我们如何才成为现在的我们？
2015/10/27 丁香园
如果我说，你身体里的许多 DNA 其实并不属于你自己，你会相信吗？
如果我说，你的基因组中早已凌乱地混杂着几千年前，甚至百万年前曾存在过的那些古老病毒的 DNA 序列，你能接受吗？
如果我说，人类的基因库实际上混杂了许多病毒基因序列的「垃圾」，你会怎么想？
如果这些说法让你嗤之以鼻，那么以下这则消息会不会让你心神不宁呢？
一些混入人类基因组中的「病毒尸骨」在人类早期发育过程中死而复生了。
今年早些时候，《自然》杂志上的一篇文章中描述了这种现象：
某些嵌合进人类基因的病毒 DNA，能够编码蛋白，接着装配成看起来像是具有感染性的病毒颗粒。
这一观点听起来既有趣又让人感觉毛骨悚然。虽然目前研究人员还不清楚这些病毒蛋白装配成的病毒颗粒是否具有感染性，但谁也不敢打保票说，这些蛋白没有任何功能。
这项研究成果让我们思考这样的问题：究竟是什么在引导着人类胚胎早期的成长发育？
研究发现，这些病毒蛋白井然有序地被运往相应位置，它们可能通过影响基因的表达，甚至可能是通过保护胚胎细胞免受进一步的病毒感染的方式，来调控人类最早期发育过程中的某些步骤。
这是病毒和人类之间一场持久的战争？还是这场持续了好几百万年的战争结束签订完停战协议后所留下的一幕？
这些病毒是通过在早期胚胎细胞中激活而为自己谋取生存、增殖的利益吗？
或者是胚胎强征了这些病毒蛋白来保护自己？
亦或是两者互利共赢？
选择性表达
在人类胚胎最早期的发育阶段，一个全新的、比这句话末尾的那个句号小得多的受精卵，究竟是如何一步步变成一个有四肢、头发、手指和各种精妙结构，并能和身边的父母亲进行感情和肢体交流的婴儿的，这一过程，吸引着一代又一代的科学家们进行研究。
大约六十多年前，科学家们就已经知道人的体细胞包含 23 对染色体。这些双链分子位于细胞核内，携带着编码人体中所有蛋白质的遗传信息，组成了我们常说的基因组，并且受到精确的调控。
身体里几乎所有的细胞都有一套一模一样的基因组，但神奇的是，他们利用这套相同的遗传信息制造出了不同的组织和器官。
厨师、食谱以及一个装满各种食材的食品柜都准备好了，只要你想要，你就可以吃到你想吃的食物，一个鸡蛋卷、一份沙拉或者一块多汁的牛排。但是假如你在茫茫沙漠中，你一定不太想要一块烤肉，同样的道理，你肯定也不希望你美好的假日晚餐仅仅只有个蛋卷而已。
在具体的情境下，吃到最合适的食物，才会让你真的愉悦起来。事实上，在「菜谱」和「食材」相同的背景下，每个细胞都有自己独特的「美食清单」。
「跳跃」的基因
许多研究人员对胚胎早期发育过程中，哪些基因编码什么样的 RNA 和蛋白质，以及相关的调节机制十分感兴趣。而这些秘密就藏在一个被称为转座子的可移动的遗传因子中。
转座子是一些特殊的 DNA 短片段，它们被激活时，可以反复插入宿主 DNA 中，最终在我们的基因组中形成数百上千个克隆拷贝。人类基因组中，大约 50% 的序列由这些转座子组成。随着时间推移，这些转座子逐渐累积了大量突变，也很少再发出直接制造某种蛋白质的指令。但是最近有研究发现，它们可能对附近基因的表达具有重要的调节作用。
设想不断「跳跃」的转座子是火车轨道上的一段段的车轨。依靠识别转座子的位置和方向，是否会衍生出代表火车加速或者代表火车停止的一些信号？
开始探究人类发育过程中转座子什么时候激活、如何激活以及哪些转座子参与了发育过程时，科学家们发现了之前提到的令他们感到惊讶的现象。
大隐隐于市
在逆转录病毒感染过程中，它会将携带遗传信息的 RNA 逆转录为 DNA，然后插入宿主细胞的基因组中，利用宿主细胞 DNA 的复制实现自身序列的复制，最后在细胞分裂的过程中，这些病毒的遗传物质会进入每个子代细胞。当逆转录病毒感染生殖细胞或是极早期的胚胎时，病毒 DNA 就可能会传递给后代。
早期发育过程中特定阶段被激活的转座子，很可能就是这些内源性的逆转录病毒的基因序列。在过去与病毒共存的千万年中，一些深深融入人类基因组中的、古老的逆转录病毒的基因片段，其比例已经达到了 8%。
之所以称他们是内源性病毒，是因为它们已经存在于我们人类自身的 DNA 中。这些逆转录病毒已然成为一种非人源性的、特殊类型的转座子。
例如，一种名为 HERV-K 的病毒从大约二十万年前就开始感染人类。现在大部分 HERV-K 病毒的基因组依然完整存在于我们身体中的每个细胞。
现已发现多个 HERV-K 病毒的基因片段，至今依然保持着编码蛋白质的潜能——
一些 HERV-K 病毒基因在 3 日至 4 日龄的胚胎中转录形成 RNA。在成熟细胞中，HERV-K 病毒的基因片段大多数都失活，但是在人类胚胎发育的特定时间点，某些基因片段被去甲基化而重新激活。这种病毒的激活与胚胎中其他关键人类基因的激活同时发生。
激活之后呢？
目前，我们并不清楚这些病毒 DNA 片段的去甲基化等修饰的发生，会转录出什么样的 RNA、翻译出哪些可能会影响细胞功能和发育的蛋白质。
研究者们推测，如果这种现象一直存在，那么它应该是有一定意义的，也许这种「去甲基化」过程对于受精卵细胞获得发育成身体不同组织的分化潜能十分重要。
在观察转座子在早期胚胎发育过程中的转录情况时，研究者们发现不同细胞状态下有不同的转座子在激活，他们希望之后能够通过检测哪些转座子被激活来判断细胞的发育阶段。
接着，经过几个实验室的通力合作，通过荧光染料标记的抗体，研究人员实现了这些病毒蛋白的可视化，并利用胶体金标记证实了病毒蛋白的存在。最后，利用电子显微镜，人们观察到了人类囊胚中那些似乎完整的病毒颗粒——在人类囊胚中发现了许多种病毒蛋白。
早期人类的胚胎在病毒蛋白的伴随存在下，依然有序地发育生长着。
这些「病毒基因」的作用到底是什么？
这些病毒颗粒能否感染其他细胞？
这是研究人员迫切想要知道的。
目前所了解到的是：
HERV-K 会编码一种叫做 Rec 的病毒蛋白。当细胞首次感染 HERV-K 时，Rec 会结合病毒 RNA 颗粒，然后护送它们进入胞质中的核糖体。这些病毒蛋白接着装配形成新的病毒颗粒，最后这些新的病毒颗粒会被释放至保外感染更多的细胞。
Rec 并不只影响病毒基因的表达，还能结合许多人类基因转录的 RNA，影响 RNA 与核糖体相互结合的程度。
此外，它的存在会促进细胞表达某种表面蛋白，以保护细胞免受其它病毒的入侵，这就像是一种分子警告标语，坚决地告诉别人这是它的地盘。
但是这种保护作用到底能持续多久？它的目的又是什么？
嗯……不知道。
一场拉锯战
在胚胎发育的过程中，究竟谁说了算？我们自己还是病毒？又或者说已经无法区分了？
很多证据表明，人类似乎并不能完全控制自己的身体。我们体内充满了大量的细菌、病毒、真菌。这些微生物的数量甚至可以是我们自身细胞数量的 10 倍，潜移默化地影响着我们的生活。例如众所周知的，肠道菌群可以帮助我们消化食物。
目前还不清楚，之前提到的一系列事件，代表着数千年来进化过程中的一种共生现象，还是代表着人类与病毒之间仍在不断地斗争。但不管怎么样，有一点是可以确认的，即长远来看，人类和病毒的命运都将会是互相交错彼此融入的。
科学家们正在加倍努力，试图搞清楚病毒转座子是否会调节人类基因的表达以及其中的分子机制。
它们会在身体发育的特定时间或者特定细胞内促进自身基因的表达吗？说得更确切点：到底谁是基因组厨房中真正的厨师？
宿主和病毒之间的斗争往往是一场拉锯战。
在进化过程中，HERV-K 感染我们的祖先也许是个意外。但从自然选择的角度讲，不管这种感染造成的结果是积极的还是消极的，影响一定存在。
科学家们相信这些病毒可能会影响和调节许多灵长类动物早期发育过程的信号通路。甚至，就是因为它们的影响，我们才成为现在的我们。
参考文献：Nature 522, 221–225 (11 June 2015) doi:10.1038/nature14308
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