动物病毒学-第3章病毒的遗传和进化

第三章病毒的遗传和进化遗传和变异，是生物界不断地普遍发生的现象，也是物种形成和生物进化的基础，而病毒比任何生物都显示了巨大的遗传多样性，这主要是由于病毒没有细胞结构，病毒的基因组极易受外界环境及细胞内分子环境的影响而发生改变，不断地突变、重组和再分配的结果。

病毒的遗传能保持物种的相对稳定，维系生物界的平衡；而病毒的变异可导致新品种出现，孕育生物界的进化。

第一节病毒的变异病毒营无性增殖方式，故在核酸复制时能够产生与原核酸相同的子代基因组，从而保持其遗传性，大多数病毒具有明显的遗传稳定性，如伪狂犬病毒、痘病毒等的抗原性都是相当稳定的。

但是病毒没有细胞结构，缺乏独立的酶系统，故其遗传机构所受周围环境的影响尤其是宿主细胞内环境的影响特别深刻；加之，病毒繁殖迅速，可在短期内产生许多世代的大量后代病毒，变异的机率相应增高，这又决定了病毒遗传具有较大的变异性，例如禽流感病毒的抗原性很不稳定，不同年代、不同次的流行所分离的病毒株之间其抗原性都有差异。

其它性状，如病毒的毒力、形态、对理化因素的抵抗力等也经常发生变异。

总的来说，病毒的遗传是相对的，而变异才是绝对的。

一、突变的概念核酸是遗传变异的物质基础，病毒的变异大多是核酸的排列组合发生了不同于原来状态的变化，也就是在核酸复制过程中，碱基因某种原因发生位置或组成上的错误，例如置换、易位、重复、缺失等，因而产生了不符于原核酸分子的错误核酸，即所谓的突变（mutation)是指基因组中核酸碱基顺序上的化学变化，可以是一个核苷酸的改变，也可为上百上千个核苷酸的缺失或易位。

错误核酸中，多数不再能够构成完整的病毒粒子，也不能继续进行自我复制，所以许多突变是致死性的。

但也有一部分错误核酸，不仅能够组成病毒粒子，而且在病毒粒子增殖时将这种改变了的结构遗传下去，属于非致死性的。

除极少数病毒突变株能够适应环境选择外，大多数突变对病毒本身是致命的，不再具有存活和复制的能力。

二、病毒突变的类型病毒突变的类型可分病毒的基因组变异及表型变异，后者表现为病毒颗粒的理化特性或复制性质的改变。

1、基因组变异在核酸的变化中，有可能是单个核苷酸也可能是一段核苷酸发生变化，以单个核苷酸的替换或者缺失（或插入）最常见。

①.点突变：单个核苷酸的替换所谓替换也就是碱基置换，是指在核酸复制过程中，某一个碱基发生了错配，其中，如果是一个嘌呤（A）被另一个嘌呤（G）替换或一个嘧啶（T）被另一个嘧啶（C）替换称转换；如果是一个嘌呤被一个嘧啶替换或一个嘧啶被一个嘌呤替换则称颠换，由于转换和颠换都只是一个核苷酸的变化，故其引起的突变称为点突变。

②.缺失（或插入）突变：缺失或插入可是单个核苷酸，但更多的时候是一小段核苷酸。

突变发生后，也可发生回复突变（回变），即新获得的变异性状消失，原有的遗传性状得到了恢复；也可能因为相同甚至不同基因发生抑制性突变，使突变逆转，重新具有与起始毒株相同的表型。

比如流感病毒，往往由于毫不相关的基因自行发生抑制性突变，使之失去作为弱毒疫苗的价值。

缺损型干扰（defective interfering，DI）突变株：在研究病毒感染的细胞培养物中发现，在其子代病毒中除了正常的病毒子以外，尚含有缺陷性的病毒子，它们能干扰正常病毒的繁殖。

大多数病毒均能产生DI突变株，通常无感染性。

这是一种缺失突变的产物。

这些突变株自身不能复制，只有在亲本野生毒株作为辅助病毒存在时才能复制，但它又干扰亲本病毒的复制，导致后者数量减少。

DI突变株的特点：含有正常的核衣壳蛋白质，但只含有正常基因组的一部分，有的甚至缺失达2/3；不能单独进行复制，只有在辅助病毒的存在下才能进行复制，辅助病毒通常是亲代野生型病毒（即正常的同源病毒）；虽然不能单独繁殖，但能抑制宿主细胞的生物合成、合成病毒的蛋白质和引起细胞转化；特异性地干扰同源病毒的繁殖。

2、表型变异①.病毒的性状变异毒力变异：毒力的丧失可能对兽医最有实践意义。

筛选一个弱毒株往往完全凭经验，通常是把试验动物大剂量地接种于非天然宿主，如试验动物、鸡胚或者细胞，并快速连续传代。

主要的一点是要选择易感性较低的宿主细胞，使快速生长的变种有生存的适宜条件。

在第二宿主中多次传代后，这种变种可以在细胞培养中用空斑法与亲株病毒分开。

在多数例子中变种都是稳定的，而且这种变种可能是通过多次变异而成的，因此在第二宿主中很少能恢复其原有的全部毒力。

从总的情况来看，返祖变异的危险性是很小的，但突变总是自然地产生的，因为在一次传代中，病毒的复制进行了很多次，因此容易变异的病毒（如口蹄疫病毒）其弱毒株在实验室或野外条件下仍有可能恢复其原有的毒力。

抗原变异：逃避变异株，病毒复制时抗体的存在对病毒表面蛋白抗原决定簇的突变是相当有利的，这对于动物的持续感染及其流行具有重要意义；培养性状变异：根据单层细胞产生空斑的种类——空斑变异株②.宿主范围的变异③.抗药性变异④.缺失酶的变异⑤.热变异可用来产生温度敏感变异株，其在研制致弱活病毒疫苗中被广泛采用。

三、病毒突变的频率真核细胞DNA复制具有校正功能，在细胞核内复制的DNA病毒同样如此，因为他们与宿主细胞DNA的突变率可能相同，估计在一个复制周期中每掺入一个核苷酸，就有10-8～10-11的频率发生复制错误。

并且由于三联体编码的冗余，第三个核苷酸的点突变一般不产生氨基酸的变换。

由于RNA聚合酶缺乏校正功能，在细胞内没有针对RNA的校对机制，所以病毒RNA复制的误差频率较病毒或细胞DNA要高得多。

•例如，水泡性口炎病毒11Kb的基因组在每一复制周期中约有10-3～10-4的碱基替换频率，这种碱基替换频率约高于真核细胞DNA普通水平一百万倍。

四、病毒的诱发突变及其定点诱变病毒在复制过程中会发生自发的错误，如用紫外线、X射线或亚硝基胍等化学试剂处理病毒或它的核酸，可提高其错误的发生率。

5-氟尿嘧啶（5-FU）及5-溴脱氧尿苷（5-BDU）是核苷酸的同类物，病毒复制时前者可掺入RNA病毒的核酸，后者可掺入DNA病毒的核酸，达到诱变的目的。

上述诱变是一种随意的位点的诱变，更多时候试验中常需定点诱变。

定点诱变（site-directed mutagenesis）：将病毒基因组任何既定部位的核苷酸替换，或者使之缺失，或者插入另一段核苷酸。

为达到这一目的，一般用分子杂交技术，即将含有特定位点变异的寡核苷酸通过分杂交，导入载体DNA，再转化到载体中扩增杂交DNA，最后根据设计的分子标记，在一定条件下筛选突变株。

由于PCR技术及核苷酸测序技术的日益普及，定点诱变在病毒学的应用更为方便，它可用于确定病毒基因的致病作用，也可用于研制具有免疫学标记的弱毒病毒疫苗等，因而受到普遍的重视。

第二节病毒间的基因重组一、基因重组的概念两种不同的病毒或同一种病毒的两个不同的毒株同时感染同一细胞时，在核酸复制过程中，病毒之间交换核酸片段，结果产生不同于亲代的可遗传的子代，称为基因重组（Genetic recombination）。

这里的基因重组准确的理解应该是病毒间的基因重组。

一个细胞被两种病毒同时感染是经常发生的，在此情况下，除了出现双重感染，即两种病毒能够进入同一宿主细胞，各自独立地进行复制，各自产生特征性的感染外，两种病毒之间还可发生核酸的交换，即发生基因的重组。

二、病毒间基因重组的类型病毒间基因的重组可分为分子内重组、重配配和复活。

1.分子内重组指两种不同、通常密切相关的两种病毒的核苷酸片段的交换。

DNA病毒可发生此种现象，RNA病毒更为普遍。

例如：现已证明，西部马脑脊髓炎病毒就是类仙台病毒和东部马脑脊髓炎病毒重组产物。

2.重配在两株基因组分节段的RNA病毒同时感染同一细胞时，二者基因组发生互换，产生稳定或不稳定的重配毒株。

这种现象不管是单链还是双链RNA，也不管基因组的节段为2节（沙粒病毒科）、3节（布尼病毒科）、8节（甲型流感病毒）、10节（呼肠孤病毒、环状病毒）或11节（轮状病毒），当在一个细胞内感染上述其中一组的两个相关病毒时，由于基因组节段的交换，则产生了各种稳定的再分配重组体产物，即重配产物。

自然界发生的重配，是遗传变异的一个重要来源。

例如流感病毒两个亚型之间的基因重组，产生新的杂交株，即具有一个亲代的血凝素和另一亲代的神经氨酸酶。

这在探索自然病毒变异原理中具有重要意义。

人类的流感每隔十年左右引起一次世界性大流行，可能是由于人的流感病毒与某些动物（鸡、马、猪）的流感病毒间发生基因重组所致。

3.复活这是一种特殊的基因重组或重配现象，是指亲代病毒中有一种或两种都被灭活，失去了感染力，但混合感染时可以产生有感染力的后代。

例如用热灭活的粘液瘤病毒与活的纤维瘤病毒混合在一起，注射于兔体内，可以引起粘液瘤；一株灭活的痘病毒和另一株活的痘病毒混合接种于鸡胚，可以使灭活的痘病毒复活；一株不形成空斑的活流感病毒和一株能形成空斑但已被辐射灭活的流感病毒在细胞培养中可以形成能产生空斑的活流感病毒。

第三节病毒产物间的相互作用当两种病毒感染同一细胞时，除了病毒的核酸之间相互作用——即发生基因重组外，病毒基因产物即病毒蛋白质之间也会以各种各样的方式相互作用，最终使得产生的后代呈现表型的变异。

病毒基因产物间的相互作用主要包括：补偿作用、表型混合、多倍性。

1、补偿作用指两种或以上的病毒感染同一细胞时，由于病毒基因产物（如结构蛋白、酶等）间的相互作用而促进一种病毒的增殖或使两种病毒的含量均有所增加的现象。

这是由于一种病毒提供了另外一种病毒不能合成的基因产物而使后者能够在混合感染的细胞内复制。

互补作用包括以下几种：①一种有活力的病毒和一种缺损病毒的互补作用；②.两种缺损病毒混合感染的互补作用：③一种有活力的病毒和一种灭活病毒的互补作用。

2、表型混合指具有特定共同特性的两种病毒混合感染，一些增殖的病毒粒子可获得两个亲本的表型特征，而它们的基因型保持不变。

例如流感病毒和副粘病毒共同感染细胞，子代病毒粒子的囊膜可具有来源于两个亲本的病毒抗原，而每一病毒粒子只有一个亲本的核酸，传代时，它仅产生类似于那个亲本的病毒粒子。

表型混合通常有这样两种情况：两种病毒混合感染后，一个病毒的基因组偶尔装入另一病毒的衣壳内，或装入两个病毒成分构成的衣壳内，发生表型混合。

3、多倍性除反转录病毒出现二倍体外，所有的动物病毒都是单倍体的，即病毒粒子中每个基因都只有一个单独的拷贝。

如，通过胞浆膜成熟的病毒，如副粘病毒，成熟过程中，有时出现数个核衣壳被包裹在一个单独的囊膜中的现象（多倍体和异多倍体）。

第四节遗传变异与病毒进化遗传和变异，是生物界不断地普遍发生的现象，也是物种形成和生物进化的基础。

而病毒比任何生物都显示了巨大的遗传多样性，这是由于病毒的基因组发生突变、重组和再分配的结果。

病毒的遗传与进化同样遵循达尔文的自然选择的遗传机制，正是由于病毒不断的变异和自然选择的结果，导致了病毒的进化。