第四章病毒

第四章病毒和亚病毒林雁冰第四章病毒和亚病毒第一节概述第二节病毒的形态结构与化学组成第三节病毒的复制第四节噬菌体第五节真核细胞病毒第六节亚病毒第七节病毒与实践第一节病毒概述一、病毒的发现和研究历史二、病毒的定义与特点三、病毒的分类病毒（Virus）是在19世纪末才被发现的一类微小病原体。一、病毒的发现和研究历史早在公元前四世纪就有了关于疯狗咬人致病，即狂犬病的记载并发现它能够传染给其他许多动物。3000BC埃及孟非思壁画中长老患小儿麻痹症。另一种病毒病软疣的报告，这张1841年的手绘图就是一个证据。第一个记载的植物病毒病当属郁金香碎色花病，至今荷兰阿姆斯特丹的博物馆还保存着一张1619年荷兰画家的一幅得病的郁金香静物画。在当时的荷兰一枚得病的郁金香球茎竟能换来一头牛、一头猪或羊，甚至成吨的谷物或上千磅的奶酪。1886年，德国A.Mayer发现烟草上出现深浅相间的绿色区域，他称之为烟草花叶病，随后又用实验证实它具有传染性。1892年，俄国学者D.Ivanovsky发现烟草花叶病病原体能通过细菌滤器：一种能通过细菌滤器的“细菌毒素”或极小的细菌。病毒的研究历史1898年，荷兰生物学家MWBeijerinck对烟草花叶病病原体的研究结果：能通过细菌滤器；可被乙醇沉淀而不失去其感染性，能在琼脂凝胶中扩散；用培养细菌的方法不能被培养出来，推测只能在植物活细胞中生活；“病毒(Virus)”1900年前后，包括口蹄疫（footandmouthdisease）在内的多种动植物疾病病原体的滤过性特性被证明。FWTwort（1915年）、Fd’Herelle（1917年），分别发现细菌（Shigelladysenteriae）病毒----噬菌体。1935年，WMStanley首次提纯并结晶了烟草花叶病毒；与Bawden等证明烟草花叶病毒的本质为核蛋白；1940年，Kausche首先用电镜观察到烟草花叶病毒颗粒。1952年，Hershey和Chase利用同位素证实噬菌体的遗传物质是DNA，将人类带入病毒的分子生物学阶段。极大地丰富了现代生物学（微生物学、分子生物学、分子遗传学）的理论与技术；病毒学(virulogy)：研究病毒（virus）的本质及其与宿主的相互作用的科学，是微生物学的重要分支学科。有效地控制和消灭人及有益生物的病毒病害；利用病毒对有害生物、特别是害虫进行生物防治；发展以基因工程为中心的生物高新技术产业；非细胞生物至少含核酸和蛋白质二种组分亚病毒真病毒类病毒拟病毒朊病毒只含不具独立侵染性的RNA组分只含单一蛋白质组分只含具独立侵染性的RNA组分本章主要介绍真病毒二、病毒的定义与特点病毒：是一种结构简单，能够自我复制并具有侵染性的独特非细胞生物体。现代病毒学家把病毒这类非细胞生物分成真病毒(Euvirus，简称病毒)和亚病毒(Subvirus)两大类：病毒是一类既具有化学大分子属性，又具有生物体基本特征；既具有细胞外的感染性颗粒形式，又具有细胞内的繁殖性基因形式的独特生物类群。病毒分两个阶段（以两种形式）存在：胞外阶段：“毒粒”形式存在（离体条件下），具有感染性，无生命特征但不能独立活细胞增殖；胞内阶段：主要以正在复制的核酸形式存在，诱导宿主细胞合成病毒组分；特性1）个体微小，在电子显微镜下才能看见；2）不具有细胞结构，其主要成分为核酸和蛋白质，故称为“分子生物”；3）一种病毒只含有DNA或RNA一种类型的核酸；4）绝对的细胞内寄生，在细胞外不能增殖：既无产能酶系，也无蛋白质和核酸合成酶系，只能利用宿主活细胞内现成的代谢系统合成自身的核酸和蛋白质；5）以核酸复制和蛋白质合成、然后装配的过程实现其大量繁殖；7）对大多数抗生素不敏感，对干扰素敏感。6）在离体条件下，以无生命的生物大分子状态存在，并保持其侵染性；8）有些病毒的核酸还能整合到宿主的基因组中，并诱发潜伏性感染。三、病毒的分类病毒几乎可以感染所有的细胞生物，并具有宿主特异性。人们习惯根据其宿主种类将病毒分类：噬菌体（phage）真菌病毒（fungiviruses）植物病毒（plantviruses）动物病毒（animalviruses）国际病毒分类委员会（InternationalCommitteeforTaxonomyofViruses,ICTV）提出了分类依据和建立了分类系统。分类依据主要以病毒粒子特性、病毒的抗原性质以及生物学特性等作为依据。命名规则1998年国际病毒分类委员会提出41条新的病毒命名规则，病毒分类系统依次用目、科、属、种分类等级。病毒粒子特性：①病毒形态：如大小、形状、包膜和包膜突起的有无，衣壳结构及其对称性；②病毒生理生化和物理性质：如分子量，沉降系数，浮力密度，病毒粒子在不同pH、温度、Mg2+、Mn2+、变性剂、辐射中的稳定性；③病毒基因组，如基因组大小、核酸类型、单双链、线状或环状，正负链，G+C含量比、核苷酸序列等；④病毒蛋白，如结构蛋白和非结构蛋白的数量，大小以及功能和活性，氨基酸序列等；⑤病毒脂类含量和特性；⑥碳水化合物含量和特性；⑦病毒基因组组成和复制。病毒抗原性质：包括病毒血清学性质与其抗原的关系。病毒生物学特性：包括病毒天然的宿主范围；病毒在自然状态下的传播与媒介体的关系；病毒的地理分布，致病机理，组织嗜亲性；病毒引起的病理和组织病理学特点。一、病毒的形态结构1、病毒的形状和大小个体小（测量单位nm），必需在电镜下观察；不同病毒的毒粒大小差别很大（直径10~300nm）（1）大小痘病毒：300~450nm×170~260nm（最大）菜豆畸矮病毒：直径9~11nm（最小）第二节病毒的形态结构与化学组成微生物个体直径的比约为：病毒:细菌:真菌＝1:10:100天花病毒脊髓灰质炎病毒噬菌体450nm300nm×250nm×100nm2000nm1250nm×10nm1300nm×10nm1300nm×10nm21nm18nm16.5nm12～18nm16nm9～11nm5nm×800nm（2）病毒的形态砖块状（痘病毒）、丝状（大肠杆菌f1、fd、M13噬菌体）等；多形性（流感病毒，新分离的毒株呈丝状，在细胞内稳定传代后转变为拟球状）。基本形态：球形或拟球形（大多数动物病毒）；杆状（植物病毒和昆虫病毒）；蝌蚪状（大肠杆菌T偶数噬菌体）其他形态：牛痘病毒埃博拉病毒流感的全球大流行1889－1890“俄罗斯流感”1918－1919“西班牙流感”，现代史上最大的瘟疫，造成2000万人死亡1957－1958“亚洲流感”1968－1969“香港流感”为什么会经常被流感病毒感染？流感病毒不断地变化：基因突变基因重排基因重排：当两种不同的流感病毒同时感染一个细胞时，所产生的子代病毒在装配时，可能装入两种病毒基因组的任何一种。由于流感病毒基因组分为8个片段，所以共可产生：28=256种病毒为什么会经常被流感病毒感染？流感病毒有15种HA，9种NA，构成不同的血清型，如：H1N1，H5N9……这些血清型中只有几种能感染人，但它们都能感染鸭子。鸭子是病毒的来源病毒从鸭子经过猪，在猪体内进行基因组重排，导致病毒血清型变化人体对一种血清型的免疫能力，对另一种血清型没有作用流感病毒的重排鸭病毒人病毒共同感染猪感染人1997香港禽流感H5N1，在人中从未发现过的血清型造成了学童的死亡发现是从鸟类直接传播到人屠杀了所有的鸡和鸭，以控制可能的传播研究发现，这种病毒只能由鸟类偶然地传给人，尚不能由人传给人烟草花叶病毒噬菌体M13噬菌体T4大肠杆菌噬菌体f2、MS2脊髓灰质炎病毒牛痘病毒腺病毒衣原体人血红细胞各种毒粒的大小、形态差异很大2.病毒粒子的结构病毒是一类非细胞生物，故称之为病毒粒或病毒体（virion）。病毒有时也称病毒颗粒或病毒粒子（virusparticle），专指成熟的、结构完整的和有感染性的单个病毒。基本构造：核衣壳(nucleocapsid)非基本构造病毒粒子的结构核心（core）：DNA或RNA衣壳（capsid）：蛋白质包膜(envelope)：含蛋白质或糖蛋白的类脂双层膜刺突(spike)：糖蛋白核心衣壳包膜刺突衣壳粒（capsomere或capsomer）：是组成衣壳的蛋白质亚单位3.病毒粒子的对称类型螺旋对称衣壳病毒：烟草花叶病毒病毒可以根据衣壳中衣壳粒的排列方式将其分为3种：二十面体对称衣壳病毒：腺病毒复合对称衣壳病毒：T4噬菌体对称体制螺旋对称二十面体对称复合对称无包膜有包膜杆状：烟草花叶病毒（TMV）等丝状：大肠杆菌的f1、fd、M13等卷曲状：正粘病毒（流感病毒）等弹状：狂犬病毒，水泡性口膜炎病毒等无包膜有包膜：疱疹病毒大型：腺病毒等小型：脊髓灰质炎病毒，φX174噬菌体等无包膜：大肠杆菌的T偶数噬菌体（蝌蚪状）等有包膜：痘病毒（砖块状）病毒粒的对称体制壳体外形如中空的蛋白质圆管，呈坚硬或柔韧状。由2130个相同的蛋白质亚基（158个氨基酸）以逆时针方向螺旋状排列，形成一个长300nm，内径4nm，外径15nm的刚直中空柱。ssRNA盘绕在壳体内面由亚基形成的沟内，与蛋白质亚基通过弱键结合。螺旋对称壳体病毒代表：TMV直接影响烤烟的产量和质量感病植物症状：花叶，叶片轻度扭曲，天气干燥和炎热的时候，下部叶易受到花叶烧伤。早期感病植株还表现矮化症状。并非所有螺旋对称衣壳都像TMV衣壳一样是刚直的，流感病毒的RNA就包围在薄的、柔软易弯曲的螺旋壳体内，其衣壳折叠在一起，外有包膜。流感病毒二十面体对称壳体病毒衣壳有20个等边三角形面，12个顶角。包括12个五邻体（分布在12个顶角上的衣壳粒）和240个六邻体（分布在棱上和面上的非顶角衣壳粒）。核心为线状双链DNA(dsDNA)，核酸分子以高度卷曲的状态存在于衣壳内。代表：腺病毒五邻体六邻体二十面体衣壳在形成时通常是由五边形衣壳粒（五邻体）和六边形衣壳粒（六邻体）组成的。其壳体由头部和尾部组成。通常头部呈二十面体对称，尾部呈螺旋对称。线状dsDNA折叠盘绕于头部的核心。复合对称衣壳病毒代表：大肠杆菌的T偶数噬菌体头尾髓颈环尾鞘尾丝刺突基板病毒粒大量聚集并使宿主细胞发生病变时，就形成了具有一定形态、构造并能用光镜加以观察和识别的特殊“群体”，称之为包涵体。4.病毒的群体形态（1）包涵体（inclusionbody）包涵体的存在部位多数位于细胞质内，具嗜酸性，例如，痘病毒和狂犬病毒的包涵体。少数位于细胞核内，具嗜碱性，例如，疱疹病毒和腺病毒的包涵体。在细胞质＋细胞核内，例如，麻疹病毒的包涵体。病毒包涵体的应用①用于病毒病的诊断②用于生物防治核型多角体病毒（NPV）：在昆虫细胞内形成多角形包涵体，是我国自主研究并应用于农业实践的第一个病毒杀虫剂。（2）噬菌斑（plaque）噬菌体在细菌或放线菌的菌苔上形成的“负菌落”即为噬菌斑（plaque）。将少量的噬菌体和大量的宿主细胞的混合液与45℃左右的琼脂培养基在培养皿中充分混匀，铺平后培养10h左右，肉眼可见一个个透亮不长菌的小圆斑，是由噬菌体在菌苔上形成的“负菌落”，即噬菌斑。设0.10mL稀释度为10-6的病毒悬液可产生75个噬菌斑，则样品的噬菌斑形成单位为：PFU/mL=（75PFU/0.10mL）×（106）=7.5×108噬菌斑正常细胞异常细胞若标本经过适当稀释进行接种并辅以染色处理，病毒可在培养的细胞单层上形成肉眼可见的局部病损区域，即蚀斑（plaque）或称空斑。正常细胞异常细胞由植物病毒在植物叶片上形成的局部坏死斑，称之为枯斑（lesion，病斑）。（4）枯斑（lesion）①是DNA还是RNA；②是单链（ss，singlestrand）结构还是双链（ds，doublestrand）结构；③呈线状还是环状；④是闭环还是缺口环；⑤基因组是单分子、双分子、三分子还是多分子；⑥核酸的碱基（b，base）或碱基对（basepair，bp）数，以及核苷酸序列等。病毒核酸类型区分的指标：二、病毒的化学组成1、病毒的核酸1、病毒的核酸病毒基因组大小差别很大最小的基因组（MS2病毒）只有约3kb，仅够编码3~4种