醫(yī)學(xué)微生物學(xué)/病毒的增殖
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病毒體在細(xì)胞外是處于靜止?fàn)顟B(tài)，基本上與無生命的物質(zhì)相似，當(dāng)病毒進(jìn)入活細(xì)胞后便發(fā)揮其生物活性。由于病毒缺少完整的酶系統(tǒng)，不具有合成自身成份的原料和能量，也沒有核糖體，因此決定了它的專性寄生性，必須侵入易感的宿主細(xì)胞，依靠宿主細(xì)胞的酶系統(tǒng)、原料和能量復(fù)制病毒的核酸，借助宿主細(xì)胞的核糖體翻譯病毒的蛋白質(zhì)。病毒這種增殖的方式叫做“復(fù)制（Replication）”。病毒復(fù)制的過程分為吸附、穿入、脫殼、生物合成及裝配釋放五個(gè)步驟，又稱復(fù)制周期(Replication cycle)。
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一、吸附
吸附（Adsorption）是指病毒附著于敏感細(xì)胞的表面，它是感染的起始期。特異性吸附是非常重要的，根據(jù)這一點(diǎn)可確定許多病毒的宿主范圍，不吸附就不能引起感染。細(xì)胞與病毒相互作用最初是偶然碰撞和靜電作用，這是可逆的聯(lián)結(jié)。脊髓灰質(zhì)炎病毒的細(xì)胞表面受體是免疫球蛋白超家族，在非靈長類細(xì)胞上沒有發(fā)現(xiàn)此受體，而猴腎細(xì)胞、Hela細(xì)胞和人二倍體纖維母細(xì)胞上有它的受體，故脊髓來質(zhì)炎病毒能感染人體鼻、咽、腸和脊髓前角細(xì)胞，引起脊髓灰質(zhì)炎（小兒麻痹）。水磨石病毒的細(xì)胞表面受體是含唾液酸（N-乙酰神經(jīng)氨酸）的糖蛋白，它與流感病毒表面的血凝素剌突（受體連結(jié)蛋白）有特殊的親和力，如用神經(jīng)氨酸酶破壞該受體，則流感病毒不再吸附這種細(xì)胞。此外，HIV受體為CD4；鼻病毒的受體為細(xì)胞粘附分子-1（1CAM-1）；EB病毒的受體為補(bǔ)體受體-2（CR-2）。病毒吸附也受離子強(qiáng)度、pH、溫度等環(huán)境條件的影響。研究病毒的吸附過程對了解受體組成、功能、致病機(jī)理以及探討抗病毒治療有重要意義。
二、穿入
穿入（Penetration)是指病毒核酸或感染性核衣殼穿過細(xì)胞進(jìn)入胞漿，開始病毒感染的細(xì)胞內(nèi)期。主要有三種方式：（1）融合(Fusion)，在細(xì)胞膜表面病毒囊膜與細(xì)胞膜融合，病毒的核衣殼進(jìn)入胞漿。副粘病毒以融合方式進(jìn)入，如麻疹病毒、腮腺炎病毒囊膜上有融合蛋白，帶有一段疏水氨基酸，介導(dǎo)細(xì)胞膜與病毒囊膜的融合。（2）胞飲(Viropexis)，由于細(xì)胞膜內(nèi)陷整個(gè)病毒被吞飲入胞內(nèi)形成囊泡。胞飲是病毒穿入的常見方式，也是哺乳動(dòng)物細(xì)胞本身具有一種攝取各種營養(yǎng)物質(zhì)和激素的方式。當(dāng)病毒與受體結(jié)合后，在細(xì)胞膜的特殊區(qū)域與病毒病毒一起內(nèi)陷形成膜性囊泡，此時(shí)病毒在胞漿中仍被胞膜覆蓋。某些囊膜病毒，如流感病毒借助病毒的血凝素（HA）完成脂膜間的融合，囊泡內(nèi)低Ph環(huán)境使HA蛋白的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而介導(dǎo)病毒囊膜與囊泡膜的融合，病毒核衣殼進(jìn)入胞漿。（3）直接進(jìn)入，某些無囊膜病毒，如脊髓灰質(zhì)炎病毒與受體接角后，衣殼蛋白的多肽構(gòu)形發(fā)生變化并對蛋白水解酶敏感，病毒核酸可直接穿越細(xì)胞膜到細(xì)胞漿中，而大部分蛋白衣殼仍留在胞膜外，這種進(jìn)入的方式較為少見。
三、脫殼
穿入和脫殼是邊續(xù)的過程，失去病毒體的完整性被稱為“脫殼(Uncoating)”。人脫殼到出現(xiàn)新的感染病毒之間叫“隱蔽期”。經(jīng)胞飲進(jìn)入細(xì)胞的病毒，衣殼可被吞噬體中的溶酶體酶降解而去除。有的病毒，如脊髓灰質(zhì)炎病毒，在吸附穿入細(xì)胞的過程中病毒的RNA釋放到胞漿中。而痘苗病毒當(dāng)其復(fù)雜的核心結(jié)構(gòu)進(jìn)入胞漿中后，隨之病毒體多聚酶活化，合成病毒脫殼所需要的酶，完成脫殼。
四、生物合成
DNA病毒的RNA病毒在復(fù)制的生化方面有區(qū)別，但復(fù)制的結(jié)果都是合成核酸分子和蛋白質(zhì)衣殼，然后裝配成新的有感染性的病毒。一個(gè)復(fù)制周期大約需6～8小時(shí)。
（一）雙股DNA病毒的復(fù)制
多數(shù)DNA病毒為雙股DNA。
雙股DNA病毒，如單純疹病毒和腺病毒在宿主細(xì)胞核內(nèi)的RNA聚合酶作用下，從病毒DNA上轉(zhuǎn)錄病毒mRNA，然后轉(zhuǎn)移到胞漿核糖體上，指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)。而痘苗病毒本身含有RNA聚合酶，它可在胞漿中轉(zhuǎn)錄mRNA。mRNA有二種：早期m RNA，主要合成復(fù)制病毒DNA所需的酶，如依賴DNA的DNA聚合酶，脫氧胸腺嘧啶激酶等，稱為早期蛋白；晚期mRNa ，在病毒DNA復(fù)制之后出現(xiàn)，主要指導(dǎo)合成病毒的結(jié)構(gòu)蛋白，稱為晚期蛋白。
子代病毒DNA的合成是以親代DNA為模板，按核酸半保留形式復(fù)制子代雙股DNA。DNA復(fù)制出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)蛋白合成之前。
（二）單股RNA病毒的復(fù)制
RNA病毒核酸多為單股，病毒全部遺傳信息均含在RNA中。根據(jù)病毒核酸的極性，將RNA病毒分為二組：病毒RNA的鹼基序列與mRNA完全相同者，稱為正鏈RNA病毒。這種病毒RNA可直接起病毒mRNA的作用，附著到宿主細(xì)胞核糖體上，翻譯出病毒蛋白。從正鏈RNA病毒顆粒中提取出RNA，并注入適宜的細(xì)胞時(shí)證明有感染性；病毒RNA鹼基序列與mRNA互補(bǔ)者，稱為負(fù)鏈RNA病毒。負(fù)鏈RNA病毒的顆粒中含有依賴RNA的RNA多聚酶，可催化合成互補(bǔ)鏈，成為病毒mRNA，翻譯病毒蛋白。從負(fù)鏈RNA病毒顆粒中提取出的RNA，因提取過程損壞了這種酶，從而無感染性。
1．正鏈RNA病毒的復(fù)制以脊髓灰質(zhì)炎病毒為例，侵入的RNA直接附著于宿主細(xì)胞核糖體上，翻譯出大分子蛋白，并迅速被蛋白水解酶降解為結(jié)構(gòu)蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白，如依賴RNA的RNA聚合酶。在這種酶的作用下，以親代RNA為模板形成一雙鏈結(jié)構(gòu)，稱“復(fù)制型（Replicativeform）”。再從互補(bǔ)的負(fù)鏈復(fù)制出多股子代正鏈RNA，這種由一條完整的負(fù)鏈和正在生長中的多股正鏈組成的結(jié)構(gòu)，秒“復(fù)制中間體(Replicative intermediate) ”。新的子代RNA分子在復(fù)制環(huán)中有三種功能：（1）為進(jìn)一步合成復(fù)制型起模板作用；（2）繼續(xù)起mRNA作用；（3）構(gòu)成感染性病毒RNA。
2．負(fù)鏈RNA病毒的復(fù)制流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒和腮腺炎病毒等有囊膜病毒屬于這一范疇。病毒體中含有RNA的RNA聚合酶，從侵入鏈轉(zhuǎn)錄出mRNA，翻譯出病毒結(jié)構(gòu)蛋白和酶，同時(shí)又可做為模板，在依賴RNA的RNA聚合酶作用下合成子代負(fù)鏈RNA。
圖21-4 DNA病毒復(fù)制的主要步驟
（三）逆轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制
逆轉(zhuǎn)錄病毒（Retrovirus）又稱RNA腫瘤病毒(Oncornavirus) ，病毒體含有單股正鏈RNA、依賴RNA的DNA多聚酶（逆轉(zhuǎn)錄酶）和tRNA。其復(fù)制過程分二個(gè)階段：第一階段，病毒核時(shí)進(jìn)入胞漿后，以RNA為模板，在依賴RNA的DNA多聚酶和tRNA引物的作用下，合成負(fù)鏈DNA（即RNA：DNA），正鏈RNA被降解，進(jìn)而以負(fù)鏈DNA為模板形成雙股DNA（即DNA：DNA），轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，整合成宿主DNA中，成為前病毒。第二階段，前病毒DNA轉(zhuǎn)錄出病毒mRNA，翻譯出病毒蛋白質(zhì)。同樣從前病毒DNA轉(zhuǎn)錄出病毒RNA，在胞漿內(nèi)裝配，以出芽方式釋放。被感染的細(xì)胞仍持續(xù)分裂將前病毒傳遞至子代細(xì)胞。
（四）病毒蛋白的合成與修飾
病毒mRNA在宿主細(xì)胞聚核糖體上翻譯合成病毒結(jié)構(gòu)蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白，結(jié)構(gòu)蛋白是病毒結(jié)構(gòu)的組成成分，非結(jié)構(gòu)蛋白雖然不是病毒的結(jié)構(gòu)成分，但是在病毒復(fù)制中具有重要功能，大多是一些催化、調(diào)節(jié)病毒復(fù)制的酶類和調(diào)控蛋白。
通常動(dòng)物病毒mRNA僅翻譯一條連續(xù)的完整的病毒多肽鏈，這種mRNA叫做單順反子mRNA (Monocistronic mRNA) 。分段基因級病毒，如流感病毒，核酸分為8個(gè)節(jié)段，每一節(jié)段轉(zhuǎn)錄一條mRNA，翻譯一種病毒蛋白。有的病毒，如脊髓灰質(zhì)炎病毒，病毒RNA本身做為,mRNA，首先翻譯出一大分子蛋白，然后在特殊位點(diǎn)被細(xì)胞或病毒蛋白水解酶裂解為許多小分子病毒蛋白，包括結(jié)構(gòu)蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白。也有的病毒，如披膜病毒，基因組上有多處轉(zhuǎn)錄起始和終止碼，分別轉(zhuǎn)錄出單順反子mRNA并合成各自的病毒蛋白。DNA的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)剪切拼接，并在3'端聚腺苷酸化，5'端加上甲基化帽，轉(zhuǎn)送入胞漿，合成病毒蛋白。
某些病毒蛋白合成后需要修飾，如磷酸化、糖基化等。由病毒和細(xì)胞的蛋白激酶完成磷酸化，這是活化或滅活某些蛋白的一種方式。病毒糖蛋白是在胞漿中與膜相連的核糖體上合成，經(jīng)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、平滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基氏體到達(dá)細(xì)胞膜，在此過程中被糖基化。
五、裝配與釋放
新合成的病毒核酸和病毒結(jié)構(gòu)蛋白在感染細(xì)胞內(nèi)組合成病毒顆粒的過程稱為裝配（Assembly），而從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外的過程為釋放(Release)。大多數(shù)DNA病毒，在核內(nèi)復(fù)制DNA，在胞漿內(nèi)合成蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)入核內(nèi)裝配成熟。而痘苗病毒其全部成份及裝配均在胞漿內(nèi)完成。RNA病毒多在胞漿內(nèi)復(fù)制核酸及合成蛋白。感染后6個(gè)小時(shí)，一個(gè)細(xì)胞可產(chǎn)生多達(dá)10，000個(gè)病毒顆粒。
病毒裝配成熟后釋放的方式有：（1）宿主細(xì)胞裂解，病毒釋放到周圍環(huán)境中，見于無囊膜病毒，如腺病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒等；（2）以出芽的方式釋放，見于有囊膜病毒，如皰疹病毒在核膜上獲得囊膜，流感病毒在細(xì)胞膜上獲得囊膜而成熟，然后以出芽方式釋放出成熟病毒。也可通過細(xì)胞間橋或細(xì)胞融合鄰近的細(xì)胞。
圖21-5 正鏈RNA病毒復(fù)制的主要步驟
病毒的增殖不只是產(chǎn)生有感染性的子代，絕大多數(shù)動(dòng)物病毒在大量感染的情況下，經(jīng)多次增殖會(huì)產(chǎn)生缺損干擾顆粒（Defective interfering particles），它是能干擾親代病毒復(fù)制的缺損病毒，其核酸有部分缺損或被宿主DNA片段替換。缺損干擾顆粒的基本特性是：（1）本身不能繁殖；（2）有輔助病毒存在時(shí)方能增殖；（3）干擾同種病毒而不干擾異種病毒的增殖；（4）在感染細(xì)胞內(nèi)與親代病毒競爭性增殖。由于缺損干擾顆粒的產(chǎn)生，使同種感染性病毒數(shù)量減少，在導(dǎo)致病毒的持續(xù)性感染中具有一定的作用，但疫苗中含有大量缺損干擾顆粒會(huì)影響活疫苗的免疫效果。
圖21-6 負(fù)鏈RNA病毒復(fù)制的主要步驟
 病毒的形態(tài)與結(jié)構(gòu) | 抵抗力與變異  |
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