第四章病毒的遺傳和變異

1、第四章 病毒的遺傳與變異1、遺傳：親代與子代相似2、變異：親代與子代或者子代不同個體之間不完全相同。 遺傳決定了物種的延續(xù)，變異有利于物種的進化。核酸傳遞遺傳信息的基礎在于其堿基的排列順序， 病毒核酸復制時能夠產生完全等同于原核 酸的新的核酸分子，從而保持遺傳的穩(wěn)定性。病毒的突變機率較高，決定了病毒遺傳的變異性。 遺傳和變異是對立的統(tǒng)一體，遺傳使物種得以延續(xù)，變異則使物種不斷進化。流感病毒的抗原性 會因為核酸的復制、 裝配等各種因素而發(fā)生變化， 有了這些變化， 流感病 毒就可以有效地逃避宿主的免疫清除。第一節(jié) 病毒的突變病毒的突變 (Mutation) ：基因組中核酸的組成或結構發(fā)生改變。 點

2、突變(狹義突變) : 少數幾對堿基的缺失、插入或置換。 大段染色體的缺失、重復、移位和倒位等較大范圍內可遺傳結構的改變(廣義突變) 。 突變體：攜帶突變的生物個體或群體、株系。突變基因：包含突變位點的基因。基本概念病毒株 (strain) ： 同一種病毒的不同分離株或不同來源的病毒系 病毒型別 (type) ： 同種病毒的不同血清型別 病毒野生型 ( Wildtype): 從自然宿主中新分離出的 , 或者是實驗室采用的 病毒突變體 (mutant) ：與野生病毒株的不同表型的變異株 , 已清楚其機理 病毒變異體 (variant) ：與野生病毒株的不同表型的變異株 , 并不清楚其機理 病毒準株

3、 (quasispecies): 在一個宿主體內，子代病毒出現(xiàn)了與原始感染株不一致，該變異 個體稱為病毒準株。第二節(jié) 自發(fā)突變和誘發(fā)突變 病毒變異除自發(fā)、誘發(fā)突變外，還可能因混合感染引起的遺傳重組。 病毒的變異主要源于其基因組的突變和重組。1. 自發(fā)突變 ：在無任何已知誘變劑的條件下產生的突變。DNA 病毒和 RNA 病毒的自發(fā)突變有明顯區(qū)別 :DNA ：有一整套完整的 DNA 復制、核對、修正系統(tǒng)RNA ：不能自動修復( RNA 復制酶中缺少校正閱讀活性)病毒復制比自發(fā)突變快得多，野 生型種群處統(tǒng)治地位突變效率： DNA 10-8 10-11RNA 10-3 10-6(適當的劑量、獲2. 誘

4、發(fā)突變 ：野生型病毒在各種理化因子存在的條件下提高突變力的措施 得單一突變的突變體 )根據誘發(fā)突變的本質和途徑分為：體外誘變劑 （靜態(tài) ）通過一些化學物質對核苷酸進行化學修飾 堿基配對發(fā)生改變 （a.轉換b. 顛換）亞硝酸、羥胺、烷化劑等體內誘變劑 （動態(tài) ）a. 堿基類似物：通過互變異構效應造成堿基的轉換和顛換b. 插入劑： 吖啶類染料插入到核酸分子之間， 引起堿基堆積畸變， 在下一步復制時造成核酸 移碼（堿基增加或缺失） 移碼突變這兩種物質所引起的核酸的變異， 都需要病毒細胞處于代謝活性狀態(tài)， 此時核酸處于復制階 段，對處于靜止狀態(tài)的病毒無作用。紫外線：對生物體的損害主要是形成嘧啶二聚體

5、鏈間形成的嘧啶二聚體能破壞雙鏈的拆分鏈內形成的嘧啶二聚體導致堿基配對的錯誤DNA ：嘧啶二聚體被切除、修復，但堿基配對時錯誤結合發(fā)生突變； RNA ： UV 誘變的機制不明。第三節(jié) 病毒突變體的類型根據突變效應分為：同義突變、錯義突變、無義突變和移碼突變。原序列5AUGCCUUCAAGAUGUGGGMetProSerArgCysGly（1）同義突變5- AUGCCUUCAAGAUGUGGAMetProSerArgCysGly（2）錯義突變5- AUGCCUUCAGGAUGUGGA （又稱為誤義突變）MetProSerGlyCysGly（3）無義突變5- AUGCCUUCAAGAUGAGGAMe

6、tProSerArg（4）移碼突變5-AUGCCUUCAAGUGUGGGMetProSerSerValGly ：甘氨酸。Arg ：精氨酸。Ser ：蘇氨酸。Val ：纈氨酸根據突變效應背離或返回到野生型方向上來講： 正向突變：改變了野生型性狀的突變 回復突變根據突變引起的遺傳信息的意義改變： 同義突變（氨基酸序列沒變） 錯義突變（氨基酸序列改變） 沉默突變滲漏突變中性突變 無義突變 （氨基酸密碼子變?yōu)榻K止密碼子） 根據突變所帶來的表型分： 形態(tài)突變體（宿主細胞形態(tài)改變） 致死突變體 （流產感染） 條件致死突變體（溫度敏感突變體錯義突變） 生化突變體（營養(yǎng)缺陷型突變體、抗藥性突變體、抗原突變體）

7、 ：代謝途徑變異第四節(jié) 病毒變異現(xiàn)象4.1 毒力變異 :“毒力” 表示毒株或毒型間病原性的差異， 具體表現(xiàn)為所能感染的動物、 組織和細胞范圍及 其引起的癥狀、 死亡率和病變的程度不同。 分為強毒株和弱毒株， 后者可制成弱毒活病毒疫 苗（脊髓灰質炎疫苗） 、由異種動物引用過來的毒株（牛痘病毒等） 。4.2抗原變異 ：病毒變異表現(xiàn)為表面抗原的變異。如：流感病毒 （血凝素和神經胺酸酶的變異 ） 通常所謂的病毒“型” ，實質上是病毒抗原性差別的表現(xiàn)。它們主要是用補體結合反應、沉 淀反應、紅細胞凝集抑制反應以及中和試驗等血清學方法鑒別出來的； 病毒各個型之間往往不能相互免疫， 或者缺乏足夠的交叉保護力。

8、 如： 流感病毒、 口蹄疫病 毒4.3培養(yǎng)性狀的變異病毒的所謂 “培養(yǎng)性狀” ，主要是指其在培養(yǎng)細胞上形成的蝕斑的形態(tài)和性質（病毒引起的細胞病變的特征 ）（1）蝕斑的大?。簺Q定于病毒的彌散和吸附率以及病毒復制、成熟、釋放的速度和在細胞內 外的死亡率等。蝕斑大小的變異與病毒對乙醚的敏感性之間存在著一定聯(lián)系。 對乙醚不敏感的病毒比對乙醚 敏感的病毒更易發(fā)生此類變異。蝕斑大小與病毒的毒力呈現(xiàn)一定的平行關系。（相對的 ）（2）蝕斑的色澤：主要決定于蝕斑及其周緣的細胞的死亡與溶崩情況。 （透明、混濁、有色）（3）蝕斑的形狀：與病毒的彌散率及其導致的細胞病變率有關（圓或不規(guī)則、邊緣清晰或彌 散）蝕斑性狀的

9、改變， 常被視作病毒變異的一個重要指標， 而蝕斑選種就成為挑選病毒變異株的 一個重要方法。某些可能是暫時的、非遺傳的蝕斑變異。 4.4對溫度的感受性變異 應用適當的加熱處理或低溫培育的方法，常可由原毒株中分離獲得耐熱株。溫度敏感性突變株（即 ts- 變異株）：ts- 變異株可自然發(fā)生，幾乎可從所有動物病毒中分離獲得（只能在允許溫度而不能在非允 許溫度中增殖）4.5對化學藥劑的感受性變異將鹽酸胍、 5 '溴脫氧尿核苷、鹽酸金剛烷胺等病毒滅活劑或誘變劑添加于已經接種病毒的 細胞培養(yǎng)物內，多次反復繼代后，?？煞蛛x出抗甚至依賴該藥劑的變異株。 在培養(yǎng)脊髓灰質炎病毒的 HeLa 細胞的培養(yǎng)液內加

10、入鹽酸胍，獲得了耐藥性毒株。 應用類似方法甚至選育得到一株依賴胍的脊髓灰質炎病毒變異株， 這類變異株不再能在無胍 的細胞培養(yǎng)物內增殖。病毒化療藥物增多，耐藥現(xiàn)象需給予充分注意和研究解決4.6 營養(yǎng)變異 ：指病毒對某種營養(yǎng)物質的反應發(fā)生變異。 脊髓灰質炎病毒在猴腎細胞內增殖時， 必須有胱氨酸存在才能形成蝕斑。 應用培養(yǎng)液內不含 胱氨酸的細胞培養(yǎng)這種病毒，迅速選育得到不需胱氨酸甚至可被胱氨酸抑制的變異株 . 人們曾應用在培養(yǎng)液內添加色氨酸的方法， 選育獲得一株依賴色氨酸的脊髓灰質炎病毒變異 株。4.7重組現(xiàn)象指兩個不同性狀的病毒株在混合感染時， 由于基因組某個或某些片段的交換， 形成新的基因 組合

11、而出現(xiàn)“雜交”性狀的子代病毒。同種病毒的不同毒株之間容易發(fā)生重組，但重組也可發(fā)生于不同種和不同群病毒之間。 交叉復活作用 （cross reactivation） 活病毒和滅活病毒 廣義重組多數感染復活作用 （multplicity reactivation） 滅活病毒 4.8 互補現(xiàn)象 （complementation）同種 （株）或異種 （株 ）許多病毒粒子在混合感染同一細胞時，可能發(fā)生干擾現(xiàn)象，即一種（株）病毒的增殖抑制或干擾另一種 （株）病毒的增殖。 或一種 （株 ）病毒的增殖促進另一種 （株）病毒的 增殖，甚至為另一種 （株 ）病毒增殖所必需。4.9表型混合混合感染時由一種病毒的核酸

12、與另一種或另一株病毒的衣殼（和囊膜 ）組合而成的病毒粒子，這一現(xiàn)象稱為 衣殼交換 。表型混合病毒的遺傳性能與提供核酸的病毒相同，而其抗原特性以及對細胞的吸附特性等， 則與提供衣殼 （和囊膜 ）的病毒相同。由于只是基因產物蛋白質的混合或置換， 所以表型混合的性狀也只是暫時的， 不能遺傳 給子代病毒。病毒的 突變率病毒突變率在 10-5 10-8 之間（即每 10 萬至 1 億次復制過程中發(fā)生一次突變） 。 決定病毒突變率的主要因素為復制酶的保真性， DNA 聚合酶的編輯功能可切除錯配的堿基， 錯配率為 10-8 10-11 ，而 RNA 復制酶的錯配率為 10-3 10-6 。 RNA 復制酶的

13、低保真 性決定了 RNA 病毒沒有固定序列的基因組，而是相關基因組構成的異質性群體（準種， quasispecies ）。如： HIV 的突變率可達到 10-3 10-4 ，它的基因組長約 9.7Kb ，因此，每一次復制基因 組拷貝中就有 0.97 9.7 處發(fā)生突變。第五節(jié) 病毒突變體5.1 無效突變株：完全喪失基因功能的突變體。5.2 條件致死突變株： 在實驗者所規(guī)定的某些條件下不能繁殖， 但在允許條件下能夠繁殖的 病毒突變株。其中 最主要 的是：溫度敏感條件致死突變株（ Temperature-sensitive conditional lethalmutant ），簡稱溫度敏感突變株（

14、 ts 株）。 相應的野生型在這兩種條件下都能繁殖。 其中比較有用的是溫敏突變體， 在較低溫度下繁殖， 但在較高溫度下不能繁殖， 而相應的野生型在這兩種溫度都能繁殖的突變體。 研究表明： 溫 敏突變是一種誤義突變，即錯義突變。5.3 蝕斑或痘斑突變株： 又稱為培養(yǎng)性狀的變異主要是指其在培養(yǎng)細胞上形成蝕斑的形態(tài)和 性質， 實際上是病毒所引起的細胞病變的特征，包括蝕斑的大小、 蝕斑的色澤（蝕斑是透明 的還是混濁的，是有色的，還是無色的） 、蝕斑的形狀（蝕斑是圓的還是不規(guī)則的） 。5.4 宿主范圍突變株：與野生型相比，宿主范圍有所改變。 比較有用的是適應新宿主的突變體，其意義是：可通過在原宿主體內傳

15、代獲得弱毒株以制備疫苗。 利用細胞代替原宿主實驗動物進行病毒培養(yǎng)的研究。 特點：對原宿主毒力減弱， 對新宿主的毒力逐漸增強5.5 抗藥性突變株：可提抗抗病毒藥物如金剛烷胺等。5.6 抗原性突變株：突變后的病毒在抗原性上與野生型表現(xiàn)出差別。如流感病毒的變異，具 體表現(xiàn)為表面抗原 （血凝素 HA 和神經氨酸酶 NA） 的變異，它存在兩種變化形式：抗原漂移 和抗原轉移。（ 1 ）抗原漂移：是指病毒在自然宿主內頻繁傳代后，所出現(xiàn)的抗原性微小變化。一般認 為這是在免疫反應的壓力下，突變體選擇的結果。（ 2 ）抗原轉移：是指病毒抗原性突發(fā)的巨大變化。一般推測這是基因重組的結果；也有 認為這是由于量變的積累

16、而導致質變的發(fā)生 。5.7 回復突變株：突變株發(fā)生二次突變或者通過基因重組又恢復為野生性的基因型。5.8 冷適應突變株： 能在比野生型通常的復制溫度或復制的最適溫度要低的溫度下進行復制 的突變體。通過病毒長期低溫傳代培養(yǎng)獲得。5.9 毒力突變株：毒力增強或者減弱。5.10 營養(yǎng)突變株：是指病毒對某種營養(yǎng)物質反應的變異。如一種病毒必須胱氨酸的存在才 能形成蝕斑， 當他們采用培養(yǎng)液中不含胱氨酸的細胞培養(yǎng)這種病毒時， 可以選育得到不需胱 氨酸甚至可被胱氨酸抑制的變異株。5.11 同變體（共變體） ：多種表型同時改變的突變株。 病毒的如何保持病毒遺傳性狀的穩(wěn)定： 采用分離純化的病毒克?。禾羧蝹€噬菌斑

17、獲得較純的病毒粒子； 將已純化的病毒粒子保存在嚴格的條件下； 盡量地減少傳代的次數。第六節(jié) 病毒的基因重組當兩種或多種有親緣關系的不同病毒感染同一宿主細胞時， 它們的遺傳物質發(fā)生交換， 結果 產生不同于親代的可遺傳的子代，稱為 基因重組 （ Genetic recombination ）。5.1 動物病毒的基因重組特征：具分段基因組的 RNA 病毒：在不同毒株間的混合感染時，重組的頻率非常高，有時甚至達 到 50% 。定濃度下進行裝配過程中往往是隨在病毒混合感染中，重組頻率特別具單組分基因組的病毒： 大分子物質積聚在前體池中， 即分配，因此重組頻率較低，多組分的頻率較高。 逆轉錄病毒：是一種非

18、常特殊的病毒，只有它是二倍體，5.2 植物病毒的基因重組植物病毒混合感染： 除具有分段基因組的植物病毒與上述感染特征相似外，其他的植物病毒表現(xiàn)出不同的特征： 感染過程中存在相互干擾現(xiàn)象； 突變與重組難以區(qū)分：由于植物病毒都很少發(fā)生基因重組，頻率低，很難判斷。5.3 病毒的復活 活病毒間的重組：流感病毒兩個亞型之間可發(fā)生基因重組，產生新的雜交株，即具有一個親代的血凝素和另一親代的神經氨酸酶。 流感每隔一、 二十年會引起一次世界性大流行， 馬、豬）的流感病毒間發(fā)生基因重組所致。 滅活病毒間的重組（復感染復活） 用紫外線滅活的兩株同種病毒， 若一同培養(yǎng)后， 體，稱為復感染復活（ Multiplici

19、ty reactivation 這是因為兩種病毒核酸上受損害的基因部位不同，可能是由于人的流感病毒與某些動物 （雞、?？墒箿缁畹牟《緩突?， 產生出感染性病毒 ）。由于重組合相互彌補而得到復活。 因此現(xiàn)今不用紫外線滅活病毒制造疫苗，以防病毒復活的危險。 死活病毒間的重組（交叉復活） ： 一株活性病毒與另一株具有不同遺傳標記的滅活病毒復合感染細胞， 由于重組產生具有滅活 病毒某些遺傳標記的活性病毒體，這類病毒復活現(xiàn)象稱為交叉復活 （Cross reactivation） 如：雞胚中甲型流感病毒疫苗的選育滅活甲型流感病毒（ A0 或 A1 亞型）疫苗株 亞洲甲型（ A2 亞型）活流感病毒 共培養(yǎng)，可

20、產生具有前者特點的 A2 型流感病毒第七節(jié) 影響病毒表型的病毒間相互作用7.1 表型混雜（ Phenotype mixing ） ：兩種病毒混合感染后，一個病毒的基因組偶爾裝入 另一病毒的衣殼內， 或裝入兩個病毒成分構成的衣殼內， 發(fā)生表型混合。 這種混合是不穩(wěn)定 的，傳代后可恢復其原來的特性。7.2 基因型混合（ Genotype mixing ）：指兩種病毒的核酸偶爾混合裝在同一病毒衣殼內， 或兩種病毒的核衣殼偶爾包在一個囊膜內，但它們的核酸都未重新組合，所以沒有遺傳性。7.3 互補（ Complementation ）：指兩種病毒通過其產生的蛋白質產物 （如酶、 衣殼或囊膜） 相互間補助不足。 如輔助病毒與缺損病毒間、 兩個缺損病毒間、 活病毒與死病毒間都可以互 補，互補后仍產生原來病毒的子代。7.4 增強（ Enhancement ）：指兩種病毒混合培養(yǎng)時，一種病毒能促進增強另一種病毒的 產量，可能是因為前者壓制了產生干擾素所致。7.5 病毒間干擾 （ Interference ）： 同源干擾（ homo