病毒的分子生物学

1、第十一章第十一章 病毒的分病毒的分子生物学子生物学概述概述第一节第一节 病毒粒子的结构病毒粒子的结构第二节第二节 病毒的基因组病毒的基因组第三节第三节 病毒的复制病毒的复制第四节第四节 病毒基因的表达病毒基因的表达概述概述概念(virus)：一类亚显微专性寄生物 病毒粒子(virions)由蛋白质和核酸(RNA/DNA)构成 由预先形成的组分装配而成(而非“生长”或分裂) 能量代谢和蛋白合成(核糖体)依赖于寄主 分子水平的病毒学：蛋白与蛋白蛋白与核酸蛋白与酯类的互作病毒粒子结构基因组合成与表达对寄主细胞的影响 起源及发展第一节第一节 病毒粒子的结构病毒粒子的结构一、病毒粒子的功能一、病毒粒子的

2、功能 粒子外壳保护genome免受破坏 物理、化学各种酶类 衣壳(capsid)含多拷贝蛋白亚基 个别亚基的损伤只造成侵染性的有限破坏 衣壳与对寄主细胞的识别和侵染初期的互作有关 病毒附着蛋白、细胞受体（衣壳的某种结构形式）二、衣壳的对称性和病毒的结构类型二、衣壳的对称性和病毒的结构类型 大部分病毒衣壳有处于最低能级状态的最适结构形式 对称结构 作用力：疏水、静电、少量共价键1 1、螺旋体衣壳、螺旋体衣壳 TMV为螺旋体对称病 毒结构的典型代表 有较为稳定的直径和 螺距参数2 2、2020面体（等轴体）衣壳面体（等轴体）衣壳 20个三角形沿一个球形表面 排列而成的立体形状 相同亚基、立体旋转对

3、称 并非严格几何学意义的20面体3 3、包膜病毒、包膜病毒 前两种“裸露”病毒粒子成熟时会导致寄主细胞的 死亡、崩溃或溶解 包膜病毒以出芽方式不造成寄主细胞的完全毁坏 类脂膜：防止水分丧失、酶类降解 生物活性-识别寄主细胞上受体分子4、其他复杂病毒第二节第二节 病毒的基因组病毒的基因组一、病毒基因组的结构的复杂性一、病毒基因组的结构的复杂性结构复杂性的体现 组成：单双链 一条线环状分子 分离存在的几个分子 单链病毒基因组：正意（与mRNA核苷酸序列相同） 负意 双意 长度：3500NTs 280Kb 所使用的遗传密码与寄主匹配或被识别 存在断裂基因和mRNA的3加尾 受到体积最小化的压力普遍的

4、重叠基因二、二、DNADNA病毒基因组病毒基因组1 1、双链、线性、双链、线性DNADNA病毒基因组（病毒基因组（Euk.Euk.）e.g. 包疹病毒 （不同亚科 105 280Kb）腺病毒 3038Kb 3040个基因 有末端结合蛋白复制起始 不同基因使用少量的启动子 通过选择性拼接表达多种蛋白 a) Euk. b）Prok. e.g. 噬菌体、T4噬菌体 基因组的末端序列有重要作用 噬菌体 cos位点（形成DNA多联体被包装进病毒颗粒） 2 2、单链、环状、单链、环状DNADNA病毒基因组病毒基因组 M13噬菌体 T4噬菌体 末端丰余（末端复制、被包装的稍大于完整基因组）3 3、线性单链、

5、线性单链DNADNA病毒基因组病毒基因组 细小病毒： 约5Kb 含一定比例的正意链（双意）4 4、双链环状、双链环状DNADNA病毒基因组病毒基因组 多瘤病毒： 约5Kb 以最小空间包含了最大量的遗传信息三、正链三、正链RNARNA病毒病毒 占已知病毒总数的70以上 （有无包膜、基因组分段或不分段） 大小受到RNA脆弱性质的限制 比较小 30Kb（冠状病毒）3.5Kb（Q噬菌体） 复制精确性较差，突变比例高于DNA基因组 基因组生物学共同特征：基因组生物学共同特征： a) a) 正意正意RNARNA可直接翻译蛋白质可直接翻译蛋白质 b) b) 经提纯的裸露经提纯的裸露RNARNA对敏感寄主细胞

6、具有侵染性对敏感寄主细胞具有侵染性 c) c) 复制在复制在RNARNA编码的编码的RNARNA聚合酶聚合酶(RdRp)(RdRp)参与下不对称复制参与下不对称复制 双链复制中间体双链复制中间体RIRI 基因组结构 5 5帽子，帽子，33尾尾 3UTR 3UTR为负意链合成所必须为负意链合成所必须 冠状病毒为最长的冠状病毒为最长的RNARNA病毒病毒 272730Kb30KbVirion StructureVirion Structure（SARSSARS）N: NucleocapsidM: Membrane glycoproteinS: Spike glycoproteinE: Small

7、envelope glycoprotein 病毒比病毒学家更聪明。病病毒比病毒学家更聪明。病毒在自然界的历史比人类要毒在自然界的历史比人类要久远的多，它们更清楚如何久远的多，它们更清楚如何在这个世界上生存在这个世界上生存-赖明诏赖明诏 “冠状病毒研究之父冠状病毒研究之父”赖明诏赖明诏, , 美国的冠状病毒教科书美国的冠状病毒教科书不少出自他手。不少出自他手。19751975年以来，他一直从事冠状病毒的年以来，他一直从事冠状病毒的研究，对牛、猪、鸡、猫、老鼠等多种动物体内的冠研究，对牛、猪、鸡、猫、老鼠等多种动物体内的冠状病毒有比较深入的了解。在得到状病毒有比较深入的了解。在得到“非典非典”冠状

8、病毒冠状病毒的基因序列图后，他发现其基因片段组成部分来自老的基因序列图后，他发现其基因片段组成部分来自老鼠和禽类体内的冠状病毒基因鼠和禽类体内的冠状病毒基因; ;四、负链四、负链RNARNA病毒病毒 病毒间差异比正链RNA病毒更大 有较大基因组，编码更多的遗传信息 （十几到二十几Kb） 表达难度 普遍存在分段基因组 经提纯的病毒基因组RNA都不具有侵染性 （未感染细胞不含RdRp） 有些为双意基因 各段RNA的分子数目 在病毒提纯物中不等 量存在 绝大部分不存在 5帽子和3尾 （双意除外）五、分段和多组分病毒基因组五、分段和多组分病毒基因组 分段（segmented）病毒基因组：基因组被分为两

9、个 或两个以上的不同的核酸分子，但被包装在同一个病 毒粒子中 多组分（multipartite）病毒基因组：基因组分段后 的每个基因组片段包装在不同的病毒颗粒中分布广泛：在人、动物和植物的病原物中都有存在只在植物病毒中少量存在颗粒大小上经常存在差异（基因组片段长度） 病毒基因组分段的优缺点a）降低包装压力b）降低了造成断裂的可能性，提高编码能力c）要求所有单个基因组片段必须被包装到一个病毒颗粒中 否则丢失 多组分病毒的有效侵染涉及所有不同病毒粒子六、逆转录病毒六、逆转录病毒1970 Howard Temin 和 David Baltimore 逆转录酶依赖于RNA的DNA聚合酶（RdDp）1、

10、逆转录病毒1） 二倍体病毒含两个基因组RNA拷贝2） 还含一细胞tRNA逆转录合成DNA时的引物3） 结构和组成 a) gag基因病毒颗粒核心蛋白，即DNA结合蛋白 b) pol基因与核酸合成和重组有关蛋白(多肽复合体) 逆转录酶、整合酶、RNaseH c) env基因病毒颗粒被膜 d) R1080base（不同病毒）的正向重复e) U3、U5一定长度 f) PBS 反转录时tRNA引物的3端结合位点4） 逆转录过程 a) tRNA与PBS结合，反转录 合成部分DNADNA负链 b) RNase降解病毒RNA5末端 c) 第一次跳跃 d) 负链DNA继续合成 e) RNA被降解，U3左边留下片

11、段 作引物合成部分正链DNA f) 第二次跳跃正链DNA与负链 的另一端结合 g) 完成正链合成 LTR末端5) 逆转录只能在脱壳的病毒核心颗粒中完全转换成双链DNA 逆转录病毒核衣壳内的两条RNA的构象决定了6) pol基因产物使双链DNA转座到细胞染色质 产生原病毒 整合的为线状结构7) 逆转录对逆转录病毒的重要遗传作用 a) RdDp的高度易错复制导致快速的遗传分化 b) 以两条RNA作为逆转录的模板导致重组（链的突变）8) 病毒释放转录产生全长的mRNA U3内含启动子 R区内含加尾信号表达全过程：SSRNARNA/DNAdsDNA整合mRNA翻译包装2、 HIV3、具有逆转录过程的D

12、NA病毒基因组 DNA肝炎病毒和花椰菜花叶病毒 DNA肝炎病毒基因组a) 为有缺口的双链DNA，含一逆转录酶b) 基因组为所有已知病毒中最小 负意链 3.03.3Kb 正意链 1.72.8Kb 非环状HBVPre-S1、Pre-S2、S 3种表面抗原蛋白基因 C核心蛋白 P逆转录酶 X激活蛋白 dsDNA宿主RNApolssDNA(mRNA)翻译蛋白反转录RNA/DNAdsDNA组装宿主DNApolCCCDNA第三节第三节 病毒的复制病毒的复制病毒复制过程的8个阶段吸附吸附侵入侵入脱壳脱壳复制及表达复制及表达装配装配释放释放成熟成熟由基因组复制和表达机制不同而划分的病毒类型由基因组复制和表达机

13、制不同而划分的病毒类型 DNA进入细胞核 部分转录翻译蛋白与DNA结合DNA复制再次转录翻译结构蛋白组装、释放 病毒基因组类型 及复制表达途径 DNA进入细胞核 dsDNA转录翻译早期蛋白 再次转录翻译结构蛋白依赖于衣壳蛋白的 ssDNA合成组装、释放第四节第四节 病毒基因的表达病毒基因的表达一、遗传信息的表达一、遗传信息的表达 病毒与寄主细胞间最主要的互作在细胞器官中 进行核酸和蛋白质的合成 在有限的遗传资源中，通过严格的定量和时间、空间 上的高度特异性，实现对表达的调控 弥补遗传资源不足的方式 a) 能够高效启动或阻遏基因表达的正、负调控信号 b) 经常含有重叠阅读框的基因组 c) 常常包

14、含在其它基因中的调控信号 d) 由一条mRNA合成出多种不同蛋白质的策略二、表达的转录调控二、表达的转录调控 SV40 表达的转录调控T-抗原 T-抗原与复制有关 早期启动子引导表达早期mRNAT、t抗原 T-抗原阻断早期启动子的转录，使其进入侵染晚期 复制起始后，晚期启动子表达VP1、2、3三、表达的转录后调控三、表达的转录后调控1、 腺病毒的选择性拼接（类似机制仅限于核内复制的病毒） 2、 选择性起始mRNA的翻译Yp329 腺病毒基因组复制后期转录两个小RNA VA RNA VA RNA 二者具高度二级结构，不编码任何多肽 病毒侵染细胞后刺激产生干扰素作用之一活化 一细胞蛋白激酶（已知的

15、DAI或p68）对细胞 和病毒的翻译起始都有抑制作用 VA RNA I与激酶结合解除其对翻译的抑制 选择性起始腺病毒mRNA的翻译3、 翻译起始AUG前的不同序列双功能mRNA 4、 核糖体移码机制 如：逆转录病毒转录产生两种mRNA 经过剪接的编码包膜蛋白（其他） 未经剪接的编码gag、pro和pol、基因组RNA 三基因间核糖体译码机制 a）基因边界重复核苷酸序列如UUUAAAC 部分核糖体经过时有1移码（频率较低） 滑动序列 b）滑动序列下游IR 形成RNA 假结节 增加移码频率课程结束！课程结束！复习题1、根据遗传物质的特性的病毒类型如何划分？2、RNA逆转录病核酸的存在形式及逆转录过

16、程。 病毒附着蛋白与细胞受体 结合后通过病毒外膜与细 胞膜的融合进入细胞流感病毒的侵染一、病毒基因组的结构的复杂性一、病毒基因组的结构的复杂性结构复杂性的体现 组成：单双链 一条线环状分子 分离存在的几个分子 单链病毒基因组：正意（与mRNA核苷酸序列相同） 负意 双意 长度：3500NTs 280Kb 所使用的遗传密码与寄主匹配或被识别病毒比病毒学家更聪明。病病毒比病毒学家更聪明。病毒在自然界的历史比人类要毒在自然界的历史比人类要久远的多，它们更清楚如何久远的多，它们更清楚如何在这个世界上生存在这个世界上生存-赖明诏赖明诏 “冠状病毒研究之父冠状病毒研究之父”赖明诏赖明诏, , 美国的冠状病

17、毒教科书美国的冠状病毒教科书不少出自他手。不少出自他手。19751975年以来，他一直从事冠状病毒的年以来，他一直从事冠状病毒的研究，对牛、猪、鸡、猫、老鼠等多种动物体内的冠研究，对牛、猪、鸡、猫、老鼠等多种动物体内的冠状病毒有比较深入的了解。在得到状病毒有比较深入的了解。在得到“非典非典”冠状病毒冠状病毒的基因序列图后，他发现其基因片段组成部分来自老的基因序列图后，他发现其基因片段组成部分来自老鼠和禽类体内的冠状病毒基因鼠和禽类体内的冠状病毒基因; ;四、负链四、负链RNARNA病毒病毒 病毒间差异比正链RNA病毒更大 有较大基因组，编码更多的遗传信息 （十几到二十几Kb） 表达难度 普遍存在分段基因组 经提纯的病毒基因组RNA都不具有侵染性 （未感染细胞不含RdRp） 有些为双意基因7) 逆转录对逆转录病毒的重