01 什么是病毒 What Are Viruses
微生物是如此之小，
小到根本无法辨认出它，
但许多人满怀热情，
寄望显微镜能一窥究竟。
它有成百排古怪的牙齿，
其后连接着舌头；
它有七条簇状的尾巴，
上面遍布可爱的粉色和紫色斑点，
每一颗斑点都是一幅图案，
每幅图案由四十根线条绘成；
它还长着嫩绿的眉毛。
而这一切无人得见——
但知识渊博的科学家们
确信它们必是如此长相……
哦！让我们永远别去怀疑
那些无人确定的事。
——《微生物》[1]，
希莱尔·贝洛克（Hilaire Belloc）， 1896年
原始微生物大约从30亿年前就开启了它们在地球的进化之旅，但直至19世纪晚期才被人类成功分离出来，距后来希莱尔·贝洛克写下这首《微生物》仅仅20年左右。尽管这首诗仅为消遣之作，但也反映出时人对微生物所持的怀疑态度。疾病曾不同程度地被归因于神的意志、行星的排列、沼泽散发的瘴疠之气或腐烂有机物散发的各种有害气体，而只有在认知取得巨大飞跃后人们方能接受这样一个事实——微小的生物体才是导致疾病的罪魁祸首。当然，人们的认知并非一朝一夕就能扭转，但随着被发现的微生物日益增多，“细菌理论”占据了上风，到20世纪初，微生物能导致疾病这一观点已获得各界广泛认可，甚至包括非科学界。
17世纪的荷兰透镜制造商安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）对显微镜技术的改良在人们认知实现巨大飞跃的过程中起到了关键作用。虽然列文虎克是最早看见微生物的人，但直到19世纪中期，巴黎的路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）和柏林的罗伯特·科赫（Robert Koch）才证实“细菌”是导致传染病的原因。巴斯德的研究对推翻时人普遍相信的“自然发生说”（即生命可以从无机物质中产生）起到了重要作用。他将肉汤煮沸后放入一个带过滤器的培养瓶内，以此防止空气中的任何颗粒物质进入，结果显示这样能避免霉菌在肉汤中生长。这证实了空气中飘浮着微小的“细菌”。
科赫于1876年发现了第一种细菌——炭疽杆菌（Bacillus anthracis）。他很快就发明了在实验室中培养微生物的方法，并在此后接连识别和表征出一系列致病微生物，它们引发了令人闻之色变的疾病，如炭疽、结核病、霍乱、白喉、破伤风和梅毒。很明显，细菌的结构类似于哺乳动物的细胞，即细胞质外包围着一层细胞壁，而细胞质中盘绕着一个环状DNA分子。大多数细菌为自生细菌，可以制造自身新陈代谢和分裂所需的所有蛋白质。
至此仍有一些传染病尚未找到对应的致病微生物，如天花、麻疹、腮腺炎、风疹和流感。这些微生物显然体形更加纤小，因为它们能穿过截留细菌的过滤器，因此被称为“滤过性病原体”。在当时，大部分科学家认为这些微生物只不过是相对较小的细菌。
1876年，时任荷兰瓦赫宁根农业实验站站长的阿道夫·麦尔（Adolf Mayer）着手调查一种曾摧毁了荷兰烟草业的新发烟草病害。因为染病植株的叶子上会形成斑驳的图案，所以他称之为“烟草花叶病”。他利用从病株中提取的汁液让健康植株染病，从而证明这种病害具有传染性。他认为这种病害是由某种极其微小的细菌或毒素引起的。
后来，生物学家德米特里·伊万诺夫斯基（Dmitry Ivanovsky）在俄国圣彼得堡大学对烟草花叶病也进行了研究，并于1892年证明该病害的病原体能够穿过截留细菌的过滤器。他的观点与麦尔类似，即该病害由细菌产生的化学毒素引起。
在麦尔的实验基础上，瓦赫宁根农业学校的马丁努斯·贝杰林克（Martinus Beijerinck）于1898年进一步证明这种病原体能在正在分裂的细胞里生长，并且每感染一株植物就能恢复能量。他推断出这是一种活体微生物，并首创“病毒（virus）”一词加以命名，这个名字来自拉丁语，意即“毒药、毒液或黏滑的液体”。
到20世纪初，病毒被定义为一种具有传染性和可滤过性，并且需要活细胞方能繁殖的微生物，但其结构的本质依然成谜。在20世纪30年代，人们获得了烟草花叶病毒结晶，这表明病毒完全由蛋白质组成，但人们很快又发现了一种对病毒的传染性具有重要影响的核酸组分。直到1939年，电子显微镜的发明才让人们首次目睹病毒的真面目并能描述其结构，从而发现它们是一类独特的微生物。
病毒并非细胞，而是一种有机物微粒。它们由蛋白质外壳和被外壳包裹并保护的遗传物质组成，用著名免疫学家彼得·梅达瓦（Peter Medawar）爵士的话来说，就是“包裹在蛋白质中的一条坏消息”。整个病毒结构被称为病毒粒子，其外壳被称为衣壳。衣壳形状各异，大小不同，具体取决于其所属的病毒科。衣壳由名为壳粒的蛋白亚基构成，而壳粒围绕遗传物质的排列方式决定了病毒粒子的形状。例如，痘病毒呈砖形，疱疹病毒为二十面体（二十面球体），狂犬病病毒形如子弹，而烟草花叶病毒细长如杆（图1）。某些病毒还具有一层包裹在衣壳外名为包膜的外衣。
图1 病毒的结构
大部分病毒都因过于渺小而难以通过光学显微镜观察。它们的大小一般是细菌的1/500～1/100，粒径为20～300nm[2]不等（图2）。但新近发现的巨病毒——拟菌病毒（“模拟细菌的病毒”的简称）不在此列，它的直径约为700nm，甚至超过了部分细菌。
图2 典型细菌和代表性病毒的大小对比
病毒的衣壳内包裹着它的遗传物质或基因组，可能是RNA或DNA，具体取决于病毒的类型（图3）。病毒基因组中包含的基因携带了制造新病毒的密码，能将这些遗传特征传给下一代。病毒通常具有4～200个基因，拟菌病毒是其中翘楚——据估计，它拥有600～1000个基因，甚至超过了很多细菌的基因数。
包括细菌在内的自生生物细胞中包含了一系列维持生命必需的细胞器，如生产蛋白质的核糖体、线粒体或其他产生能量的结构，以及在细胞内部与跨细胞运输分子所需的质膜。因为病毒不是细胞，所以不具有上述结构。因此，病毒在感染活细胞前是完全惰性的。它们在感染活细胞后会劫持细胞本身的细胞器并攫取所需的一切，这个过程通常会杀死细胞。由此可见，病毒必须从其他生物细胞获得必要物质来完成其生命周期，因此，它们被称为专性寄生物。甚至连感染阿米巴变形虫的拟菌病毒也必须借用阿米巴变形虫的细胞器来生产所需蛋白质，以便装配成新的拟菌病毒。
图3 DNA结构
图示为两条相互缠绕、构成螺旋的互补链。每条链的主链由通过磷酸分子（P）相互连接的（脱氧核）糖分子（S）构成。每个糖分子均连接着一个碱基，共同构成了遗传密码表中的“字母”。它们分别为腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。RNA与DNA的结构相似，但其碱基为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶（U）
植物病毒可通过细胞壁的裂缝进入细胞，或以蚜虫等刺吸昆虫为媒介注入，然后通过胞间连丝（跨细胞转移分子的孔）在细胞之间快速扩散。与此迥异的是，动物病毒则通过与细胞表面特定的受体分子相结合来感染细胞。细胞受体如同一把“锁”，只有携带正确受体结合“钥匙”的病毒才能打开它并进入特定的细胞。不同种类病毒的受体分子各有不同，有些受体分子存在于大部分细胞表面，但也有些受体分子仅存在于特定类型的细胞表面。艾滋病病毒（HIV）就是一个众所周知的例子。这种艾滋病病毒携带能开启CD4分子锁的钥匙，因此只能感染表面有CD4分子的细胞。这种特殊的交互作用决定了感染的结果，作为激发免疫应答的关键，CD4阳性“辅助性”T细胞会被艾滋病病毒破坏。最终，导致免疫系统失效，而机会性感染则会接踵而来。除非使用抗病毒药物进行治疗，否则这种感染足以致命。
一旦病毒与细胞受体结合，病毒的衣壳就会渗透该细胞，并向细胞质释放病毒的基因组（DNA或RNA）。因为病毒的主要“目的”是成功繁衍，所以它的遗传物质必须表达其携带的信息。该过程在大多数情况下会在细胞核中进行，病毒在此可得到生产自身蛋白质所需要的分子。部分大型病毒（如痘病毒）还会携带生产蛋白质所需的酶的基因，从而增强自给性，以便在细胞质中度过整个生命周期。
DNA病毒从进入细胞伊始就将自己伪装成细胞DNA片段，从而尽可能利用所需的细胞器完成基因转录和翻译。当病毒的DNA密码被转录成信使RNA后，由细胞的核糖体读取信息并翻译成不同的病毒蛋白。生产出的各个病毒成分随后将被装配为成千上万的新生病毒，并且往往会被密实包藏在细胞内。因此，这些新生病毒在最后“破茧”而出时难免会杀死宿主细胞。新生病毒也可能以出芽的方式更平缓地穿过细胞膜并释放。如果采用出芽的方式，宿主细胞可能会存活下来并成为感染贮主。
相对于DNA病毒，RNA病毒的领先之处在于其拥有自身的遗传密码（RNA）。因为RNA病毒携带的酶能促进其RNA被复制并翻译成各种蛋白质，所以它们对细胞酶的依赖性较弱，并且它们通常能在细胞质中度过完整的生命周期，避免对宿主细胞造成重大破坏。
逆转录病毒指包括艾滋病病毒在内的一类RNA病毒科，它们进化出了一种使细胞终生受感染同时又能躲避免疫攻击的独特技巧。逆转录病毒粒子中含有一种逆转录酶，这种酶一旦进入细胞就会将相关病毒的RNA转化为DNA（图4）。这样形成的病毒DNA可在病毒携带的另一种酶，即整合酶的介导下接入或整合至细胞的DNA中。此时整合的病毒序列被称为前病毒，并将有效保存在细胞内。每当细胞分裂时，前病毒将随宿主细胞DNA一起复制，从而永远保留在细胞中。前病毒的遗传信息将以这种方式传给两个子细胞，因此宿主体内会累积大量的受感染细胞。前病毒随时能制造出新的病毒并以出芽的方式离开细胞表面，但在这种情况下还是会杀死宿主细胞。
图4 逆转录病毒的感染周期
图示为病毒进入细胞并进行基因组逆转录、整合、转录和翻译，病毒的装配以及新病毒粒子从细胞表面出芽
在哺乳动物细胞的分裂过程中，DNA的复制过程会受到严格调控，并且通过一个校对系统以及数个设置适当的检验点来检测并纠正受损或错误复制的DNA。若DNA受损过度，细胞会通过名为细胞凋亡（也称程序性细胞死亡）的“自毁”程序来诱导相关细胞死亡，而不是让该细胞继续传递错误的DNA。尽管存在上述检验过程，但依然存在漏网之鱼。如未能检出错误，突变则会被复制并传递给后代细胞（图5）。
图5 病毒基因随时间推移的分子进化
根据序列之间的累积差异程度构建进化树，按比例绘制水平分支的延伸长度，并指明何时拥有共同祖先（用圆圈表示）
病毒基因组的变异速度远超人类基因组，其原因之一在于病毒能在一两天内繁殖出成千上万的后代。此外，RNA病毒不具有校对系统，它们的突变率高于DNA病毒。因此，病毒每感染一个细胞，其DNA或RNA就可能被复制数千次，并且由于每条新的链均会进入一颗新的病毒粒子，所以每轮感染均会产生数个突变病毒。病毒的高突变率是它们的命脉所在，在某些情况下，这还会成为它们维持生命的救命稻草。每轮感染均会产生一些因突变导致必要基因功能失效而无法存活的病毒，其他的突变则不会导致其基因功能发生改变。但也有少数后代会发生有益突变，这会使它们比兄弟姐妹更具选择优势。有益突变具有多种优点，包括提高躲避免疫攻击的能力；成功存活并在宿主间传播的能力；提高对抗病毒药物的耐药性；具有更快的繁殖速度等。无论获得了怎样的优势，这种特殊的突变病毒均能据此超越其兄弟姐妹，并最终传递给整个种群。这种例子不胜枚举，尤其是RNA病毒，比如在人类种群中至少存在了2000年的麻疹病毒。然而，科学家们通过计算发现，现今的麻疹病毒毒株的出现时间距今并不遥远。据推测，这种病毒毒株在某种程度上表现出了比前代更好的“适应性”；或许它拥有更强大的传播能力，从而最终在全球范围内取代了前代毒株。另一个广为人知的例子就是艾滋病病毒，它能迅速进化出对抗感染药物的耐药性。这在实际治疗中意味着必须联合使用多种抗逆转录病毒药物，以获得有效治疗结果。尽管如此，耐药性问题依然日趋严重。一旦耐药病毒被传播给了未感染者，这种新的感染将更加难以控制。所有企图研制出艾滋病病毒疫苗的人均在这个过程中败下阵来。
分析病毒基因组突变是追踪病毒历史的一种有效方式。20世纪60年代建立的分子钟假说指出，任何特定基因的各世代突变率恒定不变。换言之，根据这个假说，如果从不同来源同时分离出相同病毒的两个样本，这些样本从其共同祖先开始的进化时间长度应当一致。因为它们以恒定速率积累突变，所以可以根据其基因序列之间的差异程度测量其共同祖先的存在时间。对高等生命形式而言，以分子钟估算的起源日期与基于化石记录估算的起源日期大致相同，所以这种方法能有效测量进化时间。但不幸的是，病毒未能留下可供验证的化石记录。尽管如此，科学家们依然使用分子钟来估算某些病毒的起源时间，并绘制进化树（系统发育树）来展示这些病毒与其他病毒的亲缘度。鉴于病毒具有高突变率，所以能测量出艾滋病病毒在短时间内发生的重大进化变化（按年均1%估算）。这项技术曾用于揭示麻疹病毒史。根据这项技术，人们还发现天花病毒与骆驼和沙鼠携带的痘病毒具有最密切的亲缘关系，说明这三种病毒均源于距今5000～10 000年的某个共同祖先。
因为病毒粒子是惰性的，不能独立产生能量或生产蛋白质，所以通常不被大众视为活的生命体。尽管如此，作为寄生于细胞内的遗传物质片段，病毒依然能高效利用细胞的内部机制进行繁殖。那么这些细胞劫持者起源于何时，又是以何种方式产生的呢？
我们目前还不能回答这个问题，但人们普遍认为病毒具有悠久的历史。事实上，三大生命领域（古生菌、细菌和真核生物）中的生物所感染的病毒具有共同的特征，这表明病毒的存在早于三大领域的生命从其共同始祖——“最后同源祖宗细胞”（LUCA）中分化的时间。关于病毒的起源，目前主要形成了三种学说。
第一种学说认为，病毒是从约40亿年前的“原生汤”中诞生的第一批生物之一。鉴于现今的病毒是专性寄生物，该学说认为痘病毒等大型DNA病毒可能代表着曾经能自主生存，但如今已失去独立繁殖能力的病毒。
第二种和第三种学说均认为病毒早于DNA出现，那时，LUCA的祖先还以RNA作为其遗传物质。其中一种学说视病毒的起源为被蛋白质外壳包裹并具有传染性的游离RNA片段。另一种学说认为，病毒是在其他更复杂的细胞进化时，被淘汰并退化为寄生生命形式的原始RNA细胞。当只考虑RNA病毒而非DNA病毒时，这两种学说都比较容易被人采信。因此，科学家们提出DNA病毒由相应的更古老的RNA病毒进化而来。能将RNA转录成DNA的逆转录病毒的存在支持了这一观点。通常情况下，遗传信息会从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，但逆转录病毒逆转了这一过程。起初无人相信存在逆转录过程，直到1970年人们发现了逆转录病毒的逆转录酶。逆转录病毒或许填补了古代RNA和现代DNA世界之间缺失的一环。病毒进化不仅是一个令人着迷的研究领域，也是一个研究热点，除非能彻底解答这个问题，否则病毒在生命之树中的定位依然成谜。
人们曾在20世纪早期制定了一系列标准来确定感染原是否为病毒，包括：感染原必须能穿过截留细菌的过滤器，必须具有传染性，并且无法在滋长细菌的培养基中生长。在20世纪30年代晚期，电子显微镜的发明显著增强了人们鉴别病毒的能力，此后人们常常通过电子显微镜发现新病毒，并开始更精确地描述其大小和形状。当人们意识到病毒只能携带DNA或RNA，无法同时携带两者时，便根据以下标准建立了分类体系，将病毒划分为不同的科、属和种：
核酸类型（DNA或RNA）；
病毒衣壳形状；
衣壳直径或壳粒数量；
是否存在病毒包膜。
自20世纪80年代初病毒全基因组测序首次完成以来，基因组测序已成为一项有效提供病毒分类信息的常规技术。事实上，随着探索病毒的方法日益复杂精妙，对许多病毒而言，人们在实际观察其物理结构前就早已经能完成鉴别。我们能比较新病毒与其他已知病毒的DNA或RNA分子结构，从而将新病毒纳入相应的科。
1989年，人们首次使用分子探针发现丙型肝炎病毒。在分离出甲型和乙型肝炎病毒后，人们常常在来诊所就诊的人中发现未被这两种病毒感染但具有病毒性肝炎症状的患者。这种疾病当时被称为“非甲非乙型肝炎”。科学家们据此推测还存在一种未知的肝炎病毒。因此，他们在实验中用非甲非乙型肝炎患者的感染性物质给黑猩猩接种，然后从一只黑猩猩的血液中克隆出RNA片段。从中他们发现了一系列独特的RNA序列，这些序列均具有黄病毒科特有的基因组长度、组成和结构，但又有别于当时已知的任何其他序列。这种“新”病毒被命名为丙型肝炎病毒。
得益于这些新技术，我们对病毒的探索早已不再局限于寻找疾病的原因，而是笼括了更广阔的环境，并从中发现了大量病毒。第2章我们将开始探索人类所在的“病毒圈”的范围和复杂性。
[1] 摘自《坏孩子的野兽故事书》（希莱尔·贝洛克著），由彼得斯·弗雷泽和邓洛普（www.petersfraserdunlop.com）代表“希莱尔·贝洛克财产”授权转载。
[2] nm即纳米，长度单位，一纳米是十亿分之一米。