上 海 交 通 大 学 生 命 科 学 导 论 病 毒 学 基 础 上 海 交 通 大 学 生 命 科 学 技 术 学 院
I. 病 毒 病 毒 的 发 现 :1892 年 俄 国 的 植 物 病 理 学 家 D.Ivanovsky 研 究 了 烟 草 花 叶 病 的 病 原, 认 为 它 是 一 种 能 通 过 细 菌 滤 器 的 细 菌 毒 素 或 极 小 的 细 菌 1898 年 荷 兰 学 者 M.W.Berijerinck 独 立 进 行 了 烟 草 花 叶 病 病 原 体 的 研 究, 首 次 提 出 其 病 原 是 一 种 传 染 性 的 活 性 液 体 或 称 病 毒 从 此, 许 多 学 者 陆 续 发 现 了 各 种 植 物 病 毒 动 物 病 毒 和 细 菌 病 毒 噬 菌 体
病 毒 的 定 义 病 毒 的 定 义 : 随 着 对 病 毒 研 究 的 不 断 深 入, 原 先 对 病 毒 的 定 义 不 断 地 被 修 改, 至 今 仍 无 一 个 科 学 而 严 谨 的 定 义 但 有 一 个 基 本 的 定 义 : 病 毒 是 一 类 超 显 微 的 非 细 胞 生 物, 每 一 种 病 毒 只 含 有 一 种 核 酸 ; 它 们 只 能 在 活 细 胞 内 营 专 性 寄 生, 靠 其 宿 主 代 谢 系 统 的 协 助 复 制 核 酸 合 成 蛋 白 质 等 组 分, 然 后 进 行 装 配 得 以 繁 殖 ; 在 离 体 条 件 下, 以 无 生 命 的 大 分 子 状 态 长 期 存 在 并 保 持 其 侵 染 活 性
病 毒 的 个 体 特 点 形 体 极 其 微 小, 必 须 在 电 子 显 微 镜 下 才 能 观 察, 一 般 都 可 通 过 细 菌 滤 器 ; 无 细 胞 构 造 ; 主 要 成 分 仅 为 核 酸 和 蛋 白 质 ; 每 一 种 病 毒 只 含 一 种 核 酸,DNA 或 RNA; 无 产 能 酶 系, 也 无 蛋 白 质 合 成 系 统 ; 不 存 在 个 体 的 生 长 ; 营 细 胞 内 专 性 寄 生 ; 在 离 体 条 件 下, 以 无 生 命 的 大 分 子 存 在
病 毒 的 群 体 特 点 种 类 繁 多 多 样 性 丰 富 变 异 迅 速 专 一 性 强 有 致 病 性
i. 种 类 繁 多 所 有 细 胞 生 物 都 应 该 有 病 毒 感 染 感 染 人 的 病 毒 有 上 百 类, 且 不 断 有 新 病 毒 发 现 有 十 多 种 病 毒 感 染 蜜 蜂 举 例 : 感 染 人 的 疱 疹 病 毒 简 单 疱 疹 病 毒 I 型 简 单 疱 疹 病 毒 II 型 人 巨 细 胞 病 毒 Epstein Barr 病 毒 带 状 疱 疹 病 毒 人 疱 疹 病 毒 VI 型 人 疱 疹 病 毒 VII 型 人 疱 疹 病 毒 VIII 型
ii. 多 样 性 丰 富 形 态 : 最 小 : 细 小 病 毒 (20nm) 最 大 : 痘 病 毒 ( 小 细 胞,300nm) 最 长 : 线 状 病 毒 (800-900nm, 最 长 :14000nm) 基 因 组 : 类 型 :DNA/RNA; 单 链 / 双 链 / 部 分 单 链 ; 线 状 / 环 状 ; 分 段 多 分 体
举 例 : 病 毒 基 因 组 的 多 样 性 病 毒 基 因 组 核 酸 RNA DNA 双 链 单 链 双 链 单 链 线 状 环 状 线 状 线 状 环 状 多 片 段 单 片 段 单 片 段 多 片 段
细 菌 病 毒 的 主 要 类 型
接 上 页
动 物 病 毒 的 主 要 类 型 细 小 病 毒 嗜 肝 DNA 病 毒 乳 关 多 瘤 空 泡 病 毒 痘 病 毒 腺 病 毒 虹 彩 病 毒 疱 疹 病 毒
接 上 页 外 衣 病 毒 棒 状 病 毒 小 核 糖 核 酸 病 毒 正 粘 病 毒 布 尼 亚 病 毒 冠 状 病 毒 呼 吸 道 肠 道 病 毒 沙 粒 病 毒 逆 转 录 病 毒 副 粘 病 毒
SARS 病 毒 为 冠 状 病 毒
iii. 变 异 迅 速 病 毒 复 制 周 期 短 子 代 病 毒 数 量 多 RNA 基 因 组 病 毒, 复 制 时 更 容 易 发 生 错 误 DNA 复 制 的 出 错 率 :10-7 -10-11 RNA 复 制 的 出 错 率 :10-4
iv. 宿 主 专 一 性 完 全 依 赖 特 定 的 宿 主 细 胞, 甚 至 是 特 定 的 细 胞 状 态 专 一 性 产 生 的 机 理 : 病 毒 受 体, 复 制 酶, 传 播 载 体 等 等 但 专 一 性 并 非 绝 对 ( 人 畜 共 患 病 )
v. 致 病 性 病 毒 是 许 多 疾 病 的 罪 魁 流 感 病 毒 :1918: 年 大 爆 发, 造 成 2000 万 人 死 亡 人 免 疫 缺 陷 病 毒 (HIV( HIV): 不 到 20 年, 已 造 成 2000 多 万 人 死 亡, 及 数 千 万 病 毒 携 带 者 乙 肝 病 毒 : 中 国 有 1.5 亿 携 带 者, 是 肝 癌 的 重 要 病 因 之 一 但 : 致 病 并 非 病 毒 的 本 意 许 多 古 老 的 病 毒 与 寄 主 建 立 了 平 衡 关 系 大 多 数 病 毒 因 为 无 明 显 致 病 性 而 不 为 人 所 知 很 多 死 亡 其 实 是 人 体 免 疫 系 统 造 成 的
病 毒 与 其 他 微 生 物 的 比 较 是 否 在 培 养 基 上 生 长 是 否 二 分 分 裂 是 否 同 时 具 有 DNA 和 RNA 是 否 具 有 核 糖 体 是 否 具 有 胞 壁 酸 对 抗 生 素 的 敏 感 性 细 菌 是 是 是 是 是 是 支 原 体 是 是 是 是 否 是 立 克 次 氏 体 否 是 是 是 是 是 衣 原 体 否 是 是 是 否 是 病 毒 否 否 否 * 否 * 否 否
II 病 毒 的 形 态 特 征 病 毒 的 个 体 形 态 : 病 毒 的 个 体 极 其 微 小, 结 构 简 单, 但 它 们 却 是 形 态 各 异, 丰 富 多 彩
i. 病 毒 的 大 小 研 究 病 毒 大 小 的 方 法 : 1 电 子 显 微 镜 测 量 法, 可 观 察 病 毒 形 态 结 构, 测 量 病 毒 体 的 大 小 ; 2 分 级 超 过 滤 法, 使 用 超 滤 膜 的 滤 孔, 估 计 病 毒 颗 粒 的 大 小 ; 3 超 速 离 心 沉 淀 法, 根 据 病 毒 的 沉 降 速 度 推 算 病 毒 的 分 子 量 与 大 小 ; 4 X 射 线 衍 射 分 析 法, 研 究 病 毒 的 结 构 和 亚 单 位 等
病 毒 粒 子 的 大 小 :20nm-300nm 有 的 线 形 病 毒 长 达 数 微 米
ii.
病 毒 粒 子 的 基 本 形 态 球 状 杆 状 和 复 合 状 脊 髓 灰 质 炎 病 毒 烟 草 花 叶 病 毒 P2 噬 菌 体 T2 噬 菌 体
病 毒 粒 子 的 基 本 形 态 包 膜 病 毒 与 无 包 膜 病 毒 腺 病 毒 疱 疹 病 毒 流 感 病 毒
弹 状 病 毒
卵 圆 形 病 毒
蝌 蚪 状 病 毒
杆 状 病 毒
砖 型 病 毒
丝 状 病 毒
球 状 病 毒
iii. 病 毒 的 群 体 形 态 : 病 毒 感 染 宿 主 细 胞 后, 可 形 成 由 大 量 病 毒 粒 子 和 蛋 白 质 构 成 的 病 毒 群 体 : 包 含 体 噬 菌 斑 空 斑 病 斑 和 枯 斑
iii.
噬 菌 斑
III. 病 毒 的 化 学 组 成
病 毒 粒 子 的 模 式 结 构 及 名 称 衣 壳 粒 (capsome) 间 质 (tegument) 核 酸 } 核 核 酸 结 心 } 合 蛋 白 核 衣 壳 衣 壳 (capsid) (nucleocapsid) 包 膜 ( 囊 膜, 被 膜 ;envelop) 刺 突 ( 包 膜 子 粒, spike,peplomer)
病 毒 的 核 酸
病 毒 的 蛋 白 质 病 毒 蛋 白 分 为 结 构 蛋 白 和 非 结 构 蛋 白 结 构 蛋 白 指 构 成 一 个 成 熟 的 有 感 染 性 的 病 毒 粒 子 所 必 需 的 蛋 白 质, 包 括 : 壳 体 蛋 白 包 膜 蛋 白 和 存 在 于 毒 粒 中 的 酶 等 ; 非 结 构 蛋 白 指 在 病 毒 复 制 过 程 中 产 生 并 具 有 一 定 功 能, 但 不 结 合 于 病 毒 粒 子 中 的 蛋 白 质
壳 体 蛋 白 的 功 能 能 维 持 病 毒 的 形 态 结 构 ; 保 护 核 酸 ; 具 有 粘 附 作 用, 能 与 细 胞 表 面 结 合, 介 导 病 毒 的 感 染 和 决 定 病 毒 对 细 胞 的 亲 和 性 ; 具 有 抗 原 性
壳 体 蛋 白 是 构 成 病 毒 壳 体 结 构 的 蛋 白 质, 壳 体 蛋 白 的 最 小 单 位 是 由 一 条 或 多 条 多 肽 折 叠 形 成 的 蛋 白 质 亚 基 也 称 为 壳 粒 一 些 简 单 的 病 毒 的 壳 体 蛋 白 仅 有 一 种 或 少 数 几 种 蛋 白 质 组 成, 而 一 些 复 杂 病 毒 则 可 多 达 20 余 中 壳 体 蛋 白 的 功 能 是 保 护 病 毒 的 核 酸 不 同 病 毒 的 壳 粒 数 目 和 排 列 方 式 不 同, 可 构 成 多 种 对 称 类 型
i. 螺 旋 对 称 形 壳 粒 沿 病 毒 基 因 螺 旋 对 称 排 列, 形 成 杆 状 的 核 衣 壳, 如 烟 草 花 叶 病 毒 狂 犬 病 病 毒 正 粘 和 副 粘 病 毒 烟 草 花 叶 病 毒 为 杆 状 ; 狂 犬 病 病 毒 为 弹 状 ; 正 粘 病 毒 ( 流 感 病 毒 ) 和 副 粘 病 毒 为 多 形 性 结 构, 且 有 包 膜
烟 草 花 叶 病 毒
刚 性 与 柔 性 病 毒 粒 子 烟 草 花 叶 病 毒 : 病 毒 粒 子 刚 硬, 不 易 弯 曲 受 外 力 时 易 折 断 水 稻 条 纹 叶 枯 病 病 毒 : 可 弯 曲 变 形 水 稻 条 叶 枯 病 毒
有 包 膜 螺 旋 的 对 称 病 毒 埃 博 拉 病 毒 : 在 柔 性 的 螺 旋 对 称 纤 维 外 面 覆 以 包 膜 埃 博 拉 病 毒 的 病 毒 粒 子 美 国 电 影 极 度 恐 慌 (Outbreak)
有 包 膜 螺 旋 的 对 称 病 毒 ( 续 ) 副 粘 病 毒 (Nipahvirus): 螺 旋 对 称 的 病 毒 核 衣 壳 缠 绕 成 团, 外 覆 以 包 膜
有 包 膜 螺 旋 的 对 称 病 毒 ( 续 ) 麻 疹 病 毒 ( 副 粘 病 毒 )
有 包 膜 螺 旋 的 对 称 病 毒 ( 续 ) 流 感 病 毒 :RNA 基 因 组 分 成 8 个 片 段, 它 们 分 别 形 成 螺 旋 对 称 核 衣 壳, 然 后 聚 集 在 一 起, 外 覆 以 包 膜
流 感 病 毒
有 包 膜 螺 旋 的 对 称 病 毒 ( 续 ) 狂 犬 病 毒 ( 弹 状 病 毒 ): 螺 旋 对 称 的 核 衣 壳 为 短 杆 状, 外 覆 包 膜, 但 一 端 内 陷, 呈 子 弹 状
ii. 二 十 面 体 对 称 壳 粒 排 列 形 成 20 面 体 对 称 型, 有 12 个 顶 20 个 面 和 30 条 棱 的 立 体 结 构, 包 裹 核 酸 形 成 球 状 或 近 似 球 状 的 结 构 20 面 体 的 每 个 面 都 是 等 边 三 角 形, 由 许 多 壳 粒 镶 嵌 组 成, 见 于 多 数 球 状 病 毒 肠 道 病 毒 中 的 脊 髓 灰 质 炎 病 毒 柯 萨 奇 病 毒 都 是 20 面 体 对 称 球 形
二 十 面 体 的 特 点 : 容 量 大 接 近 球 形 对 称 性 好 5-3-2 对 称 二 重 对 称 轴 三 重 对 称 轴 五 重 对 称 轴
双 层 多 层 二 十 面 体 衣 壳 轮 状 病 毒
双 层 多 层 二 十 面 体 衣 壳 ( 续 ) 花 椰 菜 花 叶 病 毒 (Caulimovirus) 的 三 层 结 构
包 膜 病 毒 许 多 动 物 病 毒 具 有 包 膜 疱 疹 病 毒
包 膜 病 毒 ( 续 ) 乙 型 肝 炎 病 毒 (HBV)
包 膜 病 毒 ( 续 ) 人 免 疫 缺 陷 病 毒 (HIV) 衣 壳 形 成 时 为 二 十 面 体, 在 病 毒 粒 子 包 装 成 熟 时 塌 陷 成 楔 状
iii. 复 合 对 称 病 毒 体 的 结 构 较 为 复 杂, 其 壳 粒 排 列 既 有 螺 旋 对 称, 又 有 立 体 对 称 的 形 式, 如 痘 病 毒 和 噬 菌 体
病 毒 包 膜 某 些 病 毒 在 衣 壳 蛋 白 外 由 一 层 包 膜 围 绕 包 膜 由 脂 类 蛋 白 质 和 糖 蛋 白 组 成 大 多 数 有 包 膜 病 毒 呈 球 形 或 多 形 态, 但 痘 病 毒 呈 砖 型, 包 膜 来 自 细 胞 膜, 但 包 膜 蛋 白 几 乎 都 由 病 毒 基 因 编 码 包 膜 的 功 能 与 表 面 刺 突 相 关 刺 突 为 糖 蛋 白, 能 与 红 细 胞 结 合 的 糖 蛋 白 谓 血 凝 素 (HA); 与 细 胞 表 面 神 经 氨 酸 起 作 用 的 称 神 经 氨 酸 酶 (NA)
病 毒 包 膜 副 粘 病 毒 ( 副 流 感 病 毒 新 城 鸡 瘟 病 毒 腮 腺 炎 病 毒 和 麻 疹 病 毒 等 ) 的 包 膜 糖 蛋 白 gi 和 ge 为 IgGF c 的 受 体, 与 IgG 的 F c 段 结 合, 抗 体 无 法 对 病 毒 和 病 毒 感 染 细 胞 发 挥 作 用 ; 人 类 免 疫 缺 陷 病 毒 (HIV) 的 包 膜 糖 蛋 白 gp120 和 gp41 能 与 CD 4 T 细 胞 表 面 受 体 结 合
HIV 病 毒
IV. 病 毒 的 分 类 最 初 病 毒 的 分 类 是 基 于 它 们 的 致 病 性 或 宿 主 的 性 质, 只 要 具 有 共 同 的 特 性 就 可 以 将 它 们 归 为 一 个 类 群, 然 而 病 毒 还 有 很 多 更 重 要 的 特 征 ( 如 病 毒 的 结 构 和 组 成 ), 引 起 了 病 毒 学 家 的 广 泛 关 注 在 1995 年 召 开 的 国 际 病 毒 分 类 委 员 会 (ICTV) 的 第 6 次 报 告 会 议 上 通 过 的 国 际 分 类 系 统, 包 括 1 个 目,71 个 科,11 个 亚 科 和 164 个 属 ( 含 有 4000 多 种 病 毒 )
病 毒 分 类 的 主 要 指 标 病 毒 分 类 与 其 它 生 物 有 明 显 的 不 同 病 毒 是 分 子 生 物, 其 分 类 很 大 程 度 上 依 赖 于 生 物 化 学 和 生 物 物 理 的 性 质 病 毒 分 类 的 主 要 指 标 形 态 : 大 小 形 状 衣 壳 对 称 性 和 结 构 有 否 包 膜 和 包 膜 子 粒 物 理 化 学 : 分 子 量 浮 力 密 度 沉 降 系 数 稳 定 性 (ph 热 阳 离 子 溶 剂 变 性 剂 ) 基 因 组 : 类 型 大 小 单 / 双 链 线 / 环 状 正 / 负 / 双 义 链 是 否 分 段 及 片 段 大 小 和 数 量 核 酸 序 列 重 复 序 列 GC 比 末 端 结 构
病 毒 分 类 的 主 要 指 标 ( 续 ) 蛋 白 质 : 病 毒 蛋 白 的 数 大 小 和 功 能 其 他 功 能 蛋 白 ( 转 录 酶 反 转 录 酶 凝 血 蛋 白 神 经 氨 酸 酶 和 融 合 活 性 等 ) 氨 基 酸 序 列 糖 基 化 磷 酸 化 等 抗 原 表 位 脂 类 : 成 份 性 质 等 糖 类 : 成 份 性 质 等 基 因 组 结 构 与 复 制 : 基 因 组 结 构 复 制 策 略 开 放 阅 读 框 数 量 和 位 置 转 录 转 译 特 性 转 译 后 加 工 病 毒 蛋 白 聚 集 和 病 毒 组 装 的 位 置, 病 毒 成 熟 与 释 放 的 部 位 和 特 性 抗 原 特 性 : 与 其 它 病 毒 的 血 清 学 关 系 生 物 学 性 质 : 天 然 寄 主 范 围 在 自 然 界 中 传 播 的 机 制 媒 介 生 物 地 理 分 布 致 病 性 组 织 趋 性 组 织 病 理 学
现 行 病 毒 分 类 体 系 i. 病 毒 种 名 : 不 采 用 双 名 法 和 优 先 法 则 病 毒 种 的 命 名 由 几 个 有 实 际 意 义 的 词 组 成 : 噬 菌 体 : 由 于 寄 主 病 症 类 似, 常 用 字 母, 数 字 表 示, 例 :T4,l 植 物 和 昆 虫 病 毒 : 寄 主 + 病 症 +Virus: 例 :Tobacco mosaic virus ( 烟 草 花 叶 病 毒 ) Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus( 家 蚕 核 型 多 角 体 病 毒 )
i. 病 毒 种 名 ( 续 ): 病 毒 种 的 命 名 由 几 个 有 实 际 意 义 的 词 组 成 ( 续 ) 动 物 病 毒 : 多 种 类 型 寄 主 + 病 毒 类 型 (+ 数 字 ): human herpesvirus 8 人 疱 疹 病 毒 8 型 寄 主 + 病 症 +virus(+ 数 字 ): human immunodeficient virus-1 人 免 疫 缺 陷 病 毒 发 现 者 +virus( 现 已 取 消, 但 已 有 的 可 沿 用 ): Eppestein-Barr Virus EB 病 毒 发 现 地 +virus: Nipah virus 尼 帕 病 毒
i. 病 毒 种 名 ( 续 ): 病 毒 名 称 用 斜 体 书 写, 首 字 母 大 写 现 共 有 已 定 名 的 病 毒 6000 余 种 暂 定 种 (tentative species): 当 ICTV 不 能 肯 定 某 病 毒 的 分 类 地 位 时, 该 病 毒 可 以 作 为 暂 定 种 列 入 适 宜 的 属 和 科 是 病 毒 分 类 中 的 一 个 特 点 暂 定 种 不 用 斜 体, 第 一 个 字 母 采 用 大 写
病 毒 的 分 类 随 着 分 子 生 物 学, 血 清 学 和 电 子 显 微 术 的 发 展, 分 类 学 上 基 于 的 特 征 也 越 来 越 多 如 今 需 要 考 虑 的 因 素 包 括 : 病 毒 的 形 态 学 特 征 物 理 学 和 物 理 化 学 特 征 基 因 组 病 毒 蛋 白 脂 类 糖 类 抗 原 和 生 物 学 特 征 有 人 估 计 用 来 定 义 一 个 病 毒 必 须 考 虑 500~700 个 特 征
ii. 病 毒 分 类 阶 元 病 毒 分 类 已 采 用 通 用 的 种 属 科 目 系 统 确 定 病 毒 目 基 因 组 核 酸 类 型 : - DNA/RNA - 单 / 双 链 - 是 否 有 逆 转 录 过 程 - 基 因 组 的 极 性 ( 正 链 / 负 链 ) 确 定 病 毒 科 : - 病 毒 颗 粒 的 形 态 / 基 因 组 组 成 结 构 / 复 制 方 式 等
ii. 病 毒 分 类 阶 元 ( 续 ) 病 毒 目 : 是 目 前 最 高 的 分 类 阶 元 - 是 一 群 具 有 某 些 共 同 特 征 的 科 - 词 尾 : -virale - 现 共 有 三 个 病 毒 目 : 有 尾 噬 菌 体 目 单 分 子 负 链 RNA 病 毒 目 套 病 毒 目
ii. 病 毒 分 类 阶 元 ( 续 ) 病 毒 科 : 科 名 的 词 尾 为 viridae 尚 未 将 所 有 的 病 毒 科 都 归 属 入 某 一 个 目 在 没 有 适 当 目 的 情 况 下, 科 可 以 是 最 高 的 病 毒 分 类 等 级 现 共 有 近 70 个 科, 其 中 多 数 并 不 属 于 已 有 的 三 个 目 病 毒 属 : 属 名 的 词 尾 为 virus 设 立 一 个 新 的 病 毒 属 时 必 需 有 一 个 同 时 被 承 认 的 代 表 种 (type species)
ii. 病 毒 分 类 阶 元 ( 续 ) 除 一 般 的 病 毒 毒 外, 还 有 亚 病 毒 因 子 (subviral agent): 卫 星 类 病 毒 朊 病 毒