北京大学医学部Peking University Health Science CenterP109病毒遗传变异病毒的遗传与变异Heredity and variation of virus北京大学医学部病原生物学系邹清华zouqinghua@bjmu.edu.cn遗传和变异是生命的基本特征病毒的遗传是指病毒在复制增殖程中，其病毒的遗传，是指病毒在复制增殖程中其子代保持与亲代性状相对稳定的特性。病毒的变异，是其在复制增殖过程中出现某些性状的改变。医学微生物学精品课程Medical Microbiology Excellent Curriculum1.种瓜得瓜，种豆得豆；•遗传能保持物种的相对稳定，维系生物界的平衡；2.龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞；•变异则可能导致新的生物品种出现，孕育生物界的进化。3. 虎父无犬子；病毒遗传物质的特点¾只有只有一种核酸，有单、双链之分种核酸，有单、双链之分¾有线形、环形、分节段与不分节段4一猪生九仔4.猪生九仔，连母十个样。连母十个样遗传的中心法则复制DNA mRNA Protein逆转录转录翻译之分。¾有极性差异。¾某些有遗传信息逆向转录。（半保留不连续复制）病毒的遗传是相对的变异才是绝对的病毒的遗传是相对的，变异才是绝对的¾基因数目少，大多数只含有单个核酸分子¾由编码区和非编码区组成，后者主要与病毒基因的复制以及表达有关。¾ORF中普遍存在重叠基因，符合遗传节约的原则。¾复制方式具有多样性。复制方式具有多样性病毒缺乏复制的酶系统因此，其遗传性易受宿主因此其遗传性易受宿主细胞等环境因素的影响例如，RNA病毒(包括逆转录病毒) 突变率较高。因为宿主细胞中RNA不作为基因而携带遗传信息，故宿主细胞对病毒RNA复制中碱基错配无“校对”机制中碱基错配无校对机制，而而RNA 病毒本身也缺乏校对功能，这是RNA 病毒突变率较高的重要因素之一。某些RNA病毒基因组分节段因此，在复制装配时极易发生基因间的交换而导致基因重排(reassortment),因而使得这类病毒基因组遗传性不稳定。如甲型流感病毒。以上因素均可导致病毒基因组遗传的不稳定性，这一特点在RNA点在RNA病毒中更为显著。病毒中更为显著。病毒的性状变异(Phenotypic variation of virus)毒变(Virulence variation)毒力变异抗原变异(Antigenic variation)(Antigenicvariation)蚀斑变异(Plaque variation)宿主范围突变株及宿主适应突变株(Hostrangemtantsandhostadaptedmtants）(Host range mutants and host adapted mutants对理化因素及药物抵抗力的变异(Variation for physiochemical factor and drug-resistant mutant)tt)毒力变异(Virulence variation)(Virulencevariation)病毒毒力变异可由突变、缺失、基因相互作用等多种遗传机制形成狂犬病病毒（rabies virus）：巴斯德将狂犬病病毒野毒株(wild strain)或街毒株（street strain）在兔脑内连续传代后，筛选对狗及人致病性明显下降的减毒株（固定毒株，fixed strain），作为预防人及动物狂犬病的疫苗在自然界中同一种病毒有不同毒力的毒株，如流感病毒、脊髓灰质炎病毒等毒力变异常与其他性状变异伴随出现，如温度敏感性突变株（temperature sensitive mutants，ts株）、缺损性干扰颗粒（defective interfering particles，DIP或DI颗粒）等可同时表现为毒力变异株。现行的脊髓灰质炎、流感及麻疹病毒减毒活疫苗即为相应病毒的ts株抗原变异(Antigenic variation)(Atiiiti)包括抗原结构、免疫原性及免疫反应性的变异病毒疫苗的筛选蚀斑变异((Plaque variation)q)¾某些病毒在敏感细胞中培养增殖时，可使单层细胞裂解产生致细胞病变效应形成肉眼可见的蚀斑(plaque)生致细胞病变效应，形成肉眼可见的(l)；¾连续传代培养时，有些子代病毒能够在敏感细胞中产生在大小、颜色或外形上不同于亲代病毒的蚀斑，这种子代病毒称为蚀斑突变株；病毒的抗原变异可由基因重组形成，如流感病毒。抗原变异也可由病毒基因点突变或多点突变累积而成。如乙型肝炎病毒。preC Cnt83 G-A点突变，使第28位的色氨酸（TGG）变为终止密码（TGA），使）使HBeAgHBA消失。消失宿主范围突变株（host range mutants）宿主范围突变株（g）对理化因素及药物抵抗力的变异宿主范围突变株：指某些病毒由于增殖中的突变，指某些病毒由于增殖中的突变使其对宿主依赖性发生改变，只能在特定的许可细胞中增殖。如乳多空病毒、腺病毒。宿主适应突变株某些病毒初次接种于宿主时不能宿主适应突变株：形成明显的生长现象或病理变化，但经过连续传代后可逐渐适应在宿主中增殖并引起宿主的一些病理变化常伴随对宿主毒力的降低如狂犬病毒变化。常伴随对原宿主毒力的降低。如狂犬病毒。* 条件致死性突变株conditional-lethal mutant：指在某种条件下能够增殖而在另种条件下不能增指在某种条件下能够增殖，而在另种条件下不能增殖的病毒株。如温度敏感性突变株（ts株）：在许可温度下（28~35°C）可增殖，在非许可温度下（37～40°C）下不能增殖的突变株。C）下不能增殖的突变株* 抗药性突变（HBV）病毒变异的分子机制9病毒基因突变9病毒基因间的相互作用9病毒基因产物间的相互作用----蛋白质水平9病毒基因与宿主细胞基因的相互作用病毒基因突变(gene mutation)(genemutation)•病毒核酸中基因组（遗传信息）发生遗传变异，基因组中碱基组成或顺序的变化，而不是由于外来的其它病毒或生物体遗传物质的介入所引起的变异。•位点突变point mutation位点突变–温度敏感变种（temperature sensitive, ts)–空斑大小变种、酶缺陷变种、热适应变种等•缺失突变deletion mutation缺失突变–基因组的一部分丢失–有可能失去繁殖能力，甚至致死性病毒基因突变(gene mutation)(genemutation)病毒突变的类型根据形成分类病毒突变的类型：根据形成分类*spontaneous mutation（自发突变）*在没有任何已知诱变剂存在的条件下，一些病毒在子代中产生高比例的突变体*在基因组为RNA的病毒中，自发突变率高得多(10-3~10-6)，原因是RNA复制酶中缺少校正阅读活性。*分节段的RNA病毒，复制装配时易发生基因间交换而突变根据表现分类条件致死性突变（conditional lethal mutationditillthltti）病毒突变后其子代病毒在特定条件下能生长，而在原来条件下不能增殖或增殖受限。而亲代野毒株在这两种条件下都能增殖这种现象称为条件致死性突变其子代件下都能增殖，这种现象称为条件致死性突变，其子代称为条件致死性突变株（conditional lethal mutants）。应用最广的有温度敏感性突变株（temperature sensitive mutants,ts株）和宿主范围突变株。mutants, ts *induced mutation（诱导突变）诱导突变*利用自然界各种物理或化学诱变剂处理野生型病毒能够诱发突变，提高病毒群体中的突变率高病毒群体中的突变率。病毒遗传物质间的相互作用缺陷干扰（病毒）颗粒(defective interfering particle, DI particle)•在某些条件下，如细胞培养中接种大剂量病毒并连续传代，易感细胞被感染后只产生少量有感染性的病毒粒子，而大量病毒粒子的基因组不完全，成为DI颗粒。•具有普遍性，几乎所有RNA病毒各科和大多数DNA病毒各科都有发现•复制时核苷酸发生了缺失突变，基因组较短，复制所需时间较短。•对同源的完全病毒有干扰作用。•在临床慢性感染的形成上有一定意义。*基因重组：两种不同病毒的核酸片段的互换，从而导致病毒的变异。通常发生于相关病毒之间。分子内基因重组(recombination)分子间基因重排(reassortment)* 基因复活：灭活病毒Æ感染性子代病毒交叉复活(cross reactivation)：多重复活(multiple reactivation)：+甲型流感病毒不同亚型间基因重排，或动物与人之间甲型流感病毒基因重排可引起其抗原性转换。分子内重组分子间重组基因复活：灭活病毒Æ感染性子代病毒¾交叉复活(cross reactivation)(titi)：是由于一种是由于种活病毒和另种与其基因组有联系而又有区别的活病毒和另一种与其基因组有联系而又有区别的灭活病毒之间发生的基因重组。¾多重复活(multiplicity reactivation)：是两个或多个灭活病毒间由于基因重组而产生具有各自亲代病毒不同特性的活病毒颗粒。病毒基因间的相互作用¾活病毒遗传物质（基因）间相互作用Ts株与野毒株间的重组¾灭活病毒间的基因相互作用紫外线灭活的病毒不宜制备疫苗¾活病毒与灭活病毒基因相互作用交叉复活或标志拯救病毒基因产物间的相互作用两种病毒感染同细胞时，除可发生基因重组两种病毒感染同一细胞时，除可发生基因重组外、基因产物（蛋白质）的作用也可使产生的后代后代呈现表型变异，这种变异不能遗传。表变这种变能遗传9表型混合phenotypic mixingpypg9基因型混合genotype mixing9增强作用enhancementht9互补作用complementation9干扰作用interference表型混合phenotypic mixingphenotypicmixing•当两种病毒混合感染时，产生的子代病毒有时含有双方或另一方亲代病毒的外壳或包膜蛋白，但其基因组仍未改变，只表现出抗原性及对宿主亲嗜性的改变，这种变异不稳定传代后产生的子代病毒表型与其基因型致定，传代后产生的子代病毒表型与其基因型一致。转壳现象混合感染产生的子代病毒是一种病毒的基因组完全被另一种病毒的外壳蛋白包裹。暂时性表型混合PhenotypicVirus AmixingVirus B基因型混合（Genotype mixing）指两种病毒的核酸或核衣壳偶尔混合装Phenotype mixingypg在同病毒衣壳或包膜内但它们的核在同一病毒衣壳或包膜内，但它们的核酸都未重组，传代后产生与各自亲代病毒完全相同的子代病毒。Virus AVirus AVirus BVirus BPOLYPOIDY互补作用complementationlivirusAvirusB或•两种病毒混合感染时由于病毒基因产物间的相互作用而使一种不能增殖的病毒增殖，或两病毒的增殖均有所增加的现象。•互补作用与基因重组不同，不涉及任何病毒核酸的交换，可能个病毒提供给另病毒不能产生的基因产换，可能一个病毒提供给另一病毒不能产生的基因产物，使后者能在混合感染的细胞中增殖。•可发生在辅助病毒与缺陷病毒之间。virusAvirusB增强作用enhancements•当两种病毒混合培养时，一种病毒使另一种病毒产量增加的现象称为增强作用。•在接种VSV前，先用副流感病毒Ⅰ型感染培养细胞在接种VSV前先用副流感病毒Ⅰ型感染培养细胞，可使后接种的VSV 产量增加。•机理：一种病毒激活一种酶，促进另一病毒对细胞的穿透或产生分型白抑制扰素的产生胞的穿透；或产生分泌型蛋白抑制干扰素的产生。病毒基因与宿主细胞基因的相互作用¾病毒与宿主细胞基因间的相互作用基因整合，病毒癌基因¾转录后基因沉默的抗病毒作用¾干扰作用干扰现象interference•动物病毒的干扰现象早在1930s、1940s就已发现自已发现，自Isaacs(1957)发现干扰素后，()发现干扰素后才引起病毒学家的注意；•干扰现象发生于不同的病毒间、同种病毒的不同毒株间甚至同种的灭活病毒与活的不同毒株间；甚至同种的灭活病毒与活病毒之间；•干扰机理可能不是单一的。干扰现象interference可能机理：（1）细胞膜上的病毒受体被第1种病毒破坏，使第2种病毒不能吸附；（2）第1种病毒封锁了第2种病毒mRNA的转译；或第1种病毒的核酸复制酶使第2种病毒的基因组丧失功能；（3）DIP颗粒（Defective Interfering particle)；（4）干扰素(interferonINF)（4）干扰素(interferon, INF)Key wordsConditional-Conditional-lethal mutantRecombination Rbi i ReassortmentCross reactivationMultiple reactivationPhenotypic mixingPhi iiComplementationpEnhancement
