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这是需要用液体处理的工作。其他不需要液体处理的工作,主要由电脑完成,包括DRC60和ZR59代码的一一比对。也包括更广范围的比对,即将那两个病毒放在M组已知的HIV-1序列的家谱中进行比对。这样的对比旨在看看发生了多少进化性分歧。这些病毒株之间的差别有多大?突变积累起来的进化趋异现象是在代码层面的(其他也有,但在这里无关),在RNA病毒中,如HIV,突变率要相对快些。同样重要的是,HIV-1突变的平均速率是已知的,或者可以通过对许多病毒株的研究准确计算出来了。突变率被视为病毒的“分子钟”。每种病毒都有自己的速率,因此其分子钟测量着自身的变化速率。这样,两种病毒株之间的区别量就可以揭示出它们从同一种原分离后分开了多久。把分子钟作为考虑的因素,它们区别的程度就等同于消逝的时间。这就是分子生物学家如何计算他们称之为TMRCA这个重要参数的,TMRCA指的是距最近共同种原的时间。
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到目前为止一切顺利?你做得非常好。休息一会儿。现在一点点的理解就会推动我们跨过分子奥秘的深海湾,直达一个重要的科学发现。那么开始吧。
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迈克·伍罗贝发现从几乎同一年收集到的金沙萨人体样本中的DRC60和ZR59差别非常大。它们无疑都属于M组HIV-1;都不会与N级或O组混淆的,也不会同黑猩猩的SIVcpz病毒相混淆。但在M组内,它们之间差别很大。有多大?嗯,两者中有一部分的基因组差别率在12%。用时间衡量的话,是有多大的区别?伍罗贝算了算,大约50年。更精确地说,他将DRC60和ZR59最近共同种原追溯到1908年左右。
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这么说1908年HIV-1已经开始传播了?这比任何人猜测的都要早得多,所以这样的发现要登在权威期刊如《自然》上。在一个世纪后,发表于2008年的这篇文章中,列出了诸多合著者,包括J·J·牧耶比和让–马力·M·卡波戈。其中,伍罗贝写道:
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我们对分离时间的测定,对跨越几十年的进化时间表的测定,以及DRC60与ZR59之间巨大的基因差别的测定,都表明这些病毒都是进化自20世纪初期非洲人群种传播的一个共同种原。
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他对我说:“这并不是人类的新病毒。”
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伍罗贝的工作直接驳斥了OPV假设。如果早在1908年HIV-1就存在于人类,那么显然它不是1958年疫苗实验时感染给人类的。在这点上的澄清是非常有价值的,但这却只是伍罗贝的一部分贡献。以时间衡量重大疾病传播,代表着人们对理解AIDS如何开始及发展上迈出了一大步。
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以空间衡量疾病传播也同样重要,另一个实验室证实了这个结论。比阿特丽斯·哈恩(Beatrice Hahn)比伍罗贝年纪稍大,在伍罗贝发现DRC60很久以前,她就已经致力于研究AIDS的起源了。
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哈恩出生在德国,在慕尼黑获得了医学学位,然后于1982年到达美国,在罗伯特·加洛的实验室做了三年的博士后,学习逆转录病毒。接着她去了亚拉巴马大学伯明翰分校,在那里她成为医药学和微生物学教授以及AIDS研究中心联合主任,有一组聪明的博士后和研究生在她手下工作。(1985年至2011年她一直待在亚拉巴马,这段时期她做了这里所描述的大部分工作,然后她去了宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医院。)哈恩做各类项目主要的目的,以及她与伍贝罗共同的目标,就是了解HIV-1的进化史及其近亲和祖先。对这类研究最合适的标签,就是在我请伍罗贝描述他的领域时用到的,即:分子种系遗传学。一位分子种系遗传学家仔细观察不同机体DNA或RNA中的核苷酸序列,再进行比较和对比;同理,分子种系遗传学家仔细研究灭绝的大蜥蜴骨骼化石块儿,以了解其种系和血统进化的过程。但对比阿特丽斯·哈恩医生,还有一个特别目的:检测HIV基因如何引发疾病,从而努力找到更好的治疗方法、预防措施,甚至找到治愈方法。
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过去二十年里,哈恩实验室发表了一些非常有意思的论文,其中许多是将初级研究者署名为第一作者,导师哈恩却列在最后。1999年时,高峰发表了一篇关于SIVcpz的种系遗传及其与HIV-1关系的研究。当时只有三种已知的SIVcpz,都从被圈养的黑猩猩身上提取出来的,而高峰的文章中提及的SIVcpz被列为第四种。该作品发表在《自然》上,被高度评价为“关于HIV-1从黑猩猩(Pan troglodytes)传播到人类最具说服力的证据”。事实上,高峰和他的同事不只是在黑猩猩上追溯到了HIV-1;他们对病毒株的分析还与特定的一种中非地区的亚种黑猩猩(Pan troglodytes troglodytes)联系了起来,它们的SIV发展成了HIV-1M组。这种亚种黑猩猩只生活在中非的西部,刚果河北边,乌班吉西边。所以高峰的研究有效地识别出了AIDS起源的宿主和地理区域。这是个重大发现,《自然》的评论标题这样描述:从黑猩猩到疫情。当时高峰是哈恩实验室的一名博士后。
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但是因为高峰在病毒上的基因对比(就如玛蒂娜·皮特斯早时所做的)是基于从被关押被圈养的黑猩猩身上取样得到的,所以野生黑猩猩间的传染还是有些许不确定性的,至少再过了几年才能确定。后来在2002年,马里奥·L·桑提亚戈(Mario L. Santiago)带领一队合著者在《科学》上宣布他们在野外发现了SIVcpz。桑提亚戈是比阿特丽斯·哈恩的一个博士学生。
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桑提亚戈工作中最具意义的方面,就是在检测一个野生黑猩猩(被检测的58只中只有一只携带)的SIV时,他发明了可以实施这种检测的方法,正因此他的博士学位实至名归。这种方法是“非侵入式的”,意味着研究者不需要抓住黑猩猩、抽它的血。研究者只需要在森林里跟随这些动物(更省事儿的是,派一个实地考察助理去接那黄色液体),当它们撒尿时,用小试管直接取样本,然后从样本中筛选抗体。结果证明尿液几乎和血液的显著性相同,一样能说明问题。
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“这是个突破,”哈恩在她伯明翰实验室的一次谈话中告诉我,“我们不太确定这是否行得通。”但桑提亚戈冒险完善了技术,而且确实发挥了效用。野生黑猩猩的第一个SIV阳性尿液样本来自世界上最著名的黑猩猩群:坦桑尼亚贡贝国家公园的一个群体,早在1960年珍妮·古道尔(Jane Goodall)就在这里开始了她的历史性实地考察。这样本与HIV-1的接近程度并没有高峰的实验结果那么接近,而且它来自于另一个独立亚种,东部黑猩猩,施氏黑猩猩。但是,它确实是SIVcpz。
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哈恩告诉我,在贡贝取样的优势是那些黑猩猩不会跑开。它们是真正野生的,但在被古道尔和她的后继者们研究了40年后,已经习惯了人类的存在。如果是别处的话,尿液筛选法就不能实施了。“因为,你知道,不习惯人类的黑猩猩不会离你特别近,你也就无法接到它们的尿液。”当然,你可以在森林地面上收集它们的粪便,但如果没有保存良好,排泄物样本就无用了;新鲜粪便含有充足的蛋白酶和消化酶,而这些蛋白酶和消化酶会在你拿到实验室之前就毁灭了病毒。这些就是分子生物学家研究野外动物的一些局限性,即:血、屎和尿的相对可得性和其他参数。
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哈恩的另一个名叫布兰登·F·基尔(Brandon F. Keele)的年轻奇才,很快解决了粪便样本变质的问题。他是通过一种叫“后RAN”的液体稳定剂来解决这个问题。该稳定剂是由得州奥斯汀公司生产的商业产品,用于保护组织样本中的核酸。这个名字的好处是具有描述性:这个东西允许你——稍后——从样本中提取RNA。基尔分析,如果能用于提取样本组织中的RNA,那也许也可以用于粪便中的抗体。而且确实可以,后来他和同事解开了这个化学难题,从稳定剂中得到了抗体。这个技术极大地扩展了野生黑猩猩样本筛选的范围。实地考察助理可以收集上百个粪便样本,将每个样本装入盛有酰基苯胺的小试管中,这些不需冷冻、被运送到遥远实验室的样本稍后便可显现出它们的秘密。“如果我们发现了抗体,那就知道黑猩猩是被感染了,”哈恩告诉我,“然后我们可以集中注意力研究那些已知感染样本上,尽全力提取出病毒。”抗体筛选既轻松又快捷。通过聚全酶链式反应扩增和其他必备步骤来探寻病毒RNA的片段,则要费力得多。这些新方法让哈恩和她的团队能先查看大量标本,然后集中精力攻克选出的一小部分。
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而且他们可以把实地研究范围扩大到贡贝之外。他们可以把注意力转移回到中非地区的黑猩猩身上,该地区黑猩猩SIVcpz与HIV-1非常匹配。他们现在与蒙彼利埃(Montpellier)市的玛蒂娜·皮特斯合作,加上非洲的一些联络人的协助,他们已经从喀麦隆南部和东南部各地的森林中收集了446种黑猩猩粪便样本,之后在布兰登·基尔的带领下开始进行实验室分析。DNA检测显示几乎所有样本都来自中非地区的黑猩猩(虽然有20多个样本来自另一种亚种黑猩猩,分布于一条主要河流的北部)。基尔随后就寻找病毒的证据。最终这些样本得出两个惊人的结果。
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为了打听这些惊人的结果,我拜访了布兰登·基尔,那时他已经完成了哈恩带领下的博士后阶段,在马里兰弗雷德里克的国家癌症研究院的一个分院做研究工作。作为专门研究病毒进化学的部门主任,他仍在研究病毒种系遗传学和艾滋病。他的新办公室和实验室设在了德特里克堡,与美国军方传染病医学研究所在同一个院子,也就是凯莉·沃菲尔德研究埃博拉病毒的地方,并在她出意外后在监狱待了三周。这次由于没有人陪同进入,门岗的士兵检查了我租来的车子下面有没有炸弹后,才放行的。基尔在他的楼门外向我示意,他穿一件蓝色衬衫,牛仔裤,抹上摩丝的黑发向后梳着,还留着两天没刮的胡须茬。他是个年轻人,个子高高的,极有礼貌,是在犹他州长大并接受的教育。我们坐在他的小办公室里,看着一幅喀麦隆的地图。
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第一个从粪便样本中检测出来的令人惊奇的结果就是在一些喀麦隆黑猩猩群体中SIVcpz的高流行性。基尔说,两个流行率最高的地方,被标记为马巴雷雷(一个十字路口附近,据此取名)和罗孛克(国家公园之内)。其他所有黑猩猩的样本表明SIV感染非常罕见,但是喀麦隆东南部的样本却显示出高达35%的流行性。但即使在那里,流行性也是“点状分布的”,基尔说。“我们可能在一个地点为几百个黑猩猩取样,但检测后什么也没有发现。”但是,往东再走一点儿,穿过一条河,再取样,患病率就一下子升高许多。这是意料之外的。在该国的东南远端患病率尤其高,这个地方就是两河交汇处,形成了楔形边境。这个喀麦隆的楔形似乎一路延伸直戳进其东南邻国——刚果共和国。这个楔形是SIVcpz潜在危险区。
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第二个惊奇结果出现在他从样本中提取出病毒的片段,将其放大、排序,基因序列置于一个程序中,就能够将这些新病毒株与其他许多已知的SIV和HIV株进行比较。这个程序是以一种极有可能的种系发生,即以家谱的形式呈现出对比结果。基尔还记得观察单独标记为LB7的一只黑猩猩的结果,其粪便是从罗孛克收集来的。他说:“我们都惊呆了,我的意思是,10个人围在我电脑跟前,等待着看序列是什么样子。”结果发现它像艾滋病病毒。
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当他的电脑绘出最新的图谱时,LB7从SIVcpz分离出来的隔离种群显示出的是承载所有已知人类HIV-1M组病毒株的小分枝中的一个小末梢。[用科学术语讲,它属于同一进化枝(clade)。]基尔告诉我,在那一点上,那是野生黑猩猩中配对“最接近的”一次。“之后,我们找到了更多,对吗?挖掘越深入,我们发现的就越多。”其他接近的配对也来自同一小区域:喀麦隆东南部。这是个令人毛骨悚然的历史性主显节,这让基尔和他的同事们都感到震惊。“像比阿特丽斯会说的一样,这些结果不是编出来的。太过美好了。”他们的欣喜持续大约10秒,之后每个人都渴望能得到更多样本和更多结果。基尔告诉我,除非完成了论文,得到《科学》杂志编辑发过来的祝贺信息,否则庆祝总是暂时性的。
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基尔和及其团队现在用同一区域收集来的4份样本中整个基因组(不只是片段)排序,在这些序列上再次运行基因分析。他们再次发现新的SIVcpz与HIV-1M组惊人地相似。相似度如此高,几乎没有哪种其他未发现的病毒株可以比这个更接近了。哈恩的实验室已经确定了此疫病的地理发源地。
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关于哪里和什么时候的情况就这么多了。艾滋病在大约1908年(有一定误差)喀麦隆东南部,从一个黑猩猩到一个人类开始传播,从那里慢慢但无情地蔓延开来。这就到了我们的第三个问题:如何传播的?
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