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9.2 病毒基因组的结构和功能
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:5526    更新时间:2011/4/15
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9.2.1 病毒简介

病毒是最小的生命体,直径只有20~300nm。其基本构造为一层外壳蛋白(capsid)包围着核酸和数种酶;有些病毒在外壳蛋白外还有一层由宿主细胞构成的被膜(envelope),被膜内有病毒基因编码的糖蛋白。

 

病毒必需进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。

外壳蛋白(或被膜)有保护病毒基因组和识别、侵袭特定宿主细胞的功能。

 

①病毒分类

病毒的遗传物质是单链或双链的DNA或RNA。

根据病毒所含的核酸及复制策略分成7类:

双链DNA、单链DNA、双链RNA、正单链RNA、负单链RNA、反转录RNA及反转录DNA病毒。

 

 

②病毒的结构

病毒的外壳结构主要有两种:螺旋形和二十面体。烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus,TMV)是典型的螺旋形病毒,其他大部分病毒的外壳是二十面体。二十面体具有高度的对称性,因此只要解出部分立体结构,即可推测出整个结构。

 

1个20面体具有20个等边三角形平面。

每个三角形平面由3个相同的亚基组成。因此1个外壳包含60个亚基。

 

用X晶体绕射解出的口蹄疫病毒的外壳结构。

 

③病毒的生命周期(life cycle)

病毒的生命周期可分成几个阶段,不同种类病毒在各阶段又有各自的特点。

附着(attachment)

病毒必需附着於宿主细胞的表面。病毒的表面蛋白质能与特定的受体结合。若宿主细胞膜具有这种特定的受体,病毒就能附着在上面。由于病毒的表面蛋白质随种类而异,不同种类的病毒会感染不同的宿主细胞。

 

如爱滋病毒(HIV)的表面蛋白质gp120能与免疫细胞上的CD4结合,所以HIV会造成免疫系统受损。

 

HIV欲进入宿主细胞,它的表面蛋白质gp120需与CD4和趋化素受体(例如CCR5)结合。

结合后引导融合性蛋白质gp41与宿主细胞膜融合,然后渗入细胞。详细的机制尚未完全清楚,但可能是由于这两种受体将gp120拉开,曝露出gp41。

 

渗入(penetration)

附着于细胞似的病毒能够借助胞饮作用(endocytosis)、病毒包膜与宿主细胞膜融合(fusion)或其他机制渗入宿主细胞。

脱壳(uncoating)

许多病毒进入宿主细胞后即受到宿主细胞的酶或经本身的酶作用脱去外壳。有些病毒(例如疱疹病毒)则沿细胞骨架运行至细胞核,在细胞核孔处去掉外壳。

 

复制(replication)

在宿主细胞内,病毒能复制本身的核酸和合成构成病毒的各种蛋白质,然后再组合成完整的病毒。

释放(release)

溶解性病毒(大多无包膜)在宿主细胞内大量复制,所产生的蛋白质会破坏宿主细胞膜,病毒就可出来感染其他细胞。具有包膜的病毒大多利用出芽(budding)方式脱离宿主。出芽过程中病毒可从宿主细胞膜获得所需的双脂层。

 

感染细菌的病毒特称为噬菌体(bacteriophage,phage),它的生命周期有两种:溶菌性(lytic)及溶原性(lysogenic)。溶菌性和其他溶解性病毒一样会破坏宿主细胞膜而脱离。

 

 

 

9.2.2 病毒基因组的结构特点

①不同病毒基因组大小差异较大。

病毒的基因组很小,但不同病毒基因组相差甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小,只编码4种(6种)蛋白质;痘病毒的基因组为300kb,可编码病毒复制所涉及的酶类,甚至包括核苷酸代谢的酶类等几百种蛋白质,因此痘病毒对宿主的依赖性比乙肝病毒小。

 

②病毒基因组是DNA或是RNA。

每种病毒颗粒中只含一种核酸。病毒基因组的DNA和RNA可以是单链或双链、环状或线性分子。大多数DNA病毒的基因组是双链DNA分子;大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。

乳头瘤病毒是环状双链DNA病毒,腺病毒的基因组是线性双链DNA,脊髓灰质炎病毒是单链RNA病毒,呼肠孤病毒的基因组是双链RNA。

 

③多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成,但有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成。

流感病毒的基因组由8条RNA分子构成,每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息;呼肠孤病毒的基因组由10个双链RNA片段构成,每段RNA分子都编码一种蛋白质。目前还未发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。

 

④基因重叠

病毒基因组有基因重叠现象,即同一段DNA片段能够编码2种甚至3种蛋白质分子。

线粒体和质粒DNA也有基因重叠现象。基因重叠使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。

 

1977年Sanger在ΦX174中发现重叠基因。ΦX174是单链DNA病毒,感染E. coli后共合成11个蛋白质分子,总MW为25万左右,相当于6078nt所容纳的信息量。而该病毒DNA本身只有5375nt,最多能编码总MW为20万的蛋白质分子,表明ΦX174的11个基因中有些是重叠的。

重叠基因的编码区往往与16SrRNA有短序列互补且互补区靠近起始密码子AUG处。

 

Genetic map of bacteriophage fx174

 

重叠基因的类型

一个基因完全在另一个基因里面。如基因A和B是两个不同基因,而B包含在基因A内。同样,基因E在基因D内。

部分重叠。如基因K(与溶菌有关)和基因A及C的一部分基因重叠。

两个基因只有一个碱基重叠。如基因D的终止密码子的最后一个碱基是J基因起始密码子的第一个碱基(如TAATG)。

 

基因E与基因D共用一段相同的碱基顺序,但解读框不同。E基因的解读框向3’端移动了一个碱基。

 

 

⑤病毒基因组的大部分是编码蛋白质的,只有非常小的部份不被翻译。

jX174中不翻译的部份只占217/5375,G4 DNA中占282/5577,都不到5%。不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。

 

⑥病毒基因组DNA序列中功能相关的基因往往丛集存在,形成一个转录单元。可被一起转录成为含有多个mRNA的分子,称为多顺反子mRNA(poly cistronie mRNA),然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。

⑦除了反转录病毒外,病毒基因组都是单倍体,每个基因在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。

 

⑧噬菌体的基因是连续的,而真核病毒的基因具有内含子,除正链RNA病毒外,真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体,再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。

有些真核病毒的内含子或其中的一部分,对某一个基因来说是内含子,而对另一个基因却是外显子。如SV40和多瘤病毒的早期基因。

 

9.2.3 HBV基因组的结构和功能

B型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)属于DNA病毒。它的基因组DNA两股链一长一短。因此一部分(2/3)是双链结构,另一部分只有单链。

 

长链(-)3.2kb,为环状,但5’端与3’端不共价连接,由于其5’端与一种蛋白质(引物酶)共价结合,妨碍了连接酶连接形成3’,5’-磷酸二酯键。而由“+”链(短链)DNA桥联“-”链的缺口。

短链一般长约1.6~2.8kb,约为长链的2/3。短链之间的空隙可由病毒颗粒中的DNA聚合酶充填。一旦有必要可迅速延长到全长。

 

HBV为了能在细胞内独立复制,病毒在很小的基因组中尽量容纳大量的遗传信息。因而HBV的基因组结构显得特别精密浓缩,充分利用其遗传物质。有基因重叠现象。

 

HBV只有4个基因,其中X基因是造成肝癌的主要因素。编码的X蛋白质负责调控。

S基因(surface)编码镶嵌于包膜上的蛋白质;C基因(capsid)编码构成核壳的蛋白质;P基因(polymerase)编码聚合酶。

S基因完全重叠于P基因中,X基因与P基因以及C基因与P也有重叠。所有这些ORF都在“-”链DNA(长链)上。

 

HBV DNA的复制过程

HBV DNA进入宿主细胞, “+”链DNA延伸到全长,成为完整的双螺旋DNA,以负链为模板转录出“+”链RNA,这些RNA可作为mRNA,也可作为前基因组(pregenome)和DNA pol及引物蛋白一起组装成为未成熟的病毒核心。

 

未成熟病毒核心以RNA反转录出全长的“-”链DNA,RNA被降解。再以“-”链为模板合成“+”链DNA,将“-”链DNA的缺口桥联起来,这时病毒外壳已成熟。

 

9.2.4 HIV基因组的结构与功能

HIV属于RNA病毒,含有双份的基因组RNA以及逆转录合成DNA的细胞tRNA引物。在它的复制过程中,需先将RNA反转录成DNA。所以这类的RNA病毒又称为反转录病毒(retrovirus)。

HIV可以分为HIV-1及HIV-2。欧美白人的爱滋病毒大多属於HIV-1;非洲黑人以HIV-2占大多数。

 

HIV-1的基因组共有9718nt,与其它逆转录病毒不同,除了通常的gag,pol和env基因外,基因组中还存在6个其它基因,这些基因都比较小,分别通过一组经过剪切的mRNA表达,从而使HIV对被感染细胞比其它逆转录病毒具有更强的损伤。

HIV-2的基因组与HIV-1类似,主要的差别在于HIV-1的vpu被vpx取代。

 

gag编码核心蛋白,pol编码逆转录酶和整合酶,env编码外壳蛋白

 

病毒的RNA在末端有同向重复序列(Direct repeat),紧挨5’端的是80~100nt的U5区。在3’端前是170~1350nt的U3区。DR片段在将RNA逆转录为DNA时被用来产生大量的同向重复序列,这些重复序列能在线形DNA找到。

 

在整合的形式DNA中两端各缺少2bp,是由整合的机制造成的。

 

RNA逆转录成的DNA两端的Long Terminal Repeat负责基因的调控。

 

在逆转录过程中,构成病毒基因组的两条单链(+)RNA被转换成为一条双链DNA分子。由于两端正向重复序列(LTR)的延伸,所产生的DNA分子比原来的RNA模板稍长。

 

由于逆转录病毒的RNA只能在部分脱壳的病毒核心颗粒中完全转换为双链DNA,而在体外溶液中却不能复制,说明逆转录病毒核衣壳内的两条RNA的构象与逆转录过程有关。

 

逆转录对于逆转录病毒的遗传具有重要作用。

①由于逆转录酶无DNA聚合酶那样具有校正功能,所以它是一种高度的易错过程。逆转录病毒的基因组中可产生许多突变,并导致快速的遗传分化。

②逆转录可对促进遗传重组。由于在每个病毒粒子中包装的两条RNA都被用作逆转录模板,所以在这两条链间便可发生重组。由于突变可产生两条不同的RNA,重组后将产生一种在遗传学上不同于任一亲代的病毒。

 

逆转录完成后,双链DNA进入细胞核中,并仍与病毒蛋白相结合。pol基因的成熟产物实际上是一种多肽复合体,它包括了逆转录酶、RNase H和与寄主细胞染色质整合有关的整合酶3种活性,整合以后形成原病毒。

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