第十二章 病毒的分子生物學

第十二章病毒的分子生物學

12.1病毒分子生物學研究的內容

病毒分子生物學是用現(xiàn)代分子生物學的新理論、新技術和新方法對病毒基因組的結構與功能，基因組的復制、表達和調控，病毒與宿主的相互作用關系等進行研究的一門學科。

人類對病毒的研究成果在現(xiàn)代分子生物學的發(fā)展史上，做出了重大的貢獻。許多分子生物學上的重大突破都是以病毒作為模式或研究材料而進行的。

其研究成果除了揭示許多重要的分子生物學過程之外，對人類認識病毒感染、致病的分子本質，為病毒引起疾病的診斷、預防和治療提供了理論基礎，促進了基因工程疫苗和抗病毒藥物的研制和發(fā)展。

病毒分子生物學研究領域12.1.1病毒基因組的結構12.1.2病毒基因組的復制和表達調控12.1.3病毒對宿主細胞的影響12.1.4病毒與腫瘤發(fā)生12.1.5病毒的基因工程疫苗與病毒載體12.1.1病毒基因組的結構不同類型的病毒，其基因組有很大差異。在核酸類型上，有DNA病毒(如腺病毒)，有RNA病毒(如反轉錄病毒)，但對每一種病毒來說，它只能含有一種核酸。從核酸結構上看，有的是單鏈核酸，有的是雙鏈核酸，有的是線狀，有的是環(huán)狀。一些單鏈RNA病毒的基因組還具有不同的極性，有的是正鏈RNA，有的是負鏈RNA。

有的正鏈RNA病毒基因組5′端有帽子結構，也有的正鏈RNA病毒基因組3′端有poly(A)尾結構。

相對于能獨立生活的微生物來說，病毒的基因組非常簡單。病毒核酸的相對分子質量約為1.6×107～1.6×108，僅為一般細菌基因組的1‰～l/10。

12.1.2病毒基因組的復制和表達調控病毒進入活的易感宿主細胞后，借助于宿主細胞本身提供的原料、能量、酶等，以自我復制的方式進行繁殖。病毒基因的表達包括轉錄和翻譯兩個過程。正鏈RNA病毒的基因組除了作為模板復制出子代RNA之外，還有mRNA的作用。作為翻譯的模板，一般先翻譯出單一的大分子肽鏈，然后再由蛋白酶降解為不同功能的結構蛋白等。

負鏈RNA病毒的基因組無mRNA的功能，必須由復制出的互補RNA(cRNA)來發(fā)揮mRNA的作用。

12.1.3病毒對宿主細胞的影響病毒只能在活細胞中存活，因此，病毒與宿主細胞之間有著十分密切的關系。病毒利用宿主細胞的細胞器、能量和酶等進行自身的復制，并通過宿主細胞的蛋白表達系統(tǒng)來表達自身所需的蛋白質，這些過程都將會對宿主細胞的形態(tài)和功能產(chǎn)生重大的影響。

病毒對宿主細胞的影響主要體現(xiàn)在病毒對宿主細胞形態(tài)和結構的影響以及病毒對宿主細胞功能的影響兩個方面。

12.1.4病毒與腫瘤發(fā)生人類和動物腫瘤的形成除了與遺傳和環(huán)境因素相關外，某些DNA和RNA病毒也可以通過不同的機制誘發(fā)惡性腫瘤。有些病毒直接作用于細胞的基因組，使細胞增殖，最終導致腫瘤形成；有些病毒則通過抑制機體的免疫系統(tǒng)，誘導細胞惡性轉變，形成腫瘤。有些病毒常伴隨一些特定腫瘤的發(fā)生，但它們與腫瘤的關系還未得到確認.例如在艾滋病病人中引發(fā)的Kaposi‘s肉瘤?？傊蠹s15%的惡性腫瘤與病毒有關，因此研究腫瘤的病毒病因具有十分重要的意義。12.1.5病毒基因工程疫苗與病毒載體基因工程疫苗是指用基因工程的方法，表達病原微生物的一段基因序列，將表達產(chǎn)物(多數(shù)是無毒性、無感染能力，但具有較強的免疫原性)用作疫苗，例如正在使用的大多數(shù)乙型肝炎疫苗就是基因工程疫苗。常見的基因工程疫苗包括亞基疫苗和肽疫苗兩類。以流感疫苗為例，其途徑就是把病毒的免疫原蛋白(HA抗原、NA抗原)的mRNA提取出來，再制備cDNA,克隆到大腸桿菌中，高效表達該抗原。

由于基因工程疫苗具有安全性好、產(chǎn)量高、成本低，以及良好的免疫原性，它必將成為傳統(tǒng)疫苗的有效替代疫苗。

12.2DNA病毒的分子生物學DNA病毒基因組有單鏈和雙鏈兩種結構，并以線狀或環(huán)狀形式存在，大部分為單一分子，也有的由數(shù)個片段的DNA分子構成分段的基因組。

動物DNA病毒多為雙鏈DNA基因組，腺病毒、痘病毒、皰疹病毒都是雙鏈線狀DNA基因組，末端有重復序列，經(jīng)退火能形成環(huán)形分子。腺病毒(Aflenovirus)是一種典型的雙鏈DNA病毒，下面以腺病毒的基因表達調控為例，簡要介紹DNA病毒的分子生物學。

12.2.1腺病毒的發(fā)現(xiàn)1953年，Rowe等人從外科手術摘除的兒童腺體中分離到一種致病因子，可以使培養(yǎng)的細胞發(fā)生慢性進行性病變，稱之為腺體退化因子，后來證明這種致病因子是病毒，1956年，Enders等建議命名為腺病毒。

腺病毒分布十分廣泛，從各種胎生哺乳動物、鳥類和兩棲類動物中都已分離到。腺病毒科分兩個屬：1、哺乳動物腺病毒屬(Mastadenovirus)2、禽腺病毒屬(Ariadenovirus)。

腺病毒感染細胞后可關閉宿主細胞某些基因的表達，大量合成病毒蛋白質，致使細胞的功能失常。腺病毒致癌的分子機理是目前分子病毒學的一個重要研究領域。

12.2.2腺病毒的毒粒結構

完整的腺病毒顆粒其相對分子質量1.7×108-1.85×108，沉降常數(shù)約560S，在CsCl中的密度為1.32～1.35g/cm3。腺病毒對熱和酸穩(wěn)定，能在腸道中存活。腺病毒顆粒無包膜，外邊是蛋白外殼，中間為緊密的核心顆粒，內含單一拷貝的雙鏈DNA。

12.2.3腺病毒的基因組結構

腺病毒基因組為線形雙鏈DNA，人類腺病毒基因組包括早期基因E1A、E1B、E2A、E2B、E3和E4以及晚期基因L1、L2、L3、L4和L5。

12.2.4腺病毒的復制

12.2.5腺病毒的基因轉錄

12.2.6腺病毒與腫瘤至今尚未發(fā)現(xiàn)腺病毒感染與任何人類腫瘤的關系。但許多的人類腺病毒卻可以使嚙齒動物的培養(yǎng)細胞發(fā)生轉化或使這些動物產(chǎn)生腫瘤。

12.2.7腺病毒作為基因治療的載體

腺病毒用作基因治療載體和疫苗研制有著廣闊的前景。腺病毒基因組的E1區(qū)和E3區(qū)可以作為外源基因的插入?yún)^(qū)。E1區(qū)缺失的腺病毒可克隆約4.7kb的外源DNA，而E3區(qū)缺失的腺病毒可以克隆約8kb的外源DNA，一些特定的腺病毒株已被用于人類疫苗的研制。

腺病毒作為基因治療載體有著以下幾方面的優(yōu)點：(1)腺病毒基因組研究的比較清楚，便于進行遺傳操作。(2)其感染一般不引起明顯的癥狀，與宿主染色體整合的機率很低，作為基因治療的載體比較安全。

(3)可以感染不同類型細胞，易于進行體外培養(yǎng)，病毒感染細胞滴度高，可在細胞內有效復制。(4)腺病毒感染細胞后可以高水平的表達蛋白，在感染后期，宿主基因表達被關閉，易于高水平表達外源基因。

12.3RNA病毒的分子生物學

RNA病毒基因組均呈線狀，有單雙鏈之分，有單一分子，也有的基因組是分段的。RNA的二級結構對病毒基因表達調控有重要影響。

下面介紹一種典型的RNA病毒，黃病毒科丙型肝炎病毒屬的成員——丙型肝炎病毒(HCV)。

12.3.1HCV的發(fā)現(xiàn)

丙型肝炎病毒HCV(hepatitisCvirus)是應用分子生物學技術對病毒進行研究的成功實例。

12.3.2HCV基