植物病毒的結(jié)構(gòu)與功能2013課件

作業(yè)規(guī)范：Word文件名：名字+阿拉伯?dāng)?shù)字以郵件發(fā)送至獨立完成，禁止抄襲植物病毒是一類比較原始的、結(jié)構(gòu)簡單的、能夠自我復(fù)制和嚴(yán)格細(xì)胞內(nèi)寄生的非細(xì)胞生物。由核酸和蛋白衣殼組成，是分子寄生物。簡要回顧

按它們寄主的不同，病毒分為:寄生植物的植物病毒(PIantvirus)、寄生動物的動物病毒(Animalvirus)寄生細(xì)菌的噬菌體(Phage)等。第二章植物病毒的結(jié)構(gòu)一、病毒的結(jié)構(gòu)組成1.基因組核酸2.病毒的衣殼3.病毒內(nèi)含物4.病毒的包膜VirusCompositionNucleicacidsandproteinsNucleicacids:5%-40%Proteins:60%-95%大部分的植物病毒的核酸為RNA，且多數(shù)只有一種結(jié)構(gòu)蛋白；而動物病毒和噬菌體的核酸有許多為DNA，且大多幾種不同種類的結(jié)構(gòu)蛋白。1.基因組核酸病毒遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)植物病毒的核酸類型：

植物病毒的核酸只有RNA或DNA兩種，按核酸的種類和其在復(fù)制過程中的功能，可分為5種類型病毒，其中3種為RNA病毒，2種為DNA病毒。正單鏈RNA(positivesinglestrandRNA，十ssRNA)病毒負(fù)單鏈RNA(negativesinglestrandRNA，-ssRNA)病毒雙鏈RNA(doublestrandRNA，dsRNA)病毒單鏈DNA(ssDNA)病毒雙鏈DNA(dsDNA)病毒核酸的多分體現(xiàn)象和多分體病毒多分體現(xiàn)象為植物病毒所特有，并僅存在于正單鏈RNA病毒（+ssRNA病毒）中。核酸多分體病毒是指病毒的基因組分布在不同的核酸鏈上，分別包裝在不同的病毒粒體里。這種分段的基因組被稱為多組分基因組；含多組分基因組的病毒被稱為多分體病毒。根據(jù)基因組分離和侵染所必需的狀況可將正單鏈RNA病毒分為單分體病毒、雙分體病毒和三分體病毒。三分體病毒：核酸包被在三種粒體中的病毒，如黃瓜花葉病毒屬（Cucumovirus）和苜?；ㄈ~病毒(AMV)，它們均有四條核酸鏈，但被包裝在三種或四種粒體中。(3)核酸占病毒干重有包膜病毒：一般含量低，因為包膜脂質(zhì)占了一定的比重。如皰疹病毒的雙鏈DNA僅占病毒干重的6.8%，痘病毒占3%-5%；單鏈RNA有包膜病毒如彈狀病毒占4%-5%。無包膜病毒：一般含量較高，雙鏈DNA病毒如腺病毒占10%-12%；單鏈DNA病毒如細(xì)小病毒占19%-32%；雙鏈RNA病毒如呼腸孤病毒占15%-30%；單鏈RNA病毒如小RNA病毒占20%-32%。(4)形狀電子顯微鏡下觀察到病毒的核酸形狀：RNA一般為線狀，DNA一般為環(huán)狀。基因組核酸可以是完整的一條，也可以是分段的?；蚪M核酸可以由外殼蛋白包被在一個粒體中，也可以分別由幾個大小不同的粒體包被。(5)堿基組成由A、T或(U)、G、C四種堿基組成，但不同病毒的核酸各堿基含量差異大。偽狂犬病毒基因組的G+C含量多達72%，雞痘病毒基因組的G+C含量只有35%。一般地，親緣關(guān)系近的病毒的核酸堿基組成相似，不同科屬的病毒之間差異大。G+C含量與病毒雙鏈DNA的穩(wěn)定性有關(guān)，通常G+C含量越高，Tm值也越高，雙鏈DNA越穩(wěn)定。有些病毒含有稀有堿基，如虹彩病毒屬成員的基因組約有20%的脫氧胞嘧啶為5′-甲基脫氧胞嘧啶所取代。(1)蛋白種類病毒的蛋白種類結(jié)構(gòu)蛋白：主要是衣殼蛋白(coatprotein，縮寫為CP)和囊膜蛋白。非結(jié)構(gòu)蛋白：病毒核酸編碼的非結(jié)構(gòu)必需的蛋白，包括病毒復(fù)制需要的酶（復(fù)制酶），傳播（傳毒相關(guān)因子）、運動需要的功能蛋白（運動蛋白）和基因沉默抑制子（克服寄主的防御反應(yīng)）等。病毒衣殼蛋白種類病毒衣殼或殼體(capsid)是由病毒基因組編碼的衣殼蛋白亞基通過一定的方式聚集而成的。有的衣殼只由一種蛋白亞基組成，有的則由幾種蛋白亞基組成。衣殼蛋白不僅具有包裹病毒基因組的作用，而且還參與了病毒的其他一些生命活動過程。RDV雙層病毒粒體組裝過程單分體病毒：整個遺傳信息存在于一條核酸鏈上、包被在一種粒體中的病毒，如常見的煙草花葉病毒屬(Tobamovirus)、馬鈴薯X病毒屬(Potxvirus)和馬鈴薯Y病毒屬(Potyvirus).(2)衣殼蛋白的功能保護病毒基因組主要功能：保護病毒基因組免遭各種理化因子，如核酸酶、各種化學(xué)誘變劑以及環(huán)境中的各種不利因素的破壞。乙肝病毒決定病毒的抗原性病毒衣殼是病毒粒體的主要抗原蛋白，由多種氨基酸組成，并有一定的電荷分布，它通過二硫鍵、氫鍵和疏水作用力形成具有一定空間構(gòu)象的抗原決定簇?？乖瓫Q定簇可以刺激宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生特異免疫反應(yīng)。流感病毒根據(jù)其核衣殼蛋白（包括基質(zhì)蛋白）抗原性的不同，可以分為甲、乙、丙型流感病毒。SV40決定病毒的抗原性吸附作用在無包膜病毒的感染過程中，其衣殼蛋白能作為吸附蛋白而與宿主細(xì)胞表面的受體蛋白相互識別、結(jié)合，從而使病毒粒體吸附于宿主細(xì)胞表面。T4噬菌體的吸附蛋白是噬菌體尾部的尾絲蛋白。血凝作用有些裸露病毒的衣殼蛋白與有包膜病毒的包膜突起HA、HN一樣，也具有凝集紅細(xì)胞的能力，如呼腸孤病毒的外殼蛋白δ1，就有凝血活性，故稱為δ1HA。(3)病毒的內(nèi)含物有些病毒粒體在病毒核心還有一些病毒內(nèi)含物，它們是病毒生命過程中所需的酶、核酸結(jié)合蛋白或其他化合物。有的病毒核心蛋白與核酸結(jié)合松散，如腺病毒的核蛋白V和VII，有的病毒核心蛋白與核酸結(jié)合緊密，如流感病毒核心的PB1、PB2和PA，它們還構(gòu)成流感病毒的RNA聚合酶。煙草花葉病毒的基因組連鎖病毒蛋白—VPg(viralprotein,genome-linked)，這是一種由病毒編碼的與病毒基因組RNA共價相連的特異小蛋白質(zhì)，據(jù)認(rèn)為該蛋白質(zhì)在RNA合成中起著引物的作用。(4)病毒包膜許多病毒粒體衣殼外有一層包膜，如披膜病毒、正粘病毒、副粘病毒、逆轉(zhuǎn)錄病毒、彈狀病毒、皰疹病毒等。病毒包膜的來源宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜或高爾基體膜，它是病毒成熟時從細(xì)胞膜或內(nèi)膜出芽而獲得的，因此具有宿主細(xì)胞膜的特性。病毒包膜的化學(xué)組成經(jīng)電子顯微鏡和X光衍射分析，發(fā)現(xiàn)所有病毒的包膜結(jié)構(gòu)大體一致，其包膜的化學(xué)組成與細(xì)胞膜類似，只是病毒包膜所含有的脂類分子的種類或數(shù)量以及鑲嵌在其中的蛋白質(zhì)分子與細(xì)胞膜略有不同。病毒包膜的功能病毒吸附：病毒包膜突起的主要功能是作為病毒吸附蛋白而起作用，它與病毒的吸附、感染密切相關(guān)。如流感病毒的HA突起，冠狀病毒的S蛋白構(gòu)成的突起等。病毒包膜的功能細(xì)胞融合活性：有些病毒包膜突起能使病毒包膜與宿主細(xì)胞膜融合或與未感染細(xì)胞之間產(chǎn)生融合，如披膜病毒突起中的E1蛋白具有細(xì)胞融合活性。病毒包膜的功能血溶活性：副流感病毒、腮腺炎病毒和麻疹病毒具有血溶活性，即溶解血紅細(xì)胞，這是由于它們含有突起F，因此F糖蛋白又稱為血溶素(hemolysin)。病毒包膜的功能抗原性：病毒的包膜糖蛋白突起對病毒來說是很重要的抗原物質(zhì)，這些突起可產(chǎn)生保護性的中和抗體。如流感病毒的HA和NA突起分別具有不同的抗原性。二、植物病毒基因組特征及其表達1.基因組結(jié)構(gòu)：正單鏈RNA病毒5ˊ端：帽子結(jié)構(gòu)（保護RNA）、Vpg(病毒復(fù)制與侵染）3ˊ端：tRNA結(jié)構(gòu)（參與負(fù)鏈的合成）、polyA（穩(wěn)定RNA）、無規(guī)則序列（與CP專一性識別，激活RNA復(fù)制）以煙草花葉病毒(TMV)為例進行介紹。TMV為＋SSRNA病毒，基因組核酸全長6395個核苷酸，共有5個開放閱讀框架。核酸的5‘端有帽子結(jié)構(gòu)，3’端有類似tRNA的結(jié)構(gòu)。

126kDa/183kDa蛋白：RNA聚合酶30kDa：移動蛋白（MP）

17.6kDa：除了結(jié)構(gòu)功能外，還參與癥狀表現(xiàn)和病毒的長距離運輸

2.植物病毒基因組表達策略由于真核生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成機構(gòu)僅僅識別病毒＋RNA上的第一個開放閱讀框架(openreadingframe，ORF)，同一核酸鏈上其它基因的表達則要借助病毒的特殊翻譯策略?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)十ssRNA病毒基因組在真核生物蛋白合成系統(tǒng)中有五種翻譯策略：（1）亞基因組RNAs策略:

（2）多聚蛋白策略（3）多分體基因組策略（4）通讀蛋白(read—through)策略（5）核糖體移碼(transframe)策略（1）亞基因組RNAs策略由基因組3’末端轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一到多個亞基因組(subgenomic)RNA，從各個亞基因組5’端的開放閱讀框架翻譯出功能性蛋白，如煙草花葉病毒屬。（2）多聚蛋白策略基因組核酸具有編碼多個蛋白的能力，但是其翻譯僅從單一開放閱讀框架進行，產(chǎn)生的多聚蛋白(polyproteins)在病毒編碼的蛋白酶作用下，分解為多個最終的基因翻譯產(chǎn)物，如馬鈴薯Y病毒屬。(A)nVPgP1HC-ProP3NIaVPgNIaProNIbCPCI6k26k1PIPOP3N病毒的基因組分裝在不同的核酸鏈上，每條核酸鏈均從5’端進行翻譯，直接產(chǎn)生基因的翻譯產(chǎn)物，如黃瓜花葉病毒屬。（3）多分體基因組策略（4）通讀蛋白(read-through)策略基因5’開放閱讀框架的終止密碼子可能漏讀(leaky)，允許一定比例的核糖體繼續(xù)向下游翻譯，直至下一個終止密碼子，從而產(chǎn)生第二個更長的功能蛋白，如煙草花葉病毒屬復(fù)制酶的翻譯。（5）核糖體移碼(trans-frame)策略：在翻譯接近開放閱讀框架的終止密碼子時，核糖體回讀一個核苷酸(少數(shù)情況是跳過一個)，這樣使終止密碼子UAG分到兩個三聯(lián)體密碼中，使翻譯繼續(xù)到下一個開放閱讀框架，從而產(chǎn)生一個大蛋白。三、植物病毒的復(fù)制和增殖病毒生命周期的8個階段吸附侵入脫殼復(fù)制及表達裝配釋放成熟植物病毒的侵染機械微傷（finewound）傳毒介體直接注入LeafBeforeRubbingLeafAfterRubbingAphidfeedinginPhloem植物病毒的復(fù)制植物病毒沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不像大多數(shù)生物那樣具有復(fù)雜的繁殖器官進行有性或無性繁殖，也不像細(xì)菌那樣進行裂殖生長，而是分別合成核酸和蛋白質(zhì)再組裝成子代病毒粒體。這種特殊的繁殖方式稱為復(fù)制。

病毒侵染植物后，在活細(xì)胞內(nèi)增殖后代需要兩個步驟，一是病毒核酸的復(fù)制（replication），即病毒的基因傳遞；二是病毒基因的表達（geneexpression），即病毒蛋白質(zhì)合成。

生物學(xué)中心法則DNARNA蛋白質(zhì)

植物病毒利用寄主細(xì)胞核酸復(fù)制系統(tǒng)及蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)復(fù)制其基因組和合成其專化性蛋白

大部分植物病毒的核酸復(fù)制是由RNA到RNA。病毒核酸的復(fù)制需要寄主提供復(fù)制的場所（通常是在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核內(nèi)）、復(fù)制所需的原料和能量、部分寄主編碼的酶及膜系統(tǒng)。病毒自身提供的主要是模板和?；木酆厦福磸?fù)制酶。花椰菜花葉病毒編碼一種依賴于RNA的DNA聚合酶，也稱反轉(zhuǎn)錄酶。植物病毒核酸的復(fù)制

植物病毒基因組復(fù)制及mRNA合成途徑具有多樣性根據(jù)核酸種類和性質(zhì)不同，植物病毒復(fù)制可分為多種類型。

以（+）RNA病毒為例，病毒的復(fù)制過程如下：（1）病毒粒體進入寄主細(xì)胞，脫殼，釋放RNA；（2）RNA與核糖體結(jié)合，翻譯出病毒復(fù)制酶等與復(fù)制相關(guān)的基因產(chǎn)物；（3）復(fù)制酶以（+）RNA為模板合成（-）RNA鏈，并形成雙鏈復(fù)制型；（4）從復(fù)制型產(chǎn)生子代（+）RNA鏈；（5）以病毒RNA為模板合成外殼蛋白；（6）外殼蛋白亞基和RNA組裝成新的病毒粒體。水稻矮縮病毒在傳播介體葉蟬單層培養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)的侵染過程，包括侵入、復(fù)制、裝配、擴散及釋放等過程。

水稻矮縮病毒（dsRNA）在其介體昆蟲體內(nèi)的復(fù)制過程1.侵入侵入昆蟲介體細(xì)胞途徑：受體依賴的、被膜小泡(clathrin-coatedvesicles)介導(dǎo)的內(nèi)吞運動

RDV以內(nèi)吞作用進入介體細(xì)胞，隨后進入早期內(nèi)體（earlyendosones)earlyendosomesclathrin-coatedvesiclesExpressionofP2proteinonSf9cellssurface,inducedmembranefusionRDVinfectioninducedmembranefusioninhostinsectvectorcellsMockRDVinfection

RDV外殼蛋白P2與介體細(xì)胞受體特異性識別并導(dǎo)致介體細(xì)胞膜融合P2RDVP2介導(dǎo)病毒侵入介體細(xì)胞模型ThemodelofRDVentryitsinsectvectorcells2.復(fù)制植物呼腸孤病毒復(fù)制和裝配場所：病毒原質(zhì)葉蟬細(xì)胞中的病毒原質(zhì)（viroplasm，V)VVVNucleusVVVVVVVV葉蟬細(xì)胞中的病毒原質(zhì)（viroplasm，V)viroplasmP8ViroplasmmatrixproteinsPns6,11,12CoreproteinsP1,3,5,7mRNAOutercapsidproteinsP2,8,9在RDV侵染昆蟲介體細(xì)胞6小時后，與病毒早期復(fù)制相關(guān)的非結(jié)構(gòu)蛋白Pns6、Pns11和Pns12首先被翻譯，相互結(jié)合聚集形成病毒原質(zhì)(viroplasm)的基質(zhì)，RDV復(fù)制和病毒內(nèi)殼裝配在基質(zhì)上完成，完整病毒粒體在基質(zhì)邊緣裝配完成。VPMT磷酸化蛋白Pns4形成直徑為10nm的微絲結(jié)構(gòu)，圍繞在viroplasm周邊，可能輔助完整病毒粒體的裝配。

RDV基因組結(jié)構(gòu)和編碼蛋白：結(jié)構(gòu)蛋白（P1、P2、P3、P5、P7、P8和P9);非結(jié)構(gòu)蛋白（Pns4、Pns6、Pns10、Pns11、Pns12）植物呼腸孤病毒復(fù)制模型ThemodelofcoreparticlesassemblywithinthematrixofviroplasmRDV在viroplasm內(nèi)復(fù)制和裝配過程P1P5P3P7dsRNARDV在viroplasm內(nèi)的內(nèi)核粒體構(gòu)造安RDV在viroplasm內(nèi)的病毒內(nèi)核粒體構(gòu)造RDV在viroplasm邊緣的完整雙層病毒粒體構(gòu)造3.擴散植物呼腸孤病毒在介體細(xì)胞內(nèi)擴散的安全通道：非結(jié)構(gòu)蛋白Pns10形成的管狀結(jié)構(gòu)Themodelofthecell-to-cellspreadofRDVexploitingPns10-tubulesinitsinsectvectorcellsVirus-containingPns10tubulestransportalongactin-basedfilopodiafromleafhoppercellsactin-basedfilopodiaPns10tubulesActinPns10tubuleTheclosedendofvirus-containingtubulesinleafhoppercellsPns10P9Pns6,

P5,P8,P2,P1,P3,P7TubulesprotrudedfromSf9cellsurfaceandconnectedneighboringcellsTubulesArrows:Pns10-AB-15nmimmuno-goldparticlesThetransmembranedomainwithinRDVPns10isrequiredfortubuleformation;theinhibitionoftheER-GolgisecretorypathwayalsodisruptstubuleformationinSf9cells.Pns10tubulesViralparticlesMergedPns10tubulesactinMergedPns10tubulesmyosinMergedVirus-containingPns10tubulestransportalongactin-myosinbasedfilopodiafromleafhoppercellstoadjacenthealthycellsThemodelofthecell-to-cellspreadofRDVexploitingPns10-tubulesinitsinsectvectorcellsRicerootMidgutofinsectvectorleafhopperCellwall

Tubuleneverassociatedwithcell-wallplasmodesmatainriceplantspassthroughthemicrovilliofthemidgutofviruliferous

N.cincticeps

Functiononlyininsectvector,notinplanthost?

4.降解與釋放RDV從細(xì)胞釋放的一種奇特的途徑：膜狀囊泡跨膜運輸

3hrafterviralinfection

吞噬性空泡葉蟬的昆蟲天然免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞免疫機制在RDV侵染早期被激發(fā)，導(dǎo)致大量的RDV病毒粒體通過細(xì)胞吞噬作用進入大型的吞噬性空泡，執(zhí)行細(xì)胞內(nèi)降解功能。

葉蟬的昆蟲天然免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞免疫機制在RDV侵染后期被激發(fā)，導(dǎo)致大量的RDV病毒粒體通過大型的多重膜囊泡，執(zhí)行細(xì)胞釋放功能。72hrafterviralinfection

多重膜囊泡外吐小泡病毒侵染晚期，多重膜囊泡位于細(xì)胞邊緣、與胞膜融合、釋放外吐小泡，執(zhí)行細(xì)胞釋放功能72hrafterviralinfection

mergedviralantigenviroplasmlysosomeviralantigenactinmergedviralantigenLysosome-containingmultivesicularcompartmentsmultivesicularcompartmentsfusedwithplasmamembrane,virionsreleasedExosomeTheincorporationoflysosomeinvirus-containinginclusionwhichcouldreleasefrominfectedcells.病毒侵染晚期，多重膜囊泡位于細(xì)胞邊緣、與胞膜融合、釋放外吐小泡，執(zhí)行細(xì)胞釋放功能S6S11S12entryCoatedpitVesiclesEarlyendosomemRNAreleaseEarlytranslationViroplasmReplicationTranscription12mRNAsTranslationViralproteinsPns6,11,12Pns6,11,12,P1,3,5,7CoreparticlesViralparticlesP2,8,9Pns4minitubulesPns10tubulesMVBExosomeViralassemblyThereplicationcycleofRDVinitsinsectvectorcells:(1)entry;(2)mRNAreleaseandearlyproteinstranslation;(3)virusreplicationwithinviroplasm;(4)virusassembleattheperipheryofviroplasm;(5)virustransportandreleasethroughPns10tubulesorvirus-containingmultivesicularcompartments.SomePlantVirusesInduceCharacteristicInclusionsPotyvirusPinwheelsCitrusTristezaInclusionsTMVInclusionsSphericalVirusInclusionsCPMVWallInclusionsCPMVMPinWall四、病毒在植物體內(nèi)的移動

1.病毒在細(xì)胞間的移動

胞間連絲

移動蛋白（MP）

Cell-To-CellMovementWeietal.(2010)PLoSPathogens6(6):e1000962.BInthepresenceofTuMVinfection(48hrs)CI-mRFP+GFP