分子遗传学-病毒

第八章病毒李大伟（中国农业大学农业生物技术国家重点实验室）•病毒的定义•病毒的形态结构与分类•病毒基因组的复制与表达主要参考书籍1.AlanJ.Cann,PrinciplesofMolecularVirology(1,2,3ed.),AcademicPress.2.阎隆飞张玉麟，1997，分子生物学，中国农业大学出版社.病毒的定义第一节公元前14世纪古埃及长老石刻象显示了小儿麻痹后遗症，这可能是病毒感染的第一个史载记录脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)与小儿麻痹症(ParalyticPoliomyelitis)Virusesareprobablyasoldaslifeonearth.Smallpox(天花)EndemicinChinaby1000BCRabies(狂犬病)EndemicinEuropebyAD16-17关于植物病毒病害的记载•荷兰郁金香杂色病(1576)•欧洲马铃薯退化病(1775)Dubos(1958)曾描述了当时流行的“郁金香热”:一株受侵染的球根可以换到数头公牛、猪或者绵羊，几吨谷物，成千磅干酪，甚至一个磨房。一个年青的姑娘以拥有一只杂色花作为她的嫁妆而感到无比的幸福。牛痘接种防治天花---古代接种术(1796)对病毒的早期认识---利用疫苗对病毒病的防治发明了狂犬病疫苗（1885）提出了“Virus”和“Vaccination”之词巴斯德(LouisPasteur,1822-1895)MartinusBeijerinick(1851-1931)证明在经过可吸附细菌的琼脂扩散后,这种侵染物仍可导致烟草花叶病。他将此侵染物称为“侵染性活液”,并也采用了“Virus”一词。对于病毒本质的认识1937年证明烟草花叶病毒是一种核蛋白(核酸5%;蛋白95%)FrederickCharlesBawden(1908-1972)WendellMeredithStanley(1904-1971)1935年首次获得烟草花叶病毒结晶,称其为一种蛋白质,1946年获诺贝尔奖。JohnEnders(1897-1985)1949年在体外培养的细胞中获得脊髓灰质炎病毒,1954年获得诺贝尔奖。AaronKlug(1926-)1962年提出了烟草花叶病毒病毒的柱状结构,1982年获得诺贝尔奖。DavidBaltimore(1938-)1970年在提纯的罗斯肉瘤病毒粒子中发现了逆转录酶，证明遗传信息可以由RNA反向产生DNA。---生物学中心法则。1975年获得诺贝尔奖。现代病毒学的发展历程MichaelJ.Bishop(1936-）1976年发现正常细胞中存在罗斯肉瘤病毒致瘤基因的对应基因,1989年获诺贝尔奖。PhillipA.Sharp(1944---),1977年发现腺病毒基因组中存在基因剪切现象(genesplicing),1993年获诺贝尔奖。FredSanger(1918-)1977年建立了DNA序列分析方法,并对ΦX174噬菌体的单链DNA序列进行了测定。因此获得诺贝尔奖。Gallo&Montagnier1983年分离到一种与爱滋病(AIDS,AcquiredImmunodeficiencySyndrome)有关的逆转录病毒。R.Beachy1986年利用烟草花叶病毒外壳蛋白基因转化植物,获得抗TMV侵染的基因工程植株。这一研究为抗病毒动植物基因工程奠定了基础。(Chen)StanleyBPrusiner(1942-)发现朊病毒(Prions)，1997年获诺贝尔奖。病毒与其它生物的比较1.类病毒(Viroids)为目前已知最小的独立侵染核酸分子,由Diener在1971年首次发现(PSTVd),主要存在于植物寄主中。•单链环状RNA分子,无外壳蛋白,核苷酸长度为246-375nt,富含G+C(53-60%)•环状分子高度碱基配对,形成双股螺旋结构,外形呈杆状•在寄主植物中可自我复制与病毒类似的亚病毒(subvirus)2.朊病毒(Prions)一类仅含有蛋白质的侵染性病原物,导致动物或人类中枢神经系统的慢性病变,并可以“遗传”。如：疯牛病(madcow)、羊骚痒病、人G-S综合症、老年痴呆(C-J病)、人振颤病(海绵状脑硬化)等。疯牛病是由一种Prion侵染引起的，它也可以感染人而引起神经系统疾病。在正常机体中，Prion是正常神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完全相同，只是空间结构(折叠状态)不同。病毒的重要特性严格的寄生性离开寄主细胞便不能进行繁殖并会失活。必须有寄主的遗传信息、能量及酶系统的参与方能进行核酸复制、蛋白质合成并装配产生子代病毒。侵染性、致病性和寄主范围a.病毒只侵染活的寄主细胞,并存在病毒基因与寄主细胞间的相互识别机制。b.病毒在复制过程中扰乱了寄主的正常代谢,最终造成寄主发病。c.病毒核酸中存在特定的基因,可导致寄主感病。抗原性在哺乳动物体内可激发产生抗体Whatisavirus?•一类亚显微细胞内寄生物•颗粒由预先合成的组份装配而成,不能够生长或分裂•含有蛋白质、核酸，在某些病毒中含有脂类•不具备能量代谢或蛋白质合成所必需的酶系统和核糖体，需依赖寄主方能进行复制---A.J.Cann,2001,PrincipleofMolecularVirology(3rdEd.)第二节病毒的形态结构与分类Whatdoesaviruslooklike?Capsid(外壳)亚基(Subunit)Virion(nucleocapsid)A.螺旋体---(杆状,TMV)螺旋体---(丝状,fd,M13phage)ssDNA(circlar)••Anaxisoffive-foldrotationalsymmetrythroughthecentreofeachcorner(vertex).B.二十面体Icosahedron(等轴体,Isometric)•Anaxisoftwo-foldrotationalsymmetrythroughthecentreofeachedge.•Anaxisofthree-foldrotationalsymmetrythroughthecentreofeachface.Lamdaphage/T7phage(head)PhiX174phageFMDVCucmbermosaicvirusC.包膜病毒流感病毒疱疹病毒ss(-)RNA,Ø=80nm,length=80nmD.复杂的病毒结构---弹状病毒,狂犬病病毒•核酸:1-30%,分为RNA或DNA,分子量在3.5kb-280kb之间，携带基因数量在3—100个之间.•蛋白质:5-80%,部分病毒仅有一种结构蛋白(capsid),存在于病毒颗粒表面(如多数植物病毒),而另一部分则具有两种或更多种类的结构蛋白(capsid,glycoprotein等),构成病毒粒子的不同结构或功能区域。•脂类:0-20%,存在于包膜病毒,来源于寄主细胞•碳水化合物:0-3%,多结合形成包膜病毒的糖蛋白•水：≤50%,以结合态存在于病毒粒子中D.病毒的化学成分3.Howarevirusesclassified?TheInternationalCommitteeonTaxonomyofVirusesVirusTaxonomy,VIIthreportoftheICTV.TheSeventhReportoftheInternationalCommitteeonTaxonomyofViruses.M.H.V.vanRegenmortel,et.al.(2000).•形态学---大小,形状,有无包膜•理化性质---分子量,热稳定性,离子稳定性•基因组---RNA,DNA,分段(segmented)等•大分子成分和复制类型分类依据•TheDNAvirusThessDNAvirusThedsDNAvirus•TheRNAvirusThedsRNAvirusThenegative-strandedssRNAvirusThepositive-strandedssRNAvirus•TheDNA&RNAreversetranscribingvirus病毒基因组的复制与表达第三节病毒的复制过程ATTACHMENTPENETRATIONHOSTFUNCTIONSASSEMBLY(MATURATION)TranscriptionREPLICATIONRELEASEUNCOATINGTranslationMULTIPLICATION1.多样性•基本形式的多样性•复制、表达中间形式的多样性•内部结构的多样性（寄主依赖性）2.最小化趋势•基因(ORF)重叠•同一序列的多重功能•单链RNA3.高度变异性•基因突变•基因重组/重配•选择压力病毒基因组的特点TheDNAvirusThedsDNAvirusThessDNAvirusTheRNAvirusThedsRNAvirusThepositive-strandedssRNAvirusThenegative-strandedssRNAvirusTheDNA&RNAreversetranscribingvirus1.dsDNAVirus多为动物病毒和噬菌体。研究较多的如SV40、腺病毒、λ噬菌体和T4噬菌体等。它们均采用与寄主相同的半保留方式进行复制,但复制的场所及具体过程有所不同。疱疹病毒腺病毒T4噬菌体复制类型1.真核寄主病毒•仅限于寄主细胞核内进行复制,对细胞因子的依赖程度较高(无DdRp)。如乳多空病毒科(C)、疱疹病毒科(L)、腺病毒(L)。•在细胞质内进行复制,自身含有转录及复制的绝大部分因子,对于细胞因子的依赖程度较低。如痘病毒(L)等。2.原核寄主病毒(λ噬菌体)在溶原侵染和溶菌侵染中存在着不同的DNA复制方式。复制特点dsDNA病毒具有与细胞dsDNA相似的基因组，基本上采用细胞基因相同的机制进行复制(半保留复制)和表达。基因组一般较小(3.0-6.0kb),多数对于寄主细胞的依赖程度极高,如细小病毒科、微小噬菌体科(φX174)、联体病毒科。复制在细胞核内进行,通过合成一条负链做为模板进行正链合成。2.ssDNAVirus细小病毒(Parvovirus)无包膜,基因组约5kb,线状,含有一定比例的正意链(positive)，但大部分区域为负意链(negative)。复制过程中基因组5’和3’末端的回文序列(约100-200base)可形成“发卡”/“Y”型结构。repcapTerminalpalindrome3’5’ColiphageφX174基因组约5.4kb,环状,编码10-12种蛋白，其中三个为重叠基因(B/A、K/A+C、E/D)。共有三个启动子,结构与E.coli的启动子相似。复制过程中单链DNA形成双链中间形式(RF:超螺旋ds环状和松弛ds环状),有“复制叉(θ)”和“滚环(σ)”两种过程。ss(-)ds(+and-)蛋白质mRNAss(+)M13-phage,circular,6.4kb.双生病毒（联体病毒，Geminivirus）circular,oneortwosegments(A&B),2.5-3.0kb,or4.8-5.6kb.以呼肠孤病毒(Reovirus)为代表，球形粒子，双层衣壳。基因组16-30kbp，分为10-12个节段，长度不等(呼肠孤病毒10-12个片段;囊状噬菌体3个片段)，多为单顺反子，5’、3’末端序列保守。正链RNA5’端为“帽子”结构,3’末端为polyA尾序,负链RNA无此类结构。病毒颗粒核心含有RNA聚合酶,在酸化作用下病毒部分脱壳,形成亚颗粒(ParticleSubviralparticleViralcore—RNA+内衣壳)。在亚颗粒中，以负链为模板产生单顺反子RNA(mRNA),并表达各种蛋白。在侵染过程后期方以正意链(mRNA)为模板合成负链，并形成双链基因组片段---以全保留方式在寄主细胞质中进行复制。3.dsRNAVirus呼肠孤病毒10segments,linear,total23.7kbp轮状病毒(Rotav