分子遗传学-病毒

遗症，这可能是病毒感染
的第一个史载记录
Smallpox (天花)
Rabies (狂犬病)
Endemic in China by 1000BC Endemic in Europe by AD 16-17
关于植物病毒病害的记载
• 荷兰郁金香杂色病(1576) • 欧洲马铃薯退化病(1775)
Dubos(1958)曾描述了当时流行的“郁金香热”: 一
Gallo & Montagnier 1983年分离到一种与爱滋病(AIDS, Acquired Immunodeficiency Syndrome)有关的逆转录病 毒。
R. Beachy 1986年利用烟草花叶病毒外壳蛋白基因转化植物, 获得抗TMV侵染的基因工程植株。这一研究为抗 病毒动植物基因工程奠定了基础。(Chen)
3. How are viruses classified?
The International Committee on Taxonomy of Viruses
Virus Taxonomy, VIIth report of the ICTV.
The Seventh Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses.
1935年首次获得烟草花叶病毒结 晶, 称其为一种蛋白质, 1946年 获诺贝尔奖。
Frederick Charles Bawden (1908 - 1972) 1937年证明烟草花叶病毒是一种核 蛋白(核酸5%; 蛋白95%)
现代病毒学的发展历程
John Enders(1897-1985) 1949年在体外培养的细胞中获得脊髓灰质 炎病毒, 1954年获得诺贝尔奖。 Aaron Klug(1926-) 1962年提出了烟草花叶病毒病毒的柱状结 构, 1982年获得诺贝尔奖。
及酶系统的参与方能进行核酸复制、蛋白质合成并装配产生子代病毒。
侵染性、致病性和寄主范围
a.病毒只侵染活的寄主细胞,并存在病毒基因与寄主细胞间的相互识别机制。 b.病毒在复制过程中扰乱了寄主的正常代谢,最终造成寄主发病。 c.病毒核酸中存在特定的基因,可导致寄主感病。
抗原性
在哺乳动物体内可激发产生抗体
株受侵染的球根可以换到数头公牛、猪或者绵羊，几吨
谷物，成千磅干酪，甚至一个磨房。一个年青的姑娘以 拥有一只杂色花作为她的嫁妆而感到无比的幸福。
对病毒的早期认识---利用疫苗对病毒病的防治
牛痘接种防治天花---古代接种术(1796)
巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)
发明了狂犬病疫苗（1885）
疯牛病是由一种Prion侵染引起的，它也可以感染人而引起神经系统疾病。在正 常机体中，Prion是正常神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一 级结构完全相同，只是空间结构(折叠状态)不同。
病毒的重要特性
严格的寄生性
离开寄主细胞便不能进行繁殖并会失活。必须有寄主的遗传信息、能量
Stanley B Prusiner(1942-) 发现朊病毒(Prions)，1997年获诺贝尔奖。
病毒与其它生物的比较
与病毒类似的亚病毒(subvirus)
1. 类病毒 (Viroids)
为目前已知最小的独立侵染核酸分子 , 由 Diener 在 1971 年首次发现 (PSTVd), 主要存在于植物寄主中。
The
DNA & RNA reverse transcribing virus
1. ds DNA Virus
多为动物病毒和噬菌体。研究较多的如 SV40、 腺病毒、λ噬菌体和T4 噬菌体等。它们均采用与寄主 相同的半保留方式进行复制, 但复制的场所及具体过 程有所不同。
疱疹病毒
腺病毒
T4 噬菌体
What is a virus?
• 一类亚显微细胞内寄生物
• 颗粒由预先合成的组份装配而成, 不能够生 长或分裂 • 含有蛋白质、核酸，在某些病毒中含有脂类
• 不具备能量代谢或蛋白质合成所必需的酶系 统和核糖体，需依赖寄主方能进行复制
---A. J. Cann, 2001, Principle of Molecular Virology(3rd Ed.)
第 八 章
病 毒
李 大 伟
（中国农业大学农业生物技术国家重点实验室）
• 病毒的定义 • 病毒的形态结构与分类 •病毒基因组的复制与表达
主要参考书籍
1. Alan J. Cann, Principles of Molecular Virology(1, 2, 3 ed.), Academic Press.
1. 多样性
• • • 基本形式的多样性 复制、表达中间形式的多样性 内部结构的多样性（寄主依赖性）
2. 最小化趋势
• • • 基因(ORF)重叠 同一序列的多重功能 单链RNA
3. 高度变异性
• • • 基因突变 基因重组/重配 选择压力
The DNA virus The dsDNA virus The ssDNA virus The RNA virus The dsRNA virus The positive -stranded ssRNA virus The negative -stranded ssRNA virus
Martinus Beijerinick (1851-1931)
证明在经过可吸附细菌的琼脂扩 散后, 这种侵染物仍可导致烟草花叶 提出了“Virus”和“Vaccination”之词 病。他将此侵染物称为“侵染性活 液”, 并也采用了“Virus”一词。
对于病毒本质的认识
Wendell Meredith Stanley (1904-1971)
复 制 类 型
1. 真核寄主病毒
• • 仅限于寄主细胞核内进行复制 , 对细胞因子的依赖程度较高 ( 无 DdRp)。如乳多空病毒科(C)、疱疹病毒科(L)、腺病毒(L)。 在细胞质内进行复制 , 自身含有转录及复制的绝大部分因子 , 对 于细胞因子的依赖程度较低。如痘病毒(L)等。
2.原核寄主病毒 ( λ 噬菌体)
• • •
单链环状RNA分子, 无外壳蛋白, 核苷酸长度为246-375nt, 富含G+C (53-60%) 环状分子高度碱基配对, 形成双股螺旋结构, 外形呈杆状
在寄主植物中可自我复制
2. 朊病毒 (Prions)
一类仅含有蛋白质的侵染性病原物, 导致动物或人类中枢神经系统的慢性 病变, 并可以“遗传”。如：疯牛病 (mad cow )、羊骚痒病 、人G-S综合 症 、老年痴呆(C-J病) 、人振颤病(海绵状脑硬化)等。
•
• An axis of five-fold rotational symmetry through the centre of each corner (vertex).
• An axis of three-fold rotational symmetry through the centre of each face.
3’
5’
Coliphage φX174
基因组约5.4kb, 环状, 编码10-12种蛋白，其中 三个为重叠基因(B/A、K/A+C、E/D)。共有三 个启动子, 结构与E. coli的启动子相似。复制过 程中单链DNA形成双链中间形式 (RF: 超螺旋 ds环状和松弛ds环状), 有“复制叉(θ)”和“滚 环 (σ) ”两种过程。 ss(+) ss(-) 蛋白质 ds(+ and-)
流感病毒
D.复杂的病毒结构--- 弹状病毒, 狂犬病病毒
ss(-) RNA, Ø = 80 nm, length = 80 nm
D. 病毒的化学成分
• 核酸: 1-30%, 分为RNA或DNA, 分子量在 3.5kb-280kb 之间，携带基因数量在3—100个之间. • 蛋白质: 5-80%, 部分病毒仅有一种结构蛋白(capsid), 存 在于病毒颗粒表面(如多数植物病毒),而另一部分则具有 两种或更多种类的结构蛋白(capsid,glycoprotein等), 构 成病毒粒子的不同结构或功能区域。 • 脂类: 0-20%, 存在于包膜病毒, 来源于寄主细胞 • 碳水化合物: 0-3%, 多结合形成包膜病毒的糖蛋白 • 水： ≤50%, 以结合态存在于病毒粒子中
Phillip A. Sharp (1944 ---), 1977年发现腺病毒基因组中存在基因剪切现象 (gene splicing),1993年获诺贝尔奖。
Fred Sanger(1918-) 1977年建立了DNA序列分析方法, 并对ΦX174 噬菌体的单链DNA序列进行了测定。因此获得 诺贝尔奖。
第三节
病毒基因组的复制与表达
ATTACHMENT PENETRATION UNCOATING HOST FUNCTIONS
Transcription Translation REPLICATION
病毒的 复制过程
ASSEMBLY
(MATURATION)
RELEASE
MULTIPLICATION
病ຫໍສະໝຸດ Baidu基因组的特点
2. 阎隆飞 张玉麟，1997，分子生物学，中国农业大学出版社.
第一节
病毒的定义
Viruses are probably as old as life on earth.
脊髓灰质炎病毒(Poliovirus) 与 小儿麻痹症(Paralytic Poliomyelitis)
公元前14世纪古埃及长老 石刻象显示了小儿麻痹后
David Baltimore (1938-) 1970年在提纯的罗斯肉瘤病毒粒子中发现 了逆转录酶，证明遗传信息可以由RNA反 向产生DNA。---生物学中心法则。1975年 获得诺贝尔奖。
Michael J. Bishop(1936-） 1976年发现正常细胞中存在罗斯肉瘤病毒致瘤 基因的对应基因, 1989年获诺贝尔奖。
第 二 节
病毒的形态结构与分类
What does a virus look like?
A. 螺旋体---(杆状, TMV)
亚基
(Subunit)
Capsid (外壳)
(nucleocapsid)
Virion
螺旋体---(丝状, fd, M13 phage)
ssDNA (circlar)
B. 二十面体 Icosahedron (等轴体, Isometric)
在溶原侵染和溶菌侵染中存在着不同的DNA复制方式。
复 制 特 点
ds DNA病毒具有与细胞ds DNA相似的基因组， 基本上采用细胞基因相同的机制进行复制(半保留复制) 和表达。
2. ssDNA Virus
基因组一般较小(3.0-6.0kb), 多数对于 寄主细胞的依赖程度极高, 如细小病毒科、 微小噬菌体科(φX174)、联体病毒科。复制在 细胞核内进行, 通过合成一条负链做为模板
• An axis of two-fold rotational symmetry through the centre of each edge.
PhiX174 phage
FMDV
Cucmber mosaic virus
Lamda phage/ T7 phage (head)
C. 包膜病毒
疱疹病毒
M.H.V. van Regenmortel, et. al. (2000).
分类依据
• • • • 形态学 ---大小, 形状, 有无包膜 理化性质---分子量, 热稳定性, 离子稳定性 基因组---RNA, DNA , 分段(segmented )等 大分子成分和复制类型
• The DNA virus The ssDNA virus The dsDNA virus • The RNA virus The dsRNA virus The negative-stranded ssRNA virus The positive-stranded ssRNA virus • The DNA & RNA reverse transcribing virus
进行正链合成。
细小病毒(Parvovirus)
无包膜,基因组约5kb, 线状, 含有一定比例的正意链 (positive)，但大部分区域为负意链(negative)。复制过程 中基因组5’和3’末端的回文序列(约100-200 base)可形成 “发卡”/“Y”型结构。
rep cap
Terminal palindrome