微生物学：第3章 病毒

1、病毒病毒 Viruses 病毒概述 病毒概述 病毒粒子的形态结构 病毒的群体形态 病毒的分类及分类系统 噬菌体 动物病毒和植物病毒 亚病毒 病毒概述 病毒(virus) 由核酸和/或蛋白质等成分组成的超显微非细 胞生物 特点 遗传因子只含DNA或RNA两者之一 严格的活细胞内寄生 在特定的寄主细胞内以复制的方式进行繁殖； 具有侵染力； 以感染态和非感染态两种状态存在 病毒与细胞结构生物的比较 病毒 结构简单 只含有DNA或 RNA 活细胞体外不能增殖 专性细胞内寄生 细胞生物 结构复杂 具有DNA 和 RNA 进行细胞分裂 一些为专性细胞内寄生 研究历史 1892 Ivanovski首次发现烟

2、草花叶病致病因子 1898 荷兰Beijrinck发现酒精可将致病因子沉淀 下来而不失感染力，能够在琼脂凝胶中扩散， 但用培养细菌的方法培养不出来，起名为病毒 (Virus) 随后，多种可通过细菌滤器的致病因子被发现 1930s，电子显微镜和超速离心机的应用，病毒 的形态、结构及化学组成被确定 病毒粒子（Virion） 病毒粒子 具有感染性的完整病毒颗粒，体外形式 由蛋白包裹的一个或几个DNA分子 或 RNA分 子组成 可能具有附加层 体内形式 病毒粒子的一般结构 核酸核心 衣壳（capsid） 包裹病毒基因组的蛋白外壳 保护基因组并协助病毒在宿主 细胞之间迁移 衣壳粒: 组成衣壳的蛋白单位

3、核衣壳（nucleocapsid） 包膜（envelope） 刺突（spike） 病毒粒子大小 病毒粒子的对称性 螺旋 复合对称 二十面体 包膜 烟草花叶病毒 （tobaco mosaic virus TMV） 结构 直径：15 nm 长度：300 nm 核心：线性单链RNA, 6390bp, 5% 。 衣壳:2130 个衣壳粒 158 个氨基酸 螺旋状对称螺旋状对称 Helical symmetry 二十面体对称二十面体对称 Icosahedral symmetry 腺病毒（Adenovirus） 结构 二十面体, 70-80 nm，12 个顶 点， 20个面和 30 条边 核心：线性双链D

4、NA， 36500 bp 衣壳：252个衣壳粒 12个五邻体， 240个六邻体， 12个刺突 二十面体衣壳及结构 规则的多面体，具有 20个等边三角形和12 个顶点，42个壳粒 衣壳粒（capsomer） 五邻体 含五个亚基， 位于12个顶点上 六邻体 含六个亚基， 构成棱和面 复杂对称复杂对称 Complex symmetry 双对称Binal symmetry 头端：二十面体, 双链DNA 170kbp 颈部： 尾端：螺旋状， 由部分组成 病毒包膜和酶 病毒的包膜viral envelopes 一些病毒表面的膜结构 通常为宿主细胞膜结构的衍生物 包膜上的脂类和糖类 刺突（Spikes） 包

5、膜上的蛋白：病毒特异性 病毒酶viral enzymes 在一些病毒中有发现 与衣壳有关或直接存在于衣壳中 流感病毒 Influenza virus 血凝素刺突血凝素刺突 神经胺酸酶神经胺酸酶 病毒结构 噬菌斑plaque： 菌 苔上形成）或空斑 （在宿主单层细胞 培养） 枯斑 lesion 病毒在植物叶片 上形成的斑块 包涵体（inclusion body） 病毒群体形态 效价及其测定 效价 每毫升病毒悬液的感染单位数量 形成噬菌斑单位数 双层平板法 裂解量 每个感染细胞中释放的噬菌体平均数量 一步生长试验 一步生长试验 噬菌体和宿主菌混合噬菌体和宿主菌混合 短时孵育短时孵育 (病毒吸附病毒

6、吸附) 高倍稀释高倍稀释 (释放的病毒不能感染细胞释放的病毒不能感染细胞) 定时取样测定病毒效价定时取样测定病毒效价 free viruses no virions either free or within host latent period no viruses released from host rise period viruses released 噬菌斑plaque： 菌 苔上形成）或空斑 （在宿主单层细胞 培养） 枯斑 lesion 病毒在植物叶片 上形成的斑块 包涵体（inclusion body） 病毒群体形态 包涵体 核酸 e.g., 衣壳lambda phage ha

7、s linear genome in capsid 宿主体内的环状 基因组 粘性末端 线性 环状 单链RNA病毒类型 正链RNA 病毒 基因组RNA核酸序列与病毒mRNA是相同的 负链RNA 病毒 基因组RNA核酸序列与病毒mRNA是互补的 分段基因组（segmented genomes） 病毒粒子含有一个以上的RNA片段 病毒概述 病毒概述 病毒粒子的形态结构 病毒的群体形态 病毒的分类及分类系统 噬菌体 动物病毒和植物病毒 亚病毒 病毒分类 Viral Taxonomy 对病毒的起源和进化历史还缺少了解 退行性进化学说 胞内遗传物质脱离控制形成学说 可能两种都成立 表征而非系统发育分类系统

8、 所有的病毒可分为65 个科，9个亚科和200-300 属。 其分类基于很多的特征。 用于病毒分类的重要特征 核酸特征 宿主动物，植物，细菌的自然属性 衣壳对称性 包膜 病毒粒子或核衣壳的直径 致病性 细菌病毒细菌病毒 噬菌体 Bacteriophages 噬菌体: 细菌病毒 分类: 两个标准 噬菌体形态 核酸特征 大多数为双链DNA 主要噬菌体 的科和属 噬菌体的繁殖 5个步骤: 吸附(Attachment), 侵入(penetration), 增殖(Replication) 装配(Assembly) 释放(Release) 烈性噬菌体 在增殖周期裂解宿主 裂解性周期 温和噬菌体 吸附和侵入

9、 受体 宿主表面的特异结构利于病毒吸附 每一种病毒都有特异的受体 可以是蛋白质，脂多糖，磷壁质酸等 T4噬菌体：吸附机制不同于其他噬菌体尾管在宿主上形成 孔利于DNA注入空壳留在宿主核外 复制(Replication) 噬菌体核酸和 蛋白质的合成 复杂，连续的 过程 与核酸类型 T4 噬菌体的 繁殖 T4 噬菌体的复制 装配 (Assembly) 释放（Release） T4 通过一些蛋白质裂解宿主细胞 内溶菌素攻击细胞壁肽聚糖 穿孔素破坏细胞膜 其他噬菌体 生成能够破坏细胞膜结构的酶 温和性噬菌体和溶源性 溶源性（Lysogeny） 噬菌体和宿主之间不具有裂解与被裂解关系 通常噬菌体基因组整

10、合到宿主DNA中 前噬菌体被整合的噬菌体基因组 溶源菌 被感染的宿主菌 温和噬菌体 具有溶源性的噬菌体 诱导 噬菌体复制受抑制阶段 丝裂霉素C ，紫外线，辐射 诱发转变为裂解循环 溶源性转化 溶源现象引起宿主表型的变化 沙门氏菌（Salmonella lipopolysaccharide） 脂多糖结构的修正 白喉棒杆菌（Corynebacterium diphtheriae） 产生白喉毒素 动物病毒动物病毒 动物病毒的类型和形态动物病毒的类型和形态 动物病毒动物病毒是指感染于动物细胞并在其内增殖的是指感染于动物细胞并在其内增殖的 病毒病毒 动动 物物 病病 毒毒 脊椎动物病毒脊椎动物病毒（寄生

11、在人和脊椎动物细胞内）（寄生在人和脊椎动物细胞内） 无脊椎动物病毒无脊椎动物病毒（主要是昆虫病毒，其次是（主要是昆虫病毒，其次是 发现于蛛形纲和甲壳纲）发现于蛛形纲和甲壳纲） 引起疾病、肿瘤引起疾病、肿瘤 用作生物农药用作生物农药 非洲猪瘟病毒科非洲猪瘟病毒科 脊椎动物痘病毒亚科脊椎动物痘病毒亚科 痘病毒科痘病毒科 虹彩病毒科虹彩病毒科 蛙病毒属蛙病毒属 淋巴囊肿病毒属淋巴囊肿病毒属 多瘤病毒科多瘤病毒科 腺病毒科腺病毒科 乳头瘤病毒科乳头瘤病毒科疱疹病毒科疱疹病毒科 嗜肝嗜肝DNA病毒科病毒科 圆环病毒科圆环病毒科 细小病毒科细小病毒科 细小病毒亚科细小病毒亚科 脊椎动物病毒的主要类群和形态

12、脊椎动物病毒的主要类群和形态 副粘病毒科副粘病毒科 非毒粒蛋白弹状病毒属非毒粒蛋白弹状病毒属 短暂热病毒属短暂热病毒属 水泡性病毒属水泡性病毒属 狂犬病病毒属狂犬病病毒属 弹状病毒科弹状病毒科 正粘病毒科正粘病毒科 病毒属病毒属 博尔纳病毒科博尔纳病毒科 逆转录病毒科逆转录病毒科 丝状病毒科丝状病毒科 沙粒病毒科沙粒病毒科 白蛉热白蛉热病毒属病毒属 内罗内罗病毒属病毒属 汉坦汉坦病毒属病毒属 布尼亚病毒属布尼亚病毒属 布尼亚病毒科布尼亚病毒科 水生动物呼肠孤病毒属水生动物呼肠孤病毒属 轮状病毒属轮状病毒属 科罗拉多蜱传热症病毒属科罗拉多蜱传热症病毒属 环状病毒属环状病毒属 正呼肠孤病毒属正呼肠

13、孤病毒属 呼肠孤病毒科呼肠孤病毒科 禽双禽双RNA病毒属病毒属 水生动物双水生动物双RNA病毒属病毒属 双双RNA病毒科病毒科 动脉炎病毒科动脉炎病毒科 冠状病毒科冠状病毒科 黄病毒科黄病毒科 星状病毒科星状病毒科 小小RNA病毒科病毒科 披膜病毒科披膜病毒科 杯状病毒科杯状病毒科 野田村病毒属野田村病毒属 野田村病毒科野田村病毒科 类戊型肝炎病毒属类戊型肝炎病毒属 动物病毒的生活周期动物病毒的生活周期 复制周期（复制周期（replication cycle） 吸附吸附 侵入侵入 生物合成生物合成 装配成熟与释放装配成熟与释放 （三）复制（三）复制（replication） 病毒核酸的转录，寄

14、主细胞病毒核酸的转录，寄主细胞DNA、RNA 和蛋白质合成的停止，以及病毒核酸的复制、和蛋白质合成的停止，以及病毒核酸的复制、 蛋白质的合成。蛋白质的合成。 病毒核酸转录成病毒核酸转录成mRNA是关键的一步是关键的一步 7条合成条合成mRNA的途径的途径 dsDNA ss DNA dsRNA (+)ssRNA (-)ssRNA 具有具有DNA中间体的中间体的(+)ssRNA病毒（逆转录病毒）病毒（逆转录病毒） 具有具有RNA中间体的中间体的dsDNA 病毒病毒 7条合成条合成mRNA的途径的途径 DNA病毒的复制周期病毒的复制周期 dsDNA病毒的复制周期（腺病毒、单疱疹病毒的复制周期（腺病毒

15、、单疱疹 病毒、痘病毒）病毒、痘病毒） dsDNA病毒复制示意图病毒复制示意图 （1）病毒与细胞结合；）病毒与细胞结合； （2）病毒进入细胞，去包膜；）病毒进入细胞，去包膜； （3）脱壳；）脱壳； （4）病毒）病毒DNA进入细胞核；进入细胞核； （5）病毒基因组复制，合成子代）病毒基因组复制，合成子代 病毒及病毒病毒及病毒mRNA； （6）以病毒基因转录的）以病毒基因转录的mRNA进进 入细胞质；入细胞质； （7）病毒）病毒mRNA翻译病毒子代蛋翻译病毒子代蛋 白，包括早期蛋白和晚期蛋白，包括早期蛋白和晚期蛋 白；白； （8）装配子代病毒；）装配子代病毒； （9）出核，同时披上包膜；）出核，同

16、时披上包膜； （10）释放到胞外）释放到胞外 HIV模型图模型图 脂双层膜脂双层膜 gp120gp120 gp41gp41 包膜糖蛋白包膜糖蛋白 p24p24衣壳蛋白衣壳蛋白 p17p17内膜蛋白内膜蛋白 p7p7核衣壳蛋白核衣壳蛋白 逆转录酶逆转录酶 蛋白酶蛋白酶 整合酶整合酶 （1）病毒体与细胞受体（）病毒体与细胞受体（CD4）结合；）结合； （2）病毒进入细胞，去包膜；）病毒进入细胞，去包膜； （3）脱衣壳；）脱衣壳； （4）以病毒基因组（）以病毒基因组（RNA）为模板，由病）为模板，由病 毒逆转录酶作用逆转录合成毒逆转录酶作用逆转录合成cDNA， 形成中间体；形成中间体； （5）以）以

17、cDNA为模板合成双链为模板合成双链DNA； （6）双链）双链DNA进入细胞核；进入细胞核； （7）整合到宿主细胞染色体，成为）整合到宿主细胞染色体，成为原病毒原病毒 (provirus)； （8）原病毒被激活，转录出子代）原病毒被激活，转录出子代RNA； （9）一部分子代）一部分子代RNA与核糖体结合，翻译与核糖体结合，翻译 子代蛋白，另一部分直接装配为子代子代蛋白，另一部分直接装配为子代 病毒体；病毒体； （10）翻译子代结构蛋白和酶蛋白；）翻译子代结构蛋白和酶蛋白； （11）合成的酶蛋白参与逆转录；）合成的酶蛋白参与逆转录； （12）子代病毒体形成；）子代病毒体形成； （13）子代病毒获

18、包膜并释放）子代病毒获包膜并释放 RNA反转录病毒复制示意图反转录病毒复制示意图 有包膜的动物病毒是在从宿主细胞核芽出或细胞质膜芽出 的过程中裹上包膜而形成包膜病毒 昆虫病毒 分布于至少7个病毒科 感染后通常形成小颗粒或多角形包涵体 是防治昆虫害虫的生物防治因子 核型多角体病毒 (NPV): 杆状病毒科, dsDNA, 多角 体含多个病毒粒子，在核内形成。 颗粒体病毒GV：杆状病毒科, dsDNA, 包含体含一 个病毒颗粒IB with 1 virion 质多角体病毒CPV: 呼肠孤病毒科， dsRNA, 二十面 体, 多角体含多个病毒粒子, 在细胞质中形成 核多角体病毒核多角体病毒 质多角体

19、病毒质多角体病毒 颗粒体病毒颗粒体病毒 植物病毒植物病毒 植物病毒Plant Viruses 引起多种植物疾病 由于在植物细胞中难以繁殖和纯化，比 较噬菌体和细菌，其研究还不够深入。 大部分为单链RNA 植物病毒 分类 多数为RNA 病毒 呼肠孤病毒科呼肠孤病毒科 分病毒科分病毒科 弹状病毒科弹状病毒科 布尼亚病毒科布尼亚病毒科 双生病毒科双生病毒科 花椰菜花叶病毒科花椰菜花叶病毒科 烟草花叶烟草花叶 病毒属病毒属 假病毒科假病毒科 病毒粒子形态 大部分病毒为球状 （二十面体对称）， 杆状和线状，少数为 弹状（螺旋对称） 通常无包膜 特异性不如动物病毒 那么强 。 植物病毒的增值 例如：烟草花

20、叶病毒 (TMV) 丝状，正链RNA 病毒 RNA 复制 依赖于宿主或病毒 编码的反转录酶 蛋白质合成 病毒基因组作为 mRNA 新的病毒粒子自装配 RNA穿过螺旋的中心孔并在 生长端形成一个可移动的环 植物病毒的传播 通过风、动物、种子、茎杆和花粉传播 由于植物中坚韧的细胞壁，通常需要对 植物进行机械破坏 食植物昆虫大部分是传播植物病毒的重 要因子 亚病毒 Subvirus 仅由核酸或蛋白两种组分中的一种组成的 病毒 类病毒(Viroids) 卫星病毒（Satellite virus）： 卫星核酸： 缺陷干扰颗粒： 朊病毒： 类病毒(Viroids) 是一类只含RNA，专性寄生在活细胞内的分

21、子病原体 由ssRNA组成，250-370bp，存在于宿主核内，大部分形成碱 基对，不成对的碱基成环，看起来像dsRNA, 代表性种类：马铃薯纺锤形块茎病(potato spindle tuber disease PSTD )， 1971年发现。 只在植物中发现，引起植物疾病，20多种植物疾病的病原物， 从潜伏感染到死亡，传播方式多样 在生命科学研究中起重要作用 卫星病毒 某种病毒的复制专门依赖于另外一种病毒，前者称 为卫星病毒，后者称为它的辅助病毒（helper virus）， 如卫星烟草坏死病毒（STNV）与烟草坏死病毒（TNV）； 丁型和乙型肝炎病毒； 卫星核酸（RNA），包裹在辅助病毒

22、壳体内中的小 核酸（RNA）分子，其复制依赖于辅助病毒 黄瓜花叶病毒CMV：4+1个RNA：0.3-1.11Mbp+0.12Mbp 卫星RNA能加重或减轻辅助病毒引起的寄主症状 卫星病毒与卫星核酸的异同卫星病毒与卫星核酸的异同 同： 都是亚病毒侵染因子的一类，它们缺少独立的复制能力, 需要辅助病毒才能复制其核酸。 异： 卫星病毒：可编码自己的外壳蛋白，因而有单独的核衣壳。 其衣壳蛋白是由自身的核酸编码的，所以其抗原性与辅助 病毒不同。 卫星核酸：需利用辅助病毒的衣壳蛋白，卫星核酸分子通 常包膜在辅助病毒的衣壳内。 缺陷干扰颗粒 （defective interfering particle,

23、DI） 包被在典型病毒壳体内，只含病毒基因组的部 分基因的病毒颗粒 不能完成复制循环，而且不能合成壳体蛋白， 需要与同源病毒共同感染才能复制 所有病毒都可能产生相应的DI颗粒 由于DI颗粒基因组比正常病毒小，复制更快， 所以在与其正常病毒共同感染时占优势，从而 干扰了正常病毒的复制。 DI 颗粒、卫星病毒、卫星核酸颗粒、卫星病毒、卫星核酸 、类病毒性质的比较表、类病毒性质的比较表 性质性质 DI 颗粒颗粒 卫星病毒卫星病毒 卫星卫星 核酸核酸 类病毒类病毒 依赖辅助病毒复制依赖辅助病毒复制 是是 是是 是是 否否 包被于自身的衣壳内包被于自身的衣壳内否否 是是 否否 否否 包被于辅助病毒的衣壳内