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第四章病毒,什么叫病毒？病毒是形体微小，结构简单，仅含有1种核酸DNA或RNA，具有超级寄生性，且必须在电子显微镜下才能观察到的一类非细胞形态的微生物。,病毒的种类：,真病毒：至少含有核酸和蛋白质两种组分,亚病毒,类病毒：只含具有独立侵染性的组分拟病毒：只含不具独立侵染性的组分朊病毒：只含单一蛋白质部分,非细胞生物,病毒的特点：1）形态及其微小，一般能通过细菌滤器，必须在电镜下才能观察；2）没有细胞构造，主要成分仅为核酸和蛋白质；3）每一种病毒只含一种核酸，DNA或RNA；4）依靠自身的核酸进行复制，以病毒核酸和蛋白质等“元件”的装配实现其大量繁殖；5）严格细胞内寄生，缺乏完整的酶和产能系统，只能利用宿主活细胞的现成代谢系统合成病毒自身的核酸和蛋白质；6）在离体条件下，能以无生命力的大分子状态存在，并可长期保持其侵染活力；7）对一般抗生素不敏感，但对干扰素敏感；8）有些病毒的核酸可整合到宿主基因组中，以原病毒形式存在。,研究病毒的重要意义：一是控制和消灭有害病毒，病毒威胁着人类健康和家养动物养殖业，病毒性疾病对国民经济造成严重的影响，发酵工业中的噬菌体污染会严重影响发酵生产；二是病毒的研究和利用价值，主要表现为改良品种，培育活病毒疫苗株，保护生态环境，利用病毒作为昆虫杀虫剂，基因工程研究的重要载体。,第一节病毒的形态结构与化学组成,一、病毒的大小多数在100nm左右（20200nm）。多数不能在光学显微镜下看到，必须用电子显微镜观察。最小的圆环病毒直径约17nm，比核糖体稍大，最大的动物痘病毒（Poxviruses）直径达200nm以上，与最小的细菌相仿，并且可以在光学显微镜下看到。,二、病毒的基本结构,无囊膜病毒模式结构,有囊膜病毒模式结构,衣壳,衣壳粒,核酸,衣壳,刺突,三、病毒形态与主要结构类型,（一）病毒的形态,（二）病毒的结构类型,螺旋对称结构,二十面体对称结构,复合对称结构,无囊膜,杆状：烟草花叶病毒等丝状：大肠杆菌M13噬菌体等,卷曲状：流感病毒等弹状：狂犬病毒等,有囊膜,无囊膜,有囊膜：疱疹病毒,小型：脊髓灰质炎病毒大型：腺病毒,有囊膜：痘病毒（砖块状）,无囊膜：大肠杆菌T偶数噬菌体（蝌蚪状）,病毒结构类型,1、螺旋对称结构以烟草花叶病毒（tobacomosaicvirus，TMV）为例。衣壳是由2130个蛋白质亚基构成的螺旋对称结构，衣壳长300nm。直径1518nm，外观呈狭窄的刚直杆状。螺旋衣壳中央有直径4nm的轴孔，亚基呈右手螺旋排列，螺旋的螺距为2.3nm，每螺转上的亚基数目为十六又三分之个。病毒的单链RNA半径约4nnl处与蛋白质亚基结合大约每三个核苷酸结合着一个蛋白质亚基、RNA长约6395或6398个核苷酸，长度相当于2130个亚甚或130螺转。,2、二十面体对称结构,以腺病毒（adenovirus）为例。腺病毒的衣壳含有252个壳粒，其中12个顶角的衣壳粒与相邻的衣壳粒组成五邻体，240个面上或棱上的衣壳粒相互之间组成六邻体。每个五邻体中央的衣壳粒上伸出一根末端带有顶球的刺突。每个五邻体壳粒由一个五聚体（多肽）和一个三聚体纤维蛋白（）组成；但六邻体壳粒不是六聚体，而是三聚体，它由3个110K多肽构成。,3、复合对称结构具有复合对称衣壳结构的典型是有尾噬菌体，以大肠杆菌T4噬菌体为例。T4噬菌体的头部为二十面体对称结构，直径为5nm。噬菌体(phage)的尾部较为复杂，由尾鞘、尾管、颈部、基板、尾钉和尾丝组成。头部与尾部由颈部连接起来（图4-10）。,四、病毒的化学组成,（一）病毒的核酸,正链和负链：正链（+）：与mRNA碱基序列相同的单链。负链（-）：与mRNA碱基序列互补的单链。正负链（）：互补的双链。+RNA：可作为mRNA模板翻译成蛋白质。-RNA：与+RNA互补，不能直接用作mRNA模板翻译成蛋白质。+DNA：与-DNA互补，不能作为模板直接合成mRNA。-DNA：mRNA模板链，可作为模板直接合成mRNA。分节段和不分节段：个别RNA病毒核酸为不连续、间断的链，RNA部分节段为负链，部分节段为正链，称之为双义链(ambisense)。不分节段可称为单分子，分两个节段称为双分子，分三个节段称为三分子，分多个节段可称为多分子。,（一）病毒的蛋白质,1、结构蛋白：指构成一个形态成熟的有感染性的病毒颗粒所必需的蛋白质，包括衣壳蛋白、囊膜蛋白和存在于病毒颗粒中的酶等。约占病毒总量的70%，少数低至3040%。（1）衣壳蛋白：是构成病毒衣壳结构的蛋白质，由一条或多条多肽链折叠形成的蛋白质亚基是构成衣壳蛋白的最小单位。一些简单的病毒的衣壳蛋白仅由一种或少数几种蛋白质构成，而一些复杂病毒则可多达20余种。衣壳蛋白的功能：构成病毒的衣壳，保护病毒的核酸；无囊膜病毒的衣壳蛋白参与病毒的吸附、侵入、决定病毒的宿主嗜性；病毒的表面抗原。,（2）囊膜蛋白或称刺突蛋白：是由囊膜糖蛋白和基质蛋白两类病毒蛋白质构成，位于囊膜表面。囊膜糖蛋白：病毒的主要表面抗原；囊膜糖蛋白多为病毒吸附蛋白它们与细胞受体相互作用启动病毒感染发生，有些病毒的囊膜糖蛋白还介导病毒的进入；可能具有凝集脊椎动物红细胞、细胞融合以及酶等活性。基质蛋白：构成膜脂双层与核衣壳之间的亚膜结构，具有支撑囊膜，维持病毒结构的作用；介导核衣壳与囊膜糖蛋白之间的识别，在病毒芽出成熟过程中发挥重要作用。,（3）毒粒酶：是存在于病毒壳粒内的酶，根据其功能大致可分为两类：一类是参与病毒进入、释放等过程的酶，如T4噬菌体的溶菌酶、流感病毒的神经氨酸酶等；一类是参与病毒的大分子合成的酶，如反转录病毒、嗜肝DNA病毒的反转录酶，所有dsRNA病毒、负链RNA病毒以及dsRNA病毒的病毒颗粒中存在的转录酶等。一些复杂的病毒，如在细胞质内复制的痘病毒还具有许多参与RNA转录物加工和DNA复制的酶。,2、非结构蛋白：指由病毒基因组编码的，在病毒复制过程中产生并具有一定功能，但不结合于病毒颗粒中的蛋白质。病毒的非结构蛋白数量和功能依据病毒的种类、病毒基因组的复杂程度和病毒复制时期的不同而不同。许多非结构蛋白具有酶活性，参与和调控病毒的复制(replication)与转录(transcription)。最近发现，部分非结构蛋白具有抗凋亡、抗细胞因子活性及干扰抗原递呈得功能，如口蹄疫病毒的3ABC蛋白已经用来区分野毒感染和弱毒苗免疫。,（三）病毒的脂类病毒脂类是病毒在成熟释放过程中从宿主细胞获得的，主要存在于病毒的囊膜。脂类约占其结构成分的20%-35%。痘病毒脂类的含量约占5%，而狂犬病毒脂类的含量达50%。（四）病毒的糖类某些病毒含有少量的糖类。糖类主要是以寡糖侧链存在于病毒糖蛋白和糖脂中，或以粘多糖形式存在。除了有囊膜病毒的糖蛋白突起外，某些复杂病毒的病毒颗粒还含有内部糖蛋白或者糖基化的衣壳蛋白。糖蛋白还是重要的免疫原，例如抗流感病毒血凝素的血清具有明显的病毒中和作用。（五）其他组成在一些动物病毒、植物病毒和噬菌体的病毒颗粒内，存在一些如丁二胺、亚精胺、精胺等阳离子化合物。在某些植物病毒中还发现有金属阳离子存在。这些含量极微的有机阳离子或无机阳离子与病毒核酸呈无规则的结合，并对核酸的构型产生一定的影响。它们的结合量仅与环境中相关离子浓度有关，是病毒装配时从环境中获得的不恒定成分。,第三节病毒的主要类群与繁殖方式,一、病毒的主要类群与分类系统,国际病毒分类委员会（ICTV）作为国际公认的病毒分类与命名的权威机构。国际病毒分类系统采用目（order）、科(family)、亚科(subfamily)、属(genus)、种(species)、分类阶元。ICTV不负责病毒种以下的分类和命名，病毒种以下的血清型、基因型、毒力株、变异株和分离株的名称由公认的国际专家小组确定。根据ICTV的分类报告，目前把所有已知病毒分为233个属，1550个种，其中204个属归于64个科。从第6次分类报告开始，把病毒分为3大类：DNA病毒、DNA反转录与RNA反转录病毒、RNA病毒。根据病毒进化发生学的关系，第7次分类报告在部分科之上建立了3个目：尾病毒目、单负股病毒目和套式病毒目。在同一亚科中不同属的分类依据是其免疫学特性与宿主持异性。病毒的种是一个不确定的分类单位。1990年ICTV将其定义为具有一定世代关系并占据一定生境（niche）的病毒群。也就是在具有科和属的特征的前提下，把某些次要特征大致但又不完全相同的病毒归为同一种病毒。,病毒的命名：采用英文或英文化拉丁文，只用单名，也不用斜体书写。但是目、科、亚科、属分别用拉丁文后缀“-virales”、“-viridae”、“-virinae”、“virus”。例如，痘病毒属于痘病毒科（Poxviridae）；脊椎动物痘病毒亚科（Chorodopoxviridae）则包含了各种脊椎动物痘病毒。,二、细菌噬菌体噬菌体是感染细菌、放线菌和蓝细菌等原核微生物的病毒，分布广泛。根据其核酸类型可分为dsDNA病毒、ssDNA病毒、dsRNA病毒和ssRNA病毒，一般无被膜，主要有蝌蚪形、微球形和丝型（图4-19）。噬菌体的发生在工业生产上会造成发酵液污染，影响发酵产量和质量，甚至引起倒罐，造成重大损失。噬菌体在分子生物学研究中也有着广泛的应用，如大肠杆菌的噬菌体作为基因工程的载体；大肠杆菌M13噬菌体展示技术用于多肽或蛋白质的表达并展示于噬菌体表面，研究蛋白质相互作用。,图4-19：细菌噬菌体的多形性（源于RichardRobarts对加拿大萨斯卡通市盐湖噬菌体研究的照片。）,（一）烈性噬菌体及其繁殖方式这类噬菌体侵入细菌细胞后，会通过裂解作用摧毁细胞使病毒粒子释放。这类能在宿主细菌细胞内增殖，产生大量子噬菌体，并通过裂解细菌细胞而释放出来的噬菌体，因而被称为烈性噬菌体（virulentphage）。T4噬菌体是一个典型的烈性噬菌体。,病毒的繁殖过程：一般可分为吸附、侵入、生物合成、成熟装配与裂解释放五步。烈性噬菌体所经历的繁殖过程，称作裂解性周期。,1、吸附2、侵入,3、生物合成,4、成熟装配,5、裂解释放,病毒一步生长曲线,（二）一步生长曲线,（1）潜伏期：是指病毒侵入宿主细胞到病毒粒子释放出胞外前的一段时间。潜伏前期又称隐蔽期（eclipsephase），是指病毒的核酸侵入宿主细胞后至第一个病毒粒子装配前的一段时间，此时宿主细胞内不含有完整的、有侵染力的成熟病毒粒子。潜伏后期，病毒粒子装配成熟，胞内具侵染性的成熟病毒粒子数目逐渐增，但没有释放出胞外。寄主细胞的裂解标志着潜伏期的结束。（2）裂解期：是指宿主细胞迅速裂解，溶液中病毒粒子急剧上升的一段时间。病毒没有个体生长，其宿主细胞裂解也是突发的。（3）平台期：是指感染病毒的宿主细胞全部裂解，溶液中病毒效价达到最高点以后的时期。,两个特征性数据潜伏期：是病毒颗粒吸附于细胞到受染细胞释放出子代病毒颗粒所需的最短时间，不同病毒的潜伏期长短不同，噬菌体以分钟计，动物病毒和植物病毒以小时或天计。裂解量：是每个受染细胞所产生的子代病毒颗粒的平均数目，其值等于潜伏期受染细胞的数目除稳定期受染细胞所释放的全部子代病毒数目，即等于稳定期病毒效价与潜伏期病毒效价之比。通过一步生长曲线测定，噬菌体的裂解量一般为几十到上百个，植物病毒和动物病毒可达数百乃至上万个。,（三）温和噬菌体与溶原性（lysogeny）某些噬菌体侵染细菌后，将自身基因组整合到细菌细胞染色体上，随寄主细胞分裂而同步复制，并不引起细菌裂解释放噬菌体，因而被称作温和噬菌体（temperatephage）。这种噬菌体与细菌共存的特性称为溶原性（lysogeny），被侵染的细胞被称作溶原性细胞或溶原菌（lysogen），整合到细菌细胞染色体上的病毒被称作前病毒或前噬菌体（prophage）。,噬菌体的裂解和溶原途径,诱导,溶原性特点：（1）溶原性转变（lysogenicconversion）：温和噬菌体在菌体细胞内以前噬菌体形式存在可导致宿主细胞的表型改变，这种改变与其生命周期是否完成没有直接关系，这种改变称为溶原性转变。（2）免疫作用：前噬菌体基因还导致溶原性细菌对同类型噬菌体的侵染具有免疫作用，阻止携带与溶原性菌体所含的前噬菌体DNA相同的噬菌体的吸附和生物合成，但这种免疫作用不能阻止溶原菌体被别种类型的温和噬菌体或烈性噬菌体所侵染。前噬菌体基因的表达可以产生一种阻遏蛋白，抑制该病毒自身在菌体内的复制作用。,（3）致病性改变：某些溶原菌体还因所含的前噬菌体的作用导致致病性改变。例如，白喉棒状杆菌（Corynebecteriumdiphtheriae）和肉毒梭状芽孢杆菌（Clostridiumbotulinum），若不含有前噬菌体的话，是不会引起人类疾病的；一旦被相应的温和噬菌体侵染，含有了编码毒素基因的前噬菌体后，就从不产生毒素的菌株转变为产毒素的菌株，造成侵染组织的损伤，分别引发白喉和肉毒中毒症状。（4）溶原性可以是可逆的：前噬菌体可以自发地或在外界刺激诱导下被激活，裂解寄主细胞，进入裂解途径。前噬菌体离开细菌基因组进入裂解途径的几率很低（约1/10000-1/100000）。,三、脊椎动物病毒各种脊椎动物都广泛寄生着相应的病毒，但研究较多的是那些与人类健康、与畜禽家养脊椎动物疾病相关的那些病毒。已知与人类健康有关的病毒超过300种，与其它脊椎动物有关的病毒超过900种。人类传染病约有70-80%是由病毒所引起。脊椎动物病毒根据其核酸类型可分为dsDNA病毒、ssDNA病毒、dsRNA病毒和ssRNA病毒；有的衣壳外含囊膜，有的不含囊膜；有的病毒囊膜外还含有刺突。,（一）脊椎动物病毒繁殖,1.吸附:病毒通过刺突与细胞受体特异结合吸附到寄主细胞上,2.侵入:病毒被吞噬到囊泡中,囊膜破裂,病毒核酸被释放到细胞质。,3.生物合成:在病毒基因控制下,细胞合成新病毒的基本成分，核酸、衣壳粒蛋白和刺突蛋白。,4.成熟装配:刺突蛋白整合到形成病毒囊膜的细胞膜中,核酸和衣颗粒蛋白装配成核衣壳。,5.释放:有囊膜病毒以出芽方式离开细胞膜,携带着含刺突的囊膜。成熟的病毒粒子具侵染性。,病毒刺突与寄主细胞上受体的特异结合过程示意图：,1）裸露病毒核酸直接穿入,2）有囊膜病毒以膜融合方式进入,3）有囊膜病毒以吞噬作用进入,动物病毒侵入方式示意图：,动物病毒出芽释放过程示意图：,（二）脊椎动物病毒的续存性动物病毒的续存性（persistence）就是指某些病毒通过吸附、侵染进入动物寄主细胞后，并不进行增殖杀死寄主细胞，而是将自身病毒DNA整合到寄主细胞染色体DNA分子上或呈类质粒状态，长期存在于寄主细胞内。以整合形式存在的病毒核酸被称作原病毒。,续存性特点：1）续存性感染的动物细胞功能维持正常，甚至很多年。2）续存性病毒感染中，病毒在重新活化前没有复制，处于续存状态。3）被整合的原病毒基因的表达有时也会赋予寄主细胞新的特点。4）原病毒可以受环境因素如紫外线诱导活化，从整合的染色体上脱离下来，病毒核酸重新复制、成熟和释放。5）某些疱疹病毒能够间歇性地“开”、“关”病毒粒子的增殖。疱疹病毒终身续存在机体细胞内，当机体受冷、热、压力或免疫抑制等因素的刺激时，续存的疱疹病毒被活化，重新增殖导致细胞裂解，引起疾病，然后又恢复到续存状态。疱疹病毒的这种续存性又被称作“潜伏性（latency）”。6）某些病毒可引起“慢性病毒感染（slowvirusinfections）”。麻疹病毒（measlesvirus）能隐藏在寄主脑细胞中许多年，逐渐引起退行性损伤和功能丧失，这种续存性又被称作“慢性病毒感染”。,（三）病毒与肿瘤发生肿瘤（tumor）是由失去调控而异常生长和繁殖的新生异常细胞或瘤形成的组织团块。如果肿瘤的生长维持在特定的部位形成致密组织团，而不通过循环系统转移到其它部位，被称为良性肿瘤；如果肿瘤细胞可以活跃的扩散或转移到有机体其它部位乃至全身，通常通过血液流动并形成次级肿瘤，被称为恶性肿瘤或癌。人类和脊椎动物肿瘤的发生是由多种复杂的因素所引起，例如物理、化学和生物因素。有好几种动物病毒进入宿主细胞后进入续存性状态，可永久性地改变宿主遗传物质，导致宿主肿瘤发生。可引发机体肿瘤发生的病毒被称作肿瘤病毒（oncoviruses），迄今发现的可引起细胞转化和肿瘤发生的病毒主要是一些dsDNA和一些逆转录病毒。肿瘤病毒引起肌体肿瘤发生的过程被称作转化（transformation）。,据估计，约15%的人类肿瘤由病毒感染引起。,表某些脊椎动物病毒所引起的肿瘤,肿瘤病毒肿瘤类型Epstein-Barr(EB)病毒Burkitt淋巴瘤（epstein-barrvirus）乙型肝炎病毒(hepatitisbvirus)肝癌丙型肝炎病毒(hepatitiscvirus)肝癌逆转录病毒(retrovirus)很多动物白血病和淋巴瘤；人