医学病毒学 Medical Virology
绪言
病毒（Virus）是一类非细胞型微生物。主要有以下列基本特征：（1）个体微小，可通过除菌滤器，大多数病毒必须用电镜才能看见；（2）结构简单，仅具有一种类型的核酸，或DNA或RNA；（3）严格的活细胞（真核或原核细胞）内自我复制增殖；（4）具有受体连结蛋白 (receptor binding protein)，与敏感细胞表面的病毒受体连结，进而感染细胞。
第二十三章 病毒的基本形状
[目的要求]
掌握病毒的结构、化学组成与生物学功能。
掌握病毒复制周期各步骤的要点，缺损病毒的概念。
熟悉病毒遗传变异机理及特点。
熟悉亚病毒：类病毒、拟病毒，掌握朊粒的概念。
[教学学时] 4学时。
第一节 病毒的大小与结构
一.大小与形态:
(一)大小
病毒个体微小，测量病毒大小的单位是毫微米（nm），即1/1000微米。大型病毒（如牛痘苗病毒）约200～300nm；中型病毒（如流感病毒）约100nm；小型病毒（如脊髓灰质炎病毒）仅20～30nm。研究病毒大小可用高分辩率电子显微镜，放大几万到几十万倍直接测量；也可用分级过滤法，根据它可通过的超滤膜孔径估计其大小；或用超速离心法，根据病毒大小，形状与沉降速度之间的关系，推算其大小。
（二）病毒体电镜观察有五种形态（图21-1）；
1．球形 (Sphericity) 大多数人类和动物病毒为球形，如脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒及腺病毒等。
2．丝形 (Filament) 多见于植物病毒，如烟草花叶病病毒等。人类某些病毒（如流感病毒）有时也可形成丝形。
3．弹形(Bullet-shape)形似子弹头，如狂犬病病毒等，其他多为植物病毒。
4．砖形 (Brick-shape)如痘病毒（无花病毒、牛痘苗病毒等）。其实大多数呈卵圆形或“菠萝形”。
5．蝌蚪形(Tadpole-shape)由一卵圆形的头及一条细长的尾组成，如噬菌体。
图21-1 各种主要病毒的形态与大小比较（模式图）
二.结构与化学组成:
病毒体(virion): 一个成熟有感染性的病毒颗粒称“病毒体”。
病毒的基本结构：核心、衣壳、包膜。
(一)核心: 位于病毒体的中心，由一种类型的核酸构成，含DNA的称为DNA病毒。含RNA的称为RNA病毒。
1.化学组成: DNA: dsDNA, ssDNA
RNA: +ssRNA, -ssRNA; dsRNA
DNA病毒核酸多为双股（除微小病毒外），RNA病毒核酶酸多为单股（除呼肠孤病毒外）
2.功能:
(1)病毒的基因组：病毒核酸也称基因组（Genome），最大的痘病毒(Poxvirus) 含有数百个基因，最小的微小病毒(Parvovirus)仅有3-4个基因。根据核酸构形及极性可分为环状、线状、分节段以及正链、负链等不同类型，对进一步阐明病毒的复制机理和病毒分类有重要意义。
(2)感染性核酸：核酸蕴藏着病毒遗传信息，若用酚或其他蛋白酶降解剂去除病毒的蛋白质衣壳，提取核酸并转染或导入宿主细胞，可产生与亲代病毒生物学性质一致的子代病毒，从而证实核酸的功能是遗传信息的储藏所，主导病毒的生命活动，形态发生，遗传变异和感染性。
(二).衣壳(capsid): 在核酸的外面紧密包绕着一层蛋白质外衣，即病毒的“衣壳”。
1.化学组成: 蛋白质(壳微粒)：衣壳是由许多“壳微粒 (Capsomere)”按一定几何构型集结而成，壳微米在电镜下可见，是病毒衣壳的形态学亚单位，它由一至数条结构多肽能成。
2.对称形式: 二十面体对称, 螺旋对称, 复合对称
根据壳微粒的排列方式将病毒构形区分为：①立体对称（Cubic symmetry），形成20个等边三角形的面，12个顶和30条棱，具有五、三、二重轴旋转对称性，如腺病毒、脊髓灰质炎病毒等；②螺旋对称 (Helical symmetry)，壳微粒沿螺旋形盘红色的核酸呈规则地重复排列，通过中心轴旋转对称，图21-2，如正粘病毒，副粘病毒及弹状病毒等； ③ 复合对称 (Complex symmetry)，同时具有或不具有两种对称性的病毒，如痘病毒与噬菌体。
图21-2 螺旋对称病毒颗粒的核衣壳
3.功能: （1）致密稳定的衣壳结构除赋予病毒固有的形状外，还可保护内部核酸免遭外环境（如血流）中核酸酶的破坏；
（2）衣壳蛋白质是病毒基因产物，具有病毒特异的抗原性，可刺激机体产生抗原病毒免疫应答；
（3）与病毒吸附作用有关:具有辅助感染作用，病毒表面特异性受体边连结蛋白与细胞表面相应受体有特殊的亲和力，是病毒选择性吸附宿主细胞并建立感染灶的首要步骤。
病毒的核酸与衣壳组成核衣壳（Nucleocapsid），最简单的病毒就是裸露的核衣壳，如脊髓灰质炎病毒等。有包膜的病毒核衣壳又称为核心(core)。
(三).包膜(envelope):
某些病毒，如虫媒病毒、人类免疫缺陷病毒、疱疹病毒等，在核衣壳外包绕着一层含脂蛋白的外膜，称为“包膜”。
1.化学组成 : 含有双层脂质、多糖和蛋白质
其中：蛋白质具有病毒特异性(病毒基因编码)，常与多糖构成糖蛋白糖蛋白亚单位，嵌合在脂质层，表面呈棘状突起，称“剌突(Spike)或囊微粒(Peplomer)”。它们位于病毒体的表面，有高度的抗原性，并能选择性地与宿主细胞受体结合，促使病毒包膜与宿主细胞膜融合，感染性核衣壳进入胞内而导致感染。
包膜中的脂质与宿主细胞膜或核膜成分相似(来自宿主细胞)，证明病毒是以“出芽”方式，从宿主细胞内释放过程中获得了细胞膜或核膜成分。有包膜病毒对脂溶剂和其他有机溶剂敏感，失去囊膜后便丧失了感染性。
2.功能: (1)与病毒吸附作用有关:
(2)有抗原性:
（四）其他的结构
1．触须样纤维(Fiber) 腺病毒是唯一具有触须样纤维的病毒，腺病毒的触须样纤维是由线状聚合多肽和一球形末端蛋白所组成，位于衣壳的各个顶角（图21-2）。该纤维吸附到敏感细胞上，抑制宿主细胞蛋白质代谢，与致病作用有关。此外，还可凝集某些动物红细胞。
2．非结构蛋白:病毒携带的酶 某些病毒核心中带有催化病毒核酸合成的酶，如流感病毒带有RNA的RNA聚合酶，这些病毒在宿主细胞内要靠它们携带的酶合成感染性核酸。
第二节 病毒的复制
病毒增殖的方式 --- 自我复制 ( self replication)
当病毒进入活细胞后便发挥其生物活性。由于病毒缺少完整的酶系统，不具有合成自身成份的原料和能量，也没有核糖体，因此决定了它的专性寄生性，必须侵入易感的宿主细胞，依靠宿主细胞的酶系统、原料和能量复制病毒的核酸，借助宿主细胞的核糖体翻译病毒的蛋白质。病毒这种增殖的方式叫做“复制（Replication）”。
病毒复制的过程分为吸附、穿入、脱壳、生物合成及装配释放五个步骤，又称复制周期(Replication cycle)。
图21-3 病毒的复制周期示意图
一、复制周期:
（一）吸附(adsorption):病毒表面接触蛋白 ---- 细胞表面受体
吸附（Adsorption）是指病毒附着于敏感细胞的表面，它是感染的起始期。细胞与病毒相互作用最初是偶然碰撞和静电作用，这是可逆的联结。随后的特异性吸附是非常重要的，根据这一点可确定许多病毒的宿主范围，不吸附就不能引起感染。
脊髓灰质炎病毒的细胞表面受体是免疫球蛋白超家族，在非灵长类细胞上没有发现此受体，而猴肾细胞、 Hela细胞和人二倍体纤维母细胞上有它的受体，故脊髓来质炎病毒能感染人体鼻、咽、肠和脊髓前角细胞，引起脊髓灰质炎（小儿麻痹）。
水磨石病毒的细胞表面受体是含唾液酸（N-乙酰神经氨酸）的糖蛋白，它与流感病毒表面的血凝素剌突（受体连结蛋白）有特殊的亲和力，如用神经氨酸酶破坏该受体，则流感病毒不再吸附这种细胞。
此外，HIV受体为CD4；鼻病毒的受体为细胞粘附分子-1（1CAM-1）；EB病毒的受体为补体受体-2（CR-2）。病毒吸附也受离子强度、pH、温度等环境条件的影响。研究病毒的吸附过程对了解受体组成、功能、致病机理以及探讨抗病毒治疗有重要意义。
（二）穿入(penetration):膜融合； 病毒胞饮等
穿入（Penetration）是指病毒核酸或感染性核衣壳穿过细胞进入胞浆，开始病毒感染的细胞内期。
主要有三种方式：（1）融合 (Fusion)，在细胞膜表面病毒囊膜与细胞膜融合，病毒的核衣壳进入胞浆。副粘病毒以融合方式进入，如麻疹病毒、腮腺炎病毒囊膜上有融合蛋白，带有一段疏水氨基酸，介导细胞膜与病毒囊膜的融合。（2）胞饮 (Viropexis)，由于细胞膜内陷整个病毒被吞饮入胞内形成囊泡。胞饮是病毒穿入的常见方式，也是哺乳动物细胞本身具有一种摄取各种营养物质和激素的方式。当病毒与受体结合后，在细胞膜的特殊区域与病毒病毒一起内陷形成膜性囊泡，此时病毒在胞浆中仍被胞膜覆盖。某些囊膜病毒，如流感病毒借助病毒的血凝素（HA）完成脂膜间的融合，囊泡内低Ph环境使HA蛋白的三维结构发生变化，从而介导病毒囊膜与囊泡膜的融合，病毒核衣壳进入胞浆。（3）直接进入，某些无囊膜病毒，如脊髓灰质炎病毒与受体接角后，衣壳蛋白的多肽构形发生变化并对蛋白水解酶敏感，病毒核酸可直接穿越细胞膜到细胞浆中，而大部分蛋白衣壳仍留在胞膜外，这种进入的方式较为少见。
图21-4 病毒穿入过程的示意图
（三）脱壳(uncoating):细胞溶酶体酶； 病毒脱壳酶
穿入和脱壳是边续的过程，失去病毒体的完整性被称为“脱壳 (Uncoating)”。人脱壳到出现新的感染病毒之间叫“隐蔽期”。经胞饮进入细胞的病毒，衣壳可被吞噬体中的溶酶体酶降解而去除。有的病毒，如脊髓灰质炎病毒，在吸附穿入细胞的过程中病毒的RNA释放到胞浆中。而痘苗病毒当其复杂的核心结构进入胞浆中后，随之病毒体多聚酶活化，合成病毒脱壳所需要的酶，完成脱壳。
图21-5 病毒穿入和脱壳过程的示意图
（四）生物合成(biosynthesis):病毒核酸复制； 病毒蛋白质合成
DNA病毒和RNA病毒在复制机理有区别，但复制的结果都是合成核酸分子和蛋白质衣壳，然后装配成新的有感染性的病毒。一个复制周期大约需6～8小时。
1. 双股DNA病毒的复制----多数DNA病毒为双股DNA。
双股DNA病毒，如单纯疹病毒和腺病毒在宿主细胞核内的RNA聚合酶作用下，从病毒DNA上转录病毒mRNA，然后转移到胞浆核糖体上，指导合成蛋白质。
2）病毒核酸复制：子代病毒DNA的合成是以亲代DNA为模板，按核酸半保留形式复制子代双股DNA。DNA复制出现在结构蛋白合成之前。
3）晚期转录: 晚期mRNA和晚期翻译:晚期蛋白 --- 衣壳蛋白, 包膜蛋白
晚期mRNA ，在病毒DNA复制之后出现，主要指导合成病毒的结构蛋白，称为晚期蛋白。
图21-4 DNA病毒复制的主要步骤
2. 单股RNA病毒的复制----RNA病毒核酸多为单股，病毒全部遗传信息均含在RNA中。
又可分为：
病毒RNA的硷基序列与mRNA完全相同者，称为正链RNA病毒。
病毒RNA硷基序列与mRNA互补者，称为负链RNA病毒。
逆转录病毒又称RNA肿瘤病毒 (Oncornavirus) ，病毒体含有单股正链RNA、依赖RNA的DNA多聚酶（逆转录酶）和 tRNA。
(1) 正链RNA病毒的复制 以脊髓灰质炎病毒为例，侵入的RNA直接附着于宿主细胞核糖体上，翻译出大分子蛋白，并迅速被蛋白水解酶降解为结构蛋白和非结构蛋白，如依赖RNA的RNA聚合酶。在这种酶的作用下，以亲代RNA为模板形成一双链结构，称“复制型（Replicative form）”。再从互补的负链复制出多股子代正链RNA，这种由一条完整的负链和正在生长中的多股正链组成的结构，秒“复制中间体(Replicative intermediate) ”。新的子代RNA分子在复制环中有三种功能：（1）为进一步合成复制型起模板作用；（2）继续起mRNA作用；（3）构成感染性病毒RNA。
图21-5 正链RNA病毒复制的主要步骤
(2) 负链RNA病毒的复制 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属于这一范畴。病毒体中含有RNA的RNA聚合酶，从侵入链转录出mRNA，翻译出病毒结构蛋白和酶，同时又可做为模板，在依赖RNA的RNA聚合酶作用下合成子代负链RNA。
图21-6 负链RNA病毒复制的主要步骤
(3) 逆转录病毒（Retrovirus）复制过程 分二个阶段：第一阶段，病毒核时进入胞浆后，以RNA为模板，在依赖RNA的DNA多聚酶和tRNA引物的作用下，合成负链DNA（即RNA：DNA），正链RNA被降解，进而以负链DNA为模板形成双股DNA（即DNA：DNA），转入细胞核内，整合成宿主DNA中，成为前病毒。第二阶段，前病毒DNA转录出病毒mRNA，翻译出病毒蛋白质。同样从前病毒DNA转录出病毒RNA，在胞浆内装配，以出芽方式释放。被感染的细胞仍持续将前病毒传递至子代细胞。
(五) 装配与释放:
DNA病毒 (多数核内装配)；RNA病毒(多数胞浆内装配)
包膜病毒 (出芽释放)；无包膜病毒(破胞释放)
新合成的病毒核酸和病毒结构蛋白在感染细胞内组合成病毒颗粒的过程称为装配（Assembly），而从细胞内转移到细胞外的过程为释放(Release)。大多数DNA病毒，在核内复制DNA，在胞浆内合成蛋白质，转入核内装配成熟。而痘苗病毒其全部成份及装配均在胞浆内完成。RNA病毒多在胞浆内复制核酸及合成蛋白。感染后6个小时，一个细胞可产生多达10，000个病毒颗粒。
病毒装配成熟后释放的方式有：（1）宿主细胞裂解，病毒释放到周围环境中，见于无囊膜病毒，如腺病毒、脊髓灰质炎病毒等；（2）以出芽的方式释放，见于有囊膜病毒，如疱疹病毒在核膜上获得囊膜，流感病毒在细胞膜上获得囊膜而成熟，然后以出芽方式释放出成熟病毒。也可通过细胞间桥或细胞融合邻近的细胞。
二、异常增殖:
（一）缺陷病毒 (defective virus): 病毒本身基因有缺陷
病毒的增殖不只是产生有感染性的子代，绝大多数动物病毒在大量感染的情况下，经多次增殖会产生缺损干扰颗粒（Defective interfering particles），它是能干扰亲代病毒复制的缺损病毒，其核酸有部分缺损或被宿主DNA片段替换。缺损干扰颗粒的基本特性是：（1）本身不能繁殖；（2）有辅助病毒存在时方能增殖；（3）干扰同种病毒而不干扰异种病毒的增殖；（4）在感染细胞内与亲代病毒竞争性增殖。由于缺损干扰颗粒的产生，使同种感染性病毒数量减少，在导致病毒的持续性感染中具有一定的作用，但疫苗中含有大量缺损干扰颗粒会影响活疫苗的免疫效果。
（二）顿挫感染 (abortive infection): 非容纳细胞
（三）干扰现象 ( interference )
第三节 抵抗力与变异
病毒对理化因素的抵抗力
（一）物理因素
1．温度 大多数病毒（除肝炎病毒外）耐冷而不耐热。病毒一旦离开机体，经加热56～60℃30分钟，由于表面蛋白变性，而丧失其感染性，即被灭活。病毒对低温的抵抗力较强，通常在-20～196℃仍不失去活性，但对反复冻融则敏感。一般可用低温真空干燥法（Lyophilization）保存病毒，但在室温条件下干燥易使病毒灭活。
2．盐类对病毒的稳定作用 克分子浓度的盐可提高病毒对热的抵抗力。MgCl2对脊液灰质炎病毒、MgSO4对正粘和副粘病毒、Na2SO4对疱疹病毒具有稳定作用。因此在减毒活疫苗中须加这类稳定剂。有囊膜病毒即使在-90℃也不能长期保存，但加入保护剂如二甲基亚砜（DMSO）可使之稳定。
3． PH 病毒一般在