病毒的結(jié)構(gòu)及其基因組

病毒的結(jié)構(gòu)及其基因組第1頁(yè)/共131頁(yè)一.病毒的包膜（envelope）

許多病毒粒子(virion)衣殼外有一層包膜，又稱為包被或外膜，如逆轉(zhuǎn)錄病毒等。

有的病毒則沒有包膜，稱為裸露病毒粒子（nakedvirion），如小RNA病毒。第2頁(yè)/共131頁(yè)ThisisthefirstEMphotoofHIVontheinternet.Viralparticlesareseenatmediummagnificationinthiselectronmicrograph.Notethecentralcoreandtheouterenvelope.TheimagewasprovidedbyEdwardC.Klatt,M.D.,DepartmentofPathology,UniversityofUtah.FromAIDSPathology.第3頁(yè)/共131頁(yè)ThiscomputergeneratedartqualitygraphicsofHIVwasdonebyRussellKightleyofCanberra,Australia.第4頁(yè)/共131頁(yè)humanimmunodeficiencyviruscartoon第5頁(yè)/共131頁(yè)HIV-Atypicalenvelopedvirus第6頁(yè)/共131頁(yè)RetroviralStructures

ViralCartoonsandDiscussion

MilanNermut,M.D.,Ph.D.*

mnermut@nibsc.ac.uk

NationalInstituteforBiologicalStandardsandControl

第7頁(yè)/共131頁(yè)ananimalpicornavirus第8頁(yè)/共131頁(yè)Humanpoliovirus(脊髓灰質(zhì)炎病毒，小RNA病毒科，無(wú)包膜)第9頁(yè)/共131頁(yè)Rhinovirus14,assolvedbyelectronmicroscopyandimagereconstructionMolecularsurfaceofRhinovirus14,radiallydepthcued,assolvedbyX-raycrystallography鼻病毒，小RNA病毒科第10頁(yè)/共131頁(yè)HumanhepatitisAvirus小RNA病毒科第11頁(yè)/共131頁(yè)（一）

病毒包膜的來(lái)源病毒包膜來(lái)自宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜(cellmembrance)或內(nèi)膜如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體膜，它是病毒成熟時(shí)從細(xì)胞膜或內(nèi)膜出芽而獲得的，因此具有宿主細(xì)胞膜的特性，但是病毒的包膜具有一定的病毒特異性。第12頁(yè)/共131頁(yè)P(yáng)seudocoloredtransmissionelectronmicrographofhumanimmunodeficiencyvirus(HIV)oninfectedhumanlymphocyte.ObservethedaughterHIVleavetheinfectedt-cellforanewhost.ThisimagefromCustomMedicalStockPhoto(CMSP)whichhasaeditiondigitalcatalogueavailableontheinternet.第13頁(yè)/共131頁(yè)ThiscomputergeneratedartqualitygraphicsofHIVwasdonebyRussellKightleyofCanberra,Australia.第14頁(yè)/共131頁(yè)Electronmicrographsofinfluenzavirusesbuddingfromthecellsurface.Manythousandsarepresentonaninfectedcell.Scalebar,500nm第15頁(yè)/共131頁(yè)（二）

病毒包膜的化學(xué)組成所有病毒的包膜結(jié)構(gòu)大體一致，其包膜的化學(xué)組成,類似于細(xì)胞膜，只是病毒包膜所含有的脂類分子的種類或數(shù)量以及鑲嵌在其中的蛋白分子與細(xì)胞略有不同，但也有的差別很大。第16頁(yè)/共131頁(yè)1．

病毒包膜所含有的脂類除了鑲嵌在包膜上或突出于包膜外的蛋白質(zhì)外，包膜主要由脂質(zhì)構(gòu)成，其中以磷脂和膽固醇為主，還有少量的甘油三酰酯(中性脂肪)、糖脂、脂肪酸、脂肪醛。對(duì)于大部分有包膜的病毒粒子而言；脂質(zhì)占其結(jié)構(gòu)成分的20％—35％，但痘病毒所含脂質(zhì)僅占病毒結(jié)構(gòu)成分的5％；而披膜病毒則是所有已知病毒中脂質(zhì)含量最高的一類病毒，其脂質(zhì)含量約占病毒粒子結(jié)構(gòu)成分總量的50％以上。有包膜的病毒，其包膜大多易被脂溶劑(如甲醇、氯仿、乙醚、脫氧膽堿等)所滅活而失去感染性。第17頁(yè)/共131頁(yè)第一節(jié)

病毒的結(jié)構(gòu)組成病毒的基因組編碼蛋白質(zhì)非結(jié)構(gòu)蛋白(即一些多肽)病毒復(fù)制有關(guān)的基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白衣殼蛋白：主要的，形成殼體/衣殼包膜蛋白：鑲嵌/位于包膜表面的糖蛋白基質(zhì)蛋白：使包膜與核衣殼聯(lián)系在一起第18頁(yè)/共131頁(yè)病毒粒子（有包膜病毒）包膜核衣殼(病毒核心)核酸蛋白病毒粒子（無(wú)包膜病毒）核酸(病毒核心)衣殼殼粒蛋白亞基原體蛋白亞基（五聚體/六聚體）細(xì)胞膜成分膜粒（釘狀物或包膜突起）第19頁(yè)/共131頁(yè)2．

病毒的包膜糖蛋白許多有包膜的病毒在其病毒粒子包膜表面，大都存在有包膜突起(peplomer)。包膜突起的化學(xué)本質(zhì)大多為糖蛋白，是由碳水化合物與包膜蛋白質(zhì)分子連結(jié)而成的。病毒的包膜糖蛋白突起有的是由一種蛋白亞基組成，有的則由幾種蛋白亞基構(gòu)成。在結(jié)構(gòu)上，大都可分為疏水區(qū)和親水區(qū)，疏水區(qū)穿插在包膜中，而親水區(qū)則延伸到包膜外，與之相連的糖基分子也多位于包膜外的突起上。第20頁(yè)/共131頁(yè)HA（haemagglutinin,血凝素）-吸附蛋白，血凝活性，抗原性NA(neuraminidase,神經(jīng)氨酸酶)-抗原性第21頁(yè)/共131頁(yè)Inthisgraphic,theredspikesrepresentHaemagglutininandarearrangedalloverthesurface,roughlyequallyspaced.TheyellowboxlikesurfacefeaturesrepresentNeuramindase.Each4-foldassemblyisasingletetramerofNeuraminidase.TheNeuraminidasetetramersarenotdistributedevenlyoverthevirusbutclusteringroups.Thegreensurfacepeepingthroughbetweenthespikesrepresentstheviralenvelope,whichwasderivedfromthehostcellduringbudding.第22頁(yè)/共131頁(yè)第23頁(yè)/共131頁(yè)HumaninfluenzavirusesVirionsareusuallyroughlysphericalandabout200nmindiameter.Theenvelopecontainsrigid"spikes"ofhaemagglutininandneuraminidasewhichformacharacteristichaloofprojectionsaroundnegativelystainedvirusparticles.第24頁(yè)/共131頁(yè)AnimalinfluenzavirusFromProf.StewartMcNulty,VeterinarySciences,Queen'sUniversity,Belfast,UK.第25頁(yè)/共131頁(yè)（三）

病毒包膜的功能病毒的包膜保護(hù)其病毒粒子免受外界環(huán)境不利因素的影響病毒吸附細(xì)胞融合活性血溶活性抗原性第26頁(yè)/共131頁(yè)病毒吸附：病毒包膜突起的主要功能是作為病毒吸附蛋白(virusattachmentprotein，VAP)而起作用，病毒通過這些包膜突起與病毒特異的細(xì)胞受體結(jié)合和相互作用，才能啟動(dòng)病毒感染。2.細(xì)胞融合活性：有些病毒包膜突起能使病毒包膜與宿主細(xì)胞膜融合或使感染細(xì)胞與未感染細(xì)胞膜之間產(chǎn)生融合第27頁(yè)/共131頁(yè)3.血溶活性：副流感病毒、腮腺炎病毒和麻疹病毒具有血溶活性，即溶解血紅細(xì)胞。這是由于它們含有包膜突起F，因此F糖蛋白又稱為血溶素(hemolysin)。通常每個(gè)紅細(xì)胞同時(shí)需要有幾個(gè)病毒粒子作用才能產(chǎn)生血溶反應(yīng)?？乖裕翰《镜陌ぬ堑鞍淄黄鹗侵匾目乖镔|(zhì)，這些突起可產(chǎn)生保護(hù)性的中和抗體。第28頁(yè)/共131頁(yè)二病毒的衣殼

病毒衣殼或殼體(capsid)是由病毒基因組編碼的衣殼蛋白亞基通過一定的方式聚集而成的。由一種或多種蛋白亞基構(gòu)成。第29頁(yè)/共131頁(yè)AdenovirusisanakedicosahedralvirusthatcontainsadoublestrandedDNAgenome.Fromeachvertex,thereprojectsafibre(red)whosebloblikeendattachestohostcells.第30頁(yè)/共131頁(yè)InfluenzavirusThegreencore(RNP-ribonucleoprotein)containsthegeneticinformationoftheviruswrappedupinprotein.Thiscombinationofgenticmaterialandproteiniscalledthenucleocapsid.Ininfluenza,thenucleocapsidishelical.8segmentsareassumedtolinktogether(possiblyinanorderedfashion)toformahelixwhenthevirusassemblesatthecellsurface.matrixprotein,M1envelope(blue-greenandedgedinyellow)

第31頁(yè)/共131頁(yè)（一）

衣殼蛋白的組成由自然界常見的20種氨基酸組成的，尚未發(fā)現(xiàn)病毒存在特有的氨基酸。

不同病毒，甚至同一種病毒的不同變異株之間的衣殼蛋白中，每種氨基酸組成、氨基酸的排列順序也是不相同的。第32頁(yè)/共131頁(yè)（二）

衣殼蛋白的功能1．

保護(hù)病毒基因組衣殼蛋白可組建成包裹病毒基因組的保護(hù)性外殼或殼體，這是它的主要功能。其衣殼能使病毒基因組免遭各種理化因子如核酸酶、各種化學(xué)誘變劑以及環(huán)境中的各種不利因子的破壞，使病毒能在不利的環(huán)境中暫時(shí)“休眠”而隱藏起來(lái)。一旦遇上合適的宿主，病毒就可以恢復(fù)侵染循環(huán)，并從衣殼中釋放出病毒基因組而進(jìn)行增殖。病毒的這一特性對(duì)于它的生存是十分有利的。當(dāng)它們侵入寄主細(xì)胞時(shí)，病毒必須把自己的遺傳物質(zhì)密封起來(lái)，以防遭到寄主細(xì)胞的保護(hù)機(jī)制破壞。休斯頓萊斯大學(xué)的第一研究員陶怡芝(Jane

Tao)說：“病毒侵入寄主細(xì)胞時(shí)，衣殼會(huì)一同進(jìn)入，而且它永遠(yuǎn)都不會(huì)完全分解?！钡?3頁(yè)/共131頁(yè)2．

決定病毒的抗原性衣殼蛋白是病毒粒子的主要抗原蛋白，可以刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)。流感病毒根據(jù)其核衣殼蛋白(包括基質(zhì)蛋白)抗原性的不同，分為甲、乙、丙型，反映了病毒被發(fā)現(xiàn)年代的順序（1900，1940，1947），更主要的反映了對(duì)人危害程度的順序。甲型（世界性大流行）乙型（局部爆發(fā)）屬正粘病毒科丙型流感病毒（嬰幼兒）衣殼蛋白的抗原性有時(shí)并不限于一種蛋白亞基，而是幾種蛋白亞基都具有抗原性。根據(jù)HA(14)、NA(9)抗原性的差異又可分為不同亞型。第34頁(yè)/共131頁(yè)3．

吸附作用在無(wú)包膜病毒的感染過程中，其衣殼蛋白能作為病毒吸附蛋白(virusattachmentprotein，VAP)而與宿主細(xì)胞表面的受體蛋白相互識(shí)別、結(jié)合從而使病毒粒子吸附于宿主細(xì)胞表面。

第35頁(yè)/共131頁(yè)有些病毒的吸附蛋白并非是由一種衣殼蛋白來(lái)充當(dāng)：可能一種衣殼蛋白與這種細(xì)胞受體結(jié)合，另一種衣殼蛋白與另一種細(xì)胞的受體結(jié)合。第36頁(yè)/共131頁(yè)4．

血凝作用有些裸露病毒的衣殼蛋白具有血凝作用。5．

其它作用a.病毒衣殼蛋白還可以引起宿主細(xì)胞的毒性作用，導(dǎo)致細(xì)胞病變。腺病毒的衣殼蛋白可使培養(yǎng)細(xì)胞病變。b.大量病毒衣殼蛋白與某一細(xì)胞受體結(jié)合，可導(dǎo)致該細(xì)胞受體缺乏，從而影響細(xì)胞的生理生化活動(dòng)。大量呼腸孤病毒吸附蛋白與腎上腺能受體結(jié)合，可造成這一受體缺乏。c.有的衣殼蛋白還可以抑制宿主細(xì)胞RNA、蛋白質(zhì)合成d.有的衣殼蛋白還可以穩(wěn)定基因組結(jié)構(gòu)，以及與病毒基因組進(jìn)入宿主細(xì)胞有關(guān)。第37頁(yè)/共131頁(yè)三.病毒的內(nèi)容物某些簡(jiǎn)單病毒的核心僅由核酸組成；某些復(fù)雜的病毒核心除了核酸以外，還有一些病毒內(nèi)含物，包括：病毒生命活動(dòng)過程中所需要的酶：不是全部酶系統(tǒng)，如痘病毒，含有與轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)有關(guān)的13種酶類。核酸結(jié)合蛋白，有的結(jié)合松散，有的結(jié)合緊密其它化合物：脂類、糖類與蛋白形成的脂蛋白/糖蛋白多胺，如丁二胺、亞硝胺金屬離子，在植物病毒中發(fā)現(xiàn)，如Ca2＋，Cu2＋，Mg2＋

多胺與金屬離子結(jié)合于病毒核酸，為病毒復(fù)制某個(gè)階段所必需，與病毒基因組的穩(wěn)定性有關(guān)。第38頁(yè)/共131頁(yè)第二節(jié)

病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu)類型病毒的形狀大體分為三種：球形顆粒：殼體是二十面體對(duì)稱（icosahedralsymmetry）桿狀顆粒：殼體是螺旋對(duì)稱（helicalsymmetry）復(fù)雜形狀顆粒：殼體是復(fù)合對(duì)稱（complexsymmetry）第39頁(yè)/共131頁(yè)第40頁(yè)/共131頁(yè)P(yáng)ICORNAVIRUSES10埃=1nm第41頁(yè)/共131頁(yè)第42頁(yè)/共131頁(yè)COMPARATIVESTRUCTURES第43頁(yè)/共131頁(yè)LARGESTANDSMALLESTVIRALSTRUCTURES藻類DNA病毒科,綠藻病毒屬,小球藻病毒-1煙草壞死病毒衛(wèi)星野田村病毒科,第44頁(yè)/共131頁(yè)若干概念形態(tài)單位(morphologicunit):是指一定數(shù)目的蛋白亞基以特殊方式聚集形成在電鏡下可見的殼粒（capsomere）衣殼（capsid）或殼體：又稱為蛋白質(zhì)外殼（proteincoat）或蛋白質(zhì)外鞘（proteinshell）。它是指由蛋白亞基或殼粒排列形成的有規(guī)則的殼樣結(jié)構(gòu)，其殼體包裹病毒基因組核酸及與核酸結(jié)合的蛋白質(zhì)組分。第45頁(yè)/共131頁(yè)核衣殼（nucleocapsid）是指衣殼蛋白與病毒核酸結(jié)合而成的復(fù)合物，還包括與核酸相聯(lián)系的其它蛋白。病毒核心（core）是指有包膜的病毒去除包膜之后的核衣殼以及與之聯(lián)系的蛋白質(zhì)，或者無(wú)包膜的病毒除去蛋白質(zhì)外殼之后的病毒核酸。包膜（envelope）是指圍繞核衣殼的雙層脂質(zhì)膜，由脂類、蛋白質(zhì)和寡聚糖組成。第46頁(yè)/共131頁(yè)釘狀物（spike）又稱膜?；虬ね黄穑╬eplomer）：是病毒表面的糖蛋白突起物。原體（protomer）：由一種或幾種不相同的蛋白亞基共同構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單位。病毒衣殼或殼體是由大量的蛋白亞基或殼粒組成的，但這些蛋白亞基的排列并非雜亂無(wú)章，而是以不同的軸為中心，作對(duì)稱性排列，形成一個(gè)保護(hù)病毒核酸的高度有序結(jié)構(gòu)。第47頁(yè)/共131頁(yè)第48頁(yè)/共131頁(yè)一螺旋對(duì)稱的病毒殼體1．形成螺旋對(duì)稱的病毒殼體是由蛋白亞基沿著軸心進(jìn)行螺旋排列，而形成高度有序的結(jié)構(gòu)。首先其非對(duì)稱的蛋白亞基分子沿著圓周對(duì)稱排列，生成中空的圓盤狀結(jié)構(gòu)．再由這些圓盤結(jié)構(gòu)堆積起來(lái)，形成圓柱狀結(jié)構(gòu)。但在圓盤結(jié)構(gòu)中的蛋白亞基與病毒核酸螺旋結(jié)合時(shí)，蛋白亞基可由圓盤排列轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪帕校纬陕菪龑?duì)稱的殼體。第49頁(yè)/共131頁(yè)外形這類病毒粒子有：直桿狀，如煙草花葉病毒(TMV)；彎曲桿狀，如馬鈴薯X病毒絲狀，如fd噬菌體第50頁(yè)/共131頁(yè)植物病毒多為桿狀昆蟲病毒中核型多角體病毒屬的成員動(dòng)物病毒較少。TMV：螺旋對(duì)稱的桿狀病毒粒子以TMV了解得最為清楚。第51頁(yè)/共131頁(yè)外殼由2130個(gè)蛋白亞基構(gòu)成，長(zhǎng)300nm，直徑18nm，中央空洞區(qū)直徑為4nm。TMV基因組RNA是一個(gè)與長(zhǎng)軸平行的螺旋體它不存在于中央孔內(nèi)，而是緊密地鑲嵌于蛋白亞基或殼粒所形成的槽中。第52頁(yè)/共131頁(yè)Thishighmagnificationelectronmicrographshowsanegatively-stainedbaculovirusvirion.Notetheasymetriccapsidstructureandthepresenceofanenvelopewithsurfaceprojections(peplomers).FromtheCarstens'LabatQueen'sUniversity,Canada.第53頁(yè)/共131頁(yè)ThiselectronmicrographshowsathinsectionofaninsectcellinfectedwiththebaculovirusAcMNPV.Aportionofthecellcytoplasmisseeninthebottomrighthandcorner.Manyenvelopedextracellularvirionshavebuddedthroughthecytoplasmicmembraneandarevisibleoutsidethecell.FromtheCarstens'LabatQueen'sUniversity,Canada.ThishighmagnificationelectronmicrographshowsathinsectionofaninsectcellinfectedwiththebaculovirusAcMNPV.Aportionofthenucleuscontainingenvelopedvirionsintheprocessofbeingoccludedintoadevelopingpolyhedronisshown.FromtheCarstens'LabatQueen'sUniversity,Canada.第54頁(yè)/共131頁(yè)第55頁(yè)/共131頁(yè)二二十面體對(duì)稱的病毒殼體這類病毒的殼體由蛋白亞基有規(guī)則地排列成一個(gè)正二十面體對(duì)稱結(jié)構(gòu)。大部分動(dòng)物病毒都是呈二十面體對(duì)稱，少數(shù)植物病毒是這樣的結(jié)構(gòu)。1正二十面體有20個(gè)三角形面和12個(gè)頂點(diǎn)2病毒蛋白亞基可按完全等價(jià)或準(zhǔn)等價(jià)結(jié)合構(gòu)成二十面對(duì)稱殼體。

完全等價(jià)結(jié)合是指二十面體的每個(gè)亞基具有完全相同的環(huán)境。第56頁(yè)/共131頁(yè)二二十面體對(duì)稱的病毒殼體但因這一五聚體與其他的5個(gè)五聚體或殼粒相鄰，所以又稱為五鄰體(penton)。正二十面體的20個(gè)全等三角面的頂點(diǎn)各排列有一個(gè)亞基，即每個(gè)三角面排列3個(gè)，20個(gè)三角面共排列60個(gè)亞基。在二十面體的頂點(diǎn)5個(gè)亞基聚集形成電鏡下可見的五聚體，即殼粒。第57頁(yè)/共131頁(yè)準(zhǔn)等價(jià)結(jié)合準(zhǔn)等價(jià)(quasi-equivalence)結(jié)合構(gòu)成的二十面體對(duì)稱殼體往往比完全等價(jià)結(jié)合的殼體容量要大，因此能夠使更大的病毒基因組包裹在殼體內(nèi)。二二十面體對(duì)稱的病毒殼體第58頁(yè)/共131頁(yè)二二十面體對(duì)稱的病毒殼體二十面體對(duì)稱殼體的擴(kuò)大是通過增加全等三角形數(shù)目和亞基排列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，增加三角形數(shù)的辦法是將二十面體的基本三角面分成若干個(gè)三角形，即亞三角形數(shù)目，通常稱為三角剖分?jǐn)?shù)。

第59頁(yè)/共131頁(yè)第60頁(yè)/共131頁(yè)第61頁(yè)/共131頁(yè)第62頁(yè)/共131頁(yè)由于這樣的二十面體對(duì)稱殼體表現(xiàn)為一些蛋白亞基排列成五鄰體，另一些亞基排列成六鄰體，故它們所處的環(huán)境是準(zhǔn)等價(jià)的。第63頁(yè)/共131頁(yè)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，病毒蛋白亞基實(shí)際構(gòu)成的二十面體殼體通常要比理論上的排列復(fù)雜得多。亞基排列要復(fù)雜，比如：蛋白亞基→形成原體→殼粒如：3個(gè)蛋白亞基→形成原體，由5個(gè)原體→殼粒（5聚體）二二十面體對(duì)稱的病毒殼體第64頁(yè)/共131頁(yè)結(jié)構(gòu)方式：可能是等邊三角形，構(gòu)成的二十面體等邊五角形，構(gòu)成的十二面體三角形和五角形一起構(gòu)成的二十面體總之殼膜的結(jié)構(gòu)形式是符合柏拉圖立體幾何原理的。在建筑學(xué)上是用材最為經(jīng)濟(jì)，所占空間最小，而容量容積最大，又最堅(jiān)固，適合病毒的生存需要。二二十面體對(duì)稱的病毒殼體第65頁(yè)/共131頁(yè)

美國(guó)科學(xué)家利用高能X射線繪制出一張確定大約500萬(wàn)個(gè)構(gòu)成病毒保護(hù)外殼的原子位置的最新圖片，迄今為止最為清晰的病毒蛋白外殼畫面.

2009年2月16日的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》第66頁(yè)/共131頁(yè)皰疹病毒X射線圖片第67頁(yè)/共131頁(yè)三復(fù)雜對(duì)稱的病毒殼體有的病毒殼體呈復(fù)合對(duì)稱，如有尾噬菌體。T4噬菌體：頭部：頭部為二十面體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)部含有線狀dsDNA；尾部：尾管、尾鞘、頸部、基板、尾釘、尾絲頭部與尾部通過頸連接起來(lái)。第68頁(yè)/共131頁(yè)第69頁(yè)/共131頁(yè)病毒粒子（有包膜病毒）包膜核衣殼(病毒核心)核酸蛋白病毒粒子（無(wú)包膜病毒）核酸(病毒核心)衣殼殼粒蛋白亞基原體蛋白亞基（五聚體/六聚體）細(xì)胞膜成分膜粒（釘狀物或包膜突起）第70頁(yè)/共131頁(yè)第71頁(yè)/共131頁(yè)Influenzavirus,spike第72頁(yè)/共131頁(yè)Influenzavirus第73頁(yè)/共131頁(yè)沙粒病毒科Virionsconsistofanenvelopeandanucleocapsid.Thenucleocapsidisfilamentous,hasa"stringofbeads"appearance;withavaryinglengthwithalengthof1000-1300nmLsegment,450-640nmSsegmentandawidthof3-4nm.第74頁(yè)/共131頁(yè)第三節(jié)病毒的基因組病毒的基因組是由核酸構(gòu)成的，核酸是病毒遺傳和感染的物質(zhì)基礎(chǔ)，迄今所發(fā)現(xiàn)的各種病毒僅含有一種核酸，或者是DNA，或者是RNA。研究病毒基因組的核酸組成和基因組結(jié)構(gòu)，目的是為了揭示病毒基因組轉(zhuǎn)錄、復(fù)制和表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，闡明病毒感染和致病的分子基礎(chǔ)。第75頁(yè)/共131頁(yè)一病毒的核酸類型病毒核酸有4種存在類型：雙鏈DNA(doublestrandDNA,dsDNA)單鏈DNA(singlestrandDNA,ssDNA)雙鏈RNA(dsRNA)單鏈RNA(ssRNA)ssDNA、ssRNA還有極性(polarity)的不同：＋ssDNA：與mRNA序列相同的單鏈DNA－ssDNA：與mRNA互補(bǔ)，且為轉(zhuǎn)錄模板的單鏈DNA第76頁(yè)/共131頁(yè)＋ssRNA：病毒單鏈RNA如果能夠直接作為編碼合成蛋白質(zhì)的模板鏈或mRNA，即為＋ssRNA（或與mRNA序列相同的ssRNA）－ssRNA：與mRNA序列互補(bǔ)的單鏈RNA7種病毒核酸類型一病毒的核酸類型第77頁(yè)/共131頁(yè)二病毒核酸的大小及其堿基組成病毒基因組核酸的分子量因不同病毒而有很大的差異，其變化范圍一般在l06~108之間。DNA病毒的核酸分子量在1.5×106~200×106之間RNA病毒的核酸分子量在0.4×106~20×106之間第78頁(yè)/共131頁(yè)病毒基因組核酸的分子大小反映了不同病毒基因組結(jié)構(gòu)和功能的差異。如,痘苗病毒：dsDNA的長(zhǎng)度為180—200kb，哥本哈根株有263個(gè)基因。病毒基因組的核酸也是由4種堿基組成的，即A、T(或U)、G、C。二病毒核酸的大小及其堿基組成第79頁(yè)/共131頁(yè)除了含有生物所共有的4種堿基外，病毒還含有一些稀有堿基。5-羥甲基胞嘧啶（T偶數(shù)噬菌體）5-羥甲基尿嘧啶2-氨基腺嘌呤6-甲基腺嘌呤5-甲基脫氧胞嘧啶二病毒核酸的大小及其堿基組成第80頁(yè)/共131頁(yè)在不同病毒的核酸中，各種堿基的含量卻相差很大。例如偽狂犬病病毒(Pseudorabiesvirus，PRV)基因組的G+C含量多達(dá)72％，雞痘病毒(Fowlpoxvirus)基因組的G+C含量為35％一般而言，相同科屬的病毒基因組的核酸堿基組成相似，不同科屬的病毒之間的核酸堿基組成卻有較大的差異。皰疹病毒：G+C含量高痘病毒：G+C含量低二病毒核酸的大小及其堿基組成第81頁(yè)/共131頁(yè)三病毒基因組的結(jié)構(gòu)特征病毒基因組的結(jié)構(gòu)在不同的病毒科之間有很大的差異。單鏈/雙鏈；環(huán)狀/線狀；分節(jié)段的，稱為分段基因組分段基因組：病毒基因組由數(shù)個(gè)核酸分子構(gòu)成，稱為分段基因組(segmentedgenome)有的基因組有特殊的序列，如：粘性末端、末端冗余、循環(huán)排列、末端反向重復(fù)等。它們與病毒基因組環(huán)狀分子的形成有關(guān)。第82頁(yè)/共131頁(yè)*=viroidsonly第83頁(yè)/共131頁(yè)單鏈、雙鏈、線狀、環(huán)狀大多數(shù)為單一分子，少數(shù)為分節(jié)段的——聯(lián)體病毒科雙鏈DNA病毒基因組動(dòng)物病毒：絕大部分動(dòng)物DNA病毒為雙鏈DNA。皰疹病毒科痘病毒科虹彩病毒科腺病毒科這些病毒末端有特殊的結(jié)構(gòu)，如末端冗余和末端反向重復(fù)等，可以形成環(huán)狀（一）DNA病毒基因組雙鏈線狀第84頁(yè)/共131頁(yè)porcineadenovirus3humanadenovirusadenovirusAcolorizedelectronmicrographfromtheCenterforCellImagingattheYaleUniversitySchoolofMedicine.第85頁(yè)/共131頁(yè)Imagereconstructionrevealsthecomplexmolecularorganizationofadenovirusadenoviruscartoon第86頁(yè)/共131頁(yè)animaladenovirusFromStewartMcNultyatVeterinarySciences,Queen'sUniversity,Belfast.avianadenovirusFromMilanNermutfromtheUK'sNationalInstituteforBiologicalStandardsandControl.第87頁(yè)/共131頁(yè)乳頭瘤病毒科（脊椎動(dòng)物）多瘤病毒科（脊椎動(dòng)物）嗜肝DNA病毒科（脊椎動(dòng)物）昆蟲的桿狀病毒科（無(wú)脊椎動(dòng)物）多DNA病毒科（無(wú)脊椎動(dòng)物）線狀病毒科其中嗜肝DNA病毒科，是有部分單鏈區(qū)的不完全環(huán)狀雙鏈DNA分子。環(huán)狀雙鏈DNA1

雙鏈DNA病毒基因組第88頁(yè)/共131頁(yè)植物：花椰菜花葉病毒科——環(huán)狀雙鏈DNA，也為不完全環(huán)狀雙鏈DNA分子。花椰菜花葉病毒科和嗜肝DNA病毒科的DNA聚合酶具有逆轉(zhuǎn)錄酶活性，被ICTV稱為DNA逆轉(zhuǎn)錄病毒。1

雙鏈DNA病毒基因組——植物病毒第89頁(yè)/共131頁(yè)長(zhǎng)尾噬菌體科短尾噬菌體科肌尾噬菌體科復(fù)層噬菌體科芽生噬菌體科覆蓋噬菌體科脂毛噬菌體科線狀雙鏈DNA分子超螺旋雙鏈DNA1.雙鏈DNA病毒基因組第90頁(yè)/共131頁(yè)2.單鏈DNA病毒基因組動(dòng)物病毒：細(xì)小病毒科為線狀ssDNA，能夠產(chǎn)生兩種不同極性的單鏈DNA分子，成熟的病毒粒子或含有正鏈或含有負(fù)鏈DNA。植物病毒：聯(lián)體病毒科為環(huán)狀正鏈DNA，基因是分段的。噬菌體：絲桿噬菌體科、微小噬菌體科為環(huán)狀正鏈DNA。第91頁(yè)/共131頁(yè)（二）RNA病毒基因組正鏈RNA病毒基因組正鏈RNA病毒的基因組具有mRNA的活性，因而具有侵染性。但逆轉(zhuǎn)錄病毒科的成員是一個(gè)例外，它們的基因組RNA雖為正鏈RNA，但沒有mRNA的翻譯模板活性，故而缺少侵染性。這類病毒的基因組RNA首先必需在自身逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，以病毒基因組RNA為模板，逆轉(zhuǎn)錄形成雙鏈DNA中間體即原病毒或前病毒DNA，然后原病毒雙鏈DNA整合到宿主細(xì)胞DNA上，再經(jīng)過宿主細(xì)胞的RNA聚合酶Ⅱ催化，轉(zhuǎn)錄形成mRNA。

第92頁(yè)/共131頁(yè)正鏈RNA病毒基因組正鏈RNA病毒的基因組均為線狀分子，但有單一分子基因組和分段基因組之分。小RNA病毒科披膜病毒科杯狀病毒科冠狀病毒科動(dòng)脈炎病毒科四病毒科輕小噬菌體科煙草花葉等多種植物病毒單一正鏈RNA分子第93頁(yè)/共131頁(yè)正鏈RNA病毒基因組有一些正鏈RNA病毒的基因組RNA是分段的。根據(jù)其基因組所包含的RNA分子數(shù)目，分為二組分基因組：含有2個(gè)RNA分子。三組分基因組：含有3個(gè)RNA分子。如此類推。動(dòng)物病毒：野田村病毒科是二組分基因組；逆轉(zhuǎn)錄病毒科的基因組由兩個(gè)相同的線狀正鏈RNA分子組成，故稱為二倍體基因組。第94頁(yè)/共131頁(yè)負(fù)鏈RNA病毒基因組負(fù)鏈RNA基因組沒有mRNA活性和侵染性，但它攜帶有病毒特異的RNA轉(zhuǎn)錄酶即以RNA為模板轉(zhuǎn)錄形成mRNA。丁型肝炎病毒(HDV)的負(fù)鏈RNA基因組為環(huán)狀，其余的負(fù)鏈RNA病毒基因組均為線狀。也有單一分子基因組，分段基因組之分。第95頁(yè)/共131頁(yè)副粘病毒科絲狀病毒科博爾納病毒科彈狀病毒科沙粒病毒科布尼亞病毒科正粘病毒科負(fù)鏈RNA病毒基因組單一分子基因組分段基因組第96頁(yè)/共131頁(yè)沙粒病毒科布尼亞病毒科中白蛉熱病毒屬sRNA是雙義的。第97頁(yè)/共131頁(yè)P(yáng)hlebovirus(白蛉熱病毒屬)SandflyfevervirusGroup(白蛉熱病毒亞屬)Riftvalleyfevervirus（裂谷熱病毒，代表種）(fromLindaStannard,oftheDepartmentofMedicalMicrobiology,UniversityofCapeTown)第98頁(yè)/共131頁(yè)沙粒病毒科Virionsconsistofanenvelopeandanucleocapsid.Thenucleocapsidisfilamentous,hasa"stringofbeads"appearance;withavaryinglengthwithalengthof1000-1300nmLsegment,450-640nmSsegmentandawidthof3-4nm.第99頁(yè)/共131頁(yè)1gcn

Glucagon2hiu

Insulin

1rfb

Interferon3hhr

Human

Growth

Hormone2ptc

Trypsin5pep

Pepsin2dnj

Deoxyribonuclease1smdAmylase1poe

Phospholipase5rsa

Ribonuclease1pth

Cyclooxygenase

1prc

Photosynthetic

Reaction

Center1kzu

Light-Harvesting

Complex1jb0

Photosystem

ICholesterolPhospholipid1c17+1e79

ATPSynthase1oco

Cytochrome

c

Oxidase1f88

Rhodopsin1bgy

Cytochrome

b-c1

Complex3cyt

Cytochrome

c1dhf

Dihydrofolate

Reductase2ohx

AlcoholDehydrogenase2gls

Glutamine

Synthetase2tsc

Thymidylate

Synthase1wsy

Tryptophan

Synthase4at1

Aspartate

Carbamoyltransferase1rcx

Ribulose

Bisphosphate

Carboxylase/Oxygenase1n2c

Nitrogenase

1fqy

Aquaporin

1bl8

Potassium

Channel

1msl

Mechanosensitive

Channel

1grmGramicidin

2por

Porin1iat

Phosphoglucose

Isomerase

1mbdMyoglobin

1e7i

Serum

Albumin7tim

Triosephosphate

Isomerase5enl

Enolase1a49

Pyruvate

Kinase1gax

Valyl-tRNA

Synthetase1qf6

Threonyl-tRNA

Synthetase1ffy

Isoleucyl-tRNA

Synthetase1eiy

Phenylalanyl-tRNA

Synthetase1asy

Aspartyl-tRNA

Synthetase1fjf+1jj2

Ribosome4tna

Transfer

RNA1euq

Glutaminyl-tRNA

1ttt

Elongation

Synthetase

Factor

Tu1dar

Elongation

Factor

G1fxk

Prefoldin1aon

Chaperonin

GroEL/ES1efu

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Tu

and

Ts

2cpl

Prolinecis/transIsomerase/

?

info@RESEARCH

COLLABORATORY

FORSTRUCTURAL

BIOINFORMATICSRUTGERS,

THE

STATE

UNIVERSITY

OF

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JERSEYSAN

DIEGO

SUPERCOMPUTER

CENTERNATIONAL

INSTITUTE

OF

STANDARDS

AND

TECHNOLOGY4rhv

Rhinovirus

4hhb

Hemoglobin

1hrs

Ferritin1ald

Aldolase1lz1

Lysozyme1cza

Hexokinase1pfk

Phosphofructokinase

3pgk

Phosphoglycerate

Kinase

3pgmPhosphoglycerate

Mutase3gpd

Glyceraldehyde-3-phosphate

Dehydrogenase1igt

AntibodyMOLECULARMACHINERY:A

Tour

of

theProteinDataBank11第100頁(yè)/共131頁(yè)Herpes

simplex

capsidHoles

for

entry

and

exit

of

DNATheportal

or

opening

for

viralDNAis

built

atONE

of

the12,5‐foldver2cesof

the

T=16

herpesvirus

capsid55第101頁(yè)/共131頁(yè)The

Baltimore

system14第102頁(yè)/共131頁(yè)以沙粒病毒科的sRNA為例：第103頁(yè)/共131頁(yè)由于GPC（糖蛋白前體）mRNA與病毒基因組sRNA5’端同源，NPmRNA與sRNA3’端互補(bǔ)，故將sRNA節(jié)端稱為雙義RNA（ambisenseRNA），其中sRNA3’端的NP編碼區(qū)是負(fù)義的，而5’端GPC編碼區(qū)則是擬正義的（pseudo-positivesense）。GPC編碼區(qū)盡管與正鏈RNA和mRNA的極性相同，但不能直接翻譯合成GPC，先復(fù)制生成反基因組RNA再轉(zhuǎn)錄形成GPCmRNA，然后由GPCmRNA翻譯合成GPC。負(fù)鏈RNA病毒基因組第104頁(yè)/共131頁(yè)雙鏈RNA病毒基因組雙鏈RNA病毒基因組也無(wú)mRNA活性，也需要病毒特異的RNA轉(zhuǎn)錄酶。除單組分雙鏈RNA球狀真菌病毒科的病毒基因組為單一分子的雙鏈RNA外，其余雙鏈RNA病毒均為分節(jié)段的基因組。如:呼腸弧病毒科10－12節(jié)段雙RNA病毒科囊狀噬菌體科雙組分雙鏈RNA球狀真菌病毒科分段的第105頁(yè)/共131頁(yè)Notethewheel-likeappearanceofsomeoftherotavirusparticles.Theobservanceofsuchparticlesgavethevirusitsname('rota'beingtheLatinwordmeaningwheel).Bar=100nanometers.Source:Cellculture.Method:Negative-stainTransmissionElectronMicroscopy

ByF.P.Williams,U.S.EnvironmentalProtectionAgency.呼腸孤病毒科輪狀病毒屬第106頁(yè)/共131頁(yè)Theinnercapsid:Adrawingdepictstheapparentarrangementofcapsomersontheinnercapsid,andisshownside-by-sidewithacolourisedEMimage.Linesdenotethe5-foldaxesofsymmetry.Theoutercapsidispositioneduponthevirioninsuchawaythatthecapsomeresofeachcapsidlayerco-incide</CENTER第107頁(yè)/共131頁(yè)humanrotavirus第108頁(yè)/共131頁(yè)*=viroidsonly第109頁(yè)/共131頁(yè)第110頁(yè)/共131頁(yè)（三）病毒基因組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性粘性末端粘性末端(cohesiveend)是指病毒基因組雙鏈DNA兩端的一小段單鏈部分，并且一端的單鏈部分與另一端的單鏈部分能進(jìn)行堿基配對(duì)互補(bǔ)，可使其線狀雙鏈DNA的兩端連接起來(lái)而形成環(huán)狀分子，或者兩個(gè)或多個(gè)分子連接成二聚體或多聚體。λ噬菌體粘性末端第111頁(yè)/共131頁(yè)第112頁(yè)/共131頁(yè)末端冗余末端冗余或末端豐余(terminalredundancy)，也稱為末端同向重復(fù)序列(diectrepeats，DRs)，它是指雙鏈DNA分子兩端所存在的相同核苷酸序列。第113頁(yè)/共131頁(yè)末端冗余用外切酶處理后，可形成粘性末端，退火后可形成多聯(lián)體分子，多聯(lián)