病毒的分子生物学

病毒的分子生物学第1页/共59页概述第一节病毒粒子的结构第二节病毒的基因组第三节病毒的复制第四节病毒基因的表达第2页/共59页概述概念(virus)：一类亚显微专性寄生物•病毒粒子(virions)由蛋白质和核酸(RNA/DNA)构成•由预先形成的组分装配而成(而非“生长”或分裂)•能量代谢和蛋白合成(核糖体)依赖于寄主◙分子水平的病毒学：蛋白与蛋白蛋白与核酸蛋白与酯类的互作病毒粒子结构基因组合成与表达对寄主细胞的影响◙起源及发展第3页/共59页第一节病毒粒子的结构第4页/共59页一、病毒粒子的功能◙粒子外壳保护genome免受破坏

－－物理、化学各种酶类◙衣壳(capsid)含多拷贝蛋白亚基

－－个别亚基的损伤只造成侵染性的有限破坏◙衣壳与对寄主细胞的识别和侵染初期的互作有关

－－病毒附着蛋白、细胞受体（衣壳的某种结构形式）第5页/共59页二、衣壳的对称性和病毒的结构类型◙大部分病毒衣壳有处于最低能级状态的最适结构形式－－－对称结构◙作用力：疏水、静电、少量共价键1、螺旋体衣壳◙TMV为螺旋体对称病毒结构的典型代表◙有较为稳定的直径和螺距参数第6页/共59页2、20面体（等轴体）衣壳◙20个三角形沿一个球形表面排列而成的立体形状◙相同亚基、立体旋转对称◙并非严格几何学意义的20面体第7页/共59页第8页/共59页3、包膜病毒◙前两种“裸露”病毒粒子成熟时会导致寄主细胞的死亡、崩溃或溶解◙包膜病毒以出芽方式不造成寄主细胞的完全毁坏◙类脂膜：防止水分丧失、酶类降解生物活性---识别寄主细胞上受体分子第9页/共59页4、其他复杂病毒第10页/共59页第二节病毒的基因组第11页/共59页一、病毒基因组的结构的复杂性结构复杂性的体现◙组成：单／双链一条线／环状分子分离存在的几个分子◙单链病毒基因组：正意（与mRNA核苷酸序列相同）负意双意◙长度：3500NTs～280Kb◙所使用的遗传密码与寄主－－匹配或被识别第12页/共59页◙存在断裂基因和mRNA的3’加尾◙受到体积最小化的压力－－普遍的重叠基因二、DNA病毒基因组1、双链、线性DNA病毒基因组（Euk.）e.g.包疹病毒（不同亚科105～280Kb）腺病毒30～38Kb30～40个基因•有末端结合蛋白－－复制起始•不同基因使用少量的启动子－－通过选择性拼接表达多种蛋白a)Euk.第13页/共59页b）Prok.e.g.λ噬菌体、T4噬菌体◙基因组的末端序列有重要作用

λ噬菌体

－－cos位点（形成DNA多联体被包装进病毒颗粒）

第14页/共59页2、单链、环状DNA病毒基因组

M13噬菌体T4噬菌体

－－末端丰余（末端复制、被包装的稍大于完整基因组）第15页/共59页3、线性单链DNA病毒基因组◙细小病毒：约5Kb含一定比例的正意链（双意）第16页/共59页4、双链环状DNA病毒基因组◙多瘤病毒：约5Kb

以最小空间包含了最大量的遗传信息第17页/共59页三、正链RNA病毒◙占已知病毒总数的70％以上

（有无包膜、基因组分段或不分段）◙大小受到RNA脆弱性质的限制

－－比较小30Kb（冠状病毒）～3.5Kb（Qβ噬菌体）◙复制精确性较差，突变比例高于DNA基因组◙基因组生物学共同特征：a)正意RNA可直接翻译蛋白质b)经提纯的裸露RNA对敏感寄主细胞具有侵染性c)复制在RNA编码的RNA聚合酶(RdRp)参与下不对称复制双链复制中间体－－RI第18页/共59页◙基因组结构◙5’帽子，3’尾◙3’UTR为负意链合成所必须◙

冠状病毒为最长的RNA病毒27～30Kb第19页/共59页VirionStructure（SARS）N:NucleocapsidM:MembraneglycoproteinS:SpikeglycoproteinE:Smallenvelopeglycoprotein第20页/共59页第21页/共59页病毒比病毒学家更聪明。病毒在自然界的历史比人类要久远的多，它们更清楚如何在这个世界上生存---赖明诏“冠状病毒研究之父”赖明诏,美国的冠状病毒教科书不少出自他手。1975年以来，他一直从事冠状病毒的研究，对牛、猪、鸡、猫、老鼠等多种动物体内的冠状病毒有比较深入的了解。在得到“非典”冠状病毒的基因序列图后，他发现其基因片段组成部分来自老鼠和禽类体内的冠状病毒基因;第22页/共59页四、负链RNA病毒◙病毒间差异比正链RNA病毒更大◙有较大基因组，编码更多的遗传信息（十几到二十几Kb）－－表达难度◙普遍存在分段基因组◙经提纯的病毒基因组RNA都不具有侵染性

（未感染细胞不含RdRp）◙有些为双意基因第23页/共59页◙各段RNA的分子数目在病毒提纯物中不等量存在◙绝大部分不存在

5’帽子和3’尾（双意除外）第24页/共59页五、分段和多组分病毒基因组◙分段（segmented）病毒基因组：基因组被分为两个或两个以上的不同的核酸分子，但被包装在同一个病毒粒子中◙多组分（multipartite）病毒基因组：基因组分段后的每个基因组片段包装在不同的病毒颗粒中分布广泛：在人、动物和植物的病原物中都有存在只在植物病毒中少量存在颗粒大小上经常存在差异（基因组片段长度）第25页/共59页◙病毒基因组分段的优缺点a）降低包装压力b）降低了造成断裂的可能性，提高编码能力c）要求所有单个基因组片段必须被包装到一个病毒颗粒中否则丢失◙多组分病毒的有效侵染－－－涉及所有不同病毒粒子第26页/共59页六、逆转录病毒1970HowardTemin和DavidBaltimore

逆转录酶－－依赖于RNA的DNA聚合酶（RdDp）1、逆转录病毒1）二倍体病毒－－含两个基因组RNA拷贝2）还含一细胞tRNA－－逆转录合成DNA时的引物第27页/共59页3）结构和组成a)gag基因－－病毒颗粒核心蛋白，即DNA结合蛋白b)pol基因－－与核酸合成和重组有关蛋白(多肽复合体)

逆转录酶、整合酶、RNaseHc)env基因－－病毒颗粒被膜d)R－－10～80base（不同病毒）的正向重复e)U3、U5－－一定长度f)PBS－－反转录时tRNA引物的3’端结合位点第28页/共59页4）逆转录过程a)tRNA与PBS结合，反转录合成部分DNA负链b)RNase降解病毒RNA5’末端c)第一次跳跃d)负链DNA继续合成e)RNA被降解，U3左边留下片段作引物合成部分正链DNAf)第二次跳跃－－正链DNA与负链的另一端结合g)完成正链合成

LTR末端第29页/共59页5)逆转录只能在脱壳的病毒核心颗粒中完全转换成双链DNA◙逆转录病毒核衣壳内的两条RNA的构象决定了……6)pol基因产物－－使双链DNA转座到细胞染色质－－－产生原病毒◙整合的为线状结构第30页/共59页7)逆转录对逆转录病毒的重要遗传作用a)RdDp的高度易错复制导致快速的遗传分化b)以两条RNA作为逆转录的模板导致重组（链的突变）8)病毒释放－－－转录产生全长的mRNA◙U3内含启动子

R区内含加尾信号第31页/共59页表达全过程：SSRNA→→RNA/DNA→→dsDNA→→整合→→mRNA→→翻译包装第32页/共59页2、HIV第33页/共59页3、具有逆转录过程的DNA病毒基因组◙DNA肝炎病毒和花椰菜花叶病毒◙DNA肝炎病毒基因组a)为有缺口的双链DNA，含一逆转录酶b)基因组为所有已知病毒中最小－－负意链3.0～3.3Kb

正意链1.7～2.8Kb非环状HBV－－Pre-S1、Pre-S2、S3种表面抗原蛋白基因

C－－核心蛋白

P－－逆转录酶X－－激活蛋白第34页/共59页◙dsDNA宿主RNApolssDNA(mRNA)翻译蛋白反转录RNA/DNAdsDNA组装宿主DNApolCCCDNA第35页/共59页第三节病毒的复制第36页/共59页病毒复制过程的8个阶段吸附侵入脱壳复制及表达装配释放成熟第37页/共59页第38页/共59页第39页/共59页由基因组复制和表达机制不同而划分的病毒类型第40页/共59页◙DNA进入细胞核→→部分转录→→翻译蛋白与DNA结合→→DNA复制→→再次转录翻译结构蛋白→→组装、释放◙病毒基因组类型及复制表达途径第41页/共59页◙DNA进入细胞核→→dsDNA→→转录翻译早期蛋白→→再次转录翻译结构蛋白→→依赖于衣壳蛋白的

ssDNA合成→→组装、释放第42页/共59页第43页/共59页第44页/共59页第45页/共59页第四节病毒基因的表达第46页/共59页一、遗传信息的表达◙病毒与寄主细胞间最主要的互作－－在细胞器官中进行核酸和蛋白质的合成◙在有限的遗传资源中，通过严格的定量和时间、空间上的高度特异性，实现对表达的调控◙弥补遗传资源不足的方式a)能够高效启动或阻遏基因表达的正、负调控信号b)经常含有重叠阅读框的基因组c)常常包含在其它基因中的调控信号d)由一条mRNA合成出多种不同蛋白质的策略第47页/共59页二、表达的转录调控◙SV40表达的转录调控－－－T-抗原☉T-抗原与复制有关☉早期启动子引导表达早期mRNA－－T、t抗原第48页/共59页☉T-抗原阻断早期启动子的转录，使其进入侵染晚期☉复制起始后，晚期启动子表达VP1、2、3第49页/共59页三、表达的转录后调控1、腺病毒的选择性拼接（类似机制仅限于核内复制的病毒）第50页/共59页第51页/共59页2、选择性起始mRNA的翻译－－Yp329◙腺病毒基因组复制后期转录两个小RNA

VARNAⅠVARNAⅡ

二者具高度二级结构，不编码任何多肽◙病毒侵染细胞后刺激产生干扰素－－作用之一活化一细胞蛋白激酶