第01章动物分子病毒学发展简史.docx

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第01章动物分子病毒学发展简史

第一章动物分子病毒学发展简史

一、病毒的发现及其本质

（一）病毒的发现和起源

（二）病毒的本质及特性

二、病毒学发展简史

三、病毒学发展史上的重要成果

四、动物分子病毒学的主要研究内容和发展方向

主要参考文献

动物分子病毒学是以动物病毒为研究对象，在分子水平上研究这些病毒的本质及其与动物乃至人类疾病关系的一门科学。

动物分子病毒学是随着生物化学、生物物理学、遗传学、分子生物学等高新技术的发展而发展起来的；反过来，动物分子病毒学的研究成果又促进了这些学科的发展。

一、病毒的发现及其本质

（一）病毒的发现和起源

自从1892年俄国人Ivanowski在克里米亚发现烟草花叶病病原可以通过细菌的滤器；1898年荷兰人Beijerink证明烟草花叶病是由滤过性病原引起的。

同年，德国科学家Loeffler和Frosch发现口蹄疫病原的滤过性以后,“滤过性病毒”这一名称开始被广泛承认和应用。

但是后来发现，“滤过性”并不是病毒所独有的特性，某些细菌的滤过形态以及支原体、衣原体乃至螺旋体等也都能够通过细菌滤器，因此改称“病毒”。

此后10多年内相继发现了10多种传染病的病原病毒，包括鸡瘟病毒（1900年）、黄热病病毒（1901年）、鸡痘病毒（1902年）、狂犬病病毒（1903年）、鸡白细胞增生病病毒（1908年）、脊髓灰质炎病毒（1909年）和劳斯肉瘤病毒（1911年）等。

1915年和1917年英国人Twort和加拿大人d'Herelle分别发现了噬菌体，即细菌病毒；同时期内还发现了若干植物病毒。

　那么，病毒是怎样产生和进化的?

这是生命科学的重要命题，它对于生命起源、遗传变异以及物种进化等许多重大问题的阐明都具有重要意义。

关于病毒的起源问题，存在许多假说或理论，归纳起来主要有下列三种假说：

（1）病毒是原始生物物种的后裔：

按照生物进化的一般规律，地球上在没有出现细胞之

前，就已存在一些大分子的生命物质，如蛋白质和核酸等。

经过漫长时间的进化，这些原始生命物质中的某一些，或形成单细胞生物，或进一步进化为多细胞生物，乃至高等动植物。

但还有一些原始生命物质继续保持非细胞形态，并且逐渐适应在其他生物细胞内营寄生方式，这就是我们目前所知的病毒；但是这一假说对于病毒缺乏独立的自身复制能力，必须依赖宿主细胞来进行增殖的现象不能做出很好的解释。

（2）病毒来源于细胞核酸：

病毒的基因组可能就是细胞的染色体或线粒体的基因物质。

由

于某种原因，这些核酸脱离细胞而独立存在，随而经过进一步演化而具备专性寄生的特性。

这就是所谓的内源性学说。

近年来发现，某些RNA肿瘤病毒中存在的癌基因，与在正常机体细胞中存在的与之相似的基因（称为原癌基因）序列高度同源。

DNA肿瘤病毒中也发现有癌基因，但迄今尚未在细胞内找到相应的细胞原癌基因。

（3）病毒是某些较高级微生物的退行性生命物质：

也就是说，是这些微生物在退化过程中丢失了某些遗传信息，以致不能自身增殖，而必须依赖较高级细胞才能复制，并逐渐演化为现在的病毒。

上述三种假说均具有一定的理论或实验根据，但又都存在不足之处。

从辩证唯物主义和进化

论的观点来看，许多学者倾向于将病毒看作原始生命形态的发展产物。

（二）病毒的本质及特性

1.病毒的本质

病毒属于微生物界，在自然情况下它只能在活的细胞内才能复制和增殖，细胞外的病毒，没有新陈代谢，不表现生命活性。

但当其进入宿主细胞后，病毒核酸迅即启动和复制，最后产生数量增多的子代病毒；病毒具有遗传性和变异性。

因此，病毒具有生命活动型和生命静止型的双重存在形式。

其不同于其他微生物的特性包括：

（1）病毒一般只含有一种核酸——DNA或RNA，而其他微生物，包括细菌、支原体、立克次氏体和衣原体，则都同时含有两种核酸；

（2）病毒通过基因组复制和表达，产生子代病毒的核酸和蛋白，随后装配成完整的病毒粒子；而在其他微生物，则是核酸和许多其他组成成分一起参与生长、增殖过程，并常以二分裂或类似的方式进行；

（3）病毒缺乏完整的酶系统，不具备其他生物“产能”所需的遗传信息，因此必须利用宿主细胞的酶类和产能机构，并借助宿主细胞的生物合成机构复制其核酸以及合成由其核酸编码的蛋白，乃至直接利用细胞成分。

可以这样认为，病毒的生物合成实质上是病毒遗传信息控制下的细胞生物合成过程；

（4）某些RNA病毒（反转录病毒）的RNA经反转录合成互补DNA（cDNA），与细胞基因组整合，并随细胞DNA的复制而增殖，这就是所谓的DNA前病毒。

（5）病毒没有细胞壁，也不进行蛋白质、糖和脂类的代谢活动，因此对抗生素具有明显的抵抗力,因为抗生素就是干扰这些物质的代谢过程而影响微生物的结构和功能。

病毒的上述特性，看来是其基因节约化（geneticeconomy）的结果。

综上所述，病毒是由蛋白质衣壳包裹着一个或几个RNA或DNA分子组成的传染性粒子，有些病毒还复盖有更为复杂的囊膜。

病毒可将它的核酸由一个宿主细胞传播给另外一些细胞。

病毒能将自己的遣传信息加于宿主细胞，并利用宿主细胞的酶系统完成细胞内复制。

某些病毒可将核酸整合于宿主细胞的基因组DNA内，导致隐性或持续性感染；另一些病毒则使宿主细胞的基因特性发生转化，扰乱细胞生长的调控机构，因而可能引起细胞癌变。

总之，我们可对病毒作出如下的定义：

病毒是细胞内专性寄生的最小生命形态--微生物。

当然这是指自然状态的病毒而言，因在人工实验条件下，人们已经掌握在无细胞（cellfree）系统中复制病毒的技术，详见本书第四章。

类病毒和“朊”病毒等亚病毒的发现，无疑又对原来的病毒涵义提出新的挑战，本书第一章和第三十九章有比较详细的介绍和叙述。

2.病毒的形态结构和化学组成

病毒形态是指电子显微镜下见到的病毒的大小、形状和结构。

掌握病毒的形态知识，对于认识病毒和发现病毒以及研究病毒与细胞的关系乃至病毒学诊断，都具有重要意义。

也是人们在分子水平上研究病毒的结构与功能关系的基础。

病毒粒子大多呈园形或近似圆形，但也有呈砖形、丝状或子弹形的。

圆形病毒的直径，小者20nm左右，如细小病毒和小RNA病毒，大者可达150nm以上，如疱疹病毒和痘病毒。

丝样形态常见于植物病毒，而在动物病毒，则只见于流感病毒等少数几种病毒，而且经常与圆形、椭圆形和短杆状等其他形态同时存在。

丝状病毒有时长达几个μm。

图1-1列举主要种类动物病毒的形态结构和大小。

图1-1主要种类动物病毒的形态结构和相对大小

在感染细胞内或细胞外的成熟病毒粒子，大多分散或成堆存在，但亦有在感染细胞内呈结晶状排列的。

一般认为，这是核衣壳大量堆积的结果。

病毒的排列方式，常是病毒鉴定上的一个依据。

如上所述，一个简单的病毒粒子，是由一团遗传物质（DNA或RNA）和它外围的一层蛋白衣壳组成。

蛋白衣壳具有保护病毒核酸的作用，同时也是病毒核酸由一个宿主细胞转移到另一个宿主细胞的工具。

衣壳和核酸一起总称为核衣壳。

在某些病毒，核衣壳就是病毒粒子。

但在结构比较复杂的病毒，则在衣壳外面还有一层（或几层）富含脂质的外膜，亦即囊膜。

某些病毒，如流感病毒，在囊膜和核衣壳之间还有一层病毒特异的内膜蛋白，即M蛋白。

囊膜的组成成分主要来自宿主细胞，大多是核衣壳在感染细胞内穿越核膜或在感染细胞表面“出芽”时由细胞获得的。

但囊膜内也含有特异的病毒蛋白单位，细胞膜双层磷脂中原有的细胞源性蛋白被病毒源性蛋白完全地或者部分地替代。

这一过程比较复杂，近年来才被充分阐明。

病毒膜蛋白早在病毒核衣壳组装时，就在胞膜附近被翻译出来了。

这种膜蛋白有二段由疏水性氨基酸组成的电中性区域。

一段称“信号段”（signalsequence），在蛋白的N端；另一段在近C端，称“膜嵌段”（membraneanchorsequence）。

信号段将膜蛋白引导和转移入胞膜。

膜蛋白与细胞源性糖分子结合而形成糖蛋白。

膜嵌段因富含丝氨酸和苏氨酸而呈α-螺旋，并因疏水而停留在膜内，使糖蛋白的绝大部分被挤至细胞外，仅其一小部分的C端位于膜的内侧。

此时，病毒的M蛋白一方面与已在胞膜上的糖蛋白C端结合，另一方面又与病毒核衣壳结合，造成核衣壳与胞膜的靠近，随后借助M蛋白的继续牵引，原在胞膜内滑动的病毒糖蛋白在核衣壳周围形成相对密集区。

胞膜内原有的细胞源性蛋白被相应排挤，核衣壳最终被包裹而完成出芽过程，如图1-2所示。

电镜观察这些病毒时，常可在其囊膜表面看到杆球状或穗状突起，称为囊膜纤突（spike）或突起（peplomer），实质上就是这些病毒特异的糖蛋白（见图1-3）。

图1-2病毒获得囊膜的过程

E1和E2为病毒糖蛋白；C1和C2为细胞膜蛋白；M为内膜蛋白；RNP为核衣壳。

图1-3病毒囊膜表面的纤突

病毒衣壳是由蛋白亚单位按物理学基本原理构造的规律性几何堆积。

由于病毒基因组容量的限制，其携带的遗传信息不足以生产各种不同的蛋白以形成衣壳。

因此，病毒衣壳往往由一种或少数几种蛋白重复构建而成。

蛋白亚单位首先形成结构单位，然后再由结构单位装配成病毒衣壳。

结构单位在立体构型上是不对称的，而由这种不对称的结构单位构建稳定和对称的衣壳，从理论上讲只有两种选择，也就是封闭式构型和螺旋式构型。

事实上病毒衣壳的确只有这两种构型：

二十面体衣壳和螺旋式衣壳,见图1-4。

图1-4病毒粒子的结构（模式）——断面

左：

无囊膜正二十面体对称的核衣壳病毒粒子；右：

带囊膜螺旋对称的核衣壳病毒粒子。

某些动物病毒，例如痘病毒，结构特别复杂，看不到正二十面体对称和螺旋样对称的核衣壳。

囊膜由不规则排列的管状脂蛋白亚单位组成。

囊膜内包含一个核心和两个“侧体”，核心中含有DNA和蛋白质，见图1-5A。

传染性脓疱性皮炎病毒的表面具有许多十字形交叉的带状结构，对称性不明（见图1-5B）。

AB

图1-5痘病毒及传染性脓疱性皮炎病毒核衣壳结构

病毒由核酸（RNA或DNA）和蛋白质组成。

某些病毒，特别是动物病毒，除核酸和蛋白质外，还常含有脂质、糖类和少量的其他成分。

但不含氨基糖酸，这是病毒与其他微生物，包括细菌、立克次氏体和衣原体等又一明显区别。

植物病毒含有RNA，而且多数只有一种结构蛋白。

与之不同的是，动物病毒和噬菌体含有RNA或DNA，而且大多含有几种或更多的不同种类的蛋白分子。

（1）核酸：

病毒核酸是其遗传信息的携带者，共有两种：

DNA或RNA。

迄今发现的各种病毒，均只含有其中一种。

DNA多为双链，RNA多为单链。

但有若干例外：

反转录病毒的RNA可在复制过程中反转录成DNA，因此出现RNA和DNA两种核酸形式；细小病毒的DNA为单链；呼肠孤病毒和双RNA病毒的RNA为双链。

RNA病毒和类病毒是生物界中以RNA携带全部遗传信息的仅有的例子。

这在生命起源的研究方面，可能具有重要参考意义。

不同的病毒，其核酸的大小和组成各不相同。

一般说来，病毒粒子愈大，其所需的核酸量愈多，成分也越复杂。

有关各主要病毒科的各种化学成分的百分含量以及其核酸的特性，请参见附录。

核苷酸序列测定是研究病毒核酸组分的直接依据。

近年来，许多病毒的核苷酸序列已被测知，甚至许多病毒的基因也已在核苷酸序列中得到了定位。

这样，核酸的组成与基因表达就有机地统一起来了。

（2）蛋白质：

蛋白质是病毒粒子的又一重要组成成分。

大多数病毒的蛋白质约占其总重的70％以上,少数的约占30%～40%。

病毒蛋白的主要功能是对病毒核酸形成保护性外壳；二是参与病毒粒子对细胞受体的吸附。

此外，病毒蛋白具有抗原性，可诱发机体产生免疫反应。

同时，病毒蛋白具有较高的毒性作用，是使动物机体发生各种毒性反应的主要成分。

病毒粒子的蛋白，大部分是特异的。

但囊膜病毒的囊膜中含有一些来自胞膜的细胞蛋白。

　病毒粒子的蛋白主要有4种：

衣壳蛋白、基质蛋白、囊膜蛋白和酶蛋白。

衣壳蛋白包裹核酸，形成保护性外壳；基质蛋白位于外层脂质和衣壳之间，例如流感病毒的内膜蛋白，起到维持病毒内外结构的作用；囊膜蛋白主要是糖蛋白，位