第五章 遗传与变异

1、1 第五章第五章 病毒的遗传与变异病毒的遗传与变异生命科学与技术学院生命科学与技术学院 李李 灏灏 2种瓜得瓜，种豆得豆；种瓜得瓜，种豆得豆；龙生龙，凤生凤，老龙生龙，凤生凤，老鼠生仔会打洞。鼠生仔会打洞。遗传遗传一猪生九仔，连母十一猪生九仔，连母十个样。个样。 变异变异3稳定性稳定性变异变异具有具有存在存在核酸核酸进化理论的发展进化理论的发展基因变异基因变异生物性状变化生物性状变化4病毒遗传的特点病毒遗传的特点1、遗传方式简单2、受宿主细胞影响3、易产生变异56789101112 二、突变的机制二、突变的机制 自发性突变(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、 自发脱碱基、 细胞的代谢产物对D

2、NA的损伤) 物理因素引起的突变(电离辐射、紫外线、热诱变等) 化学因素引起的突变（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等） 13突变的原因突变的原因诱因物理因素：化学因素：如X射线、激光等亚硝酸、硫酸二乙酯、二口恶口英、秋水仙素等在没有这些外来因素影响时，基因突变也会由于DNA分子复制偶尔发生错误，DNA的碱基组成发生改变等原因发生自发改变。外因内因相互作用1415HIVHIV的变异的变异变异变异变异变异HIV基因组可发生变异，最易变异的是编码包膜糖蛋白的env基因和调节基因nef。 env基因核苷酸变异概率每年每个位点0.1%，其变异率与流感病毒相似。根据nef基因序列的异同，将HIV-1分M、O

3、、N等3组（group）12个亚型(subtype)；HIV-2分为A-F等6个亚型。gp120 gp411617 HIV 病毒株变异的结果： 抗免疫识别 抗未来疫苗诱导的免疫力 更适于复制 更具致病力 更易持续 更易于传播 不同的细胞嗜性突变 - 多样化 - 进化1819SHANXIFUJIANXIZHANGHEILONGJIANGJILINLIAONINGNEIMENGGUBeijingTian JinQINGHAIHEBEININGXIAGANSUSHAN XIANHUIHENANSHANDONGShang HaiJIANGXIHUBEIJIANGSUHUNANGUANGDONGGUAN

4、GXIGUIZHOUHAINANYUNNANSICHUANTAIWANXINJIANGChong QingZHEJIANGCRF07-BCBCRF01-AEB传入我国C传入我国CRF08-BC2021三、病毒突变的类型三、病毒突变的类型22四、病毒突变体四、病毒突变体23242526突变株（突变株（mutant）：）：因基因改变而发生某些生物特性改变的病毒株。变异株（变异株（variant)：当该突变株能较稳定地存在，并可在相应的宿主或细胞中传代与存活，则称为变异株。由于病毒群体中常同时存在基因组略有不同的病毒体，因此在研究中常利用病毒稀释后在单层细胞形成空斑，经三次纯化而获得纯度高的毒株。

5、27（+）3，5 5，3，5，RNADNA多聚酶多聚酶PC（-）Pre CPreS1PreS2SXHBV基因结构及其突变基因结构及其突变HBsAg编码编码DNA多聚酶多聚酶HBcAgHBeAg 编码编码HBxAg282930ABababABaBAb基因组不分节段的病毒的重组基因组不分节段的病毒的重组31分节段基因组病毒的基因重组（交换基因节段）称重配（reassortment）。发生几率较高。3233 活病毒间的重组活病毒间的重组 例如流感病毒两个亚型例如流感病毒两个亚型 之间可基因重组，产生之间可基因重组，产生 新的杂交株，即具有一新的杂交株，即具有一 个亲代的血凝素和另一个亲代的血凝素和另

6、一 亲代的神经氨酸酶。这亲代的神经氨酸酶。这 在探索自然病毒变异原在探索自然病毒变异原 理中具有重要意义。流理中具有重要意义。流 感每隔十年左右引起一感每隔十年左右引起一 次世界性大流行，可能次世界性大流行，可能 是由于人的流感病毒与是由于人的流感病毒与 某些动物（鸡、马、猪）某些动物（鸡、马、猪） 的流感病毒间发生基因的流感病毒间发生基因 重组所致。重组所致。 3435shiftdrift由于点突变而引起流感病毒的抗原性逐渐发生变异称为抗抗原漂移原漂移。由于基因重组导致的变异则称为抗原转移抗原转移。36抗原转移抗原转移373839 死死 活活 病病 毒毒 间间 的的 重重 组组 例如将能在鸡

7、胚中生长良好的甲型流例如将能在鸡胚中生长良好的甲型流 感病毒（感病毒（A0或或A1亚型）疫苗株经紫外亚型）疫苗株经紫外 线灭活后，再加亚洲甲型（线灭活后，再加亚洲甲型（A2亚型）亚型） 活流感病毒一同培养，产生出具有前活流感病毒一同培养，产生出具有前 者特点的者特点的A2亚型流感病毒，可供制作亚型流感病毒，可供制作 疫苗，此称为交叉复活疫苗，此称为交叉复活(Cross reactivation)4041 灭灭 活活 病病 毒毒 间间 的的 重重 组组灭活的两株同种病毒，若一同培养后，常灭活的两株同种病毒，若一同培养后，常可使灭活的病毒复活，产生出感染性病毒可使灭活的病毒复活，产生出感染性病毒体

8、，此称为多重复活（体，此称为多重复活（Multiplicity reactivation），这是因为两种病毒核酸），这是因为两种病毒核酸上受损害的基因部位不同，由于重组合相上受损害的基因部位不同，由于重组合相互弥补而得到复活。互弥补而得到复活。因此现今不用紫外线灭活病毒制造疫苗，因此现今不用紫外线灭活病毒制造疫苗，以防病毒复活的危险。以防病毒复活的危险。424344virus Avirus Bphenotypemixing virus Avirus B45表型混合和核壳转移表型混合和核壳转移 4647注意区分互补与多重复活481表型混合表型混合(Phenotype mixing) 两种病毒混合

9、感染后，一个病毒的基因组偶而两种病毒混合感染后，一个病毒的基因组偶而装入另一病毒的衣壳内，或装入两个病毒成分装入另一病毒的衣壳内，或装入两个病毒成分构成的衣壳内，发生表型混合。这种混合是不构成的衣壳内，发生表型混合。这种混合是不稳定的，传代后可恢复其原来的特性。稳定的，传代后可恢复其原来的特性。2基因型混合基因型混合(Genotype mixing) 3互补互补 (Complementation)4增强增强(Enhancement) 5.多倍体多倍体（polypoidy）指两种病毒的核酸偶而混合装在同一病毒衣壳指两种病毒的核酸偶而混合装在同一病毒衣壳内，或两种病毒的核衣壳偶尔包在一个囊膜内，内

10、，或两种病毒的核衣壳偶尔包在一个囊膜内，但它们的核酸都未重组合，所以没有遗传性。但它们的核酸都未重组合，所以没有遗传性。指两种病毒通过其产生的蛋白质产物（如酶、指两种病毒通过其产生的蛋白质产物（如酶、衣壳或囊膜）相互间补助不足，例如辅助病衣壳或囊膜）相互间补助不足，例如辅助病毒与缺损病毒间、两个缺损病毒间、活病毒毒与缺损病毒间、两个缺损病毒间、活病毒与死病毒间都可以互补，互补后仍产生原来与死病毒间都可以互补，互补后仍产生原来病毒的子代病毒的子代 指两种病毒混合培养时，一种病毒能促进增强另指两种病毒混合培养时，一种病毒能促进增强另一种病毒的产量，可能是因为前者压制了产生干一种病毒的产量，可能是因

11、为前者压制了产生干扰素所致扰素所致是病毒成熟过程中，出现数个核衣壳被一个是病毒成熟过程中，出现数个核衣壳被一个囊膜包裹的现象，多见于副粘病毒囊膜包裹的现象，多见于副粘病毒 495051繁殖快，生长迅速繁殖快，生长迅速1 1、减毒活疫苗减毒活疫苗 Attenuated VaccinesAttenuated Vaccines鸡胚鸡胚培养细胞培养细胞大量突变病毒大量突变病毒原代猴肾细胞原代猴肾细胞减毒减毒生长迅速，无毒性，只在非神经组织（non-nervous）中生长（肾），不在CNS生长Sabin 疫苗疫苗Sabin polio vaccine传代病毒于其他宿主传代病毒于其他宿主（ foreign

12、 host）522 2、SabinSabin疫苗疫苗减毒的分子基础减毒的分子基础温度敏感温度敏感 temperature sensitivegrow better at 25-32 degrees than 37 degrees冷适应冷适应cold adaptedgrow as low as 25 degrees脊髓灰质炎脊髓灰质炎I I型减毒疫苗型减毒疫苗基因组基因组5757个碱基改变个碱基改变2121个氨基酸改变个氨基酸改变减毒疫苗是由病毒表面减毒疫苗是由病毒表面蛋白发生改变产生的蛋白发生改变产生的 53Sabin 脊髓灰质炎疫苗三种（型）减毒脊髓灰质炎病毒糖丸 （糖浆）口服sIgATh巨

13、噬细胞IgAsIgA浆细胞BM细胞上皮细胞辅助野型病毒543、流感病毒疫苗、流感病毒疫苗减毒的分子基础减毒的分子基础减毒鼻疫苗减毒鼻疫苗attenuated nasal vaccine冷适应疫苗冷适应疫苗cold-adapted vaccineculture cells渐进性低温传代渐进性低温传代12代，或12代以上只在只在25C生长良好生长良好限制病毒在上呼吸道限制病毒在上呼吸道流感病毒流感病毒 influenza virus55 用5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）突变并经过筛选温度敏感而获得的流感病毒A和RSV温度敏感突变株 （Temperature-sensitive mut

14、ants）. 在流感发病过程中， TS基因（TS gene）可在实验室进行重配，产生一株病毒，可作为流感病毒新疫苗，它具有现在流行株的外壳，和减毒株的内部蛋白。New methods of vaccine productionNew methods of vaccine production* * * 基因重配基因重配56Attenuated influenza vaccine strain using a cold-sensitive mutant that can be reassorted with new virulent strains NA：神经氨酸酶：神经氨酸酶HA：血凝素：血凝

15、素 （中和抗体的靶位）（中和抗体的靶位）57减毒株减毒株新的毒株（流行株）新的毒株（流行株）重重配配病毒病毒（新疫苗）（新疫苗）基因重配基因重配584 4、Advantages of attenuated vaccinesAdvantages of attenuated vaccines1) 激活免疫系统的所有时相。 可产生体液IgG和局部IgA。2) 对所有保护性抗原均产生免疫应答，不同于抗原性发生改变 的死疫苗。3) 免疫性持久，交叉反应多4) 成本低5) 在大多数的疫苗接种者中可迅速产生免疫性6) 接种方便，如 polio and adenovirus vaccines7) 可在某一群体

16、内消除野生型病毒591) 突变，复毒 2）保存与运输均需冷藏3) 扩散到其他没有接种的人4) 扩散未标化的疫苗5) 很难传入到热带地区 6) 对免疫缺陷病无能为力5 5、Disadvantages of Attenuated vaccineDisadvantages of Attenuated vaccine60 2003784例6个流行国家20041,268例6个流行国家6 6、减毒活疫苗的突变复毒、减毒活疫苗的突变复毒61Structural RegionNon-structural RegionP1P2P33 NTR5 NTRAnVPg IRES2A2B2C3C3D3A1D1C1B1AV

17、PgAACLOVER -LEAFu 在VP1段(900-906个碱基)的核苷酸与疫苗株差异1-15%；u 能够导致人与人之间的传播；致病性较强；u 在生物学性状上很难与脊灰野病毒区分；u VDPV可在低OPV覆盖率地区长时间循环，引起脊灰暴发62VDPVVDPV的产生过程的产生过程口服OPV 机体内病毒复制时核苷酸变异 病毒由粪便排出体外 再感染敏感机体 机体内病毒进一步变异 VDPV产生631) 产生充分的体液免疫2) 不出现突变和复毒 3) 可用于免疫缺陷的病人 4) 一般在热带地区活性不受影响5) 便于保存与运输Advantages of inactivated vaccine7 7、i

18、nactivated Vaccinesinactivated Vaccines641) 许多接种者不产生免疫反应 2) 需要多次免疫3) 无局部免疫4) 成本高 5) 猴子短缺 6) 灭活失败，接种病毒的毒株 Disadvantages of inactivated vaccines65666768697071= = = = = = = = = = = = = = = =E.coli Br47 + + r104 E.coli B E. coli K( ) 野生型野生型 小噬菌斑小噬菌斑 小噬菌斑小噬菌斑rII 大噬菌斑大噬菌斑 无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死）rII: r47 +, + r10

19、4 ( + +, r47 r104, r47 +, + r104 )E.coli B 3456E.coli K( ) 45724 4）T4T4噬菌体突变型的重组测验噬菌体突变型的重组测验Benzer的重组测验与基因的精细结构分析的重组测验与基因的精细结构分析噬菌体杂交实验 r47r+ r+r104 B B K() r r+ +r r+ +亲组合：r47r+、r+r104重组合：r+r+、r47r10473重组率重组型噬菌斑数总噬菌斑数 E. coli( ) 45 2 E.coli B 3456 100% 1.33% 7475766 6）T2T2噬菌体的两点测交与重组作图噬菌体的两点测交与重组作

20、图 T2突变型（r-）：快速溶菌型，产生大而界限清晰的噬菌斑； T2野生型（r+）：缓慢溶菌型，产生小而边缘模糊的噬菌斑。 T2寄主范围突变型（h-）：能感染大肠杆菌品系1和品系2，产生透明的噬菌斑。 T2野生型（h+）：只能感染品系1，因为品系2的细胞表面能阻止T2噬菌体对它的吸附。T2T2噬菌体的突变型噬菌体的突变型77E.coli 1 和和 2T2T2噬菌体的杂交噬菌体的杂交 h+r- h-r+E. coli 1基因型 表现型 h-r+ 亲组合 透明,小 h+r- 亲组合 半透明,大 h-r- 重组合 透明,大 h+r+ 重组合 半透明,小 78重组噬菌斑数 (h+r+)+(h-r-)

21、重组值= = 100% 噬菌斑总数 噬菌斑总数 T2T2噬菌体的重组值的计算噬菌体的重组值的计算杂交组合噬菌斑基因型的%重组值h+r-h-r+h+r+h-r-h+ra-h-ra+34.042.012.012.024%h+rb-h-rb+32.056.06.06.012%h+rc-h-rc+39.059.00.70.91.6%79 则：则：rara、rbrb、 rcrc与与 h h之间的顺序：之间的顺序：ra 24 hrb 12 hrc 1.6 h 4个基因可能的排列：个基因可能的排列： ra rb rc h ra rc h rb ra rb h rcra h rc rb8081821、噬菌体的突变型的互补试验、噬菌体的突变型的互补试验互补试验互补试验：根据基因的功能确定两个基因是否等位的测验方法，确定突变的功能关系。互补作用互补作用：两个突变型的两条同源染色体同处在一个杂合子