醫學微生物學/病毒的增殖

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醫學微生物學

病毒的一般性狀
- 病毒的形態與結構
- 病毒的增殖
- 抵抗力與變異
- 病毒的分類與命名

病毒體在細胞外是處於靜止狀態，基本上與無生命的物質相似，當病毒進入活細胞後便發揮其生物活性。由於病毒缺少完整的酶系統，不具有合成自身成份的原料和能量，也沒有核糖體，因此決定了它的專性寄生性，必須侵入易感的宿主細胞，依靠宿主細胞的酶系統、原料和能量複製病毒的核酸，藉助宿主細胞的核糖體翻譯病毒的蛋白質。病毒這種增殖的方式叫做「複製（Replication）」。病毒複製的過程分為吸附、穿入、脫殼、生物合成及裝配釋放五個步驟，又稱複製周期(Replication cycle)。

一、吸附

吸附（Adsorption）是指病毒附著于敏感細胞的表面，它是感染的起始期。特異性吸附是非常重要的，根據這一點可確定許多病毒的宿主範圍，不吸附就不能引起感染。細胞與病毒相互作用最初是偶然碰撞和靜電作用，這是可逆的聯結。脊髓灰質炎病毒的細胞表面受體是免疫球蛋白超家族，在非靈長類細胞上沒有發現此受體，而猴腎細胞、Hela細胞和人二倍體纖維母細胞上有它的受體，故脊髓來質炎病毒能感染人體鼻、咽、腸和脊髓前角細胞，引起脊髓灰質炎（小兒麻痹）。水磨石病毒的細胞表面受體是含唾液酸（N-乙醯神經氨酸）的糖蛋白，它與流感病毒表面的血凝素剌突（受體連結蛋白）有特殊的親和力，如用神經氨酸酶破壞該受體，則流感病毒不再吸附這種細胞。此外，HIV受體為CD4；鼻病毒的受體為細胞粘附分子-1（1CAM-1）；EB病毒的受體為補體受體-2（CR-2）。病毒吸附也受離子強度、pH、溫度等環境條件的影響。研究病毒的吸附過程對了解受體組成、功能、致病機理以及探討抗病毒治療有重要意義。

二、穿入

穿入（Penetration)是指病毒核酸或感染性核衣殼穿過細胞進入胞漿，開始病毒感染的細胞內期。主要有三種方式：（1）融合(Fusion)，在細胞膜表面病毒囊膜與細胞膜融合，病毒的核衣殼進入胞漿。副粘病毒以融合方式進入，如麻疹病毒、腮腺炎病毒囊膜上有融合蛋白，帶有一段疏水胺基酸，介導細胞膜與病毒囊膜的融合。（2）胞飲(Viropexis)，由於細胞膜內陷整個病毒被吞飲入胞內形成囊泡。胞飲是病毒穿入的常見方式，也是哺乳動物細胞本身具有一種攝取各種營養物質和激素的方式。當病毒與受體結合後，在細胞膜的特殊區域與病毒病毒一起內陷形成膜性囊泡，此時病毒在胞漿中仍被胞膜覆蓋。某些囊膜病毒，如流感病毒藉助病毒的血凝素（HA）完成脂膜間的融合，囊泡內低Ph環境使HA蛋白的三維結構發生變化，從而介導病毒囊膜與囊泡膜的融合，病毒核衣殼進入胞漿。（3）直接進入，某些無囊膜病毒，如脊髓灰質炎病毒與受體接角後，衣殼蛋白的多肽構形發生變化並對蛋白水解酶敏感，病毒核酸可直接穿越細胞膜到細胞漿中，而大部分蛋白衣殼仍留在胞膜外，這種進入的方式較為少見。

三、脫殼

穿入和脫殼是邊續的過程，失去病毒體的完整性被稱為「脫殼(Uncoating)」。人脫殼到出現新的感染病毒之間叫「隱蔽期」。經胞飲進入細胞的病毒，衣殼可被吞噬體中的溶酶體酶降解而去除。有的病毒，如脊髓灰質炎病毒，在吸附穿入細胞的過程中病毒的RNA釋放到胞漿中。而痘苗病毒當其複雜的核心結構進入胞漿中後，隨之病毒體多聚酶活化，合成病毒脫殼所需要的酶，完成脫殼。

四、生物合成

DNA病毒的RNA病毒在複製的生化方面有區別，但複製的結果都是合成核酸分子和蛋白質衣殼，然後裝配成新的有感染性的病毒。一個複製周期大約需6～8小時。

（一）雙股DNA病毒的複製

多數DNA病毒為雙股DNA。

雙股DNA病毒，如單純疹病毒和腺病毒在宿主細胞核內的RNA聚合酶作用下，從病毒DNA上轉錄病毒mRNA，然後轉移到胞漿核糖體上，指導合成蛋白質。而痘苗病毒本身含有RNA聚合酶，它可在胞漿中轉錄mRNA。mRNA有二種：早期m RNA，主要合成複製病毒DNA所需的酶，如依賴DNA的DNA聚合酶，脫氧胸腺嘧啶激酶等，稱為早期蛋白；晚期mRNa ，在病毒DNA複製之後出現，主要指導合成病毒的結構蛋白，稱為晚期蛋白。

子代病毒DNA的合成是以親代DNA為模板，按核酸半保留形式複製子代雙股DNA。DNA複製出現在結構蛋白合成之前。

（二）單股RNA病毒的複製

RNA病毒核酸多為單股，病毒全部遺傳信息均含在RNA中。根據病毒核酸的極性，將RNA病毒分為二組：病毒RNA的鹼基序列與mRNA完全相同者，稱為正鏈RNA病毒。這種病毒RNA可直接起病毒mRNA的作用，附著到宿主細胞核糖體上，翻譯出病毒蛋白。從正鏈RNA病毒顆粒中提取出RNA，並注入適宜的細胞時證明有感染性；病毒RNA鹼基序列與mRNA互補者，稱為負鏈RNA病毒。負鏈RNA病毒的顆粒中含有依賴RNA的RNA多聚酶，可催化合成互補鏈，成為病毒mRNA，翻譯病毒蛋白。從負鏈RNA病毒顆粒中提取出的RNA，因提取過程損壞了這種酶，從而無感染性。

1．正鏈RNA病毒的複製以脊髓灰質炎病毒為例，侵入的RNA直接附著於宿主細胞核糖體上，翻譯出大分子蛋白，並迅速被蛋白水解酶降解為結構蛋白和非結構蛋白，如依賴RNA的RNA聚合酶。在這種酶的作用下，以親代RNA為模板形成一雙鏈結構，稱「複製型（Replicativeform）」。再從互補的負鏈複製出多股子代正鏈RNA，這種由一條完整的負鏈和正在生長中的多股正鏈組成的結構，秒「複製中間體(Replicative intermediate) 」。新的子代RNA分子在複製環中有三種功能：（1）為進一步合成複製型起模板作用；（2）繼續起mRNA作用；（3）構成感染性病毒RNA。

2．負鏈RNA病毒的複製流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒和腮腺炎病毒等有囊膜病毒屬於這一範疇。病毒體中含有RNA的RNA聚合酶，從侵入鏈轉錄出mRNA，翻譯出病毒結構蛋白和酶，同時又可做為模板，在依賴RNA的RNA聚合酶作用下合成子代負鏈RNA。

DNA病毒複製的主要步驟

圖21-4 DNA病毒複製的主要步驟

（三）逆轉錄病毒的複製

逆轉錄病毒（Retrovirus）又稱RNA腫瘤病毒(Oncornavirus) ，病毒體含有單股正鏈RNA、依賴RNA的DNA多聚酶（逆轉錄酶）和tRNA。其複製過程分二個階段：第一階段，病毒核時進入胞漿後，以RNA為模板，在依賴RNA的DNA多聚酶和tRNA引子的作用下，合成負鏈DNA（即RNA：DNA），正鏈RNA被降解，進而以負鏈DNA為模板形成雙股DNA（即DNA：DNA），轉入細胞核內，整合成宿主DNA中，成為前病毒。第二階段，前病毒DNA轉錄出病毒mRNA，翻譯出病毒蛋白質。同樣從前病毒DNA轉錄出病毒RNA，在胞漿內裝配，以出芽方式釋放。被感染的細胞仍持續分裂將前病毒傳遞至子代細胞。

（四）病毒蛋白的合成與修飾

病毒mRNA在宿主細胞聚核糖體上翻譯合成病毒結構蛋白和非結構蛋白，結構蛋白是病毒結構的組成成分，非結構蛋白雖然不是病毒的結構成分，但是在病毒複製中具有重要功能，大多是一些催化、調節病毒複製的酶類和調控蛋白。

通常動物病毒mRNA僅翻譯一條連續的完整的病毒多肽鏈，這種mRNA叫做單順反子mRNA (Monocistronic mRNA) 。分段基因級病毒，如流感病毒，核酸分為8個節段，每一節段轉錄一條mRNA，翻譯一種病毒蛋白。有的病毒，如脊髓灰質炎病毒，病毒RNA本身做為,mRNA，首先翻譯出一大分子蛋白，然後在特殊位點被細胞或病毒蛋白水解酶裂解為許多小分子病毒蛋白，包括結構蛋白和非結構蛋白。也有的病毒，如披膜病毒，基因組上有多處轉錄起始和終止碼，分別轉錄出單順反子mRNA併合成各自的病毒蛋白。DNA的轉錄發生在細胞核內，轉錄產物經剪切拼接，並在3'端聚腺苷酸化，5'端加上甲基化帽，轉送入胞漿，合成病毒蛋白。

某些病毒蛋白合成後需要修飾，如磷酸化、糖基化等。由病毒和細胞的蛋白激酶完成磷酸化，這是活化或滅活某些蛋白的一種方式。病毒糖蛋白是在胞漿中與膜相連的核糖體上合成，經粗面內質網、平滑內質網、高爾基氏體到達細胞膜，在此過程中被糖基化。

五、裝配與釋放

新合成的病毒核酸和病毒結構蛋白在感染細胞內組合成病毒顆粒的過程稱為裝配（Assembly），而從細胞內轉移到細胞外的過程為釋放(Release)。大多數DNA病毒，在核內複製DNA，在胞漿內合成蛋白質，轉入核內裝配成熟。而痘苗病毒其全部成份及裝配均在胞漿內完成。RNA病毒多在胞漿內複製核酸及合成蛋白。感染後6個小時，一個細胞可產生多達10，000個病毒顆粒。

病毒裝配成熟後釋放的方式有：（1）宿主細胞裂解，病毒釋放到周圍環境中，見於無囊膜病毒，如腺病毒、脊髓灰質炎病毒等；（2）以出芽的方式釋放，見於有囊膜病毒，如皰疹病毒在核膜上獲得囊膜，流感病毒在細胞膜上獲得囊膜而成熟，然後以出芽方式釋放出成熟病毒。也可通過細胞間橋或細胞融合鄰近的細胞。

正鏈RNA病毒複製的主要步驟

圖21-5 正鏈RNA病毒複製的主要步驟

病毒的增殖不只是產生有感染性的子代，絕大多數動物病毒在大量感染的情況下，經多次增殖會產生缺損干擾顆粒（Defective interfering particles），它是能干擾親代病毒複製的缺損病毒，其核酸有部分缺損或被宿主DNA片段替換。缺損干擾顆粒的基本特性是：（1）本身不能繁殖；（2）有輔助病毒存在時方能增殖；（3）干擾同種病毒而不干擾異種病毒的增殖；（4）在感染細胞內與親代病毒競爭性增殖。由於缺損干擾顆粒的產生，使同種感染性病毒數量減少，在導致病毒的持續性感染中具有一定的作用，但疫苗中含有大量缺損干擾顆粒會影響活疫苗的免疫效果。

負鏈RNA病毒複製的主要步驟