5病毒的遗传与变异

遗传的中心法则转录翻译复制DNAmRNAProtein逆转录（半保留不连续复制）第五章病毒的遗传与变异•遗传能保持物种的相对稳定，维系生物界的平衡；•变异则可能导致新的生物品种出现，孕育生物界的进化。1.种瓜得瓜，种豆得豆；2.龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞；3.虎父无犬子；4.一母生九子，母子十不同。P84~104遗传的中心法则转录翻译复制DNAmRNAProtein逆转录（半保留不连续复制）第五章病毒的遗传与变异遗传和变异是生命的基本特征遗传：亲代与子代之间的形态结构与生理机能的相似性变异：亲代与子代之间、子代各个体之间的差异性第五章病毒的遗传与变异一、病毒遗传变异的物质基础二、病毒的变异三、病毒变异的研究方法四、病毒的遗传学研究第五章病毒的遗传与变异噬菌体标记试验植物病毒重建试验甲病毒核酸杂种病毒感染细胞子代病毒乙病毒衣壳（完全甲病毒）病毒的遗传是相对的，变异是绝对的一、病毒遗传变异的物质基础T2噬菌体感染实验（1952年）RNA作为遗传物质生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质二、病毒的变异（一）病毒突变体株系：同一病毒的不同系或分离物“型”：同一病毒的不同血清型变种：与原始野生型株系不同的病毒突变体分离物二、病毒的变异病毒突变的类型：•突变类型是一个多标准、多层次和不同水平的分类。从突变引起的遗传信息的意义改变来看，可分为：•synonymous、missence和nonsensemutation从突变效应背离或返回到野生型这两种方向上讲，可分为：•forward和reversemutation从突变带来的表型改变来看，可分为：•形态突变体、致死突变体、条件致死突变体和生化突变体等从引起突变的原因来看，可分为：•spontaneousmutation，inducedmutation二、病毒的变异病毒突变的类型：spontaneousmutation•在没有任何已知诱变剂存在的条件下，一些病毒在子代中产生高比例的突变体•在基因组为RNA的病毒中，自发突变率高得多(10-3~10-6)，原因是RNA复制酶中缺少校正阅读活性inducedmutation•利用自然界各种物理或化学诱变剂处理野生型病毒能够诱发突变，提高病毒群体中的突变率。体外诱变剂：对病毒的静态核苷酸进行化学修饰，使其在后面的复制中碱基配对发生改变，导致同型碱基置换和异型碱基颠换，如亚硝酸、羟胺、烷化剂等体内诱变剂：作用于代谢活跃的核苷酸，为碱基类似物或插入剂二、病毒的变异（一）病毒突变体动物病毒几种突变体：蚀斑突变体plaquemutant寄主范围突变体hostrangemutant抗药性突变体drugresistancemutant抗原突变体antibodyresistancemutant回复突变体revertant无效突变体nullmutant温度敏感突变体temperature-sensitive•无效突变体中病毒的一个基因完全失活，一般来说，核苷酸任何形式的改变都能产生无效突变体表型。不管是大的插入、缺失、无意义读框移位突变必然产生null突变体表型。部分突变体保留完整的功能蛋白片段。作用：确定必需基因•ts突变体是一种条件致死突变体。由误义突变产生，即突变体某个基因的核苷酸序列发生变化，在高温条件下(非允许温度)，该基因编码的蛋白质不能形成或不能维持它的功能构型，在允许温度(低温)条件下，这一蛋白质能形成功能构型，允许突变体增殖。•允许温度下产生的蛋白质或粒子可能不耐热，ts突变可辅助鉴定突变体蛋白，或显示某一蛋白质是结构蛋白。二、病毒的变异（一）突变病毒核酸中基因组（遗传信息）发生遗传变异，而不是由于外来的其它病毒或生物体遗传物质的介入所引起的变异位点突变pointmutation温度敏感变种（temperaturesensitive,ts)空斑大小变种、酶缺陷变种、热适应变种等（多效作用pleiotropism)缺失突变deletionmutation基因组的一部分丢失有可能失去独立繁殖能力，甚至致死性•突变的结果有时导致病毒不能生存，如ts变种：在较低温度下多肽结构稳定，功能正常，在较高温度时结构变化，易被细胞蛋白酶降解。•应用：减毒疫苗Pleiotropism:几个明显不相关的表型效应由单个基因所决定。缺失突变deletionmutation缺陷性干扰（病毒）颗粒（defectiveinterferingparticle,DIparticle)•在某些条件下，如细胞培养中接种大剂量病毒并连续传代，易感细胞被感染后只产生少量有感染性的病毒粒子，而大量病毒粒子的基因组不完全，成为DI颗粒。•具有普遍性，几乎所有RNA病毒各科和大多数DNA病毒各科都有发现•对同源的完全病毒有干扰作用，这种现象在理论和致病作用中都很重要。DI颗粒产生的一些特征：1、接种量过大,m.o.i高,DI颗粒增加，完全病毒减少2、DI颗粒的产生受宿主细胞种类控制3、基因组不完全，有片段缺失4、与完全病毒形态无差异，沉降系数相近5、必须在完全病毒存在时才能增殖6、干扰同源病毒完整粒子的生成机理尚不清，核酸链短，复制快，竞争强7、与病毒的持续性感染密切相关，可减轻发病，减少死亡，更可能引起慢性带毒感染m.o.i(multiplicityofinfection):每一敏感细胞所能吸附的相应病毒的数量3、病毒突变的分子机制取代substitution一个核苷酸被另一个核苷酸所取代增加-缺失addition-deletion一/几个（或一对）核苷酸增加或缺失重排rearrangement代表一个或几个基因的多核苷酸片段连接顺序与原来的不同蛋白质结构变化（二）病毒之间的遗传互作•重组是混合感染中病毒基因组之间的物理作用•根据基因组的结构分为3种：（1）分子内重组intramolecularrecombination通过核酸断裂与重接：（单一分子基因组病毒）（2）重配reassortment多分体病毒在混合感染中，来源于不同亲本病毒的基因组片段可能重新组合：1、遗传重组（二）病毒之间的遗传互作(1)分子内重组intramolecularrecombination(2)重配reassortment(3)拷贝选择重组(copy-choicerecombination)发生在部分具有单一分子基因组RNA病毒中,仍属于分子内重组,但不涉及核酸分子的共价断裂,RNA聚合酶选择性地连接到静止模板链上进行RNA子代链的合成1、遗传重组基因重组的类型(按重组病毒的种类分:)（1）杂交（2）活性病毒间的基因重组（3）灭活病毒间的基因重组（4）活性病毒与灭活病毒间的基因重组（5）病毒与细胞间的基因重组1、遗传重组（二）病毒之间的遗传互作交叉复活crossreactivation:一株活性病毒与另一株相关但具有不同遗传标记的灭活病毒复合感染细胞,由于重组产生具有灭活病毒某些遗传标记的活性病毒重组体,又称标记拯救markerrescue。2、多数感染复活multiplicityreactivation•现象：以同一株灭活病毒大量感染敏感细胞时，有时会产生活的感染性病毒。•原因：在灭活过程中，遭受破坏的病毒基因组部位不同，发生所谓的致死性变异，虽然单独地说，这些病毒都已灭活，但在用它感染大量敏感细胞时，由于取长补短，恢复了原毒株灭活前的所有基因结构而发生复活。•理论上，灭活病毒感染组培细胞、或灭活疫苗（用紫外线、羟胺、原黄素等不太强的灭活剂时）都存在这种可能。（二）病毒之间的遗传互作病毒基因产物之间的互作两种病毒感染同一细胞时，除可发生基因重组外、基因产物（蛋白质）的作用也可使产生的后代呈现表型变异1、表型混合phenotypicmixing2、互补作用complementation3、加强作用enhancement4、干扰作用interference5、互不干扰（三）病毒之间的非遗传互作1、表型混合phenotypicmixing在某些具有共同特点（如衣壳类型或出芽方式）的2种病毒混合侵染中，子代的表型具有双方亲代的特征，而基因型无变化。转壳现象3、病毒之间的非遗传互作混合感染产生的子代病毒是一种病毒的基因组完全被另一种病毒的外壳蛋白包裹.暂时性2、互补作用complementation•同种或异种的许多病毒颗粒在混合感染同一细胞时，也可能发生：一种病毒的增殖为另一种病毒增殖所必需。如腺病毒与腺联病毒的关系。•可发生于同种病毒的不同株系之间；异种病毒之间；活病毒与灭活病毒之间。•互补作用与基因重组不同，不涉及任何病毒核酸的交换，可能一个病毒提供给另一病毒不能产生的基因产物，使后者能在混合感染的细胞中增殖。•应用互补试验可发现病毒结构中的功能单位及其与表型的关系。（三）病毒之间的非遗传互作3、干扰现象interference•动物病毒的干扰现象早在1930s、1940s就已发现，自Isaacs(1957)发现干扰素后，才引起病毒学家的注意；•干扰现象发生于不同的病毒间、同种病毒的不同毒株间；甚至同种的灭活病毒与活病毒之间；•干扰机理可能不是单一的。可能机理：（1）细胞膜上的病毒受体被第1种病毒破坏，使第2种病毒不能吸附；（2）第1种病毒封锁了第2种病毒mRNA的转译；或第1种病毒的核酸复制酶使第2种病毒的基因组丧失功能；（3）DI颗粒（DefectiveInterferingparticle)；（4）干扰素(interferon,INF)3、干扰现象interference4、加强作用enhancements•在某些混合感染中，一种病毒可以增强第二种病毒的增殖•见于2种互不相关的病毒间；偶见于同种病毒的两个变异株之间•机理：一种病毒激活一种酶，促进另一病毒对细胞的穿透？5、互不干扰•两种不同的病毒侵入同一宿主细胞，可各自独立繁殖，各自产生特征性的感染。•如犬肾细胞培养可同时被犬瘟热病毒与犬肝炎病毒感染。缺陷病毒defectivevirus•在自然界中存在一些天生的缺陷病毒，它们在任何条件下都不能独立繁殖，必须依靠另一种病毒提供某些必需物质。后者称辅助病毒helpervirus，前者称卫星病毒satellitevirus•它们之间具有天然的协作关系如：–腺联病毒——腺病毒–罗氏肉瘤病毒——禽白血病病毒(提供囊膜糖蛋白）–HDV——HBV•DI颗粒是缺失突变的不完全病毒颗粒缺陷病毒defectivevirus三种具有生物活性的缺陷病毒基因组•整合缺陷基因组(integrateddefectivegenomes)整合缺陷基因组在宿主细胞中通过转导，活化，失活，染色体断裂，染色体重排等方式产生感染表型变化•卫星病毒(satellitevirus)卫星病毒需要与之无关的其他病毒基因产物才能复制，大多数具有独特的基因组序列•依赖辅助因子的缺陷干扰病毒(helper-dependentdefectiveinterferingvirus)DI病毒具有三个特征：缺陷性——基因有损伤干扰性——干扰辅助病毒或其他同源病毒的增殖富集性——耗费其它病毒而富集自己“损人利己”（四）病毒的变异现象病毒突变的表现型：噬菌斑形态plaquemutants寄主范围温度敏感性：一类对高温表现敏感的突变体低温敏感性无义突变：终止突变（UAGUGAUAA）缺失突变:如DI颗粒生化特征：药物抗性、毒力变化对钝化剂的敏感性、使蛋白或核酸电泳迁移率变化等其它性状变异(现象）毒力变异：细胞水平、机体水平、生物群体水平抗原变异免疫原性、抗原结构、结合力培养性状变异蚀斑、空斑形态和性质对理化因素抵抗力的变异对温度、射线、化学剂的感受性等•自然条件下不感染或不易感染的异种动物/细胞的适应性变异强毒株——新宿主症状轻——连续传代——新宿主症状重（往往对原宿主的毒力降低成为弱毒株）•适应性变异原理：•宿主细胞的选择性结果•病毒对不易感宿主的适应•如流感病毒有甲乙丙三个型，