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神奇的流感病毒

2018-02-15 方舟子 方舟子 方舟子

    流感是由流感病毒引起的。流感病毒样子就像一颗水雷:一个圆球上面插着许多小棍。那个圆球是一层脂质包膜,包裹着病毒的遗传物质。插在膜上的小棍,仔细看有两种:数目较多、看上去像柱子的是一种叫血凝素(简称HA)的蛋白质,数目较少、看上去像蘑菇的是另一种叫神经氨酸酶(简称NA)的蛋白质。流感病毒总共生产11种蛋白质,但人们最关心这两种蛋白质。为什么呢?因为它们暴露在病毒外面,人体免疫系统就是通过它们来辨认侵入人体的这种流感病毒以前有没有遇到过,如果是老相识,就会立即产生相应的抗体来攻击它。换句话说,对人体免疫系统而言,血凝素和神经氨酸酶就是抗原,可以产生攻击它们的抗体。流感病毒的血凝素和神经氨酸酶各有不同的类型,病毒学家给编上不同的编号,并根据这些编号给流感病毒分类。比如近年来媒体经常报道的禽流感是H5N1亚型,那两个数字就分别表示其血凝素和神经氨酸酶的类型。


    血凝素和神经氨酸酶对流感病毒的作用当然不是为了给人体免疫系统提供靶子,或方便病毒学家给病毒分类。它们之所以要暴露在病毒外面,是为了入侵人体细胞。流感病毒颗粒随着流感病人的一个喷嚏或咳嗽,跑出了人体,在空气中飘荡,被另一个人吸进去后,落在鼻腔、咽喉或肺部的上皮细胞上。细胞的表面有一种叫唾液酸的糖分子,它的本来作用是吸附水分,让细胞表面保持湿润。但是血凝素能和唾液酸结合发生反应,让细胞误以为病毒是营养素之类的有用物质,将病毒用细胞膜包裹起来,送进细胞。到了细胞内之后,病毒遗传物质和相关蛋白质释放了出来,劫持细胞的设备开始大量复制病毒的遗传物质和生产病毒蛋白质。这些新生产出来的病毒遗传物质和蛋白质需要有新的包膜包裹起来才能组成一个新病毒颗粒。病毒包膜用的是现成的细胞膜,让某一段细胞膜把病毒遗传物质和蛋白质包裹起来,然后像出芽一样从细胞长出一个圆球。这样形成的新病毒通过血凝素与唾液酸之间的结合跟细胞联在一起,这时就需要神经氨酸酶上场了,它把唾液酸水解掉,切断了新病毒和宿主细胞的联系,新病毒就可以去入侵别的细胞了。


    我们已经知道了神经氨酸酶的分子结构和功能,就可以设计出针对它的药物:设计、制造出一种分子,让它去抢占神经氨酸酶上和唾液酸结合的位点,神经氨酸酶就没法水解唾液酸,新病毒因此摆脱不了宿主细胞,无法入侵别的细胞,也就阻止了流感病毒在体内的传播。著名的抗流感药物磷酸奥斯他韦(商品名达菲)就是这样制造出来的。如果在流感症状出现的早期服用它,可以缩短流感病程大约2天并减轻症状。但是就像细菌会对抗生素产生抗药性一样,病毒也会对抗病毒药物产生抗药性。在2007~08年的流感季节,美国发现对磷酸奥斯他韦产生抗药性的H1N1流感病毒株已从不到1%上升到13%。


    为什么流感病毒这么容易产生抗药性呢?因为它的遗传物质很容易发生突变。生物的遗传物质一般是脱氧核糖核酸(DNA),只有少数的病毒用核糖核酸(RNA)做为遗传物质,流感病毒便是如此。遗传物质在传递过程中,要进行自我复制,复制时会随机发生错误,如果错误被保留下去,就出现了突变。DNA的复制有一套校对机制来纠正错误,但是RNA的复制没有这样的机制,所以RNA在复制过程中出现的错误都会被保留下去。核酸是由一个个核苷酸组成的,复制错误就是某个核苷酸被其他核苷酸取代了。病毒RNA的突变率大约是每复制1万个核苷酸发生一次,而流感病毒的基因组由大约14000个核苷酸组成,也就是说,流感病毒每复制一次,就会发生一次突变,产生的每个病毒全都出现了变异!有的突变改变了神经氨酸酶的结构,抗病毒药物再也没法与之结合,病毒就有了抗药性了。为什么我们得过流感后以后还会再得?为什么流感疫苗要每年更新,每年注射,才有效果?也都是因为流感病毒变异得太快,让人体免疫系统逐渐失去了识别它的能力。


    病毒的基因组通常只有一条DNA或RNA链,所有的基因都连在一起复制。但是流感病毒的基因组虽然只有区区1万多个核苷酸(人类的基因组有30亿对核苷酸呢),却分割成8条分开的RNA片段,它们分别复制,之后再进行组装。如果有两种不同类型的流感病毒同时入侵同一个细胞,它们复制出来的RNA片段就可能被组装进同一个新病毒中去,这样产生的病毒就像是杂交的后代,是一种新型的流感病毒,人体的免疫系统对它完全陌生。这种新型流感病毒一旦传播开去,就不是每年一次的流感流行,而是每十年到几十年才发生一次、导致数百万人乃至数千万人丧生的流感大流行。现在人们如此关注禽流感,担心的就是禽流感病毒和人流感病毒会如此“杂交”出新型病毒出来。


2009.1.7


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