病毒

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索
甲型流感病毒H3N2亚型
艾滋病病毒(局部)
烟草花叶病毒
脊髓灰质炎病毒

  病毒汉语拼音:Bingdu;英语:virus),具有生命最基本特征的非细胞形态结构的寄生性微小生命体。是一种具有细胞感染性的亚显微粒子,实际上是由一个保护性的外壳包裹的一段DNA或者RNA,借由感染的机制,这些简单的生物体可以利用宿主的细胞系统进行自我复制,但无法独立生长和复制。病毒可以感染所有的具有细胞结构的生命体。第一个已知的病毒是烟草花叶病毒,由马丁乌斯·贝杰林克于1899年发现并命名,如今已有超过5000种类型的病毒得到鉴定。研究病毒的科学被称为病毒学,是微生物学的一个分支。

  病毒由两到三个成份组成:病毒都含有遗传物质(RNA或DNA,只由蛋白质组成的朊病毒并不属于病毒);所有的病毒也都有由蛋白质形成的衣壳,用来包裹和保护其中的遗传物质;此外,部分病毒在到达细胞表面时能够形成脂质的包膜环绕在外。病毒的形态各异,从简单的螺旋形和正二十面体形到复合型结构。病毒颗粒大约是细菌大小的百分之一。病毒的起源目前尚不清楚,不同的病毒可能起源于不同的机制:部分病毒可能起源于质粒(一种环状的DNA,可以在细胞内复制并在细胞间进行转移),而其他一些则可能起源于细菌。

  病毒的传播方式多种多样,不同类型的病毒采用不同的方法。例如,植物病毒可以通过以植物汁液为生的昆虫,如蚜虫,来在植物间进行传播;而动物病毒可以通过蚊虫叮咬而得以传播。这些携带病毒的生物体被称为“载体”。流感病毒可以经由咳嗽和打喷嚏来传播;诺罗病毒则可以通过手足口途径来传播,即通过接触带有病毒的手、食物和水;轮状病毒常常是通过接触受感染的儿童而直接传播的;此外,艾滋病毒则可以通过性接触来传播。

  并非所有的病毒都会导致疾病,因为许多病毒的复制并不会对受感染的器官产生明显的伤害。一些病毒,如艾滋病毒,可以与人体长时间共存,并且依然能保持感染性而不受到宿主免疫系统的影响,即“病毒持续感染”(viral persistence)。但在通常情况下,病毒感染能够引发免疫反应,消灭入侵的病毒。而这些免疫反应能够通过注射疫苗来产生,从而使接种疫苗的人或动物能够终生对相应的病毒免疫。像细菌这样的微生物也具有抵御病毒感染的机制,如限制修饰系统抗生素对病毒没有任何作用,但抗病毒药物已经被研发出来用于治疗病毒感染。

历史发展

  关于病毒所导致的疾病,早在公元前二至三个世纪的印度和中国就有了关于天花的记录。但直到19世纪末,病毒才开始逐渐得以发现和鉴定。1884年,法国微生物学家查理斯·尚柏朗发明了一种细菌无法滤过的过滤器(尚柏朗过滤器,其滤孔孔径小于细菌的大小),他利用这一过滤器就可以将液体中存在的细菌除去。1892年,俄国生物学家德米特里·伊凡诺夫斯基在研究烟草花叶病时发现,将感染了花叶病的烟草叶的提取液用烛形滤器过滤后,依然能够感染其他烟草。于是他提出这种感染性物质可能是细菌所分泌的一种毒素,但他并未深入研究下去。当时,人们认为所有的感染性物质都能够避过滤除去并且能够在培养基中生长,这也是疾病的细菌理论(germ theory)的一部分。1899年,荷兰微生物学家马丁乌斯·贝杰林克重复了伊凡诺夫斯基的实验,并相信这是一种新的感染性物质。他还观察到这种病原只在分裂细胞中复制,由于他的实验没有显示这种病原的颗粒形态,因此他称之为contagium vivum fluidum(可溶的活菌)并进一步命名为virus(病毒)。贝杰林克认为病毒是以液态形式存在的(但这一看法后来被温德尔·梅雷迪思·斯坦利推翻,他证明了病毒是颗粒状的)。同样在1899年,Friedrich Loeffler和Paul Frosch发现患口蹄疫动物淋巴液中含有能通过滤器的感染性物质,由于经过了高度的稀释,排除了其为毒素的可能性;他们推论这种感染性物质能够自我复制。

  20世纪早期,英国细菌学家Frederick Twort发现了可以感染细菌的病毒,并称之为噬菌体。随后法裔加拿大微生物学家Félix d'Herelle描述了噬菌体的特性:将其加入长满细菌的琼脂固体培养基上,一段时间后会出现由于细菌死亡而留下的空斑。高浓度的病毒悬液会使培养基上的细菌全部死亡,但通过精确的稀释,可以产生可辨认的空斑。通过计算空斑的数量,再乘以稀释倍数就可以得出溶液中病毒的个数。他们的工作揭开了现代病毒学研究的序幕。

  在19世纪末,病毒的特性被认为是感染性、可滤过性和需要活的宿主,也就意味着病毒只能在动物植物体内生长。1906年,哈里森发明了在淋巴液中进行组织生长的方法;接着在1913年,E. Steinhardt、C. Israeli和R. A. Lambert利用这一方法在豚鼠角膜组织中成功培养了牛痘苗病毒,突破了病毒需要体内生长的限制。 1928年,H. B. Maitland和M. C. Maitland有了更进一步的突破,他们利用切碎的母鸡肾脏的悬液对牛痘苗病毒进行了培养。他们的方法在1950年代得以广泛应用于脊髓灰质炎病毒疫苗的大规模生产。

  另一项研究突破发生在1931年,美国病理学家Ernest William Goodpasture在受精的鸡蛋中培养了流感病毒。1949年,约翰·富兰克林·恩德斯、托马斯·哈克尔·韦勒和弗雷德里克·查普曼·罗宾斯利用人的胚胎细胞对脊髓灰质炎病毒进行了培养,这是首次在没有固体动物组织或卵的情况下对病毒进行的成功培养。这一研究成果被乔纳斯·索尔克利用来有效地生产脊髓灰质炎病毒疫苗。

  1931年,德国工程师恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔发明了电子显微镜,使得研究者首次得到了病毒形态的照片。1935年,美国生物化学家和病毒学家温德尔·梅雷迪思·斯坦利发现烟草花叶病毒大部分是由蛋白质所组成的,并得到病毒晶体。随后,他将病毒成功地分离为蛋白质部分和RNA部分。温德尔·斯坦利也因为他的这些发现而获得了1946年的诺贝尔化学奖。烟草花叶病毒是第一个被结晶的病毒,从而可以通过X射线晶体学的方法来得到其结构细节。第一张病毒的X射线衍射照片是由Bernal和Fankuchen于1941年所拍摄的。1955年,通过分析病毒的衍射照片,罗莎琳·富兰克林揭示了病毒的整体结构。 同年,Heinz Fraenkel-Conrat和罗布利·威廉姆斯发现将分离纯化的烟草花叶病毒RNA和衣壳蛋白混合在一起后,可以重新组装成具有感染性的病毒,这也揭示了这一简单的机制很可能就是病毒在它们的宿主细胞内的组装过程。

  20世纪的下半叶是发现病毒的黄金时代,大多数能够感染动物、植物或细菌的病毒在这数十年间被发现。1957年,马动脉炎病毒和导致牛病毒性腹泻的病毒(一种瘟病毒)被发现;1963年,巴鲁克·塞缪尔·布隆伯格发现了乙型肝炎病毒;1965年,霍华德·马丁·特明发现并描述了第一种逆转录病毒;这类病毒将RNA逆转录为DNA的关键酶,即逆转录酶,在1970年由霍华德·特明和戴维·巴尔的摩分别独立鉴定出来。1983年,法国巴斯德研究院的吕克·蒙塔尼耶和他的同事弗朗索瓦丝·巴尔-西诺西首次分离得到了一种逆转录病毒,也就是现在世人皆知的艾滋病毒(HIV)。 其二人也因此与发现了能够导致子宫颈癌的人乳头状瘤病毒的德国科学家哈拉尔德·楚尔·豪森分享了2008年的诺贝尔生理学与医学奖

概述

  病毒是颗粒很小、以纳米为测量单位、结构简单、寄生性严格,以复制进行繁殖的一类非细胞型微生物。病毒是比细菌还小、没有细胞结构、只能在细胞中增殖的微生物。由蛋白质和核酸组成。多数要用电子显微镜才能观察到。

  原指一种动物来源的毒素。“virus”一词源于拉丁文。病毒能增殖、遗传和演化,因而具有生命最基本的特征,至今对它还没有公认的定义。其主要特点是:

  1. 形体极其微小,一般都能通过细菌滤器,因此病毒原叫“滤过性病毒”,必须在电子显微镜下才能观察。
  2. 没有细胞构造,其主要成分仅为核酸和蛋白质两种,故又称“分子生物”;
  3. 每一种病毒只含一种核酸,不是DNA就是RNA。
  4. 既无产能酶系,也无蛋白质和核酸合成酶系,只能利用宿主活细胞内现成代谢系统合成自身的核酸和蛋白质成分。
  5. 以核酸和蛋白质等“元件”的装配实现其大量繁殖。
  6. 在离体条件下,能以无生命的生物大分子状态存在,并长期保持其侵染活力。
  7. 对一般抗生素不敏感,但对干扰素敏感。
  8. 有些病毒的核酸还能整合到宿主的基因组中,并诱发潜伏性感染。

大小、形态与结构

  病毒的大小介于20~450纳米。最大的为痘病毒,为(170~260)纳米×(300~450)纳米,最小的为双联病毒科,直径18~20纳米。病毒的形态多样:球状(包括20面体),如脊髓灰质炎病毒和有包膜的如疱疹病毒;杆状(包括棒状),如烟草花叶病毒;丝状,如甜菜黄花病毒;弹簧状,如水疱性口炎病毒;复杂构型,如蝌蚪状T偶数噬菌体。有些病毒在细胞内呈自然晶体排列。最简单的病毒中心是核酸,外面包被着一层有规律排列的蛋白亚单位,称为衣壳。构成衣壳的形态亚单位称为壳粒,由核酸和衣壳蛋白所构成的粒子称为核壳。较复杂的病毒外边还有由脂质和糖蛋白构成的包膜。核壳按壳粒的排列方式不同分为3种模式:二十面体对称,如脊髓灰质类病毒;螺旋对称,如烟草花叶病毒;复合对称,如T偶数噬菌体。在脂质的包膜上还有一种或几种糖蛋白,在形态上形成突起,如流感病毒的血凝素和神经氨酸酶。昆虫病毒中有一类多角体病毒,其核壳被蛋白晶体所包被,形成多角形包涵体。

病毒的分类

  从遗传物质分类:DNA病毒、RNA病毒、蛋白质病毒(如:朊病毒)

  从病毒结构分类:真病毒(Euvirus,简称病毒)和亚病毒(Subvirus,包括类病毒、拟病毒、朊病毒)

  从寄主类型分类:噬菌体(细菌病毒)、植物病毒(如烟草花叶病毒)、动物病毒(如禽流感病毒、天花病毒、HⅣ等)

  从性质来分:温和病毒(HⅣ)、烈性病毒(狂犬病毒)。

巴尔的摩分类法

  诺贝尔奖获得者生物学家戴维·巴尔的摩在1970年代提出了巴尔的摩分类系统。巴尔的摩分类法与ICTV分类法一起被用于现代病毒的分类。

  巴尔的摩分类法是基于病毒mRNA的生成机制。在从病毒基因组到蛋白质的过程中,必须要生成mRNA来完成蛋白质合成和基因组的复制,但每一个病毒家族都采用不同的机制来完成这一过程。病毒基因组可以是单链或双链的RNA或DNA,可以有也可以没有反转录酶。而且,单链RNA病毒可以是正义(+)或反义(-)。这一分类法将病毒分为7类:

  • 第一类 双链DNA病毒(如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒)
  • 第二类 单链DNA病毒(+)DNA(如小DNA病毒)
  • 第三类 双链RNA病毒(如呼肠孤病毒)
  • 第四类 (+)单链RNA病毒(如微小核糖核酸病毒、披盖病毒)
  • 第五类 (-)单链RNA病毒(如正黏液病毒、炮弹病毒)
  • 第六类 单链RNA反转录病毒(如反转录病毒)
  • 第七类 双链DNA反转录病毒(如肝病毒)

  举一个病毒分类的例子:水痘病毒,即带状疱疹病毒,属于Herpesvirales目,疱疹病毒科,甲型疱疹病毒亚科,水疱病毒属;同时,带状疱疹病毒是巴尔的摩分类法中的第一类,因为它是双链DNA病毒,且不含有反转录酶。

病毒粒的对称体制

  病毒粒的对称体制只有两种,即螺旋对称(代表烟草花叶病毒)和二十面体对称(等轴对称,代表腺病毒)。一些结构较复杂的病毒,实质上是上述两种对称相结合的结果,故称作复合对称(代表T偶数噬菌体)

病毒的组成

  病毒主要由内部的遗传物质和蛋白质外壳组成。由于病毒是一类非细胞生物体,故单个病毒个体不能称作"单细胞",这样就产生了病毒粒或病毒体(virion)。病毒粒有时也称病毒颗粒或病毒粒子(virus particle),专指成熟的、结构完整的和有感染性的单个病毒。核酸位于它的中心,称为核心(core)或基因组(genome),蛋白质包围在核心周围,形成了衣壳(capsid).衣壳是病毒粒的主要支架结构和抗原成分,有保护核酸等作用。衣壳是由许多在电镜下可辨别的形态学亚单位(subunit)——衣壳粒(capsomere)所构成。核心和衣壳合称核心壳(nucleocapsid)。有些较复杂的病毒,(一般为动物病毒,如流感病毒),其核心壳外还被一层含蛋白质或糖蛋白(glycoprotein)的类脂双层膜覆盖着,这层膜称为包膜(envelope)。包膜中的类脂来自宿主细胞膜。有的包膜上还长有刺突(spike)等附属物。包膜的有无及其性质与该病毒的宿主专一性和侵入等功能有关。昆虫病毒中有1类多角体病毒,其核壳被蛋白晶体所包被,形成多角形包涵体。

  病毒的复制过程叫做复制周期。其大致可分为连续的五个阶段:吸附、侵入、增殖、成熟(装配)、裂解(释放)。

病毒的结构

病毒的结构:A.无包膜病毒;B.具包膜病毒。①衣壳,②核酸,③壳粒,④核衣壳,⑤病毒体,⑥外套膜,⑦刺突蛋白
病毒的结构:带状疱疹病毒的电镜负染照片显示其病毒颗粒周围被包膜所环绕
病毒的结构,一个典型的有尾噬菌体的结构:①头部,②尾部,③核酸,④头壳,⑤颈部,⑥尾鞘,⑦尾丝,⑧尾钉,⑨基板

  病毒的形状和大小(统称形态)各异。大多数病毒的直径在10-300纳米(nm)。一些丝状病毒的长度可达1400nm,但其宽度却只有约80nm。大多数的病毒无法在光学显微镜下观察到,而扫描或透射电子显微镜是观察病毒颗粒形态的主要工具,常用的染色方法为负染色法。

  一个完整的病毒颗粒被称为“病毒体”(virion),是由由蛋白质组成的具有保护功能的“衣壳(Capsid,或称蛋白质外壳)”和被衣壳包被的核酸组成。形成衣壳的等同的蛋白质亚基称作次“蛋白衣”或“壳粒”(capsomere)。有些病毒的核衣壳外面,还有一层由蛋白质、多糖和脂类构成的膜叫做“包膜”(envelope,又称外套膜),包膜上生有“刺突”(spike),如流感病毒。衣壳是由病毒基因组所编码的蛋白质组成的,它的形状可以作为区分病毒形态的基础。通常只需要存在病毒基因组,衣壳蛋白就可以自组装成为衣壳。但结构复杂的病毒还会编码一些帮助构建衣壳的蛋白质。与核酸结合的蛋白质被称为核蛋白,核蛋白与核酸结合形成核糖核蛋白,再与衣壳蛋白结合在一起就形成了“核衣壳”。

  病毒的形态一般可以分为以下四种:

螺旋形

  螺旋形的衣壳是由壳粒绕着同一个中心轴排列堆积起来,以形成一个中空的棒状结构。这种棒状的病毒体可以是短而刚性的,也可以是长而柔性的。具有这种形态的病毒一般为单链RNA病毒,被研究得最多的就是烟草花叶病毒,但也有少量单链DNA病毒也为螺旋形;无论是哪一种病毒,其核酸都通过静电相互作用与衣壳蛋白结合(核酸带负电而衣壳蛋白朝向中心的部分带正电)。一般来说,棒状病毒体的长度取决于内部核酸的长度,而半径取决于壳粒的大小和排列方式。用于定义这种螺旋形态的参数有两个:amplitude和pitch,前者即直径,而后者是指壳粒环绕一周后所前进的距离。

正二十面体形

  大多数的动物病毒为正二十面体或具有正二十面体对称的近球形结构。二十面体具有5-3-2对称,即每个顶点为5重对称,每个面的中心为3重对称,每条边的中心为2重对称。病毒之所以采用这种结构可能的一个很重要的原因是,规则的二十面体是相同壳粒形成封闭空间的一个最优途径,可以使所需的能量最小化。形成二十面体所需的最少的等同的壳粒的数量为12,每个壳粒含有5个等同的亚基。但很少有病毒只含有60个衣壳蛋白亚基,多数正二十面体形病毒的亚基数量大于60,为60的倍数,倍数可以是3、4、7、9、12或更多。由于二十面体的对称性,位于顶点的壳粒周围有五个壳粒环绕,被称为“penton”;而位于三角形面中心的壳粒周围有六个壳粒环绕,被称为“hexon”。

包膜型

  一些病毒可以利用改造后的宿主的细胞膜(来自细胞表面的质膜或细胞内部的膜,如核膜及内质网膜)环绕在病毒体周围,形成一层脂质的包膜。包膜上既镶嵌有来自宿主的膜蛋白也有来自病毒基因组编码的膜蛋白;而脂质膜本身和其中的糖类则都来自宿主细胞。包膜型病毒位于包膜内的病毒体可以是螺旋形或正二十面体形的。

  无包膜的病毒在宿主细胞内完成复制后,需要宿主细胞死亡并裂解后,才能逸出并进一步感染其他细胞。这种方法虽然简单,但常常造成大量非成熟细胞死亡,反而降低了对宿主细胞的利用率。而有了包膜之后,病毒可以通过包膜与宿主的细胞膜融合来出入细胞,而不需要造成细胞死亡。流感病毒和艾滋病毒就采用的是这种策略。大多数的包膜型病毒的感染性都依赖于包膜。

复合型

  与以上三类病毒形态相比,复合型病毒的结构复杂得多,它们的衣壳既非完全的螺旋形又非完全的正二十面体形,可以有附加的结构,如蛋白质组成的尾巴或复杂的外壁。有尾噬菌体和痘病毒都是比较典型的复合型病毒。

  有尾噬菌体在噬菌体中数量最多,其壳体由头部和尾部组成,头部呈正二十面体对称,尾部呈螺旋对称,头部和尾部之间通过颈部相连。此外噬菌体的尾部还附着有一些尾鞘、尾丝和尾钉等。其头壳中包裹着噬菌体的基因组,而尾部的各个组件则在噬菌体感染细菌的过程中发挥作用。

  痘病毒是一种具有特殊形态的体形较大的复合型病毒。其病毒基因组与结合蛋白位于被称为拟核的一个中心区域。拟核被一层膜和两个未知功能的侧体所围绕。痘病毒具有外层包膜,包膜外有一层厚的蛋白质外壳布满整个表面。痘病毒的形态有轻微的多态性,从卵状到砖块状都有。

  拟菌病毒(mimivirus)是目前已知最大的病毒,其衣壳直径达400nm,体积接近小型细菌,且表面布满长达100nm的蛋白质纤维丝。在电镜下观察到的拟菌病毒呈六边形,因此推测其衣壳应为二十面体对称。

病毒与宿主的关系

  表现在细胞水平、机体水平和分子水平3个方面:

  1. 细胞水平上的病毒感染如噬菌体感染细胞有裂解性和溶源性之分 以大肠杆菌的λ噬菌体为例,病毒裂解性感染于经历上述复制周期后产生大量子代病毒粒而将细菌裂解;而病毒溶源性感染时,噬菌体DNA环化并整合到大肠杆菌DNA的特异性位点上,随着细菌的分裂而传给子代细菌,细菌不被裂解也不产生子代病毒粒。溶源性感染也可转化为裂解性,因条件而异。宿主细胞对病毒感染的反应有4种:无明显反应、细胞死亡、细胞增生后死亡和细胞转化。有些动物病毒于感染宿主细胞后,在胞核或细胞质内形成具有特殊染色特性的内含物,称为包涵体,如痘病毒的细胞质内包涵体和疱疹病毒的胞核内包涵体。这些包涵体有的是由未成熟或成熟的病毒粒构成。脊椎动物细胞受病毒感染后可产生干扰素。而干扰素有广谱的抗病毒作用,激活具有抗病毒作用的3种酶,阻断病毒信使核糖核酸(mRNA)的翻译。
  2. 机体水平上的病毒感染与作用 高等动植物感染病毒后,可表现为显性感染和持续感染,动物病毒还可表现为隐性感染。隐性感染无临床症状,显形感染表现为临床疾病;在持续感染中,病毒在机体内长期存在。动物病毒的持续感染又分为潜伏感染、慢性感染和长程感染3类。高等动物对病毒感染产生特异性免疫反应。免疫反应分为体液免疫和细胞免疫两类,前者表现为由B细胞产生的抗体,其中包括能特异地灭活病毒的中和抗体。中和抗体在预防再感染中起主导作用。后者主要表现是识别病毒抗原并发生反应,T淋巴细胞在清除病毒和病毒感染细胞中起主导作用。植物细胞对病毒常有过敏反应,细胞迅速死亡,形成枯斑,同时病毒复制也受到限制。另一种反应是产生一种很像干扰素的抗病毒因子,能保护未受感染的细胞。
  3. 分子水平上病毒感染与作用 病毒感染细胞及其表现与宿主细胞内在和外在因素的分子生态密切相关。所谓分子指的是生物活性分子,并显示其与生命活动有关的分子环境条件相互关系及其规律性研究,两个核心部分即分子标记和获取分子数据是研究病毒分子生态所必需的。研究其各种分子生态因素及其控制,有利于宿主的生存与发展。缺损性干扰病毒简称DI病毒,如同卫星病毒那样,需要双重寄主(细胞与病毒或称助手病毒)才能生存繁衍并发挥其侵染和复制作用。利用统一机制,有可能成为制约病毒“活”的分子工具。在高等生物宿主细胞中存在抗病毒机制,可能是宿主与寄生性分子病毒长期斗争而进化的结果。如RNAi(核糖核酸干扰)在宿主细胞中的存在,可诱导细胞内免疫产生抗病毒效应,尤其是针对RNA病毒侵染起重要作用,可抑制基因的异常表达,为防治某些病毒病害开辟新的分子途径。

病毒生命周期

病毒生命周期:流感病毒自我复制过程简图:1. 病毒体附着到宿主细胞表面并通过胞吞进入细胞;2. 衣壳分解后,病毒核糖核蛋白转运入核;3a. 病毒基因组转录;3b. 病毒基因组复制;4. 新合成的病毒mRNA出核并完成翻译;5a. 合成的核蛋白入核与新复制的核酸结合;5b. 合成的病毒表面蛋白进入高尔基体完成翻译后修饰并转运上膜;6. 新形成的核衣壳进入细胞质并与插有病毒表面蛋白的细胞膜结合;7. 新生成的病毒体通过出泡方式离开宿主细胞

  由于病毒是非细胞的,无法通过细胞分裂的方式来完成数量增长;它们是利用宿主细胞内的代谢工具来合成自身的拷贝,并完成病毒组装。

  不同的病毒之间生命周期的差异很大,但大致可以分为六个阶段:

  1. 附着 首先是由病毒衣壳蛋白与宿主细胞表面特定受体之间发生特异性结合。这种特异性决定了一种病毒的宿主范围。例如,艾滋病毒只能感染人类的T细胞,因为其表面蛋白gp120能够与T细胞表面的CD4分子和受体结合。这种吸附机制通过不断的进化使得病毒能够更特定地结合那些它们能够在其中完成复制过程的细胞。对于带包膜的病毒,吸附到受体上可以诱发包膜蛋白发生构象变化从而导致包膜与细胞膜发生融合。
  2. 入侵 在病毒体附着到宿主细胞表面之后,通过受体介导的胞吞或膜融合进入细胞,这一过程通常被称为“病毒进入”(viral entry)。感染植物细胞与感染动物细胞不同,因为植物细胞有一层由纤维素形成的坚硬的细胞壁,病毒只有在细胞壁出现伤口时才能进入。一些病毒,如烟草花叶病毒可以直接在植物内通过胞间连丝的孔洞从一个细胞运动到另一个细胞。与植物一样,细菌也有一层细胞壁,病毒必须通过这层细胞壁才能够感染细菌。一些病毒,如噬菌体,进化出了一种感染细菌的机制,将自己的基因组注入细胞内而衣壳留在细胞外,从而减少进入细菌的阻力。
  3. 脱壳 然后病毒的衣壳被病毒或宿主细胞中的酶降解,使得病毒的核酸得以释放。
  4. 合成 病毒基因组完成复制、转录(除了正义RNA病毒外)以及病毒蛋白质合成。
  5. 组装 将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。在病毒颗粒完成组装之后,病毒蛋白常常会发生翻译后修饰。在诸如艾滋病毒等一些病毒中,这种修饰作用(有时被称为成熟过程),可以发生在病毒从宿主细胞释放之后。
  6. 释放 无包膜病毒需要在细胞裂解(通过使细胞膜发生破裂的方法)之后才能得以释放。对于包膜病毒则可以通过出泡的方式得以释放。在出泡的过程中,病毒需要从插有病毒表面蛋白的细胞膜结合,获取包膜。

DNA病毒

  大多数DNA病毒基因组的复制发生在细胞核内。只要细胞表面有合适的受体,这些病毒就能够通过胞吞或膜融合的方式进入细胞。多数DNA病毒完全依赖宿主细胞的DNA和RNA的合成工具以及RNA的加工工具。而病毒基因组必须穿过核膜来获得对这些工具的控制。

RNA病毒

  RNA病毒的复制过程比较独特,由于其遗传信息保存在RNA上,因此复制过程通常发生在细胞质中。根据复制方式的不同,RNA病毒可以被分为4个不同的组别。RNA病毒的极性(即病毒RNA能否直接被用于蛋白质合成)以及RNA是单链还是双链,很大程度上决定了它的复制机制。RNA病毒是用它们自己的RNA复制酶来对基因组进行复制。

反转录病毒

  反转录病毒基因组的复制是采用反转录的方式来完成的,即利用RNA模板来合成DNA。遗传物质为RNA的反转录病毒以DNA为中间物来复制其基因组,而遗传物质为DNA的反转录病毒则以RNA为中间物来复制。两类病毒都需要用到反转录酶。反转录病毒常常可以将通过反转录合成的DNA整合到宿主细胞的基因组中。能够抑制反转录酶活性的抗病毒药物(如齐多夫定和拉米夫定)可以有效地对抗反转录病毒(如艾滋病毒和包括乙肝病毒在内的肝病毒科病毒)。

病毒与人类疾病

  由病毒引起的人类疾病种类繁多。已经确定的如,感冒、流感、水痘等一般疾病,以及天花、艾滋病、SARS和禽流感等严重疾病。还有一些疾病可能是以病毒为致病因子;例如,人疱疹病毒6型与一些神经性疾病,如多发性硬化症和慢性疲劳综合征之间可能相关。此外,原本被认为是马的神经系统疾病的致病因子的玻那病毒,现在被发现可能能够引起人类精神疾病。病毒能够导致疾病的能力被称为病毒性(virulence)。

  不同的病毒有着不同的致病机制,主要取决于病毒的种类。在细胞水平上,病毒主要的破坏作用是导致细胞裂解,从而引起细胞死亡。在多细胞生物中,一旦机体内有足够多的细胞死亡,就会对机体的健康产生影响。虽然病毒可以引发疾病,却也可以无害地存在于机体内。例如,能够引起冷疮的单纯疱疹病毒可以在人体内保持休眠状态;这种状态又被称为“潜伏”(latency),这也是所有疱疹病毒(包括能够导致腺热的艾伯斯坦-巴尔病毒和能够导致水痘的水痘-带状疱疹病毒)的特点。进入潜伏状态的水痘-带状疱疹病毒在“苏醒”后,能够引起带状疱疹。

  一些病毒能够引起慢性感染,可以在机体内不断复制而不受宿主防御系统的影响。这类病毒包括乙肝病毒和丙肝病毒。受到慢性感染的人群即是病毒携带者,因为他们相当于储存了保持感染性的病毒。当人群中有较高比例的携带者时,这一疾病就可以发展为流行病。

宿主防御机制

  人体抵御病毒的第一道防线是先天性免疫系统。这一免疫系统由能够抵御非特异性病毒感染的细胞和其他机制组成,即以一种通用方式来对入侵的病原体做出识别和反应,但不同于获得性免疫系统,这一免疫系统并不产生持久的或保护性的免疫。

  RNA干扰是对抗病毒的一种重要的先天性防御机制。许多病毒需要合成双链RNA来进行复制。当这些病毒感染细胞时,它们会释放出其RNA分子,这些RNA分子立即与一种被称为dicer的蛋白质复合物结合,随后这些RNA被dicer酶切为多个小的片断。一种被称为RISC复合物的生化途径被激活,开始降解病毒mRNA,使得细胞能够从病毒感染中存活下来。轮状病毒可以逃过这层防御,一方面它进入细胞后并不完全脱壳,另一方面它可以通过病毒颗粒内衣壳上的孔洞来释放新合成的mRNA,这样其病毒基因组(为双链RNA)依然被病毒体保护在内部而不会受到破坏。

  当人体的获得性免疫系统探测到病毒时,会产生特异性的抗体来与病毒结合并使其失去感染性,这种作用被称为体液免疫。其中,有两类抗体非常重要。第一类被称为IgM(免疫球蛋白M),它能高效地使病毒去活,但免疫系统的细胞产生IgM的时间只有几个星期。第二类被称为IgG(免疫球蛋白G),它能够被免疫系统不停地制造出来。IgM存在于宿主的血液中是用于急性感染的情况,而IgG的存在则表明过去曾经受到某种感染(用于防御以后的同类感染)。进行免疫性测试时,通常是对体内的IgG型抗体进行测量。

  人体对抗病毒的第二道防线是细胞免疫(cell-mediated immunity),包括了被称为T细胞的免疫细胞。人体中的细胞不断地将其内部蛋白质的片断展示在细胞表面(抗原呈递)供T细胞来进行检查,一旦T细胞识别出可能的病毒片断,那么对应的细胞就会被T杀手细胞和病毒特异性T细胞扩增所消灭。诸如巨噬细胞在内的一些细胞专门负责抗原呈递。制造干扰素是一种重要的宿主防御机制。干扰素是病毒感染之后由机体所产生的一种激素,它在免疫中的作用较为复杂,可以确定的是它能够通过杀死受感染细胞及其邻近细胞来逐步阻止病毒的复制。

  并非所有的病毒感染都会引起保护性免疫反应。例如,艾滋病毒可以通过不断地变换其病毒体表面蛋白的氨基酸序列来逃避免疫系统的打击。这些顽固的病毒采用多种方式来逃脱免疫系统的控制,如隔离、阻断抗原呈递、产生细胞因子抗性、逃避自然杀伤细胞的作用、逃脱细胞凋亡以及抗原转移。其他一些病毒,如向神经病毒,可以通过神经来传播,而在神经系统中免疫系统可能无法接触到它们。

预防与治疗

  因为病毒使用了宿主细胞来进行复制并且寄居其内,因此很难用不破坏细胞的方法来杀灭病毒。现在最积极的对付病毒疾病的方法是疫苗接种来预防病毒感染或者使用抗病毒药物来降低病毒的活性以达到治疗的目的。

疫苗

  疫苗接种是一种廉价而又有效的防止病毒感染的方法。早在病毒被发现之前,疫苗就已经为人们用于预防病毒感染。随着疫苗接种的普及,病毒感染相关的一些疾病(如小儿麻痹、痳疹、腮腺炎和风疹)的发病率和死亡率都大幅度下降,而曾经是致命疾病的天花已经绝迹。目前各类疫苗可以预防超过30种对人体的病毒感染,而有更多的疫苗被用于防止动物受到的病毒感染。疫苗的成分可以是活性降低的或死亡的病毒,也可以是病毒蛋白质(抗原)。活疫苗包含了活性减弱的可致病的病毒,这样的病毒被称为“减毒”病毒。虽然活性减弱,但活疫苗对于那些免疫力较弱或免疫缺陷的人可能是危险的,对他们注射活疫苗可能反而会导致疾病。生物技术和基因工程被用于改造病毒疫苗,改造后的疫苗(即亚单位疫苗)只含有病毒的衣壳蛋白,如乙肝疫苗。由于不含有病毒核酸,因此亚单位疫苗对于免疫缺陷的病人是安全的。对于活疫苗的安全性也有一些例外,如黄热病毒疫苗,虽然是一种减毒病毒株(被称为17D),却可能是目前所有疫苗中最安全和最有效的。

抗病毒药物

  在过去的二十年间,抗病毒药物的发展非常迅速。艾滋病的不断蔓延推动了对抗病毒药物的需求。抗病毒药物常是核苷类似物,当病毒复制时如果将这些类似物当作核苷用于合成其基因组就会产生没有活性的病毒基因组(因为这些类似物缺少与磷相连能够相互连接形成DNA“骨架”的羟基,会造成DNA的链终止),从而抑制病毒的增殖。核苷类似物作为抗病毒药物的例子包括阿昔洛韦,可用于抑制单纯疱疹病毒感染,和拉米夫定,可用于治疗艾滋病和乙型肝炎。阿昔洛韦是最早出现也是最经常被指定使用的抗病毒药物。其他使用中的抗病毒药物是针对病毒生活周期的不同阶段。艾滋病毒需要依赖一种被称为HIV-1蛋白酶的作用来获得完整的感染能力;而通过使用大量的蛋白酶抑制剂类的药物可以使这种酶失活。

  丙型肝炎是由一种RNA病毒引起的。80%的受感染者都会形成慢性肝炎,如果不加以治疗,受感染者会一直保持被感染的状态。目前有效的治疗方法是将核苷类似物利巴韦林与干扰素一起使用。对于慢性乙型肝炎的病毒携带者的治疗方法也采用类似的策略。

其他物种中的病毒感染

  病毒可以感染所有的物种,少数病毒(如mimivirus)甚至也会受到其他特定病毒的感染;但特定的病毒感染物种的范围是有限的。例如,植物病毒不会感染动物,而噬菌体只能感染细菌。

动物

  对家畜来说,病毒是重要的致病因子;能够导致的疾病包括口蹄疫、蓝舌病等。作为人类宠物的猫、狗、马等,如果没有接种疫苗,会感染一些致命病毒。例如犬小病毒(Canine parvovirus),一种小DNA病毒,其感染是导致幼犬死亡的重要原因。所有的无脊椎动物都会感染病毒。例如蜜蜂会受到多种病毒的感染。幸运的是,大多数病毒能够与宿主和平相处而不引起任何损害,也不导致任何疾病。

植物

  植物病毒的种类繁多,能够影响受感染植物的生长和繁殖。植物病毒的传播常常是由被称为“载体”的生物来完成。这些载体一般为昆虫,也有部分情况下为真菌、线虫动物以及一些单细胞生物。控制针对植物的病毒感染,通常是采用消灭载体生物以及除去其他可能的病毒宿主,如杂草。对于人类及其他动物来说,植物病毒是无害的,因为它们只能够在活的植物细胞内进行复制。

  植物具备精巧而有效的防御机制来抵抗病毒感染。其中,最为有效的机制是“抵抗基因”(R基因)。每个R基因能够抵抗一种特定病毒,主要是通过触发受感染细胞的附近细胞的死亡而产生肉眼可见的空点,从而阻止感染的扩散。植物中的RNA干扰也是一种有效的防御机制。当受到感染,植物常常就能够产生天然消毒剂(如水杨酸、一氧化氮和活性氧分子)来杀灭病毒。

细菌

  噬菌体是病毒中最为普遍和分布最广的群体。例如,噬菌体是水体中最普遍的生物个体,在海洋中其数量可达细菌数量的十多倍,1毫升的海水中可含有约2亿5千万个噬菌体。噬菌体是通过结合细菌表面的受体来感染特定的细菌。在进入细菌后的很短的时间内,有时仅仅为几分钟,细菌的聚合酶就开始将病毒mRNA翻译为蛋白质。这些病毒蛋白质有些在细菌细胞内组装成新的病毒体,有些为辅助蛋白可以帮助病毒体的组装,有些则参与细胞裂解(病毒可以产生一些酶来帮助裂解细胞膜)。噬菌体的整个感染过程非常迅速;以T4噬菌体为例,从注入病毒核酸到释放出超过300个新合成的病毒,所需的时间仅为20多分钟。

  细菌防御噬菌体的主要方法是合成能够降解外来DNA的酶。这些酶被称为限制性内切酶,它们能够剪切噬菌体注入细菌细胞的病毒DNA。细菌还含有另一个防御系统,这一系统利用CRISPR序列来保留其过去曾经遇到过的病毒的基因组片断,从而使得它们能够通过RNA干扰的方式来阻断病毒的复制。这种遗传系统为细菌提供了一个类似于获得性免疫的机制来对抗病毒感染。

古菌

  古菌也会被一些病毒感染,主要是双链DNA病毒。这些病毒明显与其他病毒无相关性,它们具有多种特别的外形,如瓶状、钩杆状或泪滴状。在嗜热古菌,特别是硫化叶菌(Sulfolobales)和热变形菌(Thermoproteales)中的这类病毒已经获得了细致的研究。古菌的病毒防御体系可能包括了RNA干扰(利用古菌基因组中所含的与病毒基因相关的重复DNA序列来进行)。

应用

生命科学与医学

  病毒对于分子生物学和细胞生物学的研究具有重要意义,因为它们提供了能够被用于改造和研究细胞功能的简单系统。研究和利用病毒为细胞生物学的各方面研究提供了大量有价值的信息。例如,病毒被用在遗传学研究中来帮助我们了解分子遗传学的基本机制,包括DNA复制、转录、RNA加工、翻译、蛋白质转运以及免疫学等。

  遗传学家常常用病毒作为载体将需要研究的特定基因引入细胞。这一方法对于细胞生产外源蛋白质,或是研究引入的新基因对于细胞的影响,都是非常有用的。病毒治疗法(virotherapy)也采用类似的策略,即利用病毒作为载体引入基因来治疗各种遗传性疾病,好处是可以定靶于特定的细胞和DNA。这一方法在癌症治疗和基因治疗中的应用前景广阔。一些科学家已经利用噬菌体来作为抗生素的替代品,由于一些病菌的抗生素抗性的加强,人们对于这一替代方法的兴趣也不断增长。

材料科学与纳米技术

  目前纳米技术的发展趋势是制造多用途的病毒。从材料科学的观点来看,病毒可以被看作有机纳米颗粒:它们的表面携带特定的工具用于穿过宿主细胞的壁垒。病毒的大小和形状,以及它们表面的功能基团的数量和性质,是经过精确地定义的。正因为如此,病毒在材料科学中被普遍用作支架来共价连接表面修饰。病毒的一个特点是它们能够通过直接进化来被改动。从生命科学发展而来的这些强大技术正在成为纳米材料制造方法的基础,远远超越了它们在生物学和医学中的应用而被应用于更加广泛的领域中。

  由于具有合适的大小、形状和明确的化学结构,病毒被用作纳米量级上的组织材料的模板。最近的一个应用例子是利用豇豆花叶病毒颗粒来放大DNA微阵列上感应器的信号;在该应用中,病毒颗粒将用于显示信号的荧光染料分离开,从而阻止能够导致荧光淬灭的非荧光二聚体的形成。另一个例子是利用豇豆花叶病毒作为纳米量级的分子电器的面板。在实验室中,病毒还可以被用于制造可充电电池。

生化武器

  病毒能够引起瘟疫而导致人类社会的恐慌,这种能力使得一些人企图利用病毒作为生化武器来达到常规武器所不能获得的效果。而随着臭名昭著的西班牙流感病毒在实验室中获得成功复原,对于病毒成为武器的担心不断增加。另一个可能成为武器的病毒是天花病毒。天花病毒在绝迹之前曾经引起无数次的社会恐慌。目前天花病毒存在于世界上的数个安全实验室中,对于其可能成为生化武器的恐惧并非是毫无理由的。天花病毒疫苗是不安全的,在天花绝迹前,由于注射天花疫苗而患病的人数比一般患病的人数还要多,而且天花疫苗目前也不再广泛生产。因此,在存在如此多对于天花没有免疫力的现代人的情况下,一旦天花病毒被释放出来,在病毒得到控制之前,将会有无数人患病死去。