病毒的进化专题知识讲座

病毒的进化专题知识讲座病毒的进化专题知识讲座第1页2第六章病毒进化病毒进化：病毒由来、存在及其发展演变过程、特征和规律。研究病毒进化难度：1）病毒尤其微小2）病毒没有化石3）病毒进化随机性强

病毒的进化专题知识讲座第2页31.相关病毒起源学说4.RNA病毒进化5.病毒与机体相互作用进化关系本章内容2.研究病毒分子进化相关方法3.DNA病毒进化病毒的进化专题知识讲座第3页4序言特点:从进化角度来说,病毒是高度进化生物,并仍在不停进化。

病毒普通只编码从宿主细胞中不能得到功效,除功效基因外极少浪费基因组序列.

病毒结构在进化过程中演变得含有双重功效:蛋白质外壳首先保护病毒在环境中稳定性,另方面确保病毒进入细胞后能快速脱掉外壳进行复制.病毒的进化专题知识讲座第4页5序言意义:经过研究现存病毒,希望了解病毒起源和进化历程,预示病毒尤其是人类病原病毒未来变异和进化方向,需要了解伴随环境原因改变,病毒将怎样变异、变异速度、选择压力等,从而能有效地控制和防止人类和动物病毒病暴发.病毒的进化专题知识讲座第5页6序言三种类型病毒:①单纯以DNA为遗传物质病毒②生活不一样阶段以DNA和RNA为遗传物质病毒③单纯以RNA为遗传物质病毒普通认为它们有着不一样起源和不一样进化.病毒的进化专题知识讲座第6页71、病毒起源学说病毒从何而来？这是生物进化问题上一个至关主要研究课题，是一个不折不扣悬而未决问题。病毒的进化专题知识讲座第7页81、病毒起源学说病毒起源:病毒或遗传物质从它前身大分子中独立出来进行自主复制和进化时候,称为病毒起源.退化性学说病毒起源于宿主细胞中DNA和RNA成份学说病毒起源于含有自主复制功效原始大分子学说三类起源学说:病毒的进化专题知识讲座第8页91.1、退化性学说该学说认为:病毒是细胞内寄生物退化形式.

代表人:Green1935Burnet1945Lwoff1959

理由:细胞内寄生产生原因可能是因为微生物对某种不能穿透细胞膜代谢发生了严重依赖.在细胞内,这类寄生物能够在不影响生存情况下逐步丢失个别生物学功效.它们所必需保留功效是含有自主复制DNA复制原点,对复制进行调控反式调控蛋白及能与宿主生物合成及复制系统相互作用顺式和反式功效.

支持证据:一些中间型细胞内寄生物,如立克次体，衣原体；麻风杆菌病毒的进化专题知识讲座第9页10退化性起源学说对病毒起源解释：1.寄生物在细胞内产生独立复制DNA质粒；2.编码寄生物亚细胞结构单位基因发生突变，形成病毒衣壳蛋白。病毒的进化专题知识讲座第10页111.2.病毒起源于宿主细胞中DNA和RNA成份学说

该学说认为:病毒是正常细胞组分在进化过程中取得了自主复制能力，独立进化来.

能解释全部病毒起源:◆DNA病毒起源于质粒或转移因子◆RNA病毒起源于自主复制mRNA◆反转录病毒起源于反转座子病毒独立条件:◆有复制起始位点◆有保护性蛋白质外壳病毒的进化专题知识讲座第11页121.2.1.复制起始位点起始位点:开启DNA和RNA复制序列.

RNA病毒复制起始位点普通位于线性分子末端.

DNA病毒起始位点普通位于分子内部并有显著结构特征.

因为病毒极少完全本身编码病毒DNA和RNA复制所需蛋白质,通常会有宿主蛋白共同参加复制起始.病毒的进化专题知识讲座第12页131.2.2.类病毒和卫星病毒类病毒卫星病毒核酸最小分子最小分子有没有外壳无有复制场所细胞核细胞质是否编码蛋白不不复制需RNA聚合酶Ⅱ拷贝多聚负链宿主细胞或依赖于RNARNA聚合酶Ⅰ起源可能是细胞RNA取得复制原点后进化产生病毒的进化专题知识讲座第13页141.2.3.质粒、转座子质粒、转座子它们起源和进化可能和病毒起源和进化相关.

质粒:细胞中能够自我复制DNA分子.它复制条件和病毒一样,它研究利于了解DNA病毒起源和进化.

转座子:是从DNA一个位点转移到另一个位点大小为750—40000bpDNA分子.许多DNA病毒基因组组成与它相同,二者是否含有相同祖先,有待深入研究.病毒的进化专题知识讲座第14页151.2.4.可复制mRNAsRNA病毒起源是独立于DNA病毒.

有些人认为RNA病毒起源一个可能是：细胞mRNA取得了自我复制能力,一旦这种自我复制mRNA取得了编码蛋白基因,一个简单RNA病毒就诞生了.病毒的进化专题知识讲座第15页161.2.5反转子因为1999年在古细菌中发觉了所谓“反转子”遗传单位，这为病毒在基因水平上起源及进化提供了新证据：

“反转子”是仅含一个基因而且能自我复制一段核酸分子，含有主要基因捕捉功效。其基因与宿主细胞等位基因高度同源，且在密码子使用频率上也有高度相同性，经过考证，初步预计“反转子”在4亿年前就存在了。病毒的进化专题知识讲座第16页171.2.5反转子在古细菌进化过程中，反转子从细菌基因中捕捉基因，扩充本身遗传信息量并增加生物学功效，最原始感染性病毒颗粒由此产生，原始病毒采取不一样复制策略，所以产生了不一样病毒进化。病毒的进化专题知识讲座第17页181.2.5反转子由此生命起源是从细菌开始，细菌是病毒进化摇篮。据此推测：地球上最早出现病毒可能是经RNA为基因组逆转录病毒，然后再发展成以DNA为基因组逆转录病毒，最终出现是DNA病毒，而RNA病毒则很可能有其独立演化路径。

病毒的进化专题知识讲座第18页191.3.病毒起源于含有自主复制功效原始大分子学说该学说认为:病毒起源于自主复制RNA分子.首先是RNA形成和复制,然后演变出RNA-蛋白质介导一系列反应,第三步产生了DNA.DNA因为比RNA稳定而最终成为遗传信息.病毒的进化专题知识讲座第19页201.3.病毒起源于含有自主复制功效原始大分子学说证据:RNA分子含有最少三种化学功效

◆核糖核酸酶活性.◆能自我拼接去掉内部核酸序列(核酶)◆有试验表明,以RNA作引物能够合成依赖于模板多聚胞嘧啶核酸.

RNA反应性有利于它作为催化物而不利于它成为遗传物质.

有些分子被包装在细胞或组织中,形成宿主细胞,另一些分子则自我复制或寄生在宿主细胞中,进化为病毒.病毒的进化专题知识讲座第20页21总而言之，病毒起源是复杂和多元化，不一样病毒有着不一样起源，最少在DNA病毒和RNA病毒之间是如此，伴随更多研究资料积累，相信咱们会取得更多新证据。有一点当前是有基础共识，那就是病毒是一个可动遗传单元，在对应条件下进行细胞之间定位传递。作为大分子物质，病毒起源实际就是生物大分子起源，是当今生命科学中最主要命题之一。病毒的进化专题知识讲座第21页222.研究病毒分子进化相关方法单基因进化树基因组排列与进化研究基因组基因组成与进化研究病毒的进化专题知识讲座第22页232.1利用核苷酸或蛋白质序列绘制单基因进化树在构建进化树时，首先利用计算机程序对含有多个同源基因核苷酸或蛋白质序列进行同源序列优化排序，然后利用定量分子系统学方法，如邻接法、最大简约法等，构建出单基因进化树，从而预测相对应物种。利用单基因序列做出进化树，能够用来研究病毒亲缘关系、进化速率和流行病学分析。单基因进化树在相当程度上可能不能反应病毒进化，而仅仅代表了基因进化。病毒的进化专题知识讲座第23页242.2基因组排列与进化研究利用基因组排列次序做进化树：基因组上基因排列次序能够经过一定方法构建成进化树。比如年，Herniou等人利用相对断裂点矩阵法和邻近基因配对法构建了杆状病毒基因组进化树。与单基因进化树相比，它们从另一个侧面反应了基因组进化规律，也就是基因组重排现象。病毒的进化专题知识讲座第24页252.3基因组基因组成与进化研究经过对基因组中基因组成份析，了解在病毒进化过程中，病毒基因进化过程，为深入研究基因功效判定良好基础。病毒的进化专题知识讲座第25页263.DNA病毒进化3.1.影响DNA病毒进化原因3.1.1.突变和重组

影响病毒基因组产生进化主要力量是突变和重组.

因为病毒变异频率快、短时间能复制许多代、会产生一些缺点性病毒,造成病毒变异快.

变异造成病毒生物功效巨大改变.从而改变了病毒与宿主细胞关系,面对新宿主选择压力成为迫使病毒进化原因之一.

病毒的进化专题知识讲座第26页273.1.影响DNA病毒进化原因3.1.2.因为基因组大小限制所产生进化约束

基因倍增:病毒外壳对病毒基因组大小产生了限制,而病毒基因组上极少有非编码序列存在.许多基因家族是靠基因倍增和漂移所产生,但因基因组缺乏空间,这类基因会在病毒进化中丢失.病毒的进化专题知识讲座第27页283.1.影响DNA病毒进化原因

3.1.2.因为基因组大小限制所产生进化约束

非必需基因:病毒经过非必需基因进化出一个造成免疫反应弱化机制,使子代病毒产量提升,从而到达长久慢性或连续性生长.如腺病毒E3糖蛋白基因.病毒的进化专题知识讲座第28页29

4.RNA病毒进化

4.1.RNA病毒超家族

RNA病毒能够看作是一类特殊mRNA分子.有三大组:◆正链病毒:基因组能直接翻译成蛋白质,不含蛋白质基因组有感染性.◆负链病毒:基因组为mRNA互补链能,必须先转录才能翻译.◆双链病毒:

依据序列同源性,RNA病毒被组合成几个超家族病毒的进化专题知识讲座第29页30

4.RNA病毒进化

4.1.RNA病毒超家族同一家族不一样病毒被视为起源于同一祖先.全部RNA病毒能够用几个超家族来涵盖,说明RNA病毒起源在地球上生命进化史中可能只出现过几次。实际上，RNA病毒在进化史上可能只有一次起源，当前全部RNA病毒可能是由一个原始病毒经过分化、重组、基因复制而产生病毒的进化专题知识讲座第30页314.2.RNA病毒分歧速率

数据表明:RNA病毒进化速度比宿主进化速度快.

主要是它突变频率比宿主细胞大约高4个数量级.

快速变异率使得大家推断,现存含有复制蛋白序列同源性动、植物RNA病毒在进化上相互分离时间要远晚于植物与动物分离时间.病毒的进化专题知识讲座第31页32

4.3.RNA病毒变异发生机制

4.3.1.突变

RNA病毒变异与进化主要原因是突变,尤其是点突变.另外还有缺失突变和重排.

多数RNA聚合酶不具备错误修复能力.错误发生率高.

突变基因组存在有利于病毒快速适应各类改变着环境.病毒的进化专题知识讲座第32页334.3.2.重排

两个含有分段基因组病毒在产生子代病毒时将其遗传物质重新组合,称重排.

重排是含有分段基因组病毒进化一个机制.

在进化中,伴随条件不一样,病毒有时能够分散形成份段基因组,有时又可组成单一基因组,前者优势是能够借助重排方便地进行遗传交换,而后者优势是能将包含全部遗传信息单一RNA分子便利地包装和运输.病毒的进化专题知识讲座第33页344.3.3.重组

重组是两种不一样起源序列经过共价组合形成新核酸序列.RNA病毒重组现象并不普遍.真核细胞普通不具RNA聚合酶,RNA病毒也不编码有利于重组酶系统.但这并不意味着RNA病毒不发生重组.病毒的进化专题知识讲座第34页35

病毒进化特征：1）新病毒不停产生，基础上从另一个宿主病毒演化而来

2）新病毒产生后，在新宿主体内分化变异速度快

3）新病毒稳定后，其毒力大多在中等水平4）病毒进化有一定随机性，又受选择压力而呈一定方向性和稳定性5）病毒各基因在进化上含有不一样进化特征病毒的进化专题知识讲座第35页365、病毒与机体相互作用进化关系对微生物进化研究表明，任何含有感染能力微生物（包含病毒）在其生存及增殖能力上成功进化都取决于它表型选择。很显然，这么表型选择起源于病毒遗传可变性。病毒的进化专题知识讲座第36页375、病毒与机体相互作用进化关系对于病毒来说，基因突变产生，实际上依然是因为在病毒感染过程中，病毒与宿主细胞相互作用所形成选择诱导效应，这类突变对病毒来说是常见。对一些病毒而言，这类突变引发表型改变并不显著，但对另外一些病毒，这类突变引发表型改变极为显著，它经常形成直接病毒抗原性、毒力改变，其中最经典例子就是流感病毒。病毒的进化专题知识讲座第37页385、病毒与机体相互作用进化关系这个RNA病毒两个主要抗原成份（血凝素抗原和神经氨酸酶抗原）改变周期之短暂、改变速度之快，令人类对他造成疾病流行经常防不胜防。另外众所周知人免疫缺点病毒（HIV病毒）从其被发觉以来几十年间，基因突变造成抗原性漂移速度也是极为显著，以至于在一定程度上其疫苗研究频频受挫。病毒的进化专题知识讲座第38页395、病毒与机体相互作用进化关系病毒基因突变以及其所造成表型改变均是发生在其感染宿主细胞之后，尤其显著是表现为此感染在宿主群体基础完成了一次流行之后。这很显著提醒，病毒进化，不论其是有利于病毒生存，还是不利于病毒生存，或者如同前面所说增加病毒毒力还是减弱病毒毒力，均取决于它与宿主细胞、个体、群体相互作用感染过程。病毒的进化专题知识讲座第39页405、病毒与机体相互作用进化关系所以，对病毒进化认识就是对病毒与细胞相互作用认识，简单说，也就是从病毒在个体宿主细胞感染过程到宿主机体乃至宿主群体感染过程认识。反之，假如要深入了解形成一个特定病毒感染激励系统背景，就应该认识病毒与宿主机体在相互作用进化过程中所建立起来一系列相互关系病毒的进化专题知识讲座第40页415、病毒与机体相互作用进化关系5.1病毒及其识别细胞受体能力进化病毒要感染细胞，其首要前提条件就是结合到细胞膜上。因为病毒表面结构较为简单，不含有其它微生物如细菌等所含有吸附表面辅助结构，比如鞭毛、纤毛等，所以，以一个较大蛋白结构或是囊膜与蛋白亚单位形成结构与细胞结合，必须寻找一个对应位于细胞表面结合分子，也就是通常说“受体”。病毒的进化专题知识讲座第41页425.1病毒及其识别细胞受体能力进化比如，流感病毒受体为细胞膜表面唾液酸分子。这种流感病毒与唾液酸分子结合从生物化学意义上看，实际上就是蛋白分子与另一个（后者能够是蛋白分子、多糖分子等）在结构构象上对应关系，而形成空间上相互靠近，并在氢键、范德华力作用下完成结构结合过程。病毒的进化专题知识讲座第42页435.1病毒及其识别细胞受体能力进化

在一些对应研究资料中，展示了许多有意思现象。比如在病毒壳蛋白中一个氨基酸改变能够影响病毒与受体识别，以致改变病毒组织嗜性甚至改变其病理结果。

有一些资料表明，在流感病毒血凝素蛋白中一个氨基酸改变，即可使病毒与结构略有不一样受体分子结合特异性发生改变病毒的进化专题知识讲座第43页445.1病毒及其识别细胞受体能力进化仅能感染灵长类动物脊髓灰质炎病毒l型Mahoney株壳蛋白中制造一个氨基酸突变。就能够使其能够感染啮齿类动物小鼠。病毒的进化专题知识讲座第44页455.1病毒及其识别细胞受体能力进化这些结果提醒，在病毒增殖过程中，只要一些突变一旦发生，病毒与受体结合作用就会发生改变，而且这种改变直接影响到病毒感染能力及感染对象。实际上，在病毒与细胞相互作用中，因为宿主生物环境原因使病毒发生突变概率是很大。病毒的进化专题知识讲座第45页465.1病毒及其识别细胞受体能力进化所以，这实际上为病毒识别受体能力不停改变提供了机理上可能。在一些不停引发宿主群体感染病毒中，这种可能性就更大，因为其基因突变率将会在病毒与宿主不停作用过程中变得更高。病毒的进化专题知识讲座第46页475.1病毒及其识别细胞受体能力进化在HIV病原学研究中，能够找到很多佐证。比如，对于HIV起源，一个倾向性共识就是因为猿猴免疫缺点病毒(SIV)在偶然情况下感染人体后，SIV在经过感染人T细胞或其它细胞后发生较大变异，形成了能够识他人CD4受体及其它趋化素受体能力，最终形成了HIV。病毒的进化专题知识讲座第47页485.1病毒及其识别细胞受体能力进化另外，试验还提醒，麻疹疫苗Edmonston株是与CD46受体结合细胞，但其它一些麻疹病毒株则不使用CD46受体，而使用表示于B淋巴细胞或T淋巴细胞表面SLAM受体(一个糖蛋白)开始其感染，二者之间差异是Edmon-ston株在减毒过程中改变了膜蛋白上血凝素中一个氨基酸。病毒的进化专题知识讲座第48页495.1病毒及其识别细胞受体能力进化病毒在宿主环境中与各种原因相互作用中，形成选择压力促成了其基因结构乃至蛋白结构改变，造成受体识别范围、结合能力改变。这在其进化适应过程中含有极大意义。而病毒在这种自然压力下进化趋势，就是病毒本身不停借助与宿主相互作用，寻找愈加适宜生存宿主和生存方式原动力。病毒的进化专题知识讲座第49页505.1病毒及其识别细胞受体能力进化另一个角度讲，病毒在与宿主相互作用过程中，假如不能适应这种自然压力，其所造成基因突变亦可能是致死性。即使这方面明确证据尚欠必定，但从理论上看，这种可能性是存在。在历史上记载曾经肆虐于尼罗河流域，但以后却自行消失“昏睡性脑病”，也可能与此机理有一定关联。病毒的进化专题知识讲座第50页515.1病毒及其识别细胞受体能力进化病毒在受体识别及结合能力上进化，对于病毒整体上与宿主相互作用后造成全方面进化来说，只是其中一个方面，不过这个方面进化无疑对病毒新种形成，对病毒感染宿主扩充、组织嗜性改变等都极为主要。因为这个能力决定了病毒感染，也就是病毒生存所必需增殖过程能否在新环境中开始。病毒的进化专题知识讲座第51页52

因为病毒结构上与受体结合结构部位通常都是免疫学中中和抗体所包括主要抗原表位，所以，这个部位在与受体结合过程中改变也必定形成免疫逃逸效应，即机体中曾经针对此抗原表位形成中和性抗体将对该病毒再次入侵失去中和能力，从而使病毒在受体识别及结合能力上改变演变为病毒在宿主群体中感染能力改变。5.1病毒及其识别细胞受体能力进化病毒的进化专题知识讲座第52页535.1病毒及其识别细胞受体能力进化

年出现SARS病毒(急性呼吸道重症综合症病毒)就表现了作为冠状病毒(Coronavi，u，)新准种在与受体结合S蛋白结构特异性。即使该S蛋白所能识别受体尚不清楚，但序列同源性在50％以上变异表明，该S蛋白识别并结合受体已不可能还是冠状病毒人株229E或O443两个株所能识别受体了。

病毒的进化专题知识讲座第53页545.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化除了单细胞生物(如细菌）外。大多数与病毒关系亲密宿主是分化程度较高多细胞动物或植物，而对脊椎动物来说，因为其进化特点，它们大多数都在分化发展过程中行成了一套含有“防御外来病害侵入免疫系统，这一系统经过机体体液信号网络系统和神经系”调整，能够从整体上对外来病害侵入做出全方面反应，尤其针对病毒或其它病原体，机体免疫系统能够体液免疫和细胞免疫反应形式局限、毁灭或去除入侵者。病毒的进化专题知识讲座第54页555.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化这么一个防御系统存在，就宿主机体而言。是一个有效去除外来异物、确保机体环境趋于平衡伎俩:对病毒和其它病原体来说，则是在细胞水平之上、与病毒亲密相关、能和病毒在机体层次上相互作用反应系统，它对病毒及其它病原体作用，形成了更高层面上进化压力和自然选择力量。病毒的进化专题知识讲座第55页565.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化这种力量能够分为两个方面:一是在不停进化中趋于完善天然免疫系统，它包含各种非特异性细胞和杀伤性因子，是在病毒侵入机体后马上做出应急反应系统;

病毒的进化专题知识讲座第56页575.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化另一个是在长久与病原体斗争中不停得到改进取得性免疫系统，它包含特异性杀伤细胞、识别辅助细胞、特异性抗体、免疫记忆性细胞等，是在病毒首次入侵后能够加以认识形成特异性反应，并在病毒再次入侵时马上识别并加以反应性去除系统。病毒的进化专题知识讲座第57页585.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化由此组成对病毒选择压力通常称为免疫选择。进化理论和试验分析表明，病毒在这么免疫选择之下形成本能反应就是逃避宿主免疫防卫。这种逃避主要方式就是利用病毒基因中序列突变多样性。这种方式在一些病毒(如流感病毒和包含HIV在内逆转录病毒家族)表现出极其经典特征。病毒的进化专题知识讲座第58页595.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化流感病毒，尤其是甲型流感病毒，它生物学特点就是其抗原性一直呈连续不停变异。从大方面看，该病毒作为一个在自然界广泛分布、含有极广宿主范围病毒，经过其在神经氨酸酶(NA)及血凝素(HA)两个主要抗原成份上变异和在不一样亚种中杂交重组，使不一样感染体不停地改变其宿主范围，尤其是禽类流感发生向人类感染转移。病毒的进化专题知识讲座第59页605.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化这方面较经典例子即是1997年香港发生H5N1流感株在人类感染，即是因为禽类流行株向人类转移所致。另外。在人群中流行株则经常以抗原变异和抗原漂移形式在人群中重复传输。比如，发生于1918年世界性流感大流行，其致病株经以后基因分型命名为HIN1亚型，自那以后至20世纪50年代之间，该型病毒还以其变异株引发了两次世界性流感大流行;病毒的进化专题知识讲座第60页615.2病毒与宿主免疫系统相互作用进化1957年，起源于、中国贵州HIN2亚型在形成