病毒学课件.docx

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病毒学课件

普通病毒学（Basic/GeneralVirology）

第一章引言—病毒学与病毒疾病（Virologyandviraldiseases）

1、病毒与病毒学（Thescienceofvirology）

●病毒与宿主（Theinteractionbetweenvirusesandtheirhosts）

病毒（virus）

Ø病毒定义：

病毒是亚显微的细胞内寄生物（virusesaresubmicroscopic,obligateintracellularparasites）

Ø病毒的构成简单

Ø病毒基因组包含的基因蓝图

Ø病毒不是最小的自主复制病原物

宿主（thehost）—个体和细胞

Ø产毒感染（productiveinfection与abortiveinfection）

Ø单细胞释放量（burstsize）

Ø病毒与宿主共存：

溶原化（lysogeny）；转化（transformation）。

Ø潜伏感染（latentinfection）

Ø宿主易感性（thesusceptibilityofhost）

病毒和宿主的相互作用（Theinteractionbetweenvirusesandtheirhosts）

Ø病毒致病性和宿主易感性相互转变

Ø持续感染病毒

●病毒感染宿主个体和群体的效应（Theeffectofvirusinfectionsonthehostorganismandpopulations–viralpathogenesis,virulence,andepidemiology）

病理学（viralpathogenesis）

致病性（pathogenicity）

Ø毒性/毒力（virulence）

Ø非致病/非毒性株（apathogenic/avirulentstrain）

Ø病毒致病性和毒性

流行病学（viralepidemiology/epizoology）

●病毒学史的重要事件

预防天花（Vaccinationagainstsmallpox）

Koch法则（Koch’spostulates/rules，1890）

巴斯德（LouisPasteur，1885）

病毒学研究历史（Thehistoryofvirology）

Ø病毒发现时期（20世纪头30年）

Ø病毒本质的研究时期

Ø分子病毒学时期

2、病毒疾病与宿主群体（Virusdiseaseinpopulationandindividualanimals）

●病毒源头（thenatureofvirusreservoirs）

Ø贮存宿主（virusreservoirs）贮主

Ø以人为贮主的病毒（Someviruswithhumanreservoirs）

Ø以脊椎动物为贮主的病毒（Someviruswithvertebratereservoirs，zoonosis）

Ø节肢动物（arthropod）载体

●病毒在群体中传播（virusesinpopulations）

Ø群体免疫性能（herdimmunity）

Ø小群体和大群体病毒流行病学（Viralepidemiologyinsmallandlargepopulations）

●病毒与宿主群体相互作用（thedynamicsofhost-virusinteractions）

Ø自然贮主（naturalreservoir）

在生物进化历程中，多数病毒与宿主长期共存并保留至今。

病毒存在的方式是不断感染、繁殖，但是，在自然宿主中的繁殖是受到控制的，宿主和病毒之间通过相互作用达成精确的平衡。

但是，当病毒被引入新的群体（immunologicalnaive），两者的平衡被打破，可能造成病毒失控或宿主死亡。

所以，当发现一种病毒引起的严重疾病时，逻辑上首先考虑是新近引入群体的病毒。

病毒适应宿主群体是漫长的过程，需要双方发生遗传改变，不能保证这一过程中不会对宿主造成严重损害，甚至灭绝；也不能保证病毒在适应宿主群体前自行消亡。

Ø病毒和宿主的动态约束（evolutionaryconstrainsonthedynamicsofthevirus-hostinteraction）

若病毒感染导致急性发病和宿主获得免疫清除病毒，宿主免疫会使小群体中的易感个体被耗尽，将需要大群体来维持病毒的传承。

即使在大群体中，如病毒直接和间接导致个体大量死亡，贮主群体也会崩溃，在极端的情况下，病毒也会灭绝。

如果病毒只是造成温和与不明显的症状，就必须要有较快的传播速度，寻找新的免疫幼稚个体（immunologicalnaive）保持繁殖，如：

候鸟迁飞（flocksofmigratory）。

因此，小群体中，没有可被免疫反应清除的病毒持续存在；而只有那些能够在宿主中建立持续感染（persistentinfection），对宿主生存、繁殖没有或仅有很小缩减的病毒能够持续存在。

Ø持续感染一般携带可在群体中长期存在的病毒（viraldiseasesleadingtopersistenceofthevirusinthehostaregenerallyassociatedwithviruseshavinglongassociationswithhumanpopulations）

很多重要人类病毒感染只产生轻微症状甚至无症状，病毒随后与宿主建立稳定的关系并可能在宿主中终身持续。

在这或多或少的稳定期内，一些病毒稳定隐藏；另外一些可能持续感染，但检测不到病毒存在。

在后一情况，多种刺激可使病毒复活，将病毒传给其他个体。

持续感染病毒包括：

人疱疹病毒（humanherpesviruses）

人乳头状瘤病毒（humanpapilloma，HPV）

人多瘤病毒（polyomaviruses）

乙型肝炎和丁型肝炎（hepatitisBandhepatitisDviruses）

Ø病毒急性、严重感染提示人畜共患疾病（viraldiseasesassociatedwithacute,severeinfectionaresuggestiveofzoonoses）

如果病毒持续感染模式是人类与某些病毒形成了历史渊源；那么：

急性、严重感染伴随高死亡率病毒感染提示：

（1）病毒可能来自非人类初级贮主（primaryreservoir）。

（2）病毒新近从非人类贮主“跨物种”到人类，并建立和保持着病毒群体。

3、人类病毒疾病主要类型（patternsofspecificviraldiseasesofhumans）

●急性感染伴随病毒清除（Acuteinfectionsfollowedbyvirusclearing）

Ø感冒和呼吸道感染（coldandrespiratoryinfection）

感冒病毒（coldandrespiratoryinfection）包括：

鼻病毒、腺病毒、冠状病毒，由汽溶小水滴（aerosols）传播，温和，恢复后产生相同血清型（serotype）抗性，可能产生并发症，对年长者有威胁。

Ø甲型流感（influenza）

它的初级贮主是鸟类，宽的宿主范围使它可在猪和人中建立第二个贮主。

并不是所有引入人类的病毒都造成高死亡率，H5N1和1918流感病毒（H1N1）却造成高死亡率。

许多动物病毒在人类造成严重传染病的例子，如：

SARS-CoV,HIV,poxvirus。

Ø天花病毒（variola）

由smallpox病毒引起，由吸入病毒汽溶小滴（aerosol）传播，有两种类型：

variolamajorandvariolaminor，死亡率达20%，个别地区达80%，恢复后获得抗性。

●“意外”感染某些组织导致永久性损伤尽管病毒能被有效清除（Infectionofan“accidental”targettissueleadingtopermanentdamagedespiteefficientclearing）

Ø小儿麻痹症（paralyticpoliomyelitis）

这类疾病最典型例子，脊髓灰质炎病毒（poliovirus）是一种肠病毒，隶属小RNA病毒（picornavirus）。

大多数感染局限在小肠，无症状，仅导致温和肠炎和腹泻。

病毒在肠内淋巴组织引起有效免疫反应，保护宿主不被再次感染。

Poliovirus需要CD155细胞受体，这些分子定位于小肠细胞和运动神经细胞（motorneurons）。

在极少数情况下，特定基因型（neurovirulentstrain）病毒显示出对神经细胞趋向（tropism），感染和摧毁运动神经细胞，导致瘫痪麻痹症。

●持续感染（Persistentviralinfections）

持续感染提示病毒与宿主有长的共近化历史，对广大感染个体（有免疫缺陷者例外）缺乏严重损伤。

Ø乳头状瘤病毒和多瘤病毒感染（Papillomaandpolymavirusinfections）

慢性、低水平复制。

Ø疱疹病毒感染和潜伏（herpesvirusinfectionsandlatency）

疱疹病毒标志性感染（hallmarks）是急性期过后，明显恢复后病毒基因组以不表达的形式存在于热定组织中。

潜伏特征是病毒歇性复活（recrudescence），仅表现出温和症状（与首次急性感染比较），代表种类包括：

HSV（Herpessimplexvirus），EBV（Epstein-Barrvirus）和VZV（Varicella-zostervirue，chickenpox）疱疹病毒。

潜伏期病毒基因组保存于特定细胞中并不繁殖。

HSV潜伏于感觉神经元（sensoryneurons），EBV则潜伏于B淋巴细胞中（Blymphocytes）。

需要表达特定基因使病毒维持潜伏状态（survivaloftheviralgenome）或作用于复活过程（reactivationprocess）。

宿主免疫反应通常起到控制病毒作用，病毒复活需要集体免疫暂时下降或物理和生理应急（stress）诱发（trigger）。

HSV可由疲倦或焦虑诱发，VZV复活可导致带状疱疹（shingles）。

Ø持续感染产生的其他问题（othercomplicationsarisingfrompersistentinfections）

有些病毒持续感染可能导致（rarely）瘤生长，因为组织持续受损伤和导致细胞内控制基因突变（oncogenesortumorsuppressorgenes）。

有关例子包括：

人T细胞白血病病毒（humanT-cellleukemiavirusHTLV）,慢性乙型肝炎（HBV），丙型肝炎（HCV）,乳头状瘤病毒（genitalpapillomavirus）等。

病毒抗原蛋白基因持续表达可能引起不正常免疫反应或自体免疫疾病，如：

multiplesclerosis（MS）

●潜伏期长的病毒及亚病毒传染病（Viralandsubviraldiseaseswithlongincubationperiods）

Ø狂犬病（Rabies）长的潜伏期使病情出现时已无法挽救。

Ø艾滋病（HIV-AIDS）

艾滋病只有到了晚期，才有比较明显严重病情出现，潜伏期可达10年

Ø朊病毒疾病（Priondiseases）

朊病毒引发的脑病潜伏期可达10-30年之久，只有当脑明显退化导致行为改变时，疾病才被察觉和诊断出来。

第二章病毒形态结构与分类（Virusstructuresandclassification）

1、病毒的形态特征（Thefeaturesofavirus）

●病毒大小范围

绝大多数病毒比细菌小，不能用光学显微镜观察到（光学显微镜的分辨率为0.25um）。

绝大多数病毒的大小范围在0.2um（200um）一下，可以通过0.22um的滤膜，即所谓过滤因子。

在实验室，常用“过滤性”来初步区分病毒，但最终鉴定病毒需要电子显微镜观察。

确有极少数病毒体积较大，如近年（1992）发现的Mimivirus（formimickingmicrobe）。

痘病毒（poxvirus）的vaccinia大小为：

300-450nm×170-260nm，也不能通过0.22um的滤膜，需要用0.45um的滤膜来过滤。

最大的病毒，在阿米巴变形虫（amoeba，AcanthamoebePolyphaga）中发现，命名为APMV。

另外，最小细菌如：

支原体（mycoplasma），细胞外生存的最小微生物，是一类缺乏细胞壁的原核细胞型微生物，大小一般在0.3-0.5um；皮氏罗尔斯顿氏菌（Ralstoniapickettii）的直径在200-300nm。

Acommonmistakeisthatvirusesaresmallerthanbacteria.Whilethisistrueinmostofcases,sizealonedoesnotservetodistinguishbetweenthem.Thelargestvirusknownis400nmindiameter,whilethesmallestbacteria（e.g.mycoplasma）areonly200to300long.

Ø过滤因子

●病毒主要的外部形态特征

胞膜——脂质双分子层质膜，来自宿主细胞

病毒外壳——外壳由蛋白质亚基按一定规则排列成的立体对称构造，主要有:

（1）螺旋对称壳体，

（2）二十面对称壳体，（3）复杂对称壳体。

Ø对称性

Ø病毒基因组：

dsDNA,ssDNA,dsRNA,ssRNA（+/-）

Ø包膜：

脂质双分子层质膜，来自宿主细胞

2、病毒的结构（Thestructureofviruses）

●病毒粒子（Virion）或病毒颗粒（virusparticle）

病毒粒子/病毒颗粒（virusparticle）指病毒个体，病毒（virus）指相同个体的集合。

病毒粒子内包含病毒基因组（viralgenome），病毒粒子可能还有其他成分，如包膜（envelope）膜蛋白。

Ø衣壳（capsid）蛋白质外壳（proteinshell）

衣壳由病毒编码的衣壳蛋白（capsomer，capsidprotein，壳粒）按一定的方式聚合而成，衣壳和其内包含的核算统称为核衣壳（nucleocapsids）。

衣壳又称壳体。

Ø衣壳蛋白（capsomer，capsidprotein），核衣壳（nucleocapsids）（见上）

Ø包膜（envelope）和膜蛋白，刺突（spike,peplomer）

包膜（envelope/lipidenvelope/enveloped）：

覆盖在被摸病毒衣壳外，由脂质（lipid）、蛋白质（proteins/glycoproteins）组成的包（囊）膜（bilayer），具有包膜与否（enveloped/naked）是区分病毒的标志

刺突（spike，peplomer）被膜的外表面的由病毒编码、参与和宿主细胞受体（cellularreceptor）结合、在病毒进入宿主细胞起到关键作用的蛋白

●螺旋对称壳体（helicalcapsid）

病毒壳体在电子显微镜下呈棒状，外形一般刚直，但有一定弹性（flexibleorstiff）螺旋壳体中最清楚的是烟草花叶病毒（TMV）将TMV的RNA和外壳蛋白放在一起，病毒

TMV病毒粒子是一个刚直的棒，直径18nm，包含2130个病毒衣蛋壳蛋白（capsidprotein，17.5kDa）。

X-射线对病毒粒子结晶显示，壳体结构由壳体蛋白以螺旋方式构成，而不是由大小相似的盘/碟：

1、螺旋可用数学参数来定义：

它的宽（amplitudediameter），螺距（pitch）。

螺旋是相当简单的结构，由简单部件按恒定关系重复堆砌形成；

2、螺旋对称是由单一蛋白（asingleproteinsubunit）排成病毒壳体的普遍方式；

3、如果螺旋壳体的约束被打破，病毒基因组螺线（spiral）就暴露出来，而包含病毒基因组的螺线很不稳定。

许多动物病毒具有螺旋对称壳体，但都有被膜，如：

流感病毒，腮腺炎病毒（mumpsvirus），麻疹病毒（measlesvirus），和狂犬病病毒（rabiesviruses），所有这些病毒都是单链、负链RNA基因组（single-stranded,negative-senseRNAgenomes）。

它们的壳体分子设计十分相似，病毒核酸和与核酸结合的碱性蛋白在感染细胞内组装成螺旋核衣壳体（helicalnucleocapsid）。

●衣壳二十面体对称（icosahedral/isometriccapsid）

Ø二十面体的基本特征—2-3-5对称（2-3-5symmetry）

⑴30条边，30个二次对称轴（anaxisof2-foldrotationalthroughthecenterofeachedge）

⑵20个面，20个三次对称轴（anaxisof3-foldrotationalsymmetrythroughthecenterofeachface）

⑶12个顶点，12个5次对称轴（anaxisof5-foldrotationalthroughthecenterofeachcorner（vertex）

以相同蛋白质亚基构成二十面体壳体，最简单方式是在20个正三角面的每个顶点排列一个亚基，即一个三角面排三个亚基，20个三角面排60个亚基。

这些亚基之间的相互作用完全等同，构成典型、稳定、最简单的二十面体壳体。

60亚基构成壳体的如：

卫星烟草坏死病毒（satellitetobacconecrosisvirusSTNV）,细菌噬菌体（Microviridae）。

Ø卫星烟草坏死病毒（satellitetobacconecrosisvirus,STNV）

在电子显微镜下，5个亚基聚集成壳体上凸起（vertex）的顶，由于它与五个顶相邻，常称为五邻体凸起（penton,vertices）。

由60个亚基形成壳体时，可认为是由60个蛋白质亚基分别聚集成12个五邻体，

Ø芜箐黄化花叶病毒（Turnipyellowmosaicvirus）

壳体由180个亚基构成，除12个五邻体外（12*5=60），每个三角面上有亚基六聚体（hexamer）顶（vertex，20*6=120）。

六聚体分别与六个顶相邻，故常称为六邻体凸起（hexon）。

180个亚基构成12个五邻体（12*5=60），20个六邻体（20*6=120）。

Ø

松天蚕蛾病毒madaureliavirus

松天蚕蛾病毒madaureliavirus是另外一种20面体排列，在30条棱中央分别出现亚基六聚体顶，形成30个六邻体凸起，所以，由12*5=60和30*6=180，供240个亚基构成正二十面壳体

病毒二十面体的实际结构比理论排列复杂得多，以上60、180、240亚基壳体是最简单的正二十面壳体

有些病毒壳体由几种蛋白亚基构成，其结构更加复杂，如微小病毒（Picornavirus）

Ø腺病毒（adenovirus）壳体由252个壳粒（12个五邻体+240个六邻体）组成，240个六邻体有60个围绕12个五邻体，180个以9个为一组的形式聚合在每一个面的中央

●包膜（lipidenvelope）

脂质包膜是一层覆盖在病毒粒子外病毒粒子外面的脂质双分子膜，在病毒粒子从细胞释放时由宿主细胞膜衍生来。

病毒外膜蛋白通过疏水结构域（hydrophobicdomain）穿过包膜固定（anchored）于病毒粒子外表面，这些蛋白常常是糖蛋白（glycoproteins），参与病毒与细胞受体结合（receptorbinding），膜融合（mambranefusion），病毒释放（virusreleasing）等生命活动。

病毒膜结构及其附属物

许多脊椎动物病毒具有包膜，但只有很少植物病毒具有包膜，且绝大多数属于弹状病毒科（Rhabdoviridae），这可能与宿主细胞构造有关

植物细胞有坚固的细胞壁，如以动物细胞释放病毒的方式释放病毒，就需要在细胞壁上开一条口子。

但这样的限制并没有发展到原核生物中，它们有多个具包膜的病毒

基质（matrix），基质蛋白（matrixprotein，M）

基质（matrix）：

在具包膜的病毒中，核衣壳被一层不定形（anamorphouslayer）基质（matrix）包围，起到连接核衣壳与包膜的作用。

基质蛋白（matrixprotein，M）：

普遍存在于被膜病毒基质部分的蛋白，在连接核衣壳与外核膜中起重要作用，通常是病毒粒子中含量丰富的蛋白。

在VSV病毒粒子中，包含约1800个M蛋白，约1250个N蛋白；反转录病毒壳体中M蛋白占病毒粒子重量的30%。

M蛋白通常不糖基化，含跨膜结构域（TMD）的M蛋白，直接深入到外膜之中；一些M蛋白通过疏水区（hydrophobicpatches）与外膜相连接；或通过与外膜糖蛋白的相互作用（proteininteractions）来维持壳体与外膜的连接。

●复杂病毒的结构（complexvirusstructuers）

Ø痘病毒（Poxviridae）

痘病毒的性是卵圆形或砖形，病毒粒子200-400nm长，痘病毒粒子已达到光学显微镜的分辨率，它于1886年从vaccinelymph中首次由高分辨率的显微镜观察到。

痘病毒基因组很大，编码100多个不同的蛋白，病毒粒子结构复杂，有两层膜包裹，以不同方式获取

Ø呼肠孤病毒（Reoviridae）

无包膜，但是有双层蛋白壳体，在体外十分稳定，粪便污染的水中病毒可存活6-7月

Ø杆状病毒（Baculoviridae）

杆状病毒是节肢动物（arthropods）的病原物，形成：

“棒状”30-90nmX200-450nm核衣壳。

核衣壳外被包膜，包膜外有/没有晶体状的蛋白基质（crystallineproteinmatrix）包外膜的晶体状蛋白壳（uterproteinShell）将病毒包好于其中，成为包含体（occlusionbody）。

1）由核多角体病毒产生的多角体病毒包含体（polyhedralocclusions），直径1000-15000nm，在一个多角体封包中有多个核衣壳。

2）由颗粒病毒属产生的颗粒体病毒包含体（ellipsoidalocclusions）直径在200-500nm，其中通常封包一个病毒粒子。

包含体可以帮助病毒抵抗不利环境，让病毒在被新的宿主消化掉包含体变成感染型之前，在土壤或植被中渡过漫长时间。

在昆虫