非细胞生物病毒和亚病毒ppt课件

第五章非细胞生物 病毒和亚病毒 1 第一节病毒第二节亚病毒第三节病毒与实践 2 一 病毒的发现和研究历史二 病毒的特点和定义三 病毒的宿主范围四 病毒的形态结构和大小五 病毒的核酸六 四类病毒及其繁殖方式 第一节病毒 3 病毒 Virus 是在19世纪末才被发现的一类微小病原体 4 一 病毒的发现和研究历史 5 6 1886年 A Mayer发现具有传染性的烟草花叶病 1892年 D Ivanovsky烟草花叶病病原体能通过细菌滤器 一种能通过细菌滤器的 细菌毒素 或极小的细菌 7 1898年 MWBeijerinck对烟草花叶病病原体的研究结果 能通过细菌滤器 可被乙醇沉淀而不失去其感染性 能在琼脂凝胶中扩散 用培养细菌的方法不能被培养出来 推测只能在植物活细胞中生活 8 极大地丰富了现代生物学 微生物学 分子生物学 分子遗传学 的理论与技术 病毒学 virulogy 研究病毒 virus 的本质及其与宿主的相互作用的科学 是微生物学的重要分支学科 有效地控制和消灭人及有益生物的病毒病害 利用病毒对有害生物 特别是害虫进行生物防治 发展以基因工程为中心的生物高新技术产业 9 真病毒 Euvirus 非细胞生物 至少含有核酸和蛋白质两种组分 亚病毒 subvirus 类病毒 只含具有独立侵染性的RNA组分 拟病毒 只含不具独立侵染性的RNA组分 朊病毒 只含单一蛋白质组分 10 二 病毒的特点和定义 1 特点 1 不具有细胞结构 具有一般化学大分子的特征 Eg 一些简单的病毒仅由核酸和蛋白质外壳 coat 构成 故可把它们视为核蛋白分子 2 一种病毒的毒粒内只含有一种核酸 DNA或者RNA 朊病毒甚至仅由蛋白质构成 3 大部分病毒没有酶或酶系极不完全 不含催化能量代谢的酶 不能进行独立的代谢作用 11 4 严格的活细胞内寄生 没有自身的核糖体 没有个体生长 也不进行二均分裂 必须依赖宿主细胞进行自身的核酸复制 形成子代 病毒感染敏感宿主细胞后 病毒核酸进入细胞 通过其复制与表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质 然后由这些新合成的病毒组分装配 assembly 成子代毒粒 并以一定方式释放到细胞外 病毒的这种特殊繁殖方式称做复制 replication 5 个体微小 在电子显微镜下才能看见 6 对大多数抗生素不敏感 对干扰素敏感 例如利福平可抑制痘病毒复制 7 在离体条件下 能以无生命的生物大分子状态存在 并可长期保持其侵染活力 8 有些病毒的核酸还能整合到宿主的基因组中 并诱发潜伏性感染 12 病毒 virus 是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微 非细胞生物 其本质是一种只含DNA或RNA的遗传因子 超显微的 什么是病毒 没有细胞结构的 专性活细胞内寄生 2 定义 13 病毒几乎可以感染所有的细胞生物 并具有宿主特异性 噬菌体 phage 植物病毒 plantviruses 动物病毒 animalviruses 三 病毒的宿主范围 14 四 病毒的形态结构和大小 一 病毒的大小 绝大多数的病毒都是能通过细菌过滤器的微小颗粒 直径在20 200nm的范围内 必须在电镜下观察 最大病毒d 200nm的牛痘苗病毒 smallpox 最小病毒之一d 28nm的脊髓灰质炎病毒 poliovirus 15 病毒是一类非细胞生物 故称之为病毒粒或病毒体 virion 有时也称病毒颗粒或病毒粒子 virusparticle 专指成熟的 结构完整的和有感染性的单个病毒 二 病毒的形态结构 16 球形颗粒 或称拟球形颗粒 杆状颗粒 复杂形状颗粒 如蝌蚪状 卵形 毒粒的形状 17 病毒长什么样子 病毒的基本结构 衣壳 蛋白质外壳 核心 核酸 DNA DNA病毒 如天花病毒 腺病毒等 RNA RNA病毒 如HIV 脊髓灰质炎病毒等 只含有其中一种核酸 核衣壳 1 典型病毒粒的构造 18 对称体制 螺旋对称 二十面体对称 复合对称 有包膜 无包膜 杆状 烟草花叶病毒 TMV 等 丝状 大肠杆菌的f1 fd M13等 卷曲状 正粘病毒 流感病毒 等 弹状 狂犬病毒 水泡性口膜炎病毒等 无包膜 有包膜 疱疹病毒 大型 腺病毒等 小型 脊髓灰质炎病毒 X174噬菌体等 无包膜 大肠杆菌的T偶数噬菌体 蝌蚪状 等 有包膜 痘病毒 砖块状 2 病毒粒的对称体制 19 1 螺旋对称的代表 烟草花叶病毒 烟草花叶病毒简称TMV tobacomosaicvirus 是一种植物病毒 在病毒学发展史上有其独特的地位 它是发现最早 研究最深入和了解最清楚的一种病毒 20 2 二十面体对称的代表 腺病毒 腺病毒 Adenovirus 是一类动物病毒 于1953年首次从手术切除的小儿扁桃体中分离到 主要侵染呼吸道 眼结膜和淋巴组织 是急性咽炎 咽结膜炎 流行性角膜结膜炎和病毒性肺炎等的病原体 21 3 复合对称的代表 T偶数噬菌体 E coli的T偶数 eventype 噬菌体共有3种 即T2 T4和T6 它们是病毒学和分子遗传学基础理论研究中的极好材料 22 病毒粒大量聚集并使宿主细胞发生病变时 就形成了具有一定形态 构造并能用光镜加以观察和识别的特殊 群体 称之为包涵体 inclusionbody 3 病毒的群体形态 1 包涵体 inclusionbody 23 也有在细胞质和细胞核内都存在的类型 包涵体 多数位于细胞质内 具嗜酸性 少数位于细胞核内 具嗜碱性 24 病毒包涵体的应用 用于病毒病的诊断 用于生物防治 25 2 噬菌斑 plaque 将少量的噬菌体与大量的宿主细胞的混合液与45 左右的琼脂培养基在培养皿中充分混匀 铺平后培养10小时左右 肉眼可见一个个透亮不长菌的小圆斑 即为噬菌斑 plaque 是由噬菌体在菌苔上形成的 负菌落 26 3 空斑 plaque 由动物病毒在宿主单层细胞培养物上形成一个与噬菌斑类似的肉眼可见的局部病损区域 称之为蚀斑或称空斑 plaque Dulbecco和Vogt于1953年发明了单层动物细胞上的病毒空斑计数法 可进行有活性的动物病毒粒子的计数 27 由植物病毒在植物叶片上形成的局部坏死斑 称之为枯斑 lesion 病斑 4 枯斑 lesion 28 三 噬菌体的形态 29 五 病毒的核酸 核酸构成了病毒的基因组 genome 是病毒粒中最重要的成分 具有遗传信息的载体和传递体的作用 30 是DNA还是RNA 是单链 ss singlestrand 结构还是双链 ds doublestrand 结构 呈线状还是环状 是闭环还是缺口环 基因组是单分子 双分子 三分子还是多分子 核酸的碱基 b base 或碱基对 basepair bp 数 以及核苷酸序列等 病毒核酸的类型可从以下几点来区分 病毒核酸的种类是病毒系统分类中最可靠的分子基础 31 六 四类病毒及其繁殖方式 一 原核生物的病毒 噬菌体1 噬菌体的繁殖 噬菌体和一切病毒粒并不存在个体的生长过程 只有其两种基本成分 核酸和蛋白质 的合成和装配 即 32 病毒感染敏感宿主细胞后 病毒核酸进入细胞 通过其复制与表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质 然后由这些新合成的病毒组分装配 assembly 成子代毒粒 并以一定方式释放到细胞外 病毒的这种特殊繁殖方式称做复制 replication 33 病毒的特点 严格细胞内寄生物 只能在活细胞内繁殖 毒粒 宿主细胞 有繁殖性的病毒基因组 具有感染性的毒粒消失 病毒基因组复制 表达 病毒核酸和蛋白质 装配形成具有感染性的毒粒 释放至细胞外 原料 能量 生物合成场所 34 噬菌体的繁殖一般分为5个阶段 即 吸附 侵入 增殖 复制与生物合成 成熟 装配 裂解 释放 35 凡在短时间内能连续完成以上5个阶段而实现其繁殖的噬菌体 称为烈性噬菌体 virulentphage 反之 进入菌体后并不进行增殖或引起溶菌的则称之为温和噬菌体 temperatephage 36 烈性噬菌体所经历的繁殖过程 称为裂解性周期 lyticcycle 或增殖性周期 productivecycle 37 烈性噬菌体的繁殖过程一般分为五个阶段 即吸附 侵入 复制 装配和释放 38 吸附 噬菌体和宿主细胞上的特异性吸附部位进行特异性结合 噬菌体以尾丝牢固吸附在受体上后 靠刺突 钉 在细胞表面上 侵入 核酸注入细胞的过程 噬菌体尾部所含酶类物质可使细胞壁产生一些小孔 然后尾鞘收缩 尾髓刺入细胞壁 并将核酸注入细胞内 蛋白质外壳留在细胞外 复制 包括核酸的复制和蛋白质合成 噬菌体核酸进入宿主细胞后 会控制宿主细胞的合成系统 然后以噬菌体核酸中的指令合成噬菌体所需的核酸和蛋白质 39 装配 主要步骤有 DNA分子的缩合 通过衣壳包裹DNA而形成头部 尾丝及尾部的其它部件独立装配完成 头部与尾部相结合 最后装上尾丝 至此 一个个成熟的形状 大小相同的噬菌体装配完成 40 释放 方式 裂解 多以裂解细胞的方式释放 分泌 噬菌体穿出细胞 细胞并不裂解 通常情况下 一个噬菌体通过上述五个过程能合成100 300个噬菌体 烈性噬菌体的这种生长繁殖方式也称为一步生长 41 吸附 侵入 早期 病毒特异性酶的合成 病毒核酸复制 病毒结构蛋白质合成 装配 释放 病毒大分子合成 42 温和噬菌体侵入相应宿主细胞后 由于前者的基因组整合到后者的基因组上 并随后者的复制而进行同步复制 因此 这种温和噬菌体的侵入并不引起宿主细胞裂解 此即称溶源性或溶源现象 2 溶源性 lysogeny 43 凡吸附并侵入细胞后 噬菌体的DNA只整合在宿主的核染色体组上 并可长期随宿主DNA的复制而进行同步复制 因而在一般情况下不进行增殖和引起宿主细胞裂解的噬菌体 称温和噬菌体 temperatephage 或溶源噬菌体 lysogenicphage 1 溶源噬菌体 lysogenicphage 44 当温和噬菌体侵入其敏感宿主的细胞后 前者的核酸可整合到后者的核基因组 genome 即核染色体 上 这种处于整合态的噬菌体核酸 称作前噬菌体 prophage 2 前噬菌体 prophage 45 游离态指成熟后被释放并有侵染性的游离噬菌体粒子 整合态指已整合在宿主基因组上的前噬菌体 prophage 状态 营养态指前噬菌体经外界理化因子诱导后 脱离宿主核基因组而处于积极复制 合成和装配的状态 3 温和噬菌体的三种存在形式 46 温和噬菌体的种类很多 常见的有E coli的 Mu 1 P1和P2噬菌体等 47 凡能引起溶源性的噬菌体即称温和噬菌体 而其宿主就称溶源菌 lysogen或lysogenicbacteria 溶源菌是一类能与温和噬菌体长期共存 一般不会出现有害影响的宿主细胞 4 溶源菌 lysogen或lysogenicbacteria 48 植物病毒大多为ssRNA病毒 基本形态为杆状 丝状和球状 二十面体 一般无包膜 植物病毒对宿主的专一性通常较差 Eg TMV可侵染十余科 百余种草本和木本植物 二 植物病毒 49 植物患病毒病后 主要出现三类症状 因叶绿体被破坏或不能合成新的叶绿素 而引起花叶 黄化或红化等症状 植株发生矮化 丛枝或畸形等 形成枯斑或坏死等症状 50 在人类 哺乳动物 禽类 两栖类 爬行类和鱼类等各种脊椎动物中 广泛存在着相应的病毒 与人类健康有关的病毒超过300种 与其他脊椎动物有关的病毒超过900种 三 人类和脊椎动物病毒 51 1 常见的病毒病 Eg 流行性感冒肝炎麻疹腮腺炎脊髓灰质炎疱疹流行性乙型脑炎狂犬病艾滋病等 52 2 肿瘤 在人类的恶性肿瘤中 约有15 20 是由于病毒的感染而诱发的 1933年理查德 毕肖普 RichardBishope 发现了第一个DNA肿瘤病毒即兔乳头瘤病毒 53 SV40是实验室常用作研究分子病毒学的重要工具 它是在用猴肾细胞培养制备脊髓灰质炎疫苗时发现的 1960年从猴肾细胞中找到一种猴空泡病毒40 SV40 54 禽 畜等动物的病毒病普遍且危害严重 Eg 猪瘟 牛瘟 口蹄疫 马传染性病毒病 兔的乳头状瘤 鸡瘟 鸡新城疫和劳氏肉瘤等 55 世界上已证实的人畜共患病约有200种 其中较重要的有89种 病毒病27种 人畜共患病 zoonosis 人类和脊椎动物之间自然传播的疾病和感染 Eg 流行性乙型脑炎 口蹄疫 西部马脑炎 委内瑞拉马脑炎 狂犬病 禽流感等 56 禽流感 Avianinfluenza 是由A型流感病毒引起的一种禽类感染或疾病综合症 极易在禽鸟间散播 可引致家禽大量死亡 对家禽业带来不可估量的破坏 1997年 香港发生全世界第一宗人类受H5型禽流感感染病例 原本只影响鸡的病毒亦令人类患病 受影响的人数为18人 其中6人死亡 57 乙肝病毒表面抗原的三维结构模式图 乙型肝炎病毒 58 狂犬病毒 流感病毒 艾滋病病毒 59 人类病毒病中 最严重的是称之为 世纪瘟疫 或 黄色妖魔 获得性免疫缺陷综合症 acquiredimmunedeficiencysyndrome AIDS 即艾滋病 自艾滋病发现至今的20年中 已经约有5600万人感染 其中1900万人死亡 目前全球感染者达3600万人 非洲和亚洲尤为严重 60 61 已知的昆虫病毒有1671种 其中80 以上都是农 林业中常见的鳞翅目害虫的病原体 因此是害虫生物防治中的的巨大资源库 四 昆虫病毒 62 多数昆虫病毒可在宿主细胞内形成光镜下呈多角形的包涵体 称为多角体 polyhedron 多角体在细胞核或细胞质内形成 成分为碱溶性结晶蛋白 其内包裹着数目不等的病毒粒 功能是保护病毒粒免受外界不良环境的破环 63 包涵体 多角体 64 凡在核酸和蛋白质两种成分中 只含其中一种的分子病原体 称为亚病毒 subvirus 包括类病毒 拟病毒和朊病毒3类 第二节亚病毒 subvirus 65 一 类病毒 Viroid 类病毒 viroid 是一类只含RNA一种成分 专性寄生在活细胞内的分子病原体 目前只在植物体中发现 所含核酸为裸露的环状ssRNA 其二级结构象一段末端封闭的短dsRNA分子 66 1971年在美国工作的瑞士学者T O Diener在马铃薯纺锤形块茎病 potatospindletuberdisease PSTD 中发现一条比一般病毒分子更小的10S的区带 他称它为马铃薯纺锤形块茎病类病毒 potatospindletuberviroid PSTV 它可使马铃薯减产20 70 67 类病毒的发现 是生命科学中的一个重大事件 对生物学家来说 类病毒的发现为他们探索生命起源提供了一个新的低层次上的好对象 对分子生物学家来说 类病毒是研究最重要生物大分子的结构与功能的绝好材料 对病理学家来说 类病毒的发现 为他们揭开人类和动 植物的各种传染性疑难杂症的病因带来了新的希望 对哲学家来说 类病毒的发现 为他们长期以来有关生命本质的认识将带来革命性的影响 68 拟病毒 virusoids 又称类类病毒 viroid like 壳内类病毒或病毒卫星 satellite 是指一类包裹在真病毒粒中的有缺陷的类病毒 拟病毒极其微小 一般仅由裸露的RNA 300 400个核苷酸 或DNA所组成 二 拟病毒 Virusoid 69 被拟病毒 寄生 的真病毒又称辅助病毒 helpervirus 拟病毒则成了它的 卫星 拟病毒的复制必须依赖辅助病毒的协助 同时 拟病毒也可干扰辅助病毒的复制和减轻其对宿主的病害 这可用于生物防治中 70 拟病毒首次于1981年在绒毛烟 Nicotianavelutina 的斑驳病毒 velvettobaccomottlevirus VTMoV 中分离到 VTMoV是一种二十面体病毒 其核心中含有大分子线状ssRNA RNA 1 环状ssRNA RNA 2 和线状ssRNA RNA 3 后两者为拟病毒 实验证明 只有当RNA 1 辅助病毒 与RNA 2或RNA 3 拟病毒 合在一起时才能感染宿主 71 有助于探索核酸的结构与功能 拟病毒是一种低分子量的侵染性核酸分子 因而易于进行细致的化学组分和结构分析 通过拟病毒与类病毒的结构与功能的比较 对核酸的结构与功能可能会得到更深入的了解 有助于探索拟病毒与辅助病毒 RNA 1 间的相互关系 拟病毒必须依靠辅助病毒的存在才能复制 而辅助病毒的复制却不需要拟病毒的存在 拟病毒的存在可以影响辅助病毒的产量和改变辅助病毒在宿主上的症状及反应的程度 利用拟病毒这类低分子RNA来组建新的弱毒疫苗 拟病毒又可称类类病毒 它与普通类病毒的差异在于它的侵染对象不是高等植物或动物 而是小小的植物病毒 根据拟病毒的存在可影响辅助病毒的产量和改变辅助病毒在宿主上的症状和反应程度的原理 有可能用它来人工组建具有防病功能的弱化疫苗 对拟病毒的深入研究 也有助于进一步探索病毒的本质和生命起源等重大生物学理论问题 拟病毒的研究的意义 72 三 朊病毒 Prion 朊病毒 prion virino 又称 普列昂 或蛋白质侵染因子 prion 是proteininfection的缩写 是一类不含核酸的传染性蛋白质分子 因能引起宿主体内现成同类蛋白质分子发生与其相似构象变化 从而可使宿主致病 73 hot 朊病毒由美国学者S B Prusiner于1982年研究羊骚痒病时发现的 由于其意义重大 故他于1997年获得了诺贝尔奖 至今已发现与哺乳动物脑部相关的10余种疾病都是由朊病毒所引起的 这类疾病的共同特征是潜伏期长 对中枢神经的功能有严重影响 74 link1 人的库鲁病 kuru 克雅氏病 CreutzfeldtJakobdisease CJD 等 羊搔痒症 scrapie 牛海绵状脑病 spongiformencephalopathy 75 朊病毒是一类小型蛋白质颗粒 约由250个氨基酸组成 大小仅为最小病毒的1 而且毒性很强 76 朊病毒的发病机制 正常的蛋白质 PrPc异常的蛋白质 PrPsc 存在于宿主细胞内的一些正常形式的细胞朊蛋白 PrPc 受到致病朊蛋白 PrPsc 的影响而发生相应的构象变化 发生了错误的折叠后变成了PrPsc 从而使宿主致病 PrPc和PrPsc均来源于宿主中同一编码基因 并具有相同的氨基酸序列 所不同的是二者空间三维结构 77 病毒与实践的关系极其密切 由病毒引起的宿主病害既可使人类健康 畜牧业 栽培业和发酵工业等带来不利的影响 又可利用它们进行生物防治 利用病毒进行疫苗生产和作遗传工程中的