病毒基因组的表达及病毒感染对宿主细胞

1、第六章 病毒基因组的表达及病毒感染对宿主细胞的遗传效应 1.病毒(virus)是细胞中一类复合大分子寄生物，只有在寄主细胞中才能复制。 2.病毒的复制由自身基因型所决定，但必须利用宿主细胞的能量代谢和核酸蛋白质合成机制。 3.病毒粒子只能含有一种核酸，要么是DNA，要么就是RNA，二者不能同时存在于同一病毒粒子之中。 4.病毒能够自我复制，产生连续的后代，所以它们又类似生物体。第一节 病毒基因组的组织 一、双链DNA噬菌体基因组 各种病毒的基因组可分成4大类，即双链DNA、单链DNA、双链RNA. （一）烈性双链DNA噬菌体 1、T偶列噬菌体 T开头的偶列噬菌体研究比较详细。 基因组很大，如T

2、4含60个以上基因。 其基因组可分为早期和晚期两个区。 2、 T奇列噬菌体 T7 比较清楚含53个基因，是双链线状的。间隔序列很短。 基因组可分成早期、中期和晚期三部分。早期区有10个基因，其产物的功能是克服宿主细胞对其人侵的限制作用，包括RNA聚合酶、蛋白质激酶以及一些与复制有关的酶类的基因。 中间区最大，载有22个基因，编码DNA结合蛋白、内切和外切核酸酶、溶菌酶、引物酶、DNA聚合酶以及若干种未知功能的蛋白质。 晚期区有21个基因，大多数编码壳体和尾部蛋白。 （二）温和性双链DNA噬菌体 1、噬菌体 bacterio phage 有些噬菌体侵人宿主细胞后，并不一定马上裂解宿主细胞，其基因

3、组与缩主DNA结合，并随宿主DNA一复制。 噬菌体是最为熟知的温和性噬菌体之一，线状双链DNA，编码30-40蛋白质。两端有12个碱基的尾巴，所以DNA可以形成环状结构。在宿主细胞中的复制型为环状DNA分子，类似细菌的质粒。 其整合到宿主细胞有特异性，病毒与插入有关的区域叫attp，长240bp。在宿主中叫attB，25bp。因此插入区域始终位于特定位点。 整合与2种酶有关，整合酶integrase 和宿主整合因子integration Host factor 从溶原性周期进人裂解周期必须从细菌染色体上切割下来，形成复制型DNA。切割过程由切割酶催化，即通过重组形成环状DNA。二、哺乳动物小分

4、子DNA病毒二、哺乳动物双链DNA病毒基因组 真核生物病毒非常复杂，可分为： 1、双链有包膜 包疹 2、双链无包膜 3、单链无包膜 4、不完全双链有包膜 等 主要以4种病毒为例进行讨论，即多瘤病毒(polyomavirus )、腺病毒(aden- ovirus) ,疤疹病毒(herpesvirus)和痘病毒(poxvirus) 。（一）哺乳动物小分子DNA病毒 1. 猴肾病毒sv40，是多瘤病毒的代表，其基因组较小，为环状双链DNA分子，长5 243bp，只有噬菌体基因组的10%，编码10种分子量为20kD的蛋白质。 2.腺病毒基因组腺病毒基因组的大小约为sv40基因组的6倍，为线状双链DNA

5、分子，其中腺病毒5 (Ad5)的DNA长36kb。在每一条单链的末端有一颠倒重复。所有这些晚期基因都由宿主细胞的RNA聚合酶ll转录，转录子都具有5帽子结构和3多聚A尾巴。 腺病毒对呼吸道、胃肠道、尿道和膀胱、眼、肝脏等均可感染，人腺病毒约1/3的已知血清型通常与人类疾病相关，但一种血清型可引起不同的临床疾患；相反，不同血清型也可引起同一种疾患。（二）脊椎动物大双链DNA病毒 1、疱疹病毒基因组：HSV经口腔、呼吸道、生殖道粘膜和破损皮肤等多种途径侵入机体。人感染非常普遍，感染率达8090%，常见的临床表现是粘膜或皮肤局部集聚的疱疹，偶尔也可发生严重的全身性疾病，累及内脏，为一些致癌的可疑因子

6、。（二）脊椎动物大双链DNA病毒 1、疱疹病毒基因组 疱疹病毒1-HSV 和疱疹病毒2-EB病毒，EB病毒基因组则长172kb。特点：U1-U5和末端重复。2、痘病毒基因组Vaccinia virus 天花病毒天花是由天花病毒引起的一种烈性传染病，是人类的死敌，在人类历史上曾经杀死亿万人类。18世纪欧洲蔓延天花，死亡人数曾高达1亿5千万人以上。世界上曾有两个戒备森严的实验室保存着很少量的天花病毒，它们被冷冻在70的冰箱里，等待着对它们的终审判决。这两个实验室一个在莫斯科，另一个在美国的亚特兰大。 2、痘病毒基因组 在人类历史上，天花和黑死病、霍乱等瘟疫都留下了惊人的死亡数字。从最初出现到被彻底

7、灭绝，伴随着天花3千多年的历程发生了太多的故事。 Vaccinia virus 天花病毒 vaccine 两条单链通过磷酸二脂键结合，末端重复。表达的特点之一是早期基因在壳体内转录，晚期基因在缩主细胞质中转录。早期基因和晚期基因紧紧相连，其中有些基因还相互重叠。据估计，痘病毒基因组至少含有150多个基因。三、植物双链DNA病毒基因组 在高等植物中，目前已知的唯一双链DNA病毒为花椰菜花叶病毒( caulimovirus , CaMV )，其基因组为环状双链DNA分子，长8 024bp，具有7个编码区，都位于负链上(图6一5)。三、植物双链DNA病毒基因组四、单链DNA病毒基因组 单链病毒主要见

8、原核生物，植物中也有少数几种单链病毒。 （一）细菌单链DNA病毒 廿面体形单链DNA病毒主要有cpX174 , M13，这种病毒的基因组均为单链环状DNA分子，侵染宿主细胞后，病毒首先通过合成基因组DNA的互补链，形成双链环状分子，即所谓复制型(replicative form)。五、RNA病毒基因组 （一）单链RNA噬菌体 目前知道的RNA噬菌体有4组，其中有2组的分子生物学研究较清楚。所有单链RNA噬菌体的基因组都很小，只有3 500到4 500个核昔酸，为单正链RNA，被包裹在20面体的壳体之中。 含有4个基因，分别编码壳体成分A蛋白和外壳蛋白、裂解酶以及病毒复制酶的R亚基，但后二者为重

9、叠基因。五、RNA病毒基因组 （一）单链RNA噬菌体（二）多细胞动物单链RNA病毒基因组 1、微小RNA病毒： 感冒致病因子、脑炎心肌致病因子病毒，动物口蹄疫致病因子病毒，甲肝病毒，脊髓灰质炎致病因子病毒。 尽管上述各类病毒基因组的结构非常相似，但它们的RNA序列几乎不存在任何同源性，即使在同一类病毒如鼻病毒和脊髓灰质炎病毒中也只有几种蛋白质具有44- 65%的序列同源性。 只编码3种蛋白。 2、黄病毒基因组 绝大多数由吸血昆虫等传播，脑炎病，登革热、黄热病。 3、棒状病毒 狂犬病rabies virus 和水疱性口炎病毒，单链RNA。棒状。 4、大RNA 病毒：流感病毒 virus)也是一种

10、单负链RNA病毒，但其基因组由8条RNA分子组成。每一RNA都编码不同蛋白质. 流感病毒与其他RNA病毒的另一主要差别就是其复制依赖于宿主细胞核。如果通过实验操作或用药物处理将细胞核除掉，流感病毒就不能在细胞中进行复制。 （三）植物单链RNA病毒 90%的植物病毒是RNA。除了基因组RNA许多植物还有若干较小的mRNA，功能为扩增如外壳蛋白等。 大多数正链mRNA与真核基因mRNA相似。 （四）卫星病毒基因组Satellite virus 高等真核生物的某些DNA和RNA病毒还具有卫星病毒(satellite virus)或卫星RNA，如烟草坏死病毒( tobacco necrasisviru

11、s , TN V)的卫星病毒为一条包裹在不同颗粒中的mRNA分子，编码卫星病毒的外壳蛋白。 其病毒其复制完全依赖帮助病毒,干扰病毒的复制,可能是病毒的寄生生物。 （五）双链RNA病毒基因组 桑蚕细胞质多角病毒。 哺乳动物呼肠孤病毒 轮状病毒六、逆转录病毒基因组 逆转录病毒(retrovirus)是自然界广泛存在的一种单正链RNA病毒，有数百种变异体。根据其生物学特征，形态特征以及基因组结构，可将其分成三组。 第一组为癌病毒(oncovirus )，它是爬行动物、鱼类、鸟类、啮齿动物、猫科动物以及灵长目动物的与癌变有关的逆转录病毒，如劳氏肉瘤病毒。 第二组为慢病毒( lentivirus )，损

12、伤神经和诱发慢性肺炎，如绵羊髓鞘脱落病毒(visna virus )以及艾滋病毒(human immunodefeciency virus, HIV)等。 第三组为泡沫病毒(spumavirus) ,能在几种哺乳动物不出现病症的情况下进行持续感染。 所有逆转录病毒都具有一个编码逆转录酶(reverse transcriptase)的基因( pol基因)。逆转录酶为一种依赖于RNA的DNA聚合酶，可将病毒基因组RNA逆转录成线状双链DNA，叫做原病毒(provirus)。这种双链DNA比基因组RNA稍长，因为其两端接有300 - 1000bp的特殊的长末端重复序列。 逆转录的详细过程现在还不很清

13、楚。双链DNA分子合成后就整合到宿主细胞基因组中，随宿主基因一起遗传和表达。七、植物内病毒和拟病毒 植物中有一种基因组非常特殊的致病因子叫做类病毒(viroid )。类病毒为一种裸露的RNA分子，长240 - 350个核昔酸，为单链环状结构，其分子内许多区域都可进行碱基配对，所以呈一种棒状、近于双螺旋的结构。类病毒基因组不编码任何蛋白质，如马铃薯块根类病毒(patato spindle tuber viroid)。第二节、病毒基因组复制 一、线状双链DNA病毒基因组复制 （一）T7 噬菌体基因组复制 噬菌体基因组复制所需的各种蛋白质都由自身基因组编码，这些蛋白质具有复制双链DNA的基本活性，依

14、赖宿主基因组的活性因子。 如前所述，T基因组为线状双链DNA，其两端都有长约160bp的额外重复序列。但是这种线状DNA分子复制时并不产生单个基因组单位，而是形成一段很长的、由多个基因组单位首尾衔接在一起的复合基因组(图6一14)。 两端都有160bp重复序列 形成很长的多基因单位的复合基因组（三）痘病毒的复制 痘病毒则以另一种方式复制其基因组，即复制是从基因组内部的复制启始区开始，最后通过双向复制，将原基因组两端的单链发夹环转变成双螺旋.（三）痘病毒的复制其两端具有单链的发卡环结构,复制从内部开始，双向复制.病毒必须合成自己的聚合酶才能复制。二、环状双链DNA病毒复制 （一）猴肾病毒SV40

15、基因组复制 双链DNA复制类似于质粒的复制形成复制叉。 复制起始信号：TTAACGTTAA 依赖于宿主复制酶，但复制开始需要病毒编码的T蛋白。是早期区唯一转录的蛋白。（二）乙型肝炎病毒的复制 Hepatitis：乙型肝炎病毒则为一种具有被膜的小环状双链DNA病毒(图6一17)。虽然乙型肝炎病毒的基因组DNA呈环状，但其两条单链都是线状分子。（二）乙型肝炎病毒的复制 受乙型肝炎病毒感染的细胞含有大量与正链DNA结合的负链DNA，其中大多数都比基因组DNA链短。负链DNA是在未成熟的类核心颗粒中以RNA为模板合成的，随着负链不断延长，RNA模板不断降解(图6-18)。所以乙型肝炎病毒也同逆转录病毒

16、一样，能通过逆转录进行复制。三、单链DNA病毒的复制 （一）细菌单链DNA病毒基因组复制 当病毒正链进入细胞后，首先合成引物RNA，在利用宿主DNA聚合酶合成负链DNA，然后再除掉引物。四、单链RNA病毒基因组的复制 大多数单正链RNA病毒基因组的复制都需要一种RNA复制酶(RNA replicase)，这种酶是在病毒RNA进人宿主细胞后合成的。同DNA聚合酶和RNA聚合酶相似，RNA复制酶催化单链模板RNA链的互补合成，其合成机制与DNA复制和RNA转录基本相同。需要复制酶，进入宿主后合成的。 当双链RNA形成之后，互补的两条单链又作用下一轮RNA合成的模板。 且只有一条链起作用-编码基因。

17、五、逆转录病毒基因组的复制 （一）逆转录病毒DNA的合成 虽然逆转录病毒的基因组为正链RNA，但复制的中间产物都是基因组的一种双链DNA拷贝。双链DNA整合到宿主细胞的染色体上后就类似宿主细胞的基因，通过转录，形成新的病毒基因组。所以新病毒基因组是在宿主细胞核中、由细胞内有关机制合成和进行加工的。 病毒RNA和mRNA相似，但在感染初期，只做为模板。 整合到宿主细胞DNA上的原病毒很稳定，并随宿主DNA的复制而进行复制。这种特征同入噬体有些相似，但不同的是逆转录病毒的原病毒不会从整合位点上切割下来。逆转录病毒感染细胞后通常不会损害细胞，受感染的细胞继续分裂，而且原病毒DNA通过转录合成病毒RN

18、A。爱滋病毒感染则属例外情况。 根据前述复制循环，逆转录病毒不仅可以成为感染因子，而且还可以成为宿主细胞的基因。如果病毒感染了某个生殖细胞，那么原病毒就可传递到子代，作为细胞内一种正常基因进行遗传，这种遗传因子叫做内源原病毒(en-dogenous provirus)。在某些动物如小白鼠中，其基因组约含有数千条内源原病毒，其DNA含量约占总体DNA含量的0.5%。事实上，在许多脊椎动物包括人体DNA中都存在这种内源原病毒。第三节 病毒基因的转录和蛋白质合成 一、病毒基因的转录起始信号 （一）DNA噬菌体的启动子 1、T噬菌体的启动子 1. T噬菌体基因的启动子与转录双链DNA噬菌体基因组的表达

19、都是分阶段进行的。当其基因组DNA进人宿主大肠杆菌细胞以后，宿主细胞中的RNA聚合酶将一小段病毒DNA转录成mRNA，开始合成早期蛋白。 中晚期基因由病毒编码的聚合酶转录。（二）真核生物DNA病毒的启动子 1、腺病毒基因的启动子 腺病毒所有早期基因都由宿主细胞的RNA聚合酶B转录，其中EIA基因可能是最早表达的一个早期基因. 腺病毒的中、晚期基因由宿主细胞的RNA聚合酶3转录. 2.流感病毒的转录 流感病毒的转录如前所述，流感病毒的单负链RNA基因组包括8条RNA分子。流感病毒基因组的转录需要帽子结构，需要核壳体蛋白(NP)和三种P蛋白，即两种碱性蛋白PB1和PB2以及一种酸性蛋白PA。三种P

20、蛋白结合在一起形成复合体，即所谓的转录酶。 流感病毒基因组RNA本身并不具有帽子结构，帽子基团是从新合成的宿主细胞mRNA上获得的，所以当宿主细胞的mRNA合成受到抑制时，流感病毒mRNA的合成也迅速下降。二、病毒基因的转录终止信号 病毒基因的转录终 (virus transcriptional termination)过程目前还不很清楚，研究资料主要来自噬菌体。 对T7基因组的序列分析知道，其基因组有2个转录终止子。其宿主细菌的转录终止序列通常含有一串碱基T或一个双重对称结构，而整个ZT7基因组却不存在这两种结构。 同一类型噬菌体的终止子是相似的。例如X174的终止子 (T4)与上述4种丝状

21、噬菌体的终止子都非常相似，终止子T4的对称结构为GCCTCC和GGAGGC，而fl噬菌体终止子I的对称结构为GGCTCC和GGAGCC，并且二者之后都有一段T碱基串。但是并非所有终止子都是如此。 (二)真核生物病毒基因的终止子 在脊椎动物病毒中，转录的终止信号目前还不清楚，其主要原因是大多数DNA病毒的基因组均为环状分子，转录通常是双向进行，而且早、晚期基因的表达共用转录启始和终止区。根据对SV40的研究，多聚A化信号序列AAUAAA除了具有使mRNA在转录后加尾的作用外，还具有终止转录的功能。三、RNA病毒蛋白质合成的策略 1. 所有由病毒基因组指导合成的蛋白质都是在宿主细胞质核糖体上合成的

22、。虽然各种病毒的翻译机制基本相似，但不同病毒在蛋白质合成的策略上有明显不同。如前述脊髓灰质炎病毒将其单正链RNA基因组翻译成一条巨大的多蛋白质分子，然后再将多蛋白分子加工成几条较短的多肤。又如，烟草叶脉斑点病毒(tobacco vein mottle virus, TVMV)也是。 2. RNA病毒基因组表达的第二种策略是以病毒基因组为模板，合成多条mRNA分子。如前述流感病毒基因组由8条不同的单负链RNA分子组成，每一条基因组RNA均为一种mRNA的模板，然后各条mRNA再翻译成不同的病毒多肽。第四节病毒与肿瘤 肿瘤是一大类严重威胁人类健康并危及人类生命的疾病。全世界每年约有870万人患肿瘤

23、，死亡人数约690万。成为疾病死亡原因的第二位(仅次于心血管疾病)。 一、肿瘤及癌的一般生物学概念 肿瘤是一种异质性的细胞异常增生性疾病。肿癌细胞的异质性是指其在结构、功能、代谢和行为上都已不同于正常细胞。 癌细胞在逃逸了宿主免疫监视和抑制了宿主的生长限制之后，就会增生为癌细胞克隆并演进为具有异质性的多种亚克隆，进而形成癌肿。失控生长的癌肿从原发位向周围组织侵袭或远处扩散，这种侵袭或扩散若无法控制将很快侵犯要害器官，引起器官衰竭，最终导致机体死亡。 恶性肿瘤的特征是: 细胞呈侵润性生长，周围无结缔组织包膜; 生长速度快，侵袭和破坏周围正常组织; 向远处转移和播散，形成继发性肿瘤。 癌基因、抑癌

24、基因、转移基因和转移抑制基因等癌变过程中的关键性基因以及影响肿瘤生长的各种生长因子、生长抑制因子的研究不断深人。细胞的分化、去分化、肿瘤细胞的浸润性生长，肿瘤血管形成、肿瘤逆转，癌变过程中启动、促进和演化的机制也都处在深人研究之中。二、动物及人体的致癌因子 1.化学致癌物种类烷化剂类有致癌作用的烷化剂有:氮芥和硫芥类、乙撑亚胺类、磺酸醋类以及常被用来作为化疗剂、灭菌剂、杀虫剂等的一些化学物质。 亚硝胺类化合物是一类作用很强的环境化学致癌物，这类致癌物主要存在于食物及吸烟的烟雾中。一般说来，腌制食品、剩饭菜及腐败蔬菜中含量多。 植物来源的促癌物主要有巴豆油(crotonoil)。内源性促癌物主要

25、是激素，目前已发现性激素、肾上腺素、肾上腺皮质激素及生长激素等与外源性致癌因子产生协同作用，促进肿瘤的发生。 1.紫外线辐射与癌阳光中，波长在290nm以下的短波紫外线被大气臭氧层吸收，290nm以上的长波紫外线可达到地球，紫外线可透过人的机体皮肤表层到达真皮表层，若长期曝晒，可使皮肤老化，添发各种不同的皮肤肿瘤，主要有基底细胞瘤和鳞状细胞瘤。 2.电离辐射与癌电离辐射主要包括X射线、Y射线和宇宙射线等，淋巴细胞白血病。此外，在这类人群中乳腺癌、甲状腺癌、肺癌以及其他部位的肿瘤的发病率亦上升。 按照肿瘤病毒所含核酸的不同，分为DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒。RNA肿瘤病毒都是逆转录病毒，在自然

26、界广泛分布，对爬虫类、禽类、哺乳类和灵长类有致瘤作用，可诱发这些动物的肉瘤、白血病、淋巴瘤及乳腺癌等。三、癌基因、抑癌基因及肿瘤转移调节基因 目前已分离、鉴定了数十种病毒的致癌基因，而且已证明脊椎动物细胞都存在这些致癌基因，人体细胞内也含有这些基因，这种基因称为细胞癌基因(cellular oncogene )。存在于正常细胞中未被激活的癌基因称为原癌基因(proto - oncogene)，当被某些物理、化学或生物因素刺激后即被激活的原癌基因即为癌基因。细胞中有阻遏物存在，在正常情况下癌基因不表达，由于射线、致癌物、肿癌病毒和衰老过程都可能使阻遏物活性减退，使其产生转化蛋白，使正常细胞转化为癌细胞。 四、DNA肿瘤病毒与癌 DNA肿瘤病毒是在自然状态下可感染人或动物并能诱发肿瘤、致正常细胞转化的一类DNA病毒。它们分属于5个科(表6一6)，结构上皆为20面立体对称型，除疙疹病毒外均无包膜，病毒核心是DNA，外有衣壳蛋白包绕，壳粒数目的多少与病毒的大小有关，如乳头状瘤病毒有72个壳粒、其直径为45-55nm，而疤疹病毒壳粒是162个，其直径可达120 - 200nm。 乳腺癌是人类妇女的