以便细胞运输和消化。

酸开始侵蚀病毒的外壁,病毒开始瓦解。这本应对腺病毒造成毁灭性的打击,但实际上,这种酸恰恰也是,病毒逃脱计划的一部分。

病毒上用以附着细胞的外鞘,是最先被分解的部分,但随着它们的瓦解,会从病毒内部释放一种特殊蛋白质,对分拣站外壁发起攻击,这种怪异的蛋白质能将外壁撕裂,病毒自由了。

但不是每个病毒都能成功,在临近的分拣站,抗体紧紧粘在病毒表面,将病毒五花大绑,防止病毒从内部释放用以逃脱的蛋白质。

成千上万的病毒,最终都死在了分拣站,但还有很多侥幸逃脱。现在,它们自由地在细胞内漂浮,从核内体中越狱成功后,病毒大军里侵入细胞核的目标又近了一步。

阶段四:病毒如何利用动力蛋白助跑?

但90%的病毒止步于此。虽然它们离细胞核只有五千分之一毫米的距离,对它们来说,就像有160万公里之遥。尽管它们始终处于熙熙攘攘的细胞活动中,这些入侵者却无法自行移动,它们也无法利用细胞内漂浮的发电站也就是线粒体所产生的能量。

到现在为止,病毒的内部电流支撑它来到这里,现在它需要帮助。就在细胞膜的下方有许多搬运工人,即动力蛋白,在等待着核内体中被处理的营养物质。这些可以动力腿能够捕捉任何有配对接口的分子,并在微管上,也就是细胞内的公路上,将它们运到最终的目的地。

在这场持续了十亿年的猫鼠游戏中,病毒为吸引动力蛋白进化出了精准的接口,这对由细胞供应能量的动力腿不经意地帮助病毒踏上了通向细胞核的旅程。

动力蛋白是自然界中的奇迹,以每分钟六千步的速度,必须放慢超过三十多倍才能看清,它们通往细胞核的路程相当于跑两个马拉松赛程,全程52英里[84公里],以奥运会短跑选手的速度跑完。

但速度不能代表一切,细胞内的微管公路通向细胞核,但这条路上分布着无数障碍,而且搬运工只能朝一个方向前进。

病毒再次陷入无助之境,在这里,一条微管挡住了它的去路,但最新的发现令科学家们重新思考他们对细胞内运输系统的认识。

它表明运动蛋白有不止一对可以运动的腿,它们还可以向着反方向移动,这两对特殊的腿相互合作,可以越过大部分障碍,病毒再次踏上了旅程,腺病毒开始攻击鼻腔黏膜中的表皮细胞。

阶段五:病毒如何躲过特殊蛋白的侦查?

截至不久以前,科学家们认为一旦病毒大军到达这里,它们就势不可挡了,但新的研究揭示还有一条前所未知的防线存在于细胞中。

研究者们发现一种特殊的蛋白质散布在细胞内的公路系统旁,不断寻找携带抗体的任何物质,例如细胞表面附着在病毒上的抗体,这些蛋白质会吸附到抗体上,这会引发连锁反应,吸引其他的特殊蛋白质,最终标示出要摧毁的病毒。

一种称为蛋白酶体的回收组织,被派到现场,摧毁病毒,在抗体的通报下,特殊蛋白质和回收机器的合作,能在数小时内消灭一支病毒部队。

只需一个病毒就能摧毁整个细胞,这个病毒躲过了侦察,没有了抗体,对细胞的回收机器来说它是隐形的。现在,没有东西可以阻止这个病毒实现它的目标了,病毒现在距离细胞核只有千分之一毫米了,但是要达到它的目的,它必须先进入细胞核。

阶段六:病毒如何进入细胞核?

细胞核位于细胞中心,比病毒大一百万倍,并被一层外皮保护着,外皮与细胞外壁类似,但是更难突破。进去的路只有一条,通往细胞的入口,是一种特殊的通道,它名叫核孔。在核孔表面,蛋白质构成的触手寻找分子并把它们拉进核孔,通过这条通道,数十亿的化学信息及指示在DNA和细胞间传递。

病毒必须进入内部,才能完成它的工作,但它进入需要许可,病毒的外壳再次携带适当的通行证,但这名入侵者体型过大,病毒并没有因此而气馁,当动力蛋白以为它们遇到了另一个障碍,它们就改变行进方向,与看守核孔的蛋白质触手展开了拉锯战。

最终,病毒被扯得四分五裂,这看起来像是病毒的末日。实际上,这确实病毒的妙策,在动力蛋白与核孔的拉锯战中,病毒被四分五裂,但也卸下了病毒的累赘,令它们进入了细胞的指挥控制中心。

阶段七:病毒如何控制DNA?

在这场侵略的每一个阶段中,病毒都利用了细胞自身的机制,来解除细胞的防御。

现在,它试图用这个策略无情地进行最后一击,细胞核内存在着DNA组织,它们一直注意着身体发出的指示,有的会接收这些指示,它们会设计特殊的蓝图,以制造某种特殊的蛋白质。

但这些机器无法分辨细胞DNA和病毒DNA之间的差异。它们在不知情的情况下,开始把病毒代码转变成上千条指令,让细胞内的各个组织执行,这是一张以感染全身为目标而制造蛋白质的死亡蓝图。

现在,这些来自病毒的指令,从细胞核倾巢而出,穿过核孔,重新回到细胞内。在这里,核糖体部队,作为移动的蛋白质工厂,接收了这些蓝图。一般来说,这些细胞器把我们的DNA蓝图,转变成对细胞来说很重要的蛋白质。现在因为病毒的指示,它们开始为新的病毒大军制造原材料。

每一种新的蛋白质,都被仔细地折叠成应有的形状,一件又一件,组成大军所需要的零件都被它们制造出来。但这些零件本身,不会在这里组装。新的病毒大军在细胞核内部原地重建,离细胞最重要的基因制造器更近。

这些碎片通过核孔回到细胞中心,在它们这项工作进行的同时,病毒把注意力转移到细胞的DNA上,它会让一切它不需要的正常进程停止,让DNA全部精力都集中于克隆病毒,其他一切都会停止。

阶段八:病毒如何躲过动力蛋白的侦查?

但是在所有正常活动停止之前,一种动力蛋白会到达细胞表面,它携带着一种重要信息,来警告周围的细胞。

病毒入侵即将成功的时候,受损细胞会向外界发出预警,蛋白颗粒通常都含有健康的蛋白碎片,并将它们带到细胞表面,告知外界这个细胞很健全,如今它们携带被病毒大军丢弃的碎片。

在细胞表面,这些颗粒解开包裹,入侵的病毒碎片则被暴露出来,这些都是对身体免疫系统的预警,是细胞遭受攻击后在其表面发出的死亡遗言。

如果病毒碎片被体内巡逻的白血球细胞侦察到,它们会将细胞连同里面的病毒一并消灭。

但是病毒会通过各种逃逸机制逃逸机体的免疫,比如乙肝病毒通过大量分泌S蛋白,导致免疫耐受,让我们的免疫细胞进入耗竭状态,对病毒特异性抗原视而不见。

如果没有被侦察到,病毒会接连感染一个又一个细胞。

阶段九:病毒如何传送DNA拷贝?

24小时后,在一天里,病毒就会完全控制表皮细胞,细胞的DNA被麻痹后,细胞会逐渐腐烂,唯一能进行的活动就是建立病毒大军。

这些碎片在细胞核内聚集,病毒的衣壳自行组装,能够让病毒与细胞内搬运工,即动力蛋白配对的接口,已经在衣壳表面形成,新的纤维构成了病毒上与细胞膜配对的钥匙。但是衣壳只是运输载体,没有运载物就毫无用处。

最后,数以千计的病毒DNA拷贝,被传送到病毒大军中。每一串都是病毒衣壳长度的两百多倍,被整齐地折叠在细小的空间内部。它在这儿静静等待,直到能够侵入另一个细胞核中,然后重新开始整个过程。

这支大军仅仅是一个病毒,传送了一串DNA所造就的。细胞核,原来是细胞组织的中心,现在是一万个致命基因的住所,每一个都准备好扩散,然后尽可能多地去感染我们体内的细胞。

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病毒如何防治?

人的一生会感染多少种病毒?说起来挺吓人的,可以感染上百种病毒。但是我们强大的免疫系统可以清除大部分病毒,还有些病毒是可以和我们终身相伴的。

治疗病毒需要特异性的抗病毒药物,比如奥斯他韦采用的原理是降低病毒复制,还有一些公司采取了包裹病毒的方法,即把人的细胞外面加个保护层保护起来,经纬系公司Ansun Biopharma研发的产品DAS181就是利用这一原理。美国FDA已授予DAS181快速通道资格和突破性疗法认定,用于治疗免疫缺陷患者由副流感病毒 (PIV) 引起的下呼吸道感染。

但目前,武汉新型冠状病毒无特效药可用,新发现的病毒从疫苗研发到量产要数年时间,再加上RNA病毒进化快的特点,疫苗的开发基本很难跟上变异脚步。因此,所有治疗均是对症治疗,主要采用的还是支持性疗法,也就是激素治疗。据媒体采访的一位痊愈病人,治疗的方法就是激活人体的自身免疫功能去对抗病毒。

细胞和病毒的战争是一场史诗级战争的决战时刻,也是人类历史上持续时间最长的战争。这场战争在我们每个人体内进行着,每一天,就要发生上万亿次。

未被病毒波及的细胞内包含着独特的DNA拷贝,这些就是最新的生命之书。这些信息从我们的父母、祖父母那里一代代传承下来,通过DNA我们可以追溯到我们三十亿年前的祖先,追溯到最最开始的那个细胞,早在人类、哺乳动物、恐龙出现之前,就存在的那个细胞。地球上所有的生物和植物,都是从那个史前祖先进化而来的,一个包含一串DNA的细胞,是万物的起源。

但是腺病毒也是从这个细胞进化来的,这就是为什么细胞可以冲破我们的防线,这个邪恶的远亲和我们一起进化

这场永不休止的战争,不仅仅是一场你追我赶的战争,更是驱动了各自的进化,最终双方都变得越来越强大。如果不是和我们远古时期的宿敌,之前这场永不休止的战争,我们也不会是今天的模样。

每一天每一分钟,这场和病毒的战争,地球上的每个人身上都在上演,双方之间随时随地不停地博弈,改变自己也改变对方,完善自己也完善对方。

也因此,人类对病毒研究还有很长的路要走。

References:

1)《绝对好奇:细胞战场》,BBC

2)《武汉新型冠状病毒的进化来源和传染人的分子作用通路》,BY中国科学杂志社(ID:scichina1950)

3)《这些野生动物的病毒,怎么就到了人类社会?》作者/石正丽,BY一席(ID:yixiclub)

本文图片均来自《绝对好奇:细胞战场》截图

#新型冠状病毒#

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