分子生物学检验：基因组结构与特征-病毒基因组

1、第三节 基因组结构与特征（二） 病毒基因组病毒的结构与成份病毒粒子四种基本结构成份：由一种核酸(DNA或RNA)组成的病毒基因组。由病毒基因组编码的衣壳蛋白组成的衣壳。来源于宿主细胞质膜系统（细胞膜、内质网膜或高尔基体膜）的包膜。病毒颗粒中的其它内容物，包括酶、核酸结合蛋白及金属离子等。病毒基因组的一般特征病毒基因组的大小及碱基组成病毒基因组大小变化很大，变化范围在1.5103 6106 bp之间，可编码5数百个基因。 乙型肝炎病毒基因组仅有3.2 kb，仅编码6个蛋白质。存在重叠基因及由前体mRNA逐渐剪接成多个编码片段的现象。病毒基因组有4种核酸类型：双链DNA单链DNA双链RNA单链RN

2、A只含一个核酸分子，或含数个核酸分子（分段基因组）线状分子或环状分子 根据国际病毒分类委员会（The International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV）分类： 第一组：双链DNA病毒（dsDNA Viruses）第二组：单链DNA病毒（ssDNA Viruses）第三组：双链RNA病毒（dsRNA Viruses） 第四组：正链RNA病毒（ (+)ssRNA Viruses） 第五组：负链RNA病毒（ (-)ssRNA Viruses）第六组：RNA逆转录病毒（RNA Reverse Transcribing Viruses）第七组：DN

3、A逆转录病毒（DNA Reverse Transcribing Viruses）、亚病毒因子（Subviral Agents）、卫星（Satellites） 、类病毒 （Viroids）等病毒基因组的组成和分类根据基因组复制和表达机制不同而划分的病毒类型描述病毒基因组：核酸的性质（DNA或RNA）核酸链的数量及大小链末端的结构核苷酸序列编码能力（即能编码的蛋白质数）调控元件（操纵元件、启动子和终止子）病毒基因组的结构特点（一）帽子和poly（A）尾结构 大多数真核生物病毒的正链RNA、双链RNA病毒的正链RNA，其病毒mRNA都具有5端有帽子、3端有poly(A)尾的结构。 有些病毒的mRNA

4、没有5端帽子结构，但能利用5端非编码区的RNA形成的空间结构作为增强子，参与蛋白翻译。 5端帽子与3端poly(A)尾对RNA有保护作用，参与蛋白翻译且与病毒的感染性有关。 （二）末端重复序列结构 1.粘性末端病毒基因组双链DNA分子两端具有能够互补的单链DNA部分，带粘性末端的病毒双链DNA基因组形成环状结构或二聚体。2.末端正向重复序列又称末端冗余（terminal redundancy），指双链DNA两端所存在的相同核苷酸序列，经过外切酶处理，就能形成多联体分子，进一步切割退火处理，能产生双连环状DNA分子。 转座子的两端的宿主序列由于IS的3.末端反向重复序列（inverted ter

5、minal repeat，ITR） 4. 长末端重复序列（long terminal repeat，LTR） 见于逆转录病毒基因组RNA在逆转录后生成的双链DNA中，5端的LTR包含特定的基因表达调控区域，3端的LTR具有转录终止的作用。LTR中既含有重复序列也含有单一序列。ITR指病毒基因组两端的反向互补重复序列，可能与病毒的复制、转录及整合有关。 （三）高效基因组1.重叠基因（overlapping gene） 一段DNA序列有两个或两个以上的开放阅读框（Open Reading Frame，ORF) ，可以编码两种或两种以上的多肽链。 2.少间隔区 （四）分段基因组（segmented

6、genome） 分段基因组多见于正链RNA病毒、负链RNA病毒及双链RNA病毒。 分段基因组的病毒一般感染效率较低，只有全部基因组核酸片段存在时，病毒才具有感染能力。 分段基因组易发生重配，病毒容易变异。病毒之间核酸片段交换，基因组各片段在子代病毒中随机分配，称基因重配。噬菌体X174的重叠基因DNA病毒基因组DNA病毒基因组又分为单链DNA和双链DNA两种，以线状或环状分子存在。该病毒本身不携带以DNA为模板的RNA聚合酶，其转录依赖于核转录酶。 双链DNA病毒基因组 绝大多数动物DNA病毒基因组为双链DNA 1双链线状DNA病毒 如：疱疹病毒科、腺病毒科和痘病毒科等。2双链环状DNA病毒

7、如：乳头瘤病毒科等嗜肝DNA病毒科（如：HBV）的DNA聚合酶具有逆转录酶活性，因而ICTV把其归为逆转录病毒。 HBV的基因组的特点 乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）属嗜肝DNA病毒科 HBV基因组是已知可感染人类,又能独立进行复制的双链DNA病毒中最小和最高效的, 长约3.2kb。 （一）HBV基因组的不完全双链环状结构2/3为双螺旋结构，1/3为单链，长链为负链，短链为正链。短链的长度长约1.62.8kb,约为长链的2/3。 重叠的基因序列比较多已确定的ORF有4个,分别编码病毒的核壳（C）和包膜（S）蛋白，病毒复制酶（聚合酶)及一种与病毒基因表达有关的蛋白质X

8、。Pre-C区编码一个信号肽，在组装和分泌病毒颗粒以及在HBeAg的分泌中起重要作用。两个功能未确定的ORF,即ORF-5和ORF-6，与X基因重叠。ORF6是由正链DNA编码。（二）HBV基因组编码基因Pre-S1、Pre-S2、 S 3种表面抗原蛋白基因 C核心抗原蛋白基因 P逆转录酶基因(DNA多聚酶） X激活蛋白基因调节序列位于基因内部，这是HBV节约使用遗传物质的一种方式。与HBV基团组复制有关的序列：DR1和DR2和U5序列。DR1和U5位于Pre-的ORF中，是合成DNA长链的起始部位，DR2位于聚合酶基因与X基因重叠处，是DNA短链合成的起始部位。 （三）HBV基因组中的调控序

9、列HBV属于逆转录DNA病毒，由于逆转录酶缺乏校正功能，使病毒基因组的复制容易发生突变。pre-C区1896位核苷酸GA，使密码子TGG（编码色氨酸）变为终止密码子，导致HBeAg的表达提前终止，此时HBeAg阴性并不代表HBV的清除或复制水平降低。Pre-C区1862位核苷酸GT，使该位点的缬氨酸变为苯丙氨酸，导致HBeAg前体过量堆积在肝细胞内，导致重症肝炎。 Pre-S/S区的突变往往引起HBsAg的抗原性发生改变，导致免疫逃逸及疫苗接种失败，并造成HBsAg的漏检。（四）HBV基因组序列的多变性特点： 5和3端均有回文序列（反向重复序列），可形成发夹结构。 能够产生两种不同极性的单链D

10、NA，其成熟的病毒颗粒或含正链或含负链DNA。 来源于同种病毒的不同病毒颗粒的正负ssDNA能够退火形成双链分子。单链DNA病毒基因组细小病毒基因组-5和3端均有回文序列，可形成发夹结构。RNA病毒基因组 RNA病毒基因组为线状单链或双链，有的只含一个RNA分子（单一分子基因组），有的则含数个RNA分子（即分段基因组）。单链RNA病毒 正链RNA（+RNA）病毒： 基因组序列与mRNA相同，可直接作为蛋白质合成的模板。负链RNA（-RNA）病毒： 基因组序列与mRNA互补，只有在其核衣壳蛋白的转录酶存在下，才具有侵染能力。双链RNA病毒 dsRNA链分+链和-链，两条链都有产生互补链的功能，但

11、只有+链mRNA具有编码能力。 正链RNA病毒基因组均为线状RNA分子 1单一分子基因组 2分段基因组1） 占已知病毒总数的70以上；2） 复制精确性较差，突变比例高于DNA病毒；3） 正链RNA可直接翻译蛋白质；4） 经提纯的裸露RNA对敏感宿主细胞具有侵染性； 5） 5帽子，3尾; 6） 冠状病毒为最长的正链RNA病毒 2730kb正链RNA病毒基因组SARS病毒的生物学特征冠状病毒（Coronavirus）是有包膜的单链（+）RNA病毒，其基因组为单链单一分子（+）RNA。 冠状病毒曾分为三组：第一、二组包括各种哺乳动物及人冠状病毒（human CoV，HCoV），第三组为鸟类冠状病毒（

12、Avian CoV）。SARS-CoV不属于已知冠状病毒中的任何一种，而是仅与之轻度相关。 认为SARS-CoV是一种新型的冠状病毒，很可能来源于一个独立的冠状病毒亚型。新型冠状病毒（类SARS病毒），与SARS病毒属同一病毒科，但基因有区别。 Virion Structure（SARS）N: NucleocapsidM: Membrane glycoproteinS: Spike glycoproteinE: Small envelope glycoproteinSARS-CoV基因组结构模式图 1单一分子基因组 2分段基因组基因组较大，编码更多的遗传信息；仅丁肝病毒（HDV）的基因组为负链

13、RNA环状分子，其余的负链RNA病毒基因组均为线状分子；普遍存在分段基因组；经提纯的病毒基因组RNA都不具有侵染性。 双链RNA病毒基因组 仅球状真菌病毒科的基因组为单一的RNA双链，其他双链RNA病毒基因组均为分段基因组。 如呼肠孤病毒科，其基因组有1012个双链RNA片段。 负链RNA病毒基因组流感病毒的结构特征流感病毒的分型流感病毒属正粘病毒（Orthomyxoviridae）科，根据病毒核衣壳蛋白（NP）及基质蛋白（M）的特征，可分为甲（A）、乙（B）和丙（C）型。根据病毒颗粒表面的血凝素（HA）和神经酰胺酶（NA）的抗原性差别，甲型流感病毒又可分为不同的亚型。甲型流感病毒能够感染人、

14、猪、马和禽类，丙型流感病毒主要感染人和猪，乙型流感病毒仅感染人类，是引起人类流感的重要病原。 流感病毒基因组结构特征基因组为分段的单链（）RNA。甲型流感病毒基因组8个RNA片段，共编码10种蛋白。抗原漂移（antigen shift）：由于RNA聚合酶缺乏校读功能，使流感病毒RNA基因组的复制常发生点突变。这种由自发点突变引起的小幅度变异，积累到一定的程度引起抗原性的变异。表现为季节性流感病毒，人类对于发生抗原漂移的流感病毒具有一定的免疫力。抗原转变：流感病毒较大幅度突变，或毒株之间发生基因重配而产生新亚型。如：甲型H1N1流感病毒、上世纪出现的的流感大流行病毒，人类对其不具备免疫力。禽流感

15、的病原体是甲型流感病毒H5N1亚型病毒。H5N1型禽流感病毒是人与动物共患的流感病原体，由于病毒多变异，导致甲型流感反复发生，难以彻底根除。 H1N1流感病毒（SIV）基因组结构及蛋白组成 SIV的基因组结构和蛋白质组成与普通流感病毒基本相同。 SIV属于单链负链RNA病毒，基因组大约为13.6kb，由大小不等的8个独立片段组成。共编码11种蛋白（ PB2，PB1，PB1-F2，PA，HA，NP，NA，M1，M2，NS1，NS2 ）SIV宿主的分子生物学特性猪流感病毒对禽流感病毒受体（为唾液酸2,3半乳糖苷），及人流感病毒的受体（唾液酸2,6半乳糖苷）均具有亲和性,猪的呼吸道黏膜上也同时具有这

16、两种受体。猪流感病毒HA序列受体结合位点具有与两种类型受体相似的结合潜能，决定了猪流感病毒不仅可以感染猪，同时也具有感染鸟类和其他哺乳动物的可能性。猪充当了“混合器”的作用，国际学术界已普遍认为，通过猪可以产生引起流感大流行的病毒株。SIV基因的起源和进化-SIV的基因重配逆转录病毒基因组逆转录病毒（Reverse Transcribing Viruses） DNA逆转录病毒（DNA Reverse Transcribing Viruses） RNA逆转录病毒（RNA Reverse Transcribing Viruses）（传统意义的逆转录病毒Retrovirus ） 所有发现的RNA肿瘤

17、病毒均属RNA逆转录病毒逆转录病毒的共同特点：能够携带或编码逆转录酶（reverse transcriptase, RT）。病毒感染细胞后，先以其RNA为模板，逆转录合成前病毒DNA（provirus DNA），再整合到宿主细胞染色体DNA中，随细胞基因组的复制和细胞分裂。在宿主细胞RNA聚合酶的作用下，前病毒DNA又能重新转录成子代病毒基因DNA。 能与宿主基因发生重组，干扰宿主基因的表达。逆转录病毒基因组结构和组成 gag基因编码核心蛋白，即DNA结合蛋白 pol基因编码病毒复制所需的酶类（逆转录酶、整合酶、RNaseH） env基因编码包膜蛋白 R1080base（不同病毒）的正向重复顺序 U3 与转录终止和加polyA有关 U5含强启动子，起始转录RNA。 PBS 反转录时tRNA引物的3端结合位点 基因组内部的腺苷酸残基常有6-甲基化（m6A），有的还具有序列特异性。 5 端结构区依次为R、U5、PB、先导序列（Leader） 3端为PP、U3、R 这些末端结构序列是病毒基因组进行复制、转录、整合和包装的重要识别信号。 逆转录病毒基因组的结构逆转录病毒基因复制的特点逆转录病毒颗