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研究報(bào)道首個病毒RdRP轉(zhuǎn)位中間體晶體結(jié)構(gòu)(病毒是一類怎樣的生物體)

中醫(yī)世家 2024-06-06 05:21:14

研究報(bào)道首個病毒RdRP轉(zhuǎn)位中間體晶體結(jié)構(gòu)

2016年08月24日訊 核酸聚合酶是核酸生物合成的分子機(jī)器

,是實(shí)現(xiàn)核酸遺傳信息復(fù)制和傳遞的關(guān)鍵蛋白
。在模板序列的指導(dǎo)下
,聚合酶以NTP或dNTP為底物將單磷酸核苷(NMP)逐個添加到產(chǎn)物鏈上。每一次添加過程又稱核苷酸添加循環(huán)(nucleotide addition cycle或NAC)
,由底物結(jié)合并誘導(dǎo)活性中心關(guān)閉
、磷?div id="m50uktp" class="box-center"> ;D(zhuǎn)移反應(yīng)以及聚合酶向模板下游轉(zhuǎn)位三個主要步驟構(gòu)成
,其分子機(jī)制是聚合酶領(lǐng)域的核心研究內(nèi)容。

RNA病毒對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅

,超過三分之二的傳染性疾病由RNA病毒引起
,這類病毒的基因組復(fù)制和基因轉(zhuǎn)錄由依賴RNA的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase 或 RdRP)執(zhí)行。前期研究表明
,RdRP與DNA聚合酶
、依賴DNA的RNA聚合酶、反轉(zhuǎn)錄酶等其他主要類型的聚合酶相比
,在活性中心關(guān)閉和轉(zhuǎn)位這兩個關(guān)鍵步驟上具有鮮明的獨(dú)特性
,解析其精確機(jī)制將對相關(guān)抗病毒研究提供重要依據(jù)。中國科學(xué)院武漢病毒研究所龔鵬研究員在前期工作中通過解析脊髓灰質(zhì)炎病毒(poliovirus或PV)RdRP-RNA-NTP復(fù)合物系列晶體結(jié)構(gòu)揭示了RdRP活性中心關(guān)閉的獨(dú)特模式
,同時(shí)提出了RdRP轉(zhuǎn)位中間體假設(shè)(Gong and Peersen
, 2010)。龔鵬研究團(tuán)隊(duì)以手足口病的主要病原體腸道病毒71型(enterovirus 71或EV71)的RdRP為研究對象
,通過獲取多種類型的RdRP復(fù)合物晶體并系統(tǒng)性地嘗試在晶體中實(shí)現(xiàn)單次和多次核苷酸添加
,于近期報(bào)道了包括首個轉(zhuǎn)位中間體在內(nèi)的七個RdRP復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu),分辨率為2.5-2.9埃
。相關(guān)論文于2016年7月12號正式發(fā)表在美國科學(xué)院院刊Proc Natl Acad Sci USA上

此次報(bào)道的轉(zhuǎn)位中間體結(jié)構(gòu)顯示,RdRP模板和產(chǎn)物雙鏈在轉(zhuǎn)位中采取了不對稱的運(yùn)動模式

,產(chǎn)物鏈的轉(zhuǎn)位顯著領(lǐng)先于模板鏈
,為進(jìn)一步剖析轉(zhuǎn)位機(jī)制提供了關(guān)鍵信息。此項(xiàng)研究很快在Faculty of 1000上獲得著名聚合酶專家Katsuhiko Murakami教授“Exceptional”級別的推薦
,并指出:“結(jié)構(gòu)所展示的核酸雙鏈不對稱運(yùn)動從未被觀測到
,甚至從未被考慮到
;因此這項(xiàng)研究非常具備對核酸聚合酶領(lǐng)域產(chǎn)生高度影響的潛力?div id="4qifd00" class="flower right">
!?/p>

此項(xiàng)研究主要受到中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目和科技部973項(xiàng)目“重要病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)功能研究”(2013CB911100

,項(xiàng)目首席科學(xué)家為陳新文研究員)的支持。論文的第一作者為博士生舒波

病毒RdRP轉(zhuǎn)位中間體結(jié)構(gòu)

。淺藍(lán)色鏈和綠色鏈分別為模板和產(chǎn)物RNA的骨架在轉(zhuǎn)位前的參考狀態(tài),橙色雙鏈為轉(zhuǎn)位中的狀態(tài)
。通過比較兩種狀態(tài)中以球形顯示的骨架磷原子的相對位置,可清晰看到產(chǎn)物鏈向上游(圖中左側(cè))移動的幅度大幅領(lǐng)先于模板鏈

病毒是一類怎樣的生物體

病毒
是一類個體微小

,無完整細(xì)胞結(jié)構(gòu),含單一核酸(DNA或RNA)型
,必須在活細(xì)內(nèi)寄生并復(fù)制的非細(xì)胞型微生物


“virus”一詞源于拉丁文,原指一種動物來源的毒素
。病毒能增殖
、遺傳和演化,因而具有生命最基本的特征
,但至今對它還沒有公認(rèn)的定義
。最初用來識別病毒的性狀,如個體微小
、一般在光學(xué)顯微鏡下不能看到
、可通過細(xì)菌所不能通過的濾器、在人工培養(yǎng)基上不能生長
、具有致病性等
,現(xiàn)仍有實(shí)用意義。但從本質(zhì)上區(qū)分病毒和其他生物的特征是:①含有單一種核酸(DNA或RNA)的基因組和蛋白質(zhì)外殼
,沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)
;②在感染細(xì)胞的同時(shí)或稍后釋放其核酸,然后以核酸復(fù)制的方式增殖
,而不是以二分裂方式增殖
;③嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)寄生性。病毒缺乏獨(dú)立的代謝能力
,只能在活的宿主細(xì)胞中
,利用細(xì)胞的生物合成機(jī)器來復(fù)制其核酸并合成由其核酸所編碼的蛋白,最后裝配成完整的
、有感染性的病毒單位
,即病毒粒
。病毒粒是病毒從細(xì)胞到細(xì)胞或從宿主到宿主傳播的主要形式。

目前
,病毒一詞的涵義可以是:指那些在化學(xué)組成和增殖方式是獨(dú)具特點(diǎn)的
,只能在宿主細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行復(fù)制的微生物或遺傳單位。它的特點(diǎn)是:只含有一種類型的核酸(DNA或RNA)作為遺傳信息的載體
;不含有功能性核糖體或其它細(xì)胞器
;RNA病毒,全部遺傳信息都在RNA上編碼
,這種情況在生物學(xué)上是獨(dú)特的
;體積比細(xì)菌小得多,僅含有少數(shù)幾種酶類
;不能在無生命的培養(yǎng)基中增殖
,必須依賴宿主細(xì)胞的代謝系統(tǒng)復(fù)制自身核酸,合成蛋白質(zhì)并裝配成完整的病毒顆粒
,或稱病毒體(完整的病毒顆粒是指成熟的病毒個體)


病毒性質(zhì)的兩重性;

、病毒生命形式的兩重性

1
、病毒存在的兩重性 病毒的生命活動很特殊,對細(xì)胞有絕對的依存性
。其存在形式有二:一是細(xì)胞外形式
,一是細(xì)胞內(nèi)形式。存在于細(xì)胞外環(huán)境時(shí)
,則不顯復(fù)制活性
,但保持感染活性,是病毒體或病毒顆粒形式
。進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)則解體釋放出核酸分子(DNA或RNA)
,借細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的條件以獨(dú)特的生命活動體系進(jìn)行復(fù)制,是為核酸分子形式


2
、病毒的結(jié)晶性與非結(jié)晶性 病毒可提純?yōu)榻Y(jié)晶體。我們知道結(jié)晶體是一個化學(xué)概念
,是很多無機(jī)化合物存在的一種形式
,我們可以認(rèn)為某些病毒有化學(xué)結(jié)晶型和生命活動型的兩種形式。

3
、顆粒形式與基因形式 病毒以顆粒形式存在于細(xì)胞之外
,此時(shí),只具感染性
。一旦感染細(xì)胞病毒解體而釋放出核酸基因組
,然后才能進(jìn)行復(fù)制和增殖
,并產(chǎn)生新的子代病毒。有的病毒基因組整合于細(xì)胞基因組
,隨細(xì)胞的繁殖而增殖
,此時(shí)病毒即以基因形式增殖,而不是以顆粒形式增殖
,這是病毒潛伏感染的一種方式


二、病毒結(jié)構(gòu)和功能的兩重性

1
、標(biāo)準(zhǔn)病毒與缺陷病毒 在病毒的增殖過程中
,由于其基因組因某種微環(huán)境因素的影響或轉(zhuǎn)錄過程的錯誤而發(fā)生突變,以致有裝配不全的病毒顆粒產(chǎn)生
,稱為缺陷病毒
,產(chǎn)生缺陷病毒的原親代病毒,則稱為標(biāo)準(zhǔn)病毒
,缺陷病毒顆粒有干擾標(biāo)準(zhǔn)病繁殖的作用。

2
、假病毒與真病毒 一種細(xì)胞有兩種病毒同時(shí)感染的情況
,在增殖過程中,一種病毒可以穿上本身的外殼
,這就是真病毒
,是這種病毒的應(yīng)有“面目”;如果一種病毒的核酸被以另一病毒編碼的外殼
,則稱為假病毒
,此時(shí)一種病毒的本來性質(zhì),被另一種病毒的性質(zhì)所掩蓋


3
、雜種病毒和純種病毒 兩種病毒混合感染時(shí),除了出現(xiàn)假型病毒外
,還有可能出現(xiàn)病毒核酸重組的情況
,即一種病毒顆粒之中,可含有兩種病毒的遺傳物質(zhì)
,此可稱為雜種病毒
,折實(shí)病毒學(xué)中一個相當(dāng)常見的現(xiàn)象。

、病毒病理學(xué)的兩重性

1
、病毒的致病性和非致病性 關(guān)于致病性和非致病性問題,是同宿主細(xì)胞相對二言的
,在分子水平
、細(xì)胞水平和機(jī)體水平
,可能有不同的含義。在細(xì)胞水平有細(xì)胞病變作用
,但在機(jī)體水平可能并不顯示臨床癥狀
,此可稱為亞臨床感染或不顯感染。

2
、病毒感染的急性和慢性 病毒感染所致的臨床癥狀有急
、慢之分,有的病毒一般只表現(xiàn)急性感染而很少表現(xiàn)慢性感染
;有的則既有急性過程
,也有慢性過程。

目前對病毒的概念可以是:病毒是代謝上無活性
,有感染性
,而不一定有致病性的銀子,他們小于細(xì)胞
,但大于大多數(shù)大分子
,他們無例外地在生活細(xì)胞內(nèi)繁殖,他們含有一個蛋白質(zhì)或脂蛋白外殼和一種核酸
,DNA或RNA
,甚至只含有核酸而內(nèi)有蛋白質(zhì),或只有蛋白質(zhì)而沒有核酸
,它們作為大分子似乎太復(fù)雜
,作為生物體它們的生理和復(fù)制方式又千姿百態(tài)。Lwoff在“病毒的概念”一文中強(qiáng)調(diào)病毒的特殊性時(shí)指出
,“病毒應(yīng)該就是病毒
,因?yàn)樗鼈兪遣《尽薄?br>
病毒的形態(tài)

(1) 球狀病毒;(2)桿狀病毒
;(3)磚形病毒
;(4)有包膜的球狀病毒;(5)具有球狀頭部的病毒
;(6)封于包含體內(nèi)的昆蟲病毒


病毒的大小

較大的病毒直徑為300-450納米,較小的病毒直徑僅為18-22納米

病毒的組成

病毒主要由核酸和蛋白質(zhì)組成

病毒的復(fù)制過程叫做復(fù)制周期
。其大致可分為連續(xù)的五個階段:吸附
、侵入、脫殼
、病毒大分子的合成
、病毒的裝配與釋放

病毒的分類

國際病毒分類委員會(ICNV)第七次報(bào)告(1999),將所有已知的病毒根據(jù)核酸類型分為DNA病毒——單股DNA病毒,DNA病毒——雙股DNA病毒
,DNA與RNA反轉(zhuǎn)錄病毒
,RNA病毒——雙股RNA病毒,RNA病毒——單鏈
、單股RNA病毒
,裸露RNA病毒及類病毒等八大類群。此外
,還增設(shè)亞病毒因子一類
。這個報(bào)告認(rèn)可的病毒約4000種,設(shè)有三個病毒目
,64個病毒科
,9個病毒亞科,233個病毒屬
,其中29個病毒屬為獨(dú)立病毒屬
。亞病毒因子類群,不設(shè)科和屬
。包括衛(wèi)星病毒和prion(傳染性蛋白質(zhì)顆?div id="m50uktp" class="box-center"> ;螂貌《荆R恍傩圆缓苊鞔_的屬稱暫定病毒屬


病毒在自然界分布廣泛
,可感染細(xì)菌、真菌
、植物、動物和人
,常引起宿主發(fā)病
。但在許多情況下,病毒也可與宿主共存而不引起明顯的疾病


簡史

在發(fā)現(xiàn)病毒以前
,人們早已開始不自覺地利用病毒為人類服務(wù)。中國在16世紀(jì)前后
,就用天花患者膿瘡中的漿液給健康人接種而使之獲得免疫力
。差不多同時(shí),荷蘭的種植者用嫁接法使郁金香感染病毒而開出美麗的碎色花朵
;1796年E.琴納發(fā)明了牛痘苗
;1885年L.路易斯·巴斯德首創(chuàng)了狂犬病疫苗。

1892年Д.И.伊萬諾夫斯基發(fā)現(xiàn)患煙草花葉病的煙葉汁通過阻留細(xì)菌的濾器后
,仍保留其感染性
;1898年M.W.拜耶林克再次發(fā)現(xiàn)了這一事實(shí),并指出該病是一類與細(xì)菌不同的病原體所引起的
。這是認(rèn)識病毒的開端
。以后相繼發(fā)現(xiàn)許多人類
、植物和動物的疾病是由病毒引起的。1898年 F.A.J.勒夫勒和 P.伏羅施發(fā)現(xiàn)了牛的口蹄疫病毒
;1915年F.W.特沃特和1917年F.埃雷爾分別發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌病毒即噬菌體


從30年代起開始探索病毒的理化性質(zhì),M.施萊辛格提純了噬菌體并指出它是由蛋白質(zhì)和DNA構(gòu)成的
;1935年W.M.斯坦利獲得了煙草花葉病毒的結(jié)晶
;1936年首次在電子顯微鏡下看到該病毒是一種桿狀顆粒。以后許多病毒相繼被提純
,對他們的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分進(jìn)行了研究
,為病毒分類提供了依據(jù)。

由于病毒的結(jié)構(gòu)和組分簡單
,有些病毒又易于培養(yǎng)和定量
,因此從20世紀(jì)40年代以來,病毒始終是分子生物學(xué)研究的重要材料
。30年代末
,以M.德爾布呂克為代表的一派學(xué)者開始用大腸桿菌的T偶數(shù)噬菌體研究其復(fù)制和遺傳機(jī)制,奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)
。70年代
,研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向動物病毒。分子生物學(xué)發(fā)展中的重要進(jìn)展
,如DNA和 RNA是遺傳物質(zhì)的確證
,三聯(lián)體密碼學(xué)說的形成,核酸復(fù)制機(jī)制的闡明
,遺傳信息流中心法則的提出
,反轉(zhuǎn)錄酶、基因的重疊和不連續(xù)性等的發(fā)現(xiàn)
,以至基因工程的興起和致癌理論的發(fā)展
,幾乎無一不與病毒有關(guān)。一些蛋白質(zhì)和核酸的一級結(jié)構(gòu)分析
,也常常是首先以病毒為材料研究完成的
。反過來,分子生物學(xué)研究又促進(jìn)了對病毒結(jié)構(gòu)
、復(fù)制和遺傳的認(rèn)識
,使病毒學(xué)發(fā)展成一門獨(dú)立的分支學(xué)科。

在實(shí)踐方面
,病毒的研究對防治人類
、植物和動物的病毒病作出了重要貢獻(xiàn)。病毒疫苗的發(fā)展,為控制人類疾?div id="4qifd00" class="flower right">
。ㄈ缣旎?div id="4qifd00" class="flower right">
、黃熱病、脊髓灰質(zhì)炎
、麻疹等)和畜禽疾?div id="4qifd00" class="flower right">
。ㄈ缗N痢⒇i瘟
、雞新城疫等)提供了有效措施
;由于綜合防治和抗病育種等措施的利用,有效地控制了馬鈴薯退化病
、小麥土傳花葉病
、白菜蕪菁花葉病等農(nóng)作物病害;利用昆蟲病毒作為殺蟲劑的研究
,也在大力開展并已進(jìn)入實(shí)用階段


培養(yǎng)和檢測

病毒研究的發(fā)展常常與病毒培養(yǎng)和檢測方法的進(jìn)步有密切的關(guān)系,特別在脊椎動物病毒方面
,小鼠和雞胚接種
、組織培養(yǎng)、超速離心
、凝膠電泳
、電子顯微鏡和免疫測定等技術(shù),對病毒學(xué)的發(fā)展具有深刻的影響


噬菌體的培養(yǎng)和檢測方法最為簡單
。將噬菌體接種到易感細(xì)菌的肉湯培養(yǎng)物中,經(jīng)18~24小時(shí)后
,混濁的培養(yǎng)物重新透明
,此時(shí)細(xì)菌被裂解,大量噬菌體被釋放到肉湯中
,再經(jīng)除菌過濾,即為粗制噬菌體
。為了測定其中噬菌體的數(shù)量
,將粗制噬菌體稀釋到每一接種量含100個左右,與過量的細(xì)菌混合
,然后鋪種于瓊脂平皿上
,在溫箱中培養(yǎng)過夜,細(xì)菌繁殖成乳白色襯底
,被噬菌體裂解的區(qū)域則在此襯底上表現(xiàn)為圓形的透明斑
,稱為噬斑。噬斑數(shù)代表該接種量中有活力的噬菌體數(shù)量。如果挑出單個噬斑來培養(yǎng)
,就能獲得由單個噬菌體所繁殖的后代
,達(dá)到分離純化的目的。

動物病毒(見脊椎動物病毒)的培養(yǎng)可在自然宿主
、實(shí)驗(yàn)動物
、雞胚或細(xì)胞培養(yǎng)中進(jìn)行,以死亡
、發(fā)病或病變等作為病毒繁殖的直接指標(biāo)
,或以血細(xì)胞凝集、抗原測定等作為間接指標(biāo)
。收獲發(fā)病動物的組織磨成懸液或有病變的細(xì)胞培養(yǎng)液
,即為粗制病毒。測定活病毒數(shù)量可采用空斑法
,其原理與噬斑法相同
,但以易感的動物單層細(xì)胞代替細(xì)菌,在接種適當(dāng)稀釋的病毒后
,用含有培養(yǎng)液和中性紅的瓊脂覆蓋
,使病毒感染局限在小面積內(nèi)形成病變區(qū),襯底的健康細(xì)胞被中性紅染成紅色
,病變區(qū)不染色而顯示為空斑


至今植物病毒的培養(yǎng)和檢測大都是在整株植物上進(jìn)行的。從搗碎的病葉汁中制備病毒
,常用枯斑法檢測
。用手指蘸上混有金剛砂的稀釋病毒在植物葉片上軒輕磨擦,經(jīng)一定時(shí)間后出現(xiàn)單個分開的圓形壞死或退綠斑點(diǎn)
,稱為枯斑


除了利用病毒的致病性定量檢測病毒外,還可應(yīng)用物理方法
,如在電子顯微鏡下計(jì)數(shù)病毒顆粒
,或用紫外分光光度計(jì)測定提純病毒的蛋白和核酸量,這些方法所測得的數(shù)據(jù)包括了有感染性和無感染性的病毒粒


應(yīng)用電子顯微鏡不但能看清病毒粒的大小
、形態(tài),還可以分辨其表面的蛋白亞單位和內(nèi)部的核殼等超微結(jié)構(gòu)


大小與形態(tài)

不同病毒的大小變動于20~450納米之間
。最大的為痘病毒科,大小為(170~260)×(300~450)納米
,最小的為雙聯(lián)病毒科
,直徑18~20納米


病毒的形態(tài)也是多樣的:球狀(包括二十面體),如脊髓灰質(zhì)炎病毒和有包膜的如皰疹病毒
;桿狀(包括棒狀)
,如煙草花葉病毒;絲狀
,如甜菜黃花病毒
;彈狀,如水皰性口炎病毒
;復(fù)雜構(gòu)型
,如蝌蚪狀的T偶數(shù)噬菌體。有些病毒在細(xì)胞內(nèi)呈自然晶體排列


結(jié)構(gòu)

最簡單的病毒中心是核酸
,外面包被著1層有規(guī)律地排列的蛋白亞單位,稱為衣殼
。構(gòu)成衣殼的形態(tài)亞單位稱為殼粒
,由核酸和衣殼蛋白所構(gòu)成的粒子稱為核殼。較復(fù)雜的病毒外邊還有由脂質(zhì)和糖蛋白構(gòu)成包膜
。核殼按殼粒的排列方式不同而分為3種模式:二十面體對稱
,如脊髓灰質(zhì)炎病毒;螺旋對稱
,如煙草花葉病毒
;復(fù)合對稱,如 T偶數(shù)噬菌體
。在脂質(zhì)的包膜上還有1種或幾種糖蛋白
,在形態(tài)上形成突起,如流感病毒的血凝素和神經(jīng)氨酸酶
。昆蟲病毒中有1類多角體病毒
,其核殼被蛋白晶體所包被,形成多角形包涵體


化學(xué)組成

核酸帶有遺傳密碼的病毒基因組
。病毒依所含核酸種類不同可分為 DNA病毒和 RNA病毒。動物病毒或含DNA
,或含RNA
;植物病毒除少數(shù)組外大多為RNA病毒;噬菌體除少數(shù)科外大多為DNA病毒


DNA或RNA可以是線型的或環(huán)狀的
,可以是單鏈的或雙鏈的
。RNA可以分節(jié)段或不分節(jié)段
,單鏈RNA又分正鏈的和負(fù)鏈的


在分節(jié)段的RNA植物病毒中,常見多分體基因組
,即同一病毒的幾個RNA節(jié)段分別裝入衣殼中
,形成大小不同的顆粒,有的分裝在兩種顆粒中稱二分體基因組
,如豇豆花葉病毒
;有的分裝在3種顆粒中稱三分體基因組,如黃瓜花葉病毒和雀麥花葉病毒


通過遺傳學(xué)和生物化學(xué)方法
,已查明一些病毒的基因圖譜。對MS2和ΦΧ174噬菌體
?div id="jfovm50" class="index-wrap">;ㄒ嘶ㄈ~病毒、SV40和乙型肝炎病毒核酸的核苷酸序列
,已全部查明


①蛋白質(zhì) 病毒的主要組分,依其功能可分為衣殼蛋白
、膜蛋白
、糖蛋白和內(nèi)在酶4類。

衣殼蛋白包裹核酸形成保護(hù)性的外殼
。簡單的病毒只有1種衣殼蛋白
,較復(fù)雜的如腺病毒衣殼是由六鄰體、五鄰體和纖維3種蛋白構(gòu)成的
。在有包膜的病毒如流感和水皰性口炎病毒中
,膜蛋白一方面與外層脂質(zhì)相連結(jié),另一方面又同內(nèi)部的核殼相連結(jié)
,起到維系病毒內(nèi)外結(jié)構(gòu)的作用
。糖蛋白位于包膜表面,有的形成突起
,如流感病毒的血凝素
,能與細(xì)胞膜受體結(jié)合。病毒雖無完整的酶系統(tǒng)
,但常含有一些特殊的酶
,如流感病毒的神經(jīng)氨酸酶和噬菌體的溶菌酶。此外
,呼腸孤病毒科
、彈狀病毒科、正粘病毒科和副粘病毒科病毒粒中含RNA多聚酶
,反錄病毒科含反轉(zhuǎn)錄酶
,均與核酸復(fù)制有關(guān)
。目前已查明十幾種病毒蛋白的全氨基酸序列。

②脂質(zhì) 存在于包膜中
,包膜是在病毒成熟時(shí)從細(xì)胞質(zhì)膜或核膜芽生獲得的
,所以病毒脂質(zhì)常具有宿主細(xì)胞脂質(zhì)的特征。用有機(jī)溶劑或去污劑破壞包膜脂質(zhì)
,可使病毒粒裂解


③糖 除核酸中的戊糖外,病毒包膜還含有與蛋白或脂質(zhì)結(jié)合的多糖


煙草花葉病毒
、流感病毒和枯草桿菌噬菌體的電子顯微鏡照片和結(jié)構(gòu)模式圖(見植物病毒、正粘病毒科和細(xì)菌病毒)


復(fù) 制

病毒復(fù)制指病毒粒入侵宿主細(xì)胞到最后細(xì)胞釋放子代毒粒的全過程
,包括吸附、進(jìn)入與脫殼
、病毒早期基因表達(dá)
、核酸復(fù)制、晚期基因表達(dá)
、裝配和釋放等步驟
。各步的細(xì)節(jié)因病毒而異。

吸附與進(jìn)入

T4噬菌體先以其尾絲與大腸桿菌表面受體結(jié)合
,隨后尾鞘收縮
,裸露出的尾軸穿入細(xì)菌外壁,把頭部內(nèi)儲存的DNA注射到細(xì)菌體內(nèi)
。動物病毒也是先與細(xì)胞受體結(jié)合
,以后或是靠細(xì)胞的吞噬作用進(jìn)入,或是病毒包膜與細(xì)胞質(zhì)膜融合后使核殼進(jìn)入
。植物病毒則是通過傷口侵入或通過媒介昆蟲直接注入
。一般情況下,病毒均須經(jīng)脫殼
,即脫去外被的蛋白質(zhì)釋放核酸
,才能進(jìn)行下一步復(fù)制。

基因表達(dá)

將其核酸上的遺傳信息轉(zhuǎn)錄成信使核糖核酸(mRNA)
,然后再翻譯成蛋白質(zhì)
。一般在核酸復(fù)制以前的稱早期基因表達(dá),所產(chǎn)生的早期蛋白質(zhì)
,有的是核酸復(fù)制所需的酶
,有的能抑制細(xì)胞核酸和蛋白質(zhì)的合成;在核酸復(fù)制開始以后的稱晚期基因表達(dá)
,所產(chǎn)生的晚期蛋白質(zhì)主要是構(gòu)成毒粒的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)
。早期和晚期蛋白質(zhì)中都包括一些對病毒復(fù)制起調(diào)控作用的蛋白質(zhì)


轉(zhuǎn)錄

因病毒核酸的類型而異,共有6種方式:雙鏈DNA(dsDNA)的病毒如 SV40
,其轉(zhuǎn)錄方式與宿主細(xì)胞相同;含單鏈DNA(ssDNA)的病毒如小DNA病毒科
,需要通過雙鏈階段后再轉(zhuǎn)錄出mRNA
;含單鏈正鏈RNA(ss+RNA)的病毒如脊髓灰質(zhì)炎病毒、煙草花葉病毒和Qβ噬菌體
,其RNA可直接作為信使
,利用宿主的蛋白質(zhì)合成機(jī)器合成它所編碼的蛋白質(zhì);含單鏈負(fù)鏈RNA(ss-RNA)的病毒如水皰性口炎病毒和流感病毒
,需先轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的正鏈作為其mRNA
,ssRNA的反錄病毒如雞肉瘤病毒和白血病病毒,需先經(jīng)反轉(zhuǎn)錄成dsDNA而整含到宿主染色體中
,于表達(dá)時(shí)再轉(zhuǎn)錄成mRNA
,含dsRNA的呼腸孤病毒,則以保守型復(fù)制方式轉(zhuǎn)錄出與原來雙鏈中的正鏈相同的mRNA


近年來發(fā)現(xiàn)有些病毒(如腺病毒和SV40)的基因是不連續(xù)的
,有外顯子與內(nèi)含子之分,轉(zhuǎn)錄后有剪接過程
,把內(nèi)含子剪除而把外顯子連接起來
,才有mRNA的功能。多數(shù)病毒的mRNA還需經(jīng)過其他加工
,如在5′端加上“帽子”結(jié)構(gòu)和在3′端加上多聚腺嘌呤核苷酸


病毒基因轉(zhuǎn)錄所需酶的來源也不相同,如小DNA病毒科
、乳多泡病毒科所需依賴于DNA的RNA多聚酶
,都是利用宿主原有的酶;而彈狀病毒科
、正粘病毒科
、副粘病毒科和呼腸孤病毒科所需的依賴于RNA的RNA多聚酶,以及反錄病毒科所需的反轉(zhuǎn)錄酶
,都是病毒粒自備的


翻譯

不同病毒mRNA翻譯的方式是不同的。一般認(rèn)為噬菌體的翻譯是多順反子的
,如Qβ的RNA上有3個順反子(為單個肽鏈編碼的基因功能單位)
,可沿著1條mRNA獨(dú)立地翻譯出3種多肽。動物病毒的翻譯是單順反子的
,即由其基因組轉(zhuǎn)錄成不同的mRNA
,每種mRNA翻譯成一種多肽
。分節(jié)段基因組病毒如流感病毒和呼腸孤病毒,每1節(jié)段RNA構(gòu)成1個順反子
,多分體基因組的植物病毒也是如此
。脊髓灰質(zhì)炎病毒的mRNA先被翻譯成1個分子量為20萬的巨肽,再經(jīng)裂解成為衣殼蛋白和酶


有些病毒如ΦΧ174
,Qβ噬菌體和 SV40等,存在基因重疊現(xiàn)象
,即按讀碼位相不同而從同一核苷酸序列可以表達(dá)出一種以上的蛋白質(zhì)
。這是病毒經(jīng)濟(jì)地利用其有限的遺傳信息的1種方式。

核酸復(fù)制

DNA病毒按照經(jīng)典的沃森-克里克堿基配對方式進(jìn)行 DNA復(fù)制
。乳多泡病毒的環(huán)狀 DNA按“滾環(huán)”模式進(jìn)行復(fù)制時(shí)
,需要有核酸內(nèi)切酶和連接酶參與。病毒RNA是通過半保留方式復(fù)制的
,即以病毒RNA(vRNA)為模板
,同時(shí)轉(zhuǎn)錄幾個互補(bǔ)鏈(cRNA),cRNA轉(zhuǎn)錄完成并脫落后
,又以同樣方式再轉(zhuǎn)錄出新的vRNA
。因此,在感染細(xì)胞中可以查出具有部分雙鏈結(jié)構(gòu)而又拖著多條長短不同單鏈“尾巴”(正在合成中的互補(bǔ)鏈)的“復(fù)制中間體”


病毒核酸復(fù)制所需酶的來源也各不相同
。SV40DNA合成所需的酶都來自宿主。含RNA的Qβ噬菌體
、小RNA病毒科和含ssRNA的植物病毒所需RNA多聚酶的某個亞基
,可能由病毒基因編碼,而其他亞基來自宿主
。皰疹病毒DNA復(fù)制所需的酶
,部分地由病毒編碼,如DNA多聚酶和胸苷激酶
,可能還有核苷酸還原酶
。痘類病毒的獨(dú)立自主能力最強(qiáng),甚至能在去核細(xì)胞中進(jìn)行DNA復(fù)制
,其基因組至少能為75種蛋白質(zhì)編碼
,包括DNA多聚酶、胸苷激酶
、脫氧核糖核酸酶和聚核苷酸連接酶


裝配與釋放

病毒核酸和結(jié)構(gòu)蛋白是分別復(fù)制的,然后裝配成完整的病毒粒。最簡單的裝配方式(如煙草花葉病毒)是核酸與衣殼蛋白相互識別
,由衣殼亞單位按一定方式圍繞RNA聚集而成
,不借助酶,也無需能量再生體系
。許多二十面體病毒粒先聚集其衣殼
,然后再裝入核酸。有包膜的病毒
,在細(xì)胞內(nèi)形成核完后轉(zhuǎn)移至被病毒修飾了的細(xì)胞核膜或質(zhì)膜下面
,以芽生方式釋放病毒粒。T4噬菌體則先分別裝配頭部
、尾部和尾絲,最后組合成完整病毒粒
,裂解細(xì)菌而釋放
,其中有些步驟需酶的作用。

細(xì)胞水平上的感染類型和宿主反應(yīng)

很早發(fā)現(xiàn)噬菌體感染有裂解性和溶源性之分
。以大腸桿菌的λ噬菌體為例
,裂解性感染于經(jīng)歷上述復(fù)制周期后產(chǎn)生大量子代病毒粒而將細(xì)菌裂解;而溶源性感染時(shí)
,噬菌體DNA環(huán)化并整合到大腸桿菌 DNA的特異性位點(diǎn)上
,隨著細(xì)菌的分裂而傳給子代細(xì)菌,細(xì)菌不被裂解也不產(chǎn)生子代病毒粒
。營養(yǎng)條件
、紫外線或化學(xué)藥物都能使溶性源感染轉(zhuǎn)化為裂解性。動物的DNA病毒如 SV40
、腺病毒
、皰疹病毒等于感染敏感細(xì)胞(稱為容許細(xì)胞)后,形成裂解性感染
,而于感染不大敏感的細(xì)胞(稱為不容許細(xì)胞)后
,則形成轉(zhuǎn)化性感染。轉(zhuǎn)化性感染與溶源性感染相似
,病毒DNA或其片段整合于細(xì)胞染色體上
,并隨細(xì)胞分裂而傳給子代細(xì)胞,表達(dá)其部分基因(一般為早期基因)
,但不產(chǎn)生子代病毒粒
,細(xì)胞也不死亡,但被轉(zhuǎn)化成類似于腫瘤細(xì)胞
,可無限地傳代
。另一方面,RNA腫瘤病毒(如雞肉瘤病毒)必須先將其RNA反轉(zhuǎn)錄成dsDNA并整合到細(xì)胞染色體上,才能進(jìn)行復(fù)制
,所以這種感染方式是獨(dú)特的
,既是轉(zhuǎn)化性感染,又產(chǎn)生大量病毒粒


宿主細(xì)胞對病毒感染的反應(yīng)有4種:無明顯反應(yīng)
、細(xì)胞死亡、細(xì)胞增生后死亡和細(xì)胞轉(zhuǎn)化
。例如
,副粘病毒SV5在細(xì)胞培養(yǎng)中產(chǎn)生大量病毒而不引起明顯反應(yīng)。多數(shù)病毒感染敏感細(xì)胞時(shí)
,由于抑制了細(xì)胞核酸和蛋白質(zhì)合成而引起細(xì)胞死亡
。痘病毒感染時(shí),先刺激細(xì)胞多次分裂然后死亡
,造成痘皰病灶
。DNA病毒和RNA腫瘤病毒則引起細(xì)胞轉(zhuǎn)化。

有些動物病毒于感染宿主細(xì)胞后
,在胞核或細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成具有特殊染色特性的內(nèi)含物
,稱為包涵體,如痘病毒的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)包涵體和皰疹病毒的胞核內(nèi)包涵體
。這些包涵體有的是由未成熟或成熟的病毒粒構(gòu)成
,有的是宿主細(xì)胞的反應(yīng)產(chǎn)物,有的是兩者的混合物
。有些昆蟲病毒的病毒粒包埋在蛋白基質(zhì)中
,形成包涵體如核型多角體病毒。

脊椎動物細(xì)胞感染病毒后的另一種反應(yīng)是產(chǎn)生干擾素
。干擾素是一種動物細(xì)胞編碼的蛋白
,其基因平常處于不活動狀態(tài),于病毒感染或經(jīng)雙鏈RNA誘導(dǎo)后活化
。干擾素有廣譜的抗病毒作用
,但并不直接作用于病毒,其作用機(jī)制是通過與細(xì)胞膜結(jié)合
,激活具有抗病毒作用的3種酶
,阻斷了病毒mRNA的翻譯。干擾素在防止病毒擴(kuò)散和疾病恢復(fù)中有一定作用
,并有可能成為一種抗病毒藥物


機(jī)體水平上的感染類型和宿主反應(yīng)

高等動、植物感染病毒后
,可表現(xiàn)為顯性感染和持續(xù)感染
,動物病毒還可表現(xiàn)為隱性感染。隱性感染無臨床癥狀,顯性感染表現(xiàn)為臨床疾?div id="d48novz" class="flower left">
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;在持續(xù)感染中,病毒在機(jī)體內(nèi)長期存在
。動物病毒的持續(xù)感染又分為潛伏感染
、慢性感染和長程感染3類。潛伏感染如皰疹
,平常無癥狀也查不到病毒
,但由于內(nèi)外因素的刺激而復(fù)發(fā)時(shí)出現(xiàn)病毒;慢性感染如乙型肝炎
,有或無癥狀
,但可查到病毒;長程感染限于少數(shù)病毒
,如綿羊的 Maedi-visna(一種反錄病毒感染)可查到病毒
;潛伏期和病程都很長,進(jìn)行性發(fā)病直至死亡


高等動物能對病毒感染產(chǎn)生特異性免疫反應(yīng)
。免疫反應(yīng)分為體液免疫和細(xì)胞免疫兩類
,體液免疫表現(xiàn)為由B細(xì)胞產(chǎn)生的抗體
,其中包括能特異地滅活病毒的中和抗體。中和抗體在預(yù)防再感染中起主導(dǎo)作用
。細(xì)胞免疫的主要表現(xiàn)是識別病毒抗原并發(fā)生反應(yīng)的T淋巴細(xì)胞
,在清除病毒和病毒感染細(xì)胞中起主導(dǎo)作用。

植物細(xì)胞對病毒常有過敏反應(yīng)
,細(xì)胞迅速死亡
,形成枯斑,同時(shí)病毒復(fù)制也受到限制
。另一種反應(yīng)是產(chǎn)生一種很象干擾素的抗病毒因子
,能保護(hù)未受感染的細(xì)胞。

致瘤作用

有一些病毒能誘發(fā)良性腫瘤
,如痘病毒科的兔纖維瘤病毒
、人傳染性軟疣病毒和乳多泡病毒科的乳頭瘤病毒;另有一些能誘發(fā)惡性腫瘤
,按其核酸種類可分為DNA腫瘤病毒和RNA腫瘤病毒
。DNA腫瘤病毒包括乳多泡病毒料的SV40和多瘤病毒,以及腺病毒科和皰疹病毒科的某些成員
,從腫瘤細(xì)胞中可查出病毒核酸或其片段和病毒編碼的蛋白
,但一般沒有完整的病毒粒。RNA腫瘤病毒均屬反錄病毒科,包括雞和小鼠的白血病和肉瘤病毒
,從腫瘤細(xì)胞中可查到病毒粒
。這兩類病毒均能在體外轉(zhuǎn)化細(xì)胞。在人類腫瘤中
,已證明EB病毒與伯基特淋巴瘤和鼻咽癌有密切關(guān)系
;最近,從一種T細(xì)胞白血病查到反錄病毒
。此外
,Ⅱ型皰疹病毒可能與宮頸癌病因有關(guān),乙型肝炎病毒可能與肝癌病因有關(guān)
。但是
,病毒大概不是唯一的病因,環(huán)境和遺傳因素可能起協(xié)同作用


起 源

對于病毒的起源曾有過種種推測
;一種觀點(diǎn)認(rèn)為病毒可能類似于最原始的生命;另一種認(rèn)為病毒可能是從細(xì)菌退化而來
,由于寄生性的高度發(fā)展而逐步喪失了獨(dú)立生活的能力
,例如由腐生菌→寄生菌→細(xì)胞內(nèi)寄生菌→支原體→立克次氏體→衣原體→大病毒→小病毒;還有一種則認(rèn)為病毒可能是宿主細(xì)胞的產(chǎn)物
。這些推測各有一定的依據(jù)
,目前尚無定論。因此病毒在生物進(jìn)化中的地位是未定的
。但是
,不論其原始起源如何,病毒一旦產(chǎn)生以后
,同其他生物一樣
,能通過變異和自然選擇而演化。

分 類

病毒分類命名的工作現(xiàn)由國際病毒分類委員會負(fù)責(zé)
,已于 1971
、1976、1979和 1982年發(fā)表過 4次報(bào)告


1982年將資料較齊全而能分類的病毒劃分為7大群
,分群的根據(jù)是基因組的核酸種類(DNA或 RNA)、類型(ds或ss)和有無包膜
。7大群中包括59個科組:

dsDNA
,有包膜 4科

dsDNA,無包膜 8科
,1組

ssDNA
,無包膜 3科
,1組

dsRNA,有包膜 1科

dsRNA
,無包膜 1科
,4個可能科

ssRNA,有包膜 8科
,1組

ssRNA
,無包膜 4科,22組
,1個可能組

如按宿主分類
,則為:

細(xì)菌病毒 10科

真菌病毒 3個可能科

植物病毒 24組,1個可能組

無脊椎動物病毒 2科
,1組

脊椎動物病毒 9科

無脊椎
、脊椎動物共有的病毒有6科,即痘病毒科虹彩病毒科
、小DNA病毒科
、披膜病毒科、布尼亞病毒科和小RNA病毒科
,以及一個可能科
,即二節(jié)段雙鏈RNA病毒。

無脊椎
、脊椎動物和植物共有的病毒有2科
,即呼腸孤病毒科和彈狀病毒科。

病毒分類還處于初期階段
,以后還會迅速發(fā)展和演變
。目前對資料較齊全的動物病毒和噬菌體都已立為科
,科名采用拉丁文
;而植物病毒則只立組,組名多采用縮拼法
,即將某科的典型代表病毒的普通名稱如Tobacco mo-saic virus縮拼為 Tobamo-virus
。科下分亞科及屬
,屬下即為各個病毒的普通名稱
,目前尚未分種。

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