上海交大网络课程检验微生物讲义13.doc

第21章 病毒的基本性状
一、教学大纲要求

（1）病毒的大小与形态
（2）病毒的结构与功能
（3）病毒的复制周期与异常增殖
（4）病毒的遗传与变异
（5）理化因素对病毒的影响
（6）亚病毒

二、教材内容精要

病毒（virus）是一类体积微小、结构简单、能够进行自我复制和严格的细胞内寄生的非细胞型微生物。其共同特征是：体积微小、非细胞结构，只有一种类型核酸（DNA或RNA）、严格细胞内寄生、耐冷不耐热、对抗生素不敏感，对干扰素敏感。
（一）病毒的大小与形态
病毒的大小通常指病毒体（virion）的大小。病毒体是指具有感染性的完整、成熟的病毒颗粒。各种的病毒大小一般以纳米为测量单位。一般病毒大小介于50~250nm之间。其中绝大多数病毒都在100nm左右，仅在电子显微镜下才能看到。
病毒的形态多种多样。感染动物和人的病毒多呈球形或近似球形；植物病毒多呈杆状或丝状。痘病毒呈砖形，狂犬病毒呈弹状，噬菌体呈蝌蚪形。
（二）病毒的结构与功能
病毒的结构包括基本结构和辅助结构。病毒的基本结构包括核心和衣壳两部分，二者构成核衣壳。病毒的辅助结构包括包膜和触须样结构。
1.病毒的核心 主要由核酸和少量的功能性蛋白组成。病毒只有一种核酸即DNA或RNA。病毒借此将病毒分为DNA病毒与RNA病毒两大类。核酸为双链或单链，而单链又分为正单链和负单链。大多数RNA病毒为单链，只有呼肠病毒为双链；大多数DNA病毒为双链，只有细小DNA病毒为单链。
病毒的核酸是病毒增殖、遗传和变异的物质基础，具有编码蛋白、控制病毒的性状、决定病毒复制增殖与侵入宿主细胞的功能。
病毒的蛋白质包括结构蛋白和非结构蛋白。结构蛋白指病毒体的成分（衣壳、基质和包膜），非结构蛋白存在于病毒体内或感染细胞内。主要是一些功能性蛋白，包括有病毒核酸多聚酶、转录酶或逆转录酶等。
2.病毒的衣壳 在核酸外面有蛋白质的外壳包围着。此外壳称为衣壳。衣壳和核酸组成核衣壳。衣壳由壳微粒组成，各种病毒的壳微粒数量不等，因此可以用于鉴定病毒种类。每一个壳微粒由一个或多个多肽组成，每一个多肽链是一个化学亚单位。病毒的壳微粒的数目与排列方式不同，形成了三种主要的对称形式：螺旋对称、20面体对称和复合对称。衣壳具有保护病毒的核酸、参与病毒的感染过程及具有抗原性等主要功能。
3.包膜 是核衣壳在病毒体成熟过程中穿过细胞膜的特殊部位，以出芽方式向细胞外释放过程中获得的（也有少数病毒的包膜是来自胞浆内空泡膜或核膜）。其化学成分有蛋白质、多糖和脂质。
包膜的功能：①具有维护病毒体结构的完整性；②具有与宿主细胞膜亲和及融合的性能；③具有表现病毒种、型抗原的特异性等功能。
包膜表面有钉状突起，称为包膜子粒或刺突。流感病毒有两种刺突：血凝素（HA）和神经氨酸酶（NA）。这些物质与致病性有关。
[记忆方法] 采用画图的方式记忆病毒的基本结构。功能结合生物学知识记忆。
（三）病毒的复制周期与异常增殖
病毒不具有能独立进行代谢的酶系统，在细胞外是处于无活性或静止状态。只有进入活的易感宿主细胞，由宿主细胞供给低分子量前体成分、能量、必要的酶和细胞器等合成病毒核酸与蛋白质的原料和场所，病毒才能增殖。复制指在病毒核酸控制下，由宿主细胞提供原料及合成部位，产生新的核酸及蛋白质并装配释放出感染性的病毒体的过程。病毒从进入宿主细胞开始，经复制过程，最后成熟释放，即为一个复制周期。整个复制周期由5个阶段组成：吸附、穿入、脱壳、生物合成、成熟释放。
1.病毒的复制周期
⑴吸附（adsorption） 病毒体依靠其表面的配体也称病毒的吸附蛋白（VAP）与宿主细胞的受体结合。这种结合决定了病毒对感染细胞和组织的亲嗜性。
⑵穿入（penetration） 病毒与细胞发生不可逆结合之后，病毒的基因组能以不同方式进入细胞内，这个过程称为穿入（penetration）。病毒穿入细胞膜的方式有3种。①吞饮（engulfment） ；②融合（fusion）；③转位(transition) 。
⑶脱壳（uncoating） 脱去蛋白质外壳的过程称为脱壳。脱壳的意义在于使病毒核酸得以释放并转录翻译。
⑷生物合成是病毒基因组进入宿主细胞后，“命令”宿主细胞按照病毒基因的指令分别进行病毒的核酸复制和蛋白质合成的过程。在这一阶段中，细胞内由于没有完整的病毒颗粒可检测出，所以也称为“隐蔽期”。病毒的生物合成包括病毒蛋白质的合成和病毒核酸的转录和复制。
①病毒蛋白质的合成 病毒蛋白质合成包括转录和翻译，蛋白的翻译在宿主细胞的核蛋白体上进行，合成蛋白质所需原料由宿主细胞提供。在病毒核酸复制之前合成的病毒蛋白质称为早期蛋白，是一类非结构蛋白质，能抑制宿主细胞自身的代谢过程，并提供病毒核酸复制所需要的酶类，如DNA聚合酶、RNA聚合酶和逆转录酶等。在病毒核酸复制后，以子代病毒核酸为模板转录、翻译出来的蛋白质称为晚期蛋白，主要是构成病毒衣壳的结构蛋白。各种病毒生物合成方式不同。DNA病毒的信息传递和蛋白质合成按中心法则进行，即DNA→RNA→蛋白质。RNA病毒的遗传信息传递和蛋白质合成不能按中心法则合成，而是按+RNA→蛋白质或－RNA→＋RNA→蛋白质方式进行，逆转录病毒则按RNA→DNA→RNA→蛋白质方式进行。
②病毒核酸的转录和复制
双链DNA的复制 按半保留复制方式进行。先以病毒核酸为模板，依靠宿主细胞内的依赖DNA的RNA聚合酶，转录出早期mRNA，负责编码早期蛋白质，再以病毒核酸为模板，依靠早期蛋白质（依赖DNA的DNA聚合酶）复制出大量子代DNA。然后以子代DNA分子为模板，转录晚期mRNA，继而在胞浆核糖体内转译出病毒结构蛋白质，主要为衣壳蛋白。
单股正链RNA病毒 如RNA病毒、黄病毒和某些出血热病毒等，单股正链RNA病毒的核酸本身具有mRNA功能，其RNA可直接附着于宿主细胞的核糖体上翻译早期蛋白质，首先全基因组翻译出大分子多聚蛋白，在细胞或病毒编码的蛋白酶的作用下切割成为非结构蛋白及结构蛋白，如RNA聚合酶。病毒在该酶的作用下，转录出与亲代互补的负链RNA，形成双链RNA，即复制中间型，其中以正链RNA为mRNA翻译病毒晚期蛋白质，及衣壳蛋白及其它结构蛋白，以负链RNA为模板复制子代病毒RNA）。
⑸装配与释放（assembly and release） 装配是指在细胞内分别合成的病毒核酸和蛋白质并组装成新的病毒颗粒（核衣壳）的过程。释放是指装配好的核衣壳向细胞外释放的过程。释放的方式有三种：①细胞裂解释放；②出芽释放；③通过细胞间桥和细胞融合释放。
2.病毒的异常增殖
（1）缺陷病毒(defective virus) 是指病毒本身基因组不完整或发生变化，不能在细胞内完成增殖过程和复制出完整的有感染性的病毒体。需要辅助病毒（helper virus）参与感染，病毒才能完成正常增殖而产生完整的子代病毒。
（2）顿挫感染(abortive infection) 是指如果宿主细胞缺乏病毒复制所需酶、能量等条件。或因为细胞条件不适合，病毒虽可进入细胞但不能复制的感染过程，构成顿挫感染的细胞称为非容纳细胞。（3）伪病毒（pseudovirion） 是缺陷病毒的另一形式，它不含有病毒基因组，而是在病毒复制时，衣壳将宿主细胞DNA的某一片段包装进去，用电镜可以观察到这种类病毒颗粒，但不能复制。
（4）病毒的干扰现象(interference) 当两种病毒感染同一细胞时，可发生一种病毒抑制另一种病毒增殖的现象，称为病毒的干扰现象。
[记忆方法] 病毒的复制周期可以联想噬菌体的增殖周期进行对比记忆。对比方式记忆顿挫感染和缺陷病毒。强调顿挫感染强调的是病毒感染的细胞是否为容纳细胞，缺陷病毒强调的是病毒的基因是否缺陷。
（四）病毒的遗传和变异
1.病毒的变异现象
包括毒力变异（virulent variation）、抗原性变异(antigenic variation) （包括抗原结构的改变、抗原与抗体结合力的改变以及免疫原性的变异）、空斑、噬菌斑变异(plaque variation)、理化因素抵抗力的变异。
2.病毒变异机制 包括①基因突变 (gene mutation)；②基因重组(gene recombination)与 重配(reassortment)。
①基因突变 (gene mutation) 是由病毒基因组核酸链中发生碱基置换、缺失或插入引起。在每一次人类或动物宿主以及细胞培养的病毒感染过程中，病毒颗粒可复制几百万倍，因而每次感染时均可能发生自发突变。包括条件致死性突变株(conditional-lethal mutants)、宿主范围突变株(host-range mutant, hr)、耐药突变株(drug-resistant mutant)。
②基因重组(gene recombination)与重配(reassortment) 两种不同的病毒感染同一细胞时，有时可发生基因的交换，称为基因重组。重组不仅发生于两种活病毒之间，也发生于一种活性（感染性）病毒与另一种灭活病毒之间，甚至发生于两种或两种以上灭活病毒之间。当两病毒株通过基因片段的交换使子代基因组发生改变，这种重组又称重配，常发生于分节段病毒中。
（3）病毒基因产物的相互作用
当两种病毒感染同一细胞时，除可发生基因重组外，也可发生基因产物的相互作用包括互补作用、加强作用、表型混合与核壳转移等，产生子代病毒表型变异。
（五）理化因素对病毒的影响
病毒受理化因素作用后，失去感染性称为灭活。
1.物理因素
（1 ）温度 大多数病毒耐冷不耐热。50~60℃ 30min即被灭活。在低温、特别是干冰温度（-70℃）或液氮温度（-196℃）条件下，病毒感染性可保持数月至数年。
（2）pH 多数病毒在pH 5.0~9.0范围内稳定。
（3）射线 X射线、γ射线或紫外线以不同机制均可使病毒灭活。但有些病毒（如脊髓灰质炎病毒）经紫外线灭活后若再用可见光照射可切除双聚体，称为光复活，故不宜使用紫外线来制备灭活疫苗。
2.化学因素
乙醚、氯仿、去氧胆酸盐等脂溶剂可使有包膜病毒的包膜脂质溶解而灭活病毒，失去吸附能力。但对无包膜的病毒（如肠道病毒）几乎无作用。病毒对各种氧化剂、卤素、醇类物质敏感。中草药板蓝根、大青叶、大黄、贯仲和七叶一枝花等对某些病毒有一定的抑制作用。
（六）亚病毒
亚病毒（subvirus）是比病毒更小的传染性因子，包括类病毒、卫星病毒和朊病毒（朊粒）。
1.卫星病毒（satellite） 多数与植物病毒相关，少数与噬菌体或动物病毒相关。卫星病毒可分为两大类，一类可编码自身的衣壳蛋白，另一类为卫星病毒RNA分子（也曾称为拟病毒，），需利用辅助病毒的蛋白衣壳。其特点是500~2000个核苷酸的单链RNA，与缺陷病毒不同，表现为与辅助病毒基因组间无同源性；复制时常干扰辅助病毒的增殖。
2.类病毒（viroid） 是植物病毒。该病毒主要能使植物致病，如可引起马铃薯、椰子、啤酒花、柑橘等多种植物的严重病害。该病毒由200~400个单链共价闭合环状RNA分子组成，无蛋白衣壳。
3.朊粒 又称为传染性蛋白粒子，其主要成分是一种蛋白酶抗性蛋白（PrP）。耐蛋白酶，无免疫原性，无核酸。目前已知朊粒的蛋白有两种，一种是存在于正常人及动物脑细胞的，称为正常细胞的朊粒蛋白PrPC,另一种是羊瘙痒病或人库鲁病（kuru）时的朊粒蛋白，称PrPSC、PrPCJD，为病变性的。
PrPSC与PrPC的氨基酸序列一致，但分子构型不同，致病性与传染性不同，两者的比较、见表21-1。
表21-1 PrPC与PrPSC的比较
PrP种类

分子结构
对蛋白酶K
正常组织中
病变组织中
PrPC

三维结构有4个α-螺旋
敏 感
+
+
PrPSC或PrPCJD

有2个α-螺旋，另2个α-
螺旋变成4个β-折叠
耐 受
-
-
朊粒所致动物与人类疾病如下：
（1）人类疾病：库鲁病（kuru）、克雅病（Creutzfeld-Jakob　disease，CJD）、格斯综合症（GSS）、家族性致死性失眠（FFI）。
（2）动物疾病：羊瘙痒病、疯牛病、传染性雪貂脑病。
（3）其他动物脑病：麋鹿、猫等。
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