病毒的结构及生物学特性

任务1　病毒的结构及生物学特性

病毒（virus）是非细胞型微生物，其主要特征如下：①个体微小，可通过细菌滤器，需用电子显微镜观察；②结构简单，无细胞结构，由蛋白质与核酸组成，且仅含一种类型核酸（DNA或RNA）；③严格胞内寄生性，缺乏产生能量的酶系统，必须在易感的活细胞内进行增殖；④以复制的方式增殖；⑤在抵抗力方面，一般耐冷不耐热，对抗生素不敏感。

一、病毒的分类

病毒的分类方法有多种。根据遗传物质的不同，可分为DNA病毒、RNA病毒、蛋白质病毒（如朊病毒）；根据病毒结构的不同，可分为真病毒（euvirus，简称病毒）和亚病毒（subvirus，包括类病毒、拟病毒、朊病毒）；根据其寄生宿主的种类的不同，可分为噬菌体（细菌病毒）、植物病毒（如烟草花叶病毒）、动物病毒（如禽流感病毒、天花病毒、HIV等）。根据性质的不同，可分为温和病毒（如HIV）、烈性病毒（如狂犬病病毒）。

二、病毒的大小与形态

完整的成熟病毒颗粒称为病毒体（virion），属细胞外病毒形式，病毒的大小以纳米（nm）为单位表示。根据大小将病毒大致分为大、中、小三型。大型为200～300nm，如痘类病毒，在光学显微镜下勉强可见；中型为80～150nm，如流行性感冒病毒、腺病毒、副流感病毒、疱疹病毒等；小型为20～30nm，如口蹄疫病毒与脊髓灰质炎病毒等。大多数病毒体小于150nm，必须用电子显微镜放大数千倍至数万倍才能看到。

病毒的形态有多种类型，大多数病毒呈球形或近似球形，少数呈杆状（植物病毒多见）、丝状（如初分离时的流感病毒）、弹状（如狂犬病病毒）、砖形（如痘类病毒）和蝌蚪状（如噬菌体）。

三、病毒的结构和组成

病毒主要由核酸和蛋白质外壳组成。由于病毒是一类非细胞生物体，故单个病毒个体不能称为“单细胞”，这样就产生了病毒粒或病毒体。病毒粒有时也称病毒颗粒或病毒粒子（virus particle），专指成熟的结构完整的和有感染性的单个病毒。核酸位于它的中心，称为核心（core）或基因组（genome），蛋白质包围在核心周围，形成衣壳（capsid）。衣壳是病毒粒的主要支架结构和抗原成分，有保护核酸等作用。衣壳由许多在电子显微镜下可辨别的形态学亚单位（subunit）——衣壳粒（capsomere）构成。核心和衣壳合称核心壳（nucleocapsid）。有些较复杂的病毒（一般为动物病毒，如流感病毒），其核心壳外还被一层含蛋白质或糖蛋白（glycoprotein）的类脂双层膜覆盖着，这层膜称为包膜（envelope）。包膜中的类脂来自宿主细胞膜。有的包膜上还长有刺突（spike）等附属物。包膜的有无及其性质与该病毒的宿主专一性和侵入等功能有关。昆虫病毒中有一类多角体病毒，其核壳被蛋白质晶体所包被，形成多角形包含体。乙肝病毒结构模式如图2-1所示。

四、病毒增殖

病毒增殖指病毒粒入侵宿主细胞到最后细胞释放子代毒粒的全过程，大致可分为连续的五个阶段：吸附、侵入、脱壳、生物合成、装配与释放。病毒的复制周期约为10h。

（一）吸附

病毒增殖的第一步就是吸附（adsorption）于易感细胞，吸附是特异的、可逆的，这种特异性就决定了病毒嗜组织的特征，如脊髓灰质炎病毒的衣壳蛋白可与灵长类动物细胞表面脂蛋白受体结合，但不吸附兔或小鼠的细胞。流感病毒包膜上的血凝素蛋白只与宿主呼吸道黏膜细胞表面唾液酸寡糖支链结合。因此，有人利用消除细胞表面的病毒受体，或利用与受体类似的物质阻断病毒与受体的结合，来开发抗病毒药物。

图2-1　乙肝病毒结构模式

（二）侵入

吸附在易感细胞上的病毒，可通过不同方式进入细胞内，称为侵入（penetration）。侵入的方式至少有三种：①胞饮，无包膜病毒一般以细胞膜的内吞作用，即细胞膜内陷将病毒包裹其中，形成类似吞噬泡的结构，使病毒原封不动地进入细胞质内；②融合，有包膜的病毒靠吸附部位的酶作用及包膜与宿主细胞膜的同源性等，发生包膜与宿主细胞膜的融合，使病毒核衣壳进入细胞质内；③转位作用，有些无包膜病毒吸附于宿主细胞膜后，其衣壳蛋白的某些多肽成分发生改变，使病毒直接穿过宿主细胞膜进入细胞，但这种方式较少见。噬菌体吸附于细菌后，可能由细菌表面的酶类作用，导致噬菌体头部的核酸通过尾髓直接进入细胞质内。

（三）脱壳

穿入细胞质中的核衣壳脱去衣壳蛋白，使基因组核酸裸露的过程称为脱壳（uncoating）。这是病毒在细胞内能否进行复制的关键，病毒核酸如不暴露出来则无法发挥指令作用，病毒就不能进行复制。脱壳必须有酶的参与，这些特异性水解病毒衣壳蛋白的酶称为脱壳酶。

（四）生物合成

病毒基因一经脱壳释放，就能利用宿主细胞提供的小分子物质和能量合成大量的病毒核酸及结构蛋白等，此过程称为病毒的生物合成（biosynthesis）。病毒成分的合成包括三个方面：①病毒mRNA的转录；②病毒复制子代病毒核酸；③特异性mRNA转译子代病毒结构蛋白及功能蛋白。此期仅合成子代病毒的组成元件，在细胞内查找不到完整的病毒粒，故称隐蔽期。病毒生物合成的方式因核酸类型而异。

（五）装配与释放

病毒核酸和结构蛋白是分别复制的，然后装配成完整的病毒粒。最简单的装配方式（如烟草花叶病毒）是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成，不借助酶，也不需能量再生体系。许多二十面体病毒粒先聚集其衣壳，再装入核酸。有包膜的病毒，在细胞内形成核以后转移至被病毒修饰了的细胞核膜或质膜下面，以芽生方式释放病毒粒。如T4噬菌体先分别装配头部、尾部和尾丝，最后组合成完整的病毒粒，裂解细菌而释放，其中有些步骤需酶的作用。

病毒的侵染、繁殖途径如图2-2所示。

图2-2　病毒的侵染、繁殖途径

五、细胞水平上的感染类型和宿主反应

很早就已发现噬菌体感染有裂解性和溶源性之分。以大肠杆菌的λ噬菌体为例，裂解性感染于经历上述复制周期后产生大量子代病毒粒而将细菌裂解；溶源性感染时，噬菌体DNA环化并整合到大肠杆菌DNA的特异性位点上，随着细菌的分裂而传给子代细菌，细菌不被裂解也不产生子代病毒粒。营养条件、紫外线或化学药物都能使溶源性感染转化为裂解性感染。动物的DNA病毒（如SV40、腺病毒、疱疹病毒）感染敏感细胞（称为容许细胞）后，形成裂解性感染，而感染不大敏感的细胞（称为不容许细胞）后，则形成转化性感染。转化性感染与溶源性感染相似，病毒DNA或其片段整合于细胞染色体上，并随细胞分裂而传给子代细胞，表达其部分基因（一般为早期基因），但不产生子代病毒粒，细胞也不死亡，但被转化后类似于肿瘤细胞，可无限地传代。另一方面，RNA肿瘤病毒（如鸡肉瘤病毒）必须先将其RNA逆转录成dsDNA并整合到细胞染色体上，才能进行复制，所以这种感染方式是独特的，既是转化性感染，又产生大量病毒粒。

（一）细胞病变效应

在体外实验中，通过细胞培养和接种杀细胞性病毒，经过一定时间后，可用显微镜观察到细胞变圆，坏死，从瓶壁脱落等现象，称为细胞病变效应（cytopathic effect，CPE）。利用这种病变效应可进行病毒定量。一般来说，肿瘤病毒的此种效应较弱，或是不具有CPE。细胞病变效应主要有以下几种：①整个细胞都发生改变，有两种情况，其一是细胞核及整个细胞都发生肿胀，细胞浆呈颗粒样变化，细胞膜边缘不整齐，其二是整个细胞皱缩，变圆直至碎裂、脱落等，多见于肠道病毒、痘病毒、呼吸病毒、鼻病毒、科萨奇病毒；②细胞发生聚合，如腺病毒；③细胞融合形成合胞体，即多数细胞发生相互融合而成“巨细胞”，但各个细胞核仍然能分辨清楚，如副黏病毒、疱疹病毒；④细胞仅产生轻微病变，如正黏病毒、狂犬病病毒、冠状病毒、逆转录病毒以及沙粒病毒。

有些动物病毒感染宿主细胞后，在细胞核或细胞质内形成具有特殊染色特性的内含物，称为包含体，它是一种蛋白质性质的病变结构，在光学显微镜下可见，多为圆形、卵圆形或不规则形。一般是由完整的病毒粒或尚未装配的病毒亚基聚集而成；少数则是宿主细胞对病毒感染的反应产物，不含病毒粒。有的位于细胞质中（如天花病毒），有的位于细胞核中（如疱疹病毒），或细胞质、细胞核中都有（如麻疹病毒）。有的还具有特殊名称，如天花病毒包含体又称为顾氏（Guarnieri）小体，狂犬病病毒包含体又称为内基氏（Vegri）小体。昆虫病毒可根据包含体的形状、位置而分为细胞质型多角体病毒、核型多角及颗粒体病毒等。Vero细胞接种山羊痘病毒后的病变如图2-3所示。

图2-3　Vero细胞接种山羊痘病毒后的病变

（a）正常Vero细胞，呈排列紧密的梭状；（b）接种山羊痘病毒72h后的Vero细胞病变（如细胞折光性增强、细胞间隙增大或细胞圆缩、细胞聚集成簇或脱落呈蚀斑状等）

（二）病毒的干扰现象

两种病毒感染同一种细胞或机体时，常常发生一种病毒抑制另一种病毒复制的现象，称为干扰现象（interference）。干扰现象可在同种以及同株的病毒间发生，后者如流感病毒的自身干扰。异种病毒和无亲缘关系的病毒之间也可以干扰，且比较常见。

病毒间干扰的机制还不完全清楚，总体上是病毒作用于宿主细胞，诱导产生干扰素（interferon，IFN）。除干扰素外，还有其他因素也能干扰病毒的增殖，例如，第一种病毒占据或破坏了宿主细胞的表面受体或者改变了宿主细胞的代谢途径因而阻止另一种病毒的吸附或穿入，如黏病毒等；另外，也可能是阻止第二种病毒mRNA的转译，如脊髓灰质炎病毒干扰水疱性口炎病毒；还有可能是在复制过程中产生了缺陷性干扰颗粒（defective interfering particle，DIP），能干扰同种正常病毒在细胞内的复制，如流感病毒在鸡胚尿囊液中连续传代，DIP逐渐增加而发生自身干扰。

（三）蚀斑形成单位

蚀斑形成单位（PFU）又称空斑形成单位，是计量病毒（或噬菌体）的一种单位，但只用在有产生蚀斑能力的病毒。其原理如下：用少量有破坏宿主细胞能力的病毒去感染已形成致密单层状态的宿主细胞群体时，经过一定培养时间使每个感染细胞周围的细胞逐渐感染崩溃，形成肉眼可见的蚀斑（噬菌体可直接观察，病毒则需借助于活体染色的方法）。在理论上，一个病毒体就可以形成一个蚀斑，但实际上有不同程度的误差，因此不能准确地与其他计量单位互换。用PFU计量病毒的方法称为PFU法。

知识拓展

病毒学研究与生命科学及生物技术密切相关，因为病毒是研究生命活动最简单的模型，为近代研究生物大分子结构及其功能、基因组高效表达与调控提供了有力工具，在人类认识生命现象的过程中提供了许多基本的信息。一方面病毒能够引起动物、植物及人类各种疾病，如艾滋病，对人类的生存至今仍是巨大的威胁；另一方面，它又可被用来消除害虫、用做外源基因的表达载体，可以为人类所利用。病毒学涉及医学、兽医、环境、农业及工业等广阔领域，相应发展成噬菌体学、医学病毒学、兽医病毒学、环境病毒学、植物病毒学及昆虫病毒学等分支学科。病毒学已成为人们认识生命本质、发展国民经济和保证人畜健康而必须深入研究的重点学科。

思考题

1.病毒感染细胞和增殖的过程可分为哪几个阶段？

2.病毒有哪些生物学特征？

3.病毒的感染类型和宿主反应有哪些？