病毒界（下）

3.遺傳物質(zhì)

與一般的細(xì)胞生物的遺傳物質(zhì)為雙鏈DNA不同的是,，病毒的遺傳物質(zhì)（即病毒基因組）可以為DNA或RNA,，可以為單鏈或雙鏈。從目前已發(fā)現(xiàn)的病毒來(lái)看,，更多的是RNA病毒,；其中，植物病毒多為單鏈RNA病毒,，而噬菌體多為雙鏈DNA病毒,。不同病毒的遺傳物質(zhì)中的基因結(jié)構(gòu)也各不相同，它們之間的差異性比動(dòng)物,、植物或細(xì)菌中任何一個(gè)生物域內(nèi)物種間的差異性都要大,。

病毒的核酸可以是環(huán)狀的，如多瘤病毒,，或線狀的,，如腺病毒。核酸的種類與其所呈現(xiàn)的形狀無(wú)關(guān),。在RNA病毒中,，病毒體中的核酸常可以分裂為多個(gè)區(qū)段,，這種狀態(tài)稱為“分段”（segmented）,。其中的每一段常常編碼一個(gè)蛋白質(zhì)，并且這些區(qū)段通常位于同一個(gè)衣殼中,。但每一個(gè)區(qū)段并不一定要在同一個(gè)病毒體中才能使病毒整體具有感染性,，雀麥花葉病毒（Brome mosaic virus）就是一個(gè)例子,。

病毒的核酸可以是單鏈或雙鏈，也與核酸的種類無(wú)關(guān),。雙鏈的病毒核酸是由兩條互補(bǔ)配對(duì)的核酸鏈所組成,，如同一個(gè)梯子。而單鏈的病毒核酸是一條沒有配對(duì)的核酸鏈,，如同一個(gè)梯子從中間分成兩邊的其中一邊,。一些病毒，如肝病毒科中的部分病毒,，其核酸部分為單鏈,，部分為雙鏈。

其核酸為RNA或單鏈DNA的病毒,，其核酸鏈可以分為正義鏈或反義鏈,，這種劃分取決于其與病毒mRNA是否互補(bǔ)。正義病毒RNA與病毒mRNA等同,，宿主細(xì)胞因此可以直接用其來(lái)翻譯,。反義病毒RNA與病毒mRNA互補(bǔ)，必須通過(guò)RNA聚合酶合成正義病毒RNA后,，才能夠進(jìn)行翻譯,。單鏈DNA的情況與RNA相似，“編碼鏈”（與病毒mRNA互補(bǔ)）為反義鏈（?）,，而“非編碼鏈”為正義鏈（+）,。

不同病毒的核酸的大小差別很大。最小的病毒基因組分子量只有106道爾頓,，編碼4個(gè)蛋白質(zhì),；最大的病毒基因組則有108道爾頓，編碼超過(guò)100個(gè)蛋白質(zhì),。RNA病毒的基因組通常比DNA病毒來(lái)的小,，這是由于其復(fù)制過(guò)程有更高的錯(cuò)誤率，使得RNA病毒的大小有上限,。如果超出這一上限,，復(fù)制后的RNA病毒基因組會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，使得導(dǎo)致病毒無(wú)功能或無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力,。為了彌補(bǔ)這一缺陷,，RNA病毒通常將自己的核酸分成多個(gè)分子,，每一個(gè)分子就是一段基因組,，這樣也就降低了復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤率,。相比而言,，由于DNA病毒具有保真度較高的復(fù)制酶,，降低了復(fù)制的錯(cuò)誤幾率,，因而其基因組也就更大,。

病毒的遺傳變異可以有多種機(jī)制。“遺傳漂變”（geneticdrift）是其中之一,，即病毒DNA或RNA上單個(gè)堿基的突變,。大多數(shù)這樣的單點(diǎn)突變是無(wú)義的（或者說(shuō)是沉默的），因?yàn)樗鼈儧]有導(dǎo)致所編碼的蛋白質(zhì)發(fā)生變化,；但有一小部分突變可能會(huì)引起進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì),，如產(chǎn)生對(duì)抗病毒藥物的抵抗力?？乖疲?/span>antigenic shift）是另一種病毒基因組的主要變化,，是由遺傳重組或基因重排所導(dǎo)致的。當(dāng)流感病毒發(fā)生抗原轉(zhuǎn)移后,，可能會(huì)導(dǎo)致瘟疫,。RNA病毒常常以準(zhǔn)種（quasispecies）的形式或大量同種但基因組核苷酸序列存在微小差異的病毒的形式存在。這樣的準(zhǔn)種是自然選擇的主要目標(biāo),。

分段的基因組具有進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)：同一種病毒的不同的病毒株中的分段基因組可以進(jìn)行重排,，重排后產(chǎn)生的后代病毒具有不同于上一代的獨(dú)特的特征。這種基因重排又稱為“病毒的有性生殖”（viral sex）,。

遺傳重組是一條DNA鏈斷裂后重新連接到另一條不同DNA分子末端的過(guò)程,。遺傳重組可以在病毒感染細(xì)胞的同時(shí)發(fā)生。對(duì)病毒進(jìn)化的研究結(jié)果顯示,，在已研究的各種病毒中,，重組發(fā)生得極為頻繁。而且,，無(wú)論是RNA病毒還是DNA病毒,，重組的發(fā)生都是非常普遍的。

4.生命周期

由于病毒是非細(xì)胞的,，無(wú)法通過(guò)細(xì)胞分裂的方式來(lái)完成數(shù)量增長(zhǎng),；它們是利用宿主細(xì)胞內(nèi)的代謝工具來(lái)合成自身的拷貝，并完成病毒組裝,。不同的病毒之間生命周期的差異很大,，但大致可以分為六個(gè)階段：

（1）附著

首先是病毒衣殼蛋白與宿主細(xì)胞表面特定受體之間發(fā)生特異性結(jié)合。這種特異性決定了一種病毒的宿主范圍,。例如,，艾滋病毒只能感染人類T細(xì)胞，因?yàn)槠浔砻娴鞍?/span>gp120能夠與T細(xì)胞表面的CD4分子和受體結(jié)合,。這種吸附機(jī)制通過(guò)不斷的進(jìn)化,，使得病毒能夠更特定地結(jié)合那些使它們能夠完成復(fù)制過(guò)程的細(xì)胞。對(duì)于帶包膜的病毒,，吸附到受體上可以誘發(fā)包膜蛋白發(fā)生構(gòu)象變化從而導(dǎo)致包膜與細(xì)胞膜發(fā)生融合,。

（2）入侵

病毒附著到宿主細(xì)胞表面之后,，通過(guò)受體介導(dǎo)的胞吞或膜融合進(jìn)入細(xì)胞，這一過(guò)程通常稱為“病毒進(jìn)入”（viral entry）,。感染植物細(xì)胞與感染動(dòng)物細(xì)胞不同,，因?yàn)橹参锛?xì)胞有一層由纖維素形成的堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，病毒只有在細(xì)胞壁出現(xiàn)傷口時(shí)才能進(jìn)入,。一些病毒,，如煙草花葉病毒可以直接在植物內(nèi)通過(guò)胞間連絲的孔洞從一個(gè)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞。與植物一樣,，細(xì)菌也有一層細(xì)胞壁,，病毒必須通過(guò)這層細(xì)胞壁才能夠感染細(xì)菌。一些病毒,，如噬菌體,，進(jìn)化出了一種感染細(xì)菌的機(jī)制，將自己的基因組注入細(xì)胞內(nèi)而衣殼留在細(xì)胞外,，從而減少進(jìn)入細(xì)菌的阻力,。

（3）脫殼

然后病毒的衣殼遭到宿主細(xì)胞或病毒自己的酶降解破壞，病毒的核酸得以釋放,。

（4）合成

病毒基因組完成復(fù)制,、轉(zhuǎn)錄（除了正義RNA病毒外）以及病毒蛋白質(zhì)合成。

（5）組裝

將合成的核酸和蛋白質(zhì)衣殼各部分組裝在一起,。在病毒顆粒完成組裝之后,，病毒蛋白常常會(huì)發(fā)生翻譯后修飾。在諸如艾滋病毒等一些病毒中,，這種修飾作用（有時(shí)稱為成熟過(guò)程）,，可以發(fā)生在病毒從宿主細(xì)胞釋放之后。

（6）釋放

無(wú)包膜病毒需要在細(xì)胞裂解（通過(guò)使細(xì)胞膜發(fā)生破裂的方法）之后才能得以釋放,。對(duì)于包膜病毒則可以通過(guò)出泡的方式得以釋放,。在出泡的過(guò)程中，病毒需要從插有病毒表面蛋白的細(xì)胞膜結(jié)合,，獲取包膜,。

5.分類

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者生物學(xué)家戴維·巴爾的摩在1970年代提出了巴爾的摩分類系統(tǒng)。巴爾的摩分類法與ICTV分類法一起用于現(xiàn)代病毒的分類,。

巴爾的摩分類法是基于病毒mRNA的生成機(jī)制,。在從病毒基因組到蛋白質(zhì)的過(guò)程中，必須要生成mRNA來(lái)完成蛋白質(zhì)合成和基因組的復(fù)制,，但每一個(gè)病毒家族都采用不同的機(jī)制來(lái)完成這一過(guò)程,。病毒基因組可以是單鏈或雙鏈的RNA或DNA，可以有也可以沒有反轉(zhuǎn)錄酶,。而且,，單鏈RNA病毒可以是正義（+）或反義（-）,。這一分類法將病毒分為7類：

第一類是雙鏈DNA病毒（如腺病毒、皰疹病毒,、痘病毒）

第二類是單鏈DNA病毒（+）DNA（如小DNA病毒）

第三類是雙鏈RNA病毒（如呼腸孤病毒）

第四類是（+）單鏈RNA病毒（如微小核糖核酸病毒,、披蓋病毒）

第五類是（-）單鏈RNA病毒（如正黏液病毒,、炮彈病毒）

第六類是單鏈RNA反轉(zhuǎn)錄病毒（如反轉(zhuǎn)錄病毒）

第七類是雙鏈DNA反轉(zhuǎn)錄病毒（如肝病毒）

（1）第一組:雙鏈DNA病毒 dsDNA viruses

這類病毒通常只有在進(jìn)入宿主細(xì)胞核之后才能進(jìn)行自我復(fù)制,。除此之外，這類病毒還需要宿主細(xì)胞核內(nèi)的DNA聚合酶才能完成自我復(fù)制,，因此它們很大程度上受宿主細(xì)胞的細(xì)胞周期影響,。有效的感染與子代的產(chǎn)生都需要在宿主細(xì)胞進(jìn)行復(fù)制時(shí)才能進(jìn)行，因?yàn)椴《舅玫暮藘?nèi)DNA聚合酶在此時(shí)是活躍的,。此類病毒有可能誘發(fā)細(xì)胞快速裂解,，導(dǎo)致細(xì)胞轉(zhuǎn)變和癌變，如皰疹病毒,、腺病毒和乳頭多瘤空泡病毒,。

第一組中，唯一一類已充分研究且不在核內(nèi)進(jìn)行復(fù)制的例子是痘病毒科（一種有脊椎動(dòng)物高發(fā)病率的病原體,，包括天花病毒）,。

此類病毒使用普遍的mRNA轉(zhuǎn)錄方式——使用宿主相關(guān)的轉(zhuǎn)錄酶——合成兩種mRNA：

早期信使RNA(?) earlymRNA,事先轉(zhuǎn)錄用于合成DNA。

后期信使RNA(?) late mRNA,隨后由子代DNA轉(zhuǎn)錄而成,。

（2）第二組:單鏈DNA病毒 ssDNA viruses

這一類病毒包括有：

感染脊椎動(dòng)物的

指環(huán)病毒科

圓環(huán)病毒科

小DNA病毒

感染植物的

雙生病毒科

矮化病毒科

感染原核生物的

微小噬菌體科

這類病毒中除了小DNA病毒 Parvoviruses以外,，所有物種都具有環(huán)形DNA。其中感染真核生物的病毒大多在宿主細(xì)胞的細(xì)胞核中,，通過(guò)基圓機(jī)制（英語(yǔ)：Rolling circle replication）構(gòu)建雙鏈DNA中間體,，進(jìn)行復(fù)制。

一種流行的卻沒有臨床癥狀的叫作“TTV”（TransfusionTransmitted Virus）的人類指環(huán)病毒（英語(yǔ)：Anellovirus） (Anellovirus)也包括在這一組中,。

（3）第三組:雙鏈RNA病毒 dsRNA viruses

跟大部分RNA病毒一樣,，這類病毒的復(fù)制在宿主細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，并不需要像DNA病毒那樣使用宿主的聚合酶,。這一組中研究較多的是雙核糖核酸病毒科（Birnaviridae 和呼腸孤病毒科（Reoviridae）,。該組病毒的基因組為單順反子（英語(yǔ)：monocistron），并且有一些病毒基因組只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)（不像其它病毒有較復(fù)雜的轉(zhuǎn)譯過(guò)程）,。

（4）第四組和第五組:單鏈RNA病毒

巴爾的摩病毒分類系統(tǒng)中的第四組和第五組為單鏈RNA病毒,，根據(jù)病毒所帶的RNA的正義或反義又可以細(xì)分成四五兩組。擁有單鏈RNA是這兩組病毒共同的特點(diǎn),，它們的復(fù)制在細(xì)胞質(zhì)中,，并且不受宿主細(xì)胞的細(xì)胞周期限制。

（5）第四組:正單鏈RNA病毒 (+)ssRNA viruses

該組病毒的RNA可以直接被宿主細(xì)胞中的核糖體識(shí)別并立即轉(zhuǎn)譯出蛋白質(zhì),，而事實(shí)上所有正股的ssRNA都是如此,。本組病毒還可以根據(jù)轉(zhuǎn)譯的方式細(xì)分為兩類：

一類病毒有由多順反子組成的基因組,，通過(guò)翻譯得到一個(gè)多聚蛋白，隨后分裂成多個(gè)成熟的蛋白質(zhì),。這樣的目的是減少基因組的大小,。

另一類病毒有更復(fù)雜的轉(zhuǎn)譯過(guò)程，轉(zhuǎn)譯過(guò)程中有核糖體移碼,、蛋白質(zhì)水解和次基因組mRNA的參與,。該類病毒有各自的機(jī)制來(lái)完成從一條鏈上翻譯蛋白質(zhì)。

本組病毒包括有：

星狀病毒科

杯狀病毒科

冠狀病毒科

黃病毒科

微小核糖核酸病毒科

動(dòng)脈炎病毒科

披膜病毒科

（6）第五組:反單鏈RNA病毒 (-)ssRNA viruses

該組病毒的RNA不能直接被宿主細(xì)胞中的核糖體識(shí)別并立即翻譯出蛋白質(zhì),，而事實(shí)上所有反鏈的ssRNA都是如此,，因此它們要通過(guò)自身的聚合酶合成正鏈ssRNA，從而才可以被宿主核糖體識(shí)別,。本組病毒也可以根據(jù)復(fù)制的方式細(xì)分為兩類：

一種病毒包含不分段的基因組【(-)RNA】,，首先用RNA聚合酶產(chǎn)生單順反子（英語(yǔ)：monocistron）的mRNA【(+)RNA】（編碼了多個(gè)病毒的蛋白質(zhì)），隨后以這一條RNA為模板復(fù)制產(chǎn)生反義ssRNA【(-)RNA】,。整個(gè)過(guò)程在宿主細(xì)胞質(zhì)中,。

另一種病毒包含分段的基因組【(-)RNA】，而這一類病毒核酸的復(fù)制發(fā)生在宿主細(xì)胞核內(nèi),，基因組中的每一段都各自在RNA聚合酶的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的mRNA,。

兩種病毒最大的不同在于核酸復(fù)制的位置不同。

本組病毒包括有：

沙狀病毒科

正黏液病毒科

副黏液病毒科

本雅病毒科

絲狀病毒科

炮彈病毒科（包括狂犬病毒）

（7）第六組:正單鏈RNA逆轉(zhuǎn)錄病毒 ssRNA-RT viruses

一種被研究較多的,，包括反轉(zhuǎn)錄病毒科 (Retroviridae)的病毒,，一個(gè)明顯的特點(diǎn)是使用逆轉(zhuǎn)錄酶將(+)ssRNA轉(zhuǎn)換成DNA，隨后用整合酶將DNA整合到宿主的基因組中,，此后就可以利用核內(nèi)的聚合酶了,。

（8）第七組:雙鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄病毒 dsDNA-RT viruses

一小組以乙肝病毒 (HepatitisB)【肝病毒科(Hepadnaviridae)】為典型的病毒，包含雙鏈不閉環(huán)的DNA,。該線型的DNA在閉環(huán)成為共價(jià)閉合環(huán)狀DNA（cccDNA）后,，作為模板轉(zhuǎn)錄mRNA和亞基因組mRNA（英語(yǔ)：subgenomic mRNA），隨后由前基因組（英語(yǔ)：pregenome）表達(dá)的RNA做為模板逆轉(zhuǎn)錄出充當(dāng)基因組的DNA,。