病毒

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病毒(virus)是一種可以利用宿主細胞系統進行複製的微小, 無完整細胞結構的亞顯微粒子。病毒不具細胞結構,無法獨立生長和複製, 但病毒可以感染所有的具有細胞的生命體, 具有遺傳複製等生命特徵。

病毒主要由核酸蛋白質外殼組成。有些病毒有囊膜刺突,如流感病毒。病毒基因同其他生物的基因一樣,也可以發生突變重組,因此也是可以演化的。

對於病毒到底是一種生命形式,還是僅僅是一種能夠與生物體作用的有機結構,人們的觀點各不相同。病毒有高度的寄生性,完全依賴宿主細胞的能量和代謝系統,獲取生命活動所需的物質和能量,離開宿主細胞,它只是一個大化學分子,停止活動,可製成蛋白質結晶,為一個非生命體,遇到宿主細胞它會通過吸附,進入、複製、裝配、釋放子代病毒而顯示典型的生命體特徵,所以病毒是介於生物非生物之間的, 一種處於「生命邊緣的生物體」。

第一個已知的病毒是煙草花葉病毒,由馬丁烏斯·貝傑林克於1899年發現並命名,如今已有超過5000種類型的病毒得到鑒定。研究病毒的科學被稱為病毒學,是微生物學的一個分支。

目錄

結構

病毒的形狀和大小(統稱形態)各異。大多數病毒的直徑在10-300奈米(nm)。最大的為痘病毒科,大小為(170~260)×(300~450)奈米,最小的為雙聯病毒科,直徑18~20奈米。一些絲狀病毒的長度可達1400nm,但其寬度卻只有約80nm。大多數的病毒無法在光學顯微鏡下觀察到,而掃描或透射電子顯微鏡是觀察病毒顆粒形態的主要工具,常用的染色方法為負染色法

一個完整的病毒顆粒被稱為病毒體(virion),是由由蛋白質組成的具有保護功能的「衣殼」和被衣殼包被的核酸組成。

病毒的形態一般可以分為以下四種:螺旋形,正二十面體形,包膜型和複合型.

生命周期

流感病毒自我複製過程:1. 病毒體附著到宿主細胞表面並通過胞吞進入細胞;2. 衣殼分解後,病毒核糖核蛋白轉運入核;3a. 病毒基因組轉錄;3b. 病毒基因組複製;4. 新合成的病毒mRNA出核並完成翻譯;5a. 合成的核蛋白入核與新複製的核酸結合;5b. 合成的病毒表面蛋白進入高爾基體完成翻譯後修飾並轉運上膜;6. 新形成的核衣殼進入細胞質並與插有病毒表面蛋白的細胞膜結合;7. 新生成的病毒體通過出泡方式離開宿主細胞。

病毒與人類疾病

由病毒引起的人類疾病種類繁多。已經確定的如,傷風流感水痘等一般性疾病,以及天花愛滋病SARS禽流感等嚴重疾病。還有一些疾病可能是以病毒為致病因子;例如,人皰疹病毒6型與一些神經性疾病,如多發性硬化症和慢性疲勞症候群之間可能相關。此外,原本被認為是馬的神經系統疾病的致病因子的玻那病毒,現在被發現可能能夠引起人類精神疾病。病毒能夠導致疾病的能力被稱為病毒性(virulence)。

並非所有的病毒都會導致疾病,因為許多病毒的複製並不會對受感染的器官產生明顯的傷害。一些病毒,如愛滋病毒,可以與人體長時間共存,並且依然能保持感染性而不受到宿主免疫系統的影響,即「病毒持續感染」(viral persistence)。但在通常情況下,病毒感染能夠引發免疫反應,消滅入侵的病毒。而這些免疫反應能夠通過注射疫苗來產生,從而使接種疫苗的人或動物能夠終生對相應的病毒免疫。像細菌這樣的微生物也具有抵禦病毒感染的機制,如限制修飾系統

不同的病毒有著不同的致病機制,主要取決於病毒的種類。在細胞水平上,病毒主要的破壞作用是導致細胞裂解,從而引起細胞死亡。在多細胞生物中,一旦機體內有足夠多的細胞死亡,就會對機體的健康產生影響。雖然病毒可以引發疾病,卻也可以無害地存在於機體內。例如,能夠引起感冒瘡單純皰疹病毒可以在人體內保持休眠狀態;這種狀態又被稱為潛伏(latency),這也是所有皰疹病毒(包括能夠導致腺熱的艾伯斯坦-巴爾病毒和能夠導致水痘水痘-帶狀皰疹病毒)的特點。進入潛伏狀態的水痘-帶狀皰疹病毒在「蘇醒」後,能夠引起帶狀皰疹

一些病毒能夠引起慢性感染,可以在機體內不斷複製而不受宿主防禦系統的影響。這類病毒包括B肝病毒C肝病毒。受到慢性感染的人群即是病毒攜帶者,因為他們相當於儲存了保持感染性的病毒。當人群中有較高比例的攜帶者時,這一疾病就可以發展為流行病

抗生素對病毒沒有任何作用,但抗病毒藥物已經被研發出來用於治療病毒感染。

流行病學

病毒的流行病學是現代醫學中的一個分支,主要是研究基於人的病毒的傳播途徑和對病毒感染的控制方法。

病毒的傳播可以是垂直方式,如從母親到嬰兒,或者是水平方式,即從一個人到另一個人。垂直傳播的例子包括B肝病毒愛滋病毒,嬰兒一出生就會從母親處感染病毒;另一個少見的例子是水痘-帶狀皰疹病毒,雖然只會引起較溫和的感染反應,但對於胎兒或剛出生的嬰兒卻是致命的。水平傳播是最普遍的病毒在人群中的傳播方式。病毒的傳播途徑包括:血液交換或性行為,如愛滋病毒、B肝和C肝病毒;口部的唾液交換,如艾伯斯坦-巴爾病毒;含病毒的食物或飲用水,如諾羅病毒;呼吸入以氣溶膠形式存在的病毒,如流感病毒;以蚊蟲為載體,通過蚊蟲叮咬注入人體,如登革熱病毒

病毒的傳播方式多種多樣,不同類型的病毒採用不同的方法。而動物病毒可以通過蚊蟲叮咬而得以傳播。這些攜帶病毒的生物體被稱為載體流感病毒可以經由咳嗽和打噴嚏來傳播;諾羅病毒則可以通過手足口途徑來傳播,即通過接觸帶有病毒的手、食物和水;輪狀病毒常常是通過接觸受感染的兒童而直接傳播的;此外,愛滋病毒則可以通過性接觸來傳播。

病毒感染的傳播速率取決於多重因素:包括人口密度、易感染個體(例如缺乏對該病毒的免疫力)的數量、醫療和天氣條件等。

一旦病毒被鑒定,其傳播就可以通過注射疫苗來阻斷。當沒有可用的疫苗時,改善環境衛生以及採取消毒措施也可以有效地防止病毒傳播。通常受感染的病人需要與其他健康人群隔離開,而對有接觸過病毒的人需要進行隔離檢疫。大多數人和動物的病毒感染具有一定的潛伏期,在這一期間,不會有患病的跡象和症状。病毒性疾病的潛伏期從幾天到幾個星期不等,但多數病毒感染的潛伏期已經得以確定。在潛伏期之後,會有一段「可傳染期」,即此期間受感染的個體可以將病毒傳染給其他個體。對於了解可傳染期和潛伏期的長短對於控制疾病的爆發也非常重要。當疾病爆發導致一個人群、社區或地區中有反常的高比例患病者時,這一疾病就被稱為流行病;如果疾病傳播到世界範圍則被稱為瘟疫

癌症

病毒是導致癌症發生的原因之一。與人類癌症相關的主要病毒有人類乳突病毒B肝病毒艾伯斯坦-巴爾病毒人類嗜T淋巴細胞病毒(human T-lymphotropic virus)。肝炎病毒可以誘發慢性病毒感染從而導致肝癌。人類嗜T淋巴細胞病毒可以導致熱帶痙攣性癱瘓(tropical spastic paraparesis)和成人T細胞白血病人類乳突病毒子宮頸癌皮膚癌肝門癌陰莖癌的成因。在皰疹病毒科中,卡波西肉瘤相關皰疹病毒(Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus)能夠導致卡波西肉瘤(Kaposi's sarcoma)和體腔淋巴瘤(body cavity lymphoma),而艾伯斯坦-巴爾病毒可以導致伯奇氏淋巴瘤(Burkitt's lymphoma)、霍奇金淋巴瘤(Hodgkin』s lymphoma)、B淋巴擴增紊亂(B lymphoproliferative disorder)和鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma)。

宿主防禦機制

人體抵禦病毒的第一道防線是先天性免疫系統。這一免疫系統由能夠抵禦非特異性病毒感染的細胞和其他機制組成,即以一種通用方式來對入侵的病原體做出識別和反應,但不同於獲得性免疫系統,這一免疫系統並不產生持久的或保護性的免疫。

RNA干擾是對抗病毒的一種重要的先天性防禦機制。

當人體的獲得性免疫系統探測到病毒時,會產生特異性的抗體來與病毒結合併使其失去感染性,這種作用被稱為體液免疫。其中,有兩類抗體非常重要。第一類被稱為IgM(免疫球蛋白M),它能高效地使病毒去活,但免疫系統的細胞產生IgM的時間只有幾個星期。第二類被稱為IgG(免疫球蛋白G),它能夠免疫系統不停地製造出來。IgM存在於宿主的血液中是用於急性感染的情況,而IgG的存在則表明過去曾經受到某種感染(用於防禦以後的同類感染)。進行免疫性測試時,通常是對體內的IgG型抗體進行測量。

人體對抗病毒的第二道防線是細胞免疫(cell-mediated immunity),包括了被稱為T細胞免疫細胞。人體中的細胞不斷地將其內部蛋白質的片斷展示在細胞表面(抗原呈遞)供T細胞來進行檢查,一旦T細胞識別出可能的病毒片斷,那麼對應的細胞就會被T殺手細胞和病毒特異性T細胞擴增所消滅。諸如巨噬細胞在內的一些細胞專門負責抗原呈遞。製造干擾素是一種重要的宿主防禦機制。干擾素是病毒感染之後由機體所產生的一種激素,它在免疫中的作用較為複雜,可以確定的是它能夠通過殺死受感染細胞及其鄰近細胞來逐步阻止病毒的複製。

並非所有的病毒感染都會引起保護性免疫反應。例如,愛滋病毒可以通過不斷地變換其病毒體表面蛋白胺基酸序列來逃避免疫系統的打擊。這些頑固的病毒採用多種方式來逃脫免疫系統的控制,如隔離、阻斷抗原呈遞、產生細胞因子抗性、逃避自然殺傷細胞的作用、逃脫細胞凋亡以及抗原轉移。其他一些病毒,如向神經病毒,可以通過神經來傳播,而在神經系統中免疫系統可能無法接觸到它們。

預防與治療

因為病毒使用了宿主細胞來進行複製並且寄居其內,因此很難用不破壞細胞的方法來殺滅病毒。現在最積極的對付病毒疾病的方法是疫苗接種來預防病毒感染或者使用抗病毒藥物來降低病毒的活性以達到治療的目的。

疫苗

疫苗接種是一種廉價而又有效的防止病毒感染的方法。早在病毒被發現之前,疫苗就已經為人們用於預防病毒感染。隨著疫苗接種的普及,病毒感染相關的一些疾病(如小兒麻痹痳疹腮腺炎風疹)的發病率和死亡率都大幅度下降,而曾經是致命疾病的天花已經絕跡。

目前各類疫苗可以預防超過30種對人體的病毒感染,而有更多的疫苗被用於防止動物受到的病毒感染。

疫苗的成分可以是活性降低的或死亡的病毒,也可以是病毒蛋白質(抗原)。活疫苗包含了活性減弱的可致病的病毒,這樣的病毒被稱為「減毒」病毒。雖然活性減弱,但活疫苗對於那些免疫力較弱或免疫缺陷的人可能是危險的,對他們注射活疫苗可能反而會導致疾病。生物技術和基因工程被用於改造病毒疫苗,改造後的疫苗(即亞單位疫苗)只含有病毒的衣殼蛋白,如B肝疫苗。由於不含有病毒核酸,因此亞單位疫苗對於免疫缺陷的病人是安全的。 對於活疫苗的安全性也有一些例外,如黃熱病毒疫苗,雖然是一種減毒病毒株(被稱為17D),卻可能是目前所有疫苗中最安全和最有效的。

抗病毒藥物

在過去的二十年間,抗病毒藥物的發展非常迅速。愛滋病的不斷蔓延推動了對抗病毒藥物的需求。抗病毒藥物常是核苷類似物,當病毒複製時如果將這些類似物當作核苷用於合成其基因組就會產生沒有活性的病毒基因組(因為這些類似物缺少與磷相連能夠相互連接形成DNA「骨架」的羥基,會造成DNA的鏈終止),從而抑制病毒的增殖。核苷類似物作為抗病毒藥物的例子包括阿昔洛韋,可用於抑制單純皰疹病毒感染,和拉米夫定,可用於治療愛滋病和B型肝炎。阿昔洛韋是最早出現也是最經常被指定使用的抗病毒藥物。 其他使用中的抗病毒藥物是針對病毒生活周期的不同階段。愛滋病毒需要依賴一種被稱為HIV-1蛋白酶的作用來獲得完整的感染能力;而通過使用大量的蛋白酶抑制劑類的藥物可以使這種酶失活。

C型肝炎是由一種RNA病毒引起的。80%的受感染者都會形成慢性肝炎,如果不加以治療,受感染者會一直保持被感染的狀態。目前有效的治療方法是將核苷類似物利巴韋林干擾素一起使用。對於慢性B型肝炎的病毒攜帶者的治療方法也採用類似的策略。

主要抗病毒藥物

應用

生命科學與醫學

病毒對於分子生物學細胞生物學的研究具有重要意義,因為它們提供了能夠被用於改造和研究細胞功能的簡單系統。研究和利用病毒為細胞生物學的各方面研究提供了大量有價值的信息。例如,病毒被用在遺傳學研究中來幫助我們了解分子遺傳學的基本機制,包括DNA複製、轉錄、RNA加工、翻譯、蛋白質轉運以及免疫學等。

遺傳學家常常用病毒作為載體將需要研究的特定基因引入細胞。這一方法對於細胞生產外源蛋白質,或是研究引入的新基因對於細胞的影響,都是非常有用的。病毒治療法(virotherapy)也採用類似的策略,即利用病毒作為載體引入基因來治療各種遺傳性疾病,好處是可以定靶於特定的細胞和DNA。這一方法在癌症治療和基因治療中的應用前景廣闊。一些科學家已經利用噬菌體來作為抗生素的替代品,由於一些病菌的抗生素抗性的加強,人們對於這一替代方法的興趣也不斷增長。

材料科學與奈米技術

從生命科學發展而來的這些強大技術正在成為奈米材料製造方法的基礎,遠遠超越了它們在生物學和醫學中的應用而被應用於更加廣泛的領域中。

由於具有合適的大小、形狀和明確的化學結構,病毒被用作奈米量級上的組織材料的模板。最近的一個應用例子是利用豇豆花葉病毒顆粒來放大DNA微陣列上感應器的信號;另一個例子是利用豇豆花葉病毒作為奈米量級的分子電器的面板。在實驗室中,病毒還可以被用於製造可充電電池。

武器

病毒能夠引起瘟疫而導致人類社會的恐慌,這種能力使得一些人企圖利用病毒作為生化武器來達到常規武器所不能獲得的效果。

參見

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