第六章 病毒的进化

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2.2基因组的排列与进化研究
利用基因组的排列顺序做进化树： 基因组上基因的排列顺序可以通过一定的方法 构建成进化树。比如2001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映 了基因组的进化规律，也就是基因组的重排现象。
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1.2.2.类病毒和卫星病毒
类病毒 核酸 有无外壳 复制场所 是否编码蛋白 最小分子 无 细胞核 不 卫星病毒 最小分子 有 细胞质 不 宿主细胞或依赖于RNA的 RNA聚合酶Ⅰ
复制
需RNA聚合酶Ⅱ 拷贝多聚负链 可能是细胞RNA获得复制原点后 进化产生的
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起源
1.2.3.质粒、转座子
质粒、转座子它们的起源和进化可能和病毒的起 源和进化有关. 质粒:细胞中能够自我复制的DNA分子.它的 复制条件和病毒一样,它的研究利于了解DNA病毒 的起源和进化. 转座子:是从DNA的一个位点转移到另一个 位点的大小为750—40000bp的DNA分子.许多DNA病 毒的基因组组成与它相似,两者是否具有相同的祖 先,有待进一步研究.
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退化性起源学说对病毒的起源的解释：
1.寄生物在细胞内产生独立复制的DNA质粒；
2.编码寄生物亚细胞结构单位的基因发生突变，形 成病毒的衣壳蛋白。
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1.2.病毒起源于宿主细胞中的DNA和RNA成分的学说 该学说认为:病毒是正常的细胞组分在进化过程中 获得了自主复制的能力，独立进化来的. 能解释所有的病毒起源: ◆ DNA病毒起源于质粒或转移因子 ◆ RNA病毒起源于自主复制的mRNA ◆ 反转录病毒起源于反转座子 病毒独立的条件: ◆有复制的起始位点 ◆有保护性蛋白质外壳
和神经氨酸酶抗原）的变化周期之短暂、变化速
度之快，令人类对他造成的疾病流行常常防不胜
防。
另外众所周知的人免疫缺陷病毒（HIV病毒）从其 被发现以来的几十年间，基因突变导致抗原性漂 移的速度也是极为明显的，以至于在一定程度上 其疫苗研究屡屡受挫。
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5、病毒与机体相互作用的进化关系
对微生物的进化研究表明，任何具有感染 能力的微生物（包括病毒）在其生存及增殖能力 上的成功进化都取决于它的表型选择。很显然， 这样的表型选择起源于病毒的遗传可变性。
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5、病毒与机体相互作用的进化关系
对于病毒来说，基因突变的产生，实际上依然是
由于在病毒感染过程中，病毒与宿主细胞的相互
◆正链病毒:基因组能直接翻译成蛋白质,不含蛋白质 的基因组有感染性.


◆负链病毒:基因组为mRNA的互补链能,必须先转录才 能翻译.
◆双链病毒:

根据序列的同源性,RNA病毒被组合成几个超家族
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4.RNA病毒的进化 4.1.RNA病毒超家族 同一家族的不同病毒被视为来源于同一祖先.所有 的RNA病毒可以用几个超家族来涵盖,说明RNA病毒 的起源在地球上生命的进化史中可能只出现过几 次。 事实上，RNA病毒在进化史上可能只有一次起源， 目前所有的RNA病毒可能是由一个原始的病毒经过 分化、重组、基因复制而产生的
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1.2.4.可复制的mRNAs
RNA病毒起源是独立于DNA病毒的. 有人认为RNA病毒起源的一种可能是：
细胞的mRNA获得了自我复制的能力,一旦这
种自我复制的mRNA获得了编码蛋白的基因,
一个简单的RNA病毒就诞生了.
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1.2.5反转子
由于1999年在古细菌中发现了所谓“反转子”
的遗传单位，这为病毒在基因水平上的起源及进
意义:通过研究现存的病毒,希望了解病毒的起源 和进化历程,预示病毒特别是人类病原病毒未来的
变异和进化方向,需要了解随着环境因素的变化,
病毒将如何变异、变异的速度、选择压力等,从而 能有效地控制和避免人类和动物病毒病的爆发.
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前言
三种类型的病毒:


①单纯以DNA为遗传物质的病毒
②生活不同阶段以DNA和RNA为遗传物质的病毒
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2.研究病毒分子进化的有关方法
单基因进化树 基因组的排列与进化研究 基因组的基因组成与进化研究
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2.1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具有多 个同源基因的核苷酸或蛋白质序列进行同源序列 的优化排序，然后利用定量分子系统学的方法， 如邻接法、最大简约法等，构建出单基因的进化 树，从而预测相对应的物种。 利用单基因序列做出的进化树，可以用来研究病 毒的亲缘关系、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映病毒的 进化，而仅仅代表了基因的进化。
病毒采取不同的复制策略，因此产生了不同病毒
的进化。
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1.2.5反转子
由此生命的起源是从细菌开始的，细菌是病毒 进化摇篮。据此推测：地球上最早出现的病毒可 能是经RNA为基因组的逆转录病毒，然后再发展成 以DNA为基因组的逆转录病毒，最后出现的是DNA 病毒，而RNA病毒则很可能有其独立的演化途径。
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1.2.1.复制的起始位点
起始位点: 启动DNA和RNA复制的序列. RNA病毒的复制起始位点一般位于线性分子的 末端. DNA病毒的起始位点一般位于分子的内部并有 明显的结构特征. 由于病毒很少完全自身编码病毒DNA和RNA 复制所需的蛋白质,通常会有宿主蛋白共同参与复 制的起始.
3.1.2.由于基因组大小的限制所产生的进化约束 非必需基因:病毒通过非必需基因进化出一种导致 免疫反应弱化的机制,使子代病毒的产量提高,从 而达到长期慢性或持续性生长.如腺病毒的E3糖蛋 白基因.
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4.RNA病毒的进化
4.1.RNA病毒超家族


RNA病毒可以看作是一类特殊的mRNA分子.有三大组:
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1.3.病毒起源于具有自主复制功能的原始大分子学说
该学说认为:病毒起源于自主复制的RNA分子.首先 是RNA的形成和复制,然后演变出RNA-蛋白质介导 的一系列反应,第三步产生了DNA. DNA由于比RNA 稳定而最终成为遗传信息.
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1.3.病毒起源于具有自主复制功能的原始大分子学说
证据:RNA分子具有至少三种化学功能 ◆核糖核酸酶的活性. ◆能自我拼接去掉内部的核酸序列(核酶) ◆有实验表明,以RNA作引物可以合成依赖于模 板的多聚胞嘧啶核酸. RNA的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.
第六章
病毒的进化
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第六章
病毒的进化
病毒的进化： 病毒的由来、存在及其发展演变的过 程、特征和规律。 研究病毒进化的难度： 1）病毒特别微小 2）病毒没有化石 3）病毒进化的随机性强
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本章内容
1. 有关病毒起源的学说
2.研究病毒分子进化的有关方法 3. DNA病毒的进化
4. RNA病毒的进化
5. 病毒与机体相互作用进化关系
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前言
特点:从进化的角度来说,病毒是高度的进化的生物, 并仍在不断的进化。 病毒一般只编码从宿主细胞中不能得到的功能, 除功能基因外很少浪费基因组序列. 病毒的结构在进化过程中演变得具有双重功能: 蛋白质外壳一方面保护病毒在环境中的稳定性,另方 面保证病毒进入细胞后能迅速脱掉外壳进行复制.
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前言
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总而言之，病毒起源是复杂和多元化的，不同病 毒有着不同的起源，至少在DNA病毒和RNA病毒之 间是如此，随着更多研究资料的积累，相信我们 会获得更多的新证据。有一点目前是有基本的共 识的，那就是病毒是一个可动遗传单元，在相应 的条件下进行细胞之间的定位传递。作为大分子 物质，病毒起源实际就是生物大分子的起源，是 当今生命科学中最重要的命题之一。
4.3.1.突变


RNA病毒变异与进化的主要原因是突变,特别
是点突变.此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. 突变基因组的存在有利于病毒迅速适应各类 变化着的环境.
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4.3.2.重排
两个具有分段基因组的病毒在产生子代病毒 时将其遗传物质重新组合,称重排. 重排是具有分段基因组的病毒进化的一个机 制. 在进化中,随着条件不同,病毒有时可以分散 形成分段基因组,有时又可组成单一基因组,前者 的优势是可以借助重排方便地进行遗传交换,而后 者的优势是能将包含所有遗传信息的单一RNA分子 便利地包装和运输.
作用所形成的选择诱导效应，这类突变对病毒来
说是常见的。
对某些病毒而言，这类突变引起的表型变化并不 明显，但对另外一些病毒，这类突变引起的表型 变化极为显著，它常常形成直接的病毒抗原性、 毒力的改变，其中最典型的例子就是流感病毒。
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5、病毒与机体相互作用的进化关系
这个RNA 病毒的两个主要抗原成分（血凝素抗原
三类起源学说:
退化性学说
•病毒起源于宿主细胞中的DNA和RNA成分的学说 •病毒起源于具有自主复制功能的原始大分子学说
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1.1、退化性学说
该学说认为:病毒是细胞内寄生物的退化形式.


代表人:Green 1935
Burnet 1945
Lwoff 1959
理由:细胞内寄生的产生原因可能是由于微生物对某种 不能穿透细胞膜的代谢发生了严重依赖. 在细胞内,这类 寄生物可以在不影响生存的情况下逐渐丢失部分生物学功 能.它们所必需保留的功能是具有自主复制的DNA复制原点, 对复制进行调控的反式调控蛋白及能与宿主生物合成及复 制系统相互作用的顺式和反式功能. 支持证据:一些中间型的细胞内寄生物,如立克次体，衣 原体；麻风杆菌
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3.1.影响DNA病毒的进化的因素
3.1.2.由于基因组大小的限制所产生的进化约束 基因的倍增:病毒的外壳对病毒的基因组的大小产 生了限制,而病毒基因组上很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 因组缺少空间,这类基因会在病毒进化中丢失.
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3.1.影响DNA病毒的进化的因素
化提供了新的证据：
“反转子”是仅含一个基因并且能自我
复制的一段核酸分子，具有重要的基因捕获功能。 其基因与宿主细胞等位基因高度同源，且在密码 子的使用频率上也有高度的相似性，经过考证， 初步估计“反转子”在4亿年前就存在了。
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1.2.5反转子
在古细菌进化的过程中，反转子从细菌基因中 捕获基因，扩大自身的遗传信息量并增加生物学 功能，最原始的感染性病毒颗粒由此产生，原始
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2.3基因组的基因组成与进化研究
通过对基因组中基因的组成分析，了解在病毒的 进化过程中，病毒基因的进化过程，为进一步研 究基因功能鉴定良好的基础。
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3.DNA病毒的进化
3.1.影响DNA病毒的进化的因素 3.1.1.突变和重组 影响病毒基因组产生进化的主要力量是突变 和重组. 由于病毒变异频率快、短时间能复制许多 代、会产生一些缺陷性病毒,导致病毒变异快. 变异导致病毒生物功能的巨大变化.从而改 变了病毒与宿主细胞的关系,面对新宿主的选择压 力成为迫使病毒进化的原因之一.


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③单纯以RNA为遗传物质的病毒
一般认为它们有着不同的起源和不同的进化.
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1、病毒起源的学说
病毒从何而来？这是生物进化问题上一个至关 重要的研究课题，是一个不折不扣的悬而未决的 问题。
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1、病毒起源的学说
病毒起源:病毒或遗传物质从它的前身大分子中独 立出来进行自主复制和进化的时候,称为病毒起源.
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4.3.3.重组
重组是两种不同来源的序列经过共价组合形成新 的核酸序列. RNA 病毒重组现象并不普遍.真核细胞一般不具 RNA聚合酶, RNA病毒也不编码有利于重组的酶系 统.但这并不意味着RNA病毒不发生重组.
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病毒进化的特征：
1）新病毒不断产生，基本上从另一种宿主的病毒演化而来 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的方向性 和稳定性 5）病毒各基因在进化上具有不同的进化特征
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4.2.RNA病毒的分歧速率

数据表明:RNA病毒的进化速度比宿主的进 化速度快. 主要是它的突变频率比宿主细胞大约高4个 数量级. 快速变异率使得人们推断,现存的具有复制 蛋白序列同源性的动、植物RNA病毒在进化上相互 分离的时间要远晚于植物与动物分离的时间.
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4.3.RNA病毒变异发生的机制