第二节　病毒的遗传物质

病毒基因组是指携带全部病毒遗传信息的核酸总体，决定了病毒基因组的复制和子代病毒的增殖及生物学性状。病毒是最简单的生命体，不能独立复制，必须进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。病毒的遗传物质构成必须具备容量小、组成简单、高效利用和适应性广的特点。

一、病毒基因组的结构特点

病毒基因组核酸存在形式多样，不同病毒的核酸种类、形状、组成和性质各不相同，其组成形式有：

1.病毒基因组只含有一种核酸

病毒基因组的核酸有两种形式，可由DNA，也可由RNA组成，但是每种病毒颗粒中只能含有一种核酸：DNA或RNA，两者一般不长期共存于同一病毒颗粒中。

2.基因组核酸形状多样

形状有线型和环型之分，构成上有单链和双链之别。病毒的遗传物质基因组核酸有双链DNA、单链DNA、双链RNA和单链RNA四种组成形式。

3.病毒基因组核酸大小差别悬殊

最小的细小病毒为单链RNA病毒，仅3000多个碱基对，最大的西伯利亚阔口罐病毒则有2800千个碱基对。

4.基因组核酸链的组成方式多样

病毒的基因组核酸链可以连续完整排列，也可以分为多个节段。如RNA病毒中的流感病毒和轮状病毒等的基因组核酸就存在分节段现象。目前尚未发现分节段的DNA病毒基因组。病毒基因组核酸分段的优点在于减少病毒包装的压力，降低核酸断裂的可能性，同时也在客观上增加病毒变异的概率，降低了药物对靶标的亲和力或作用，从而使病毒对药物产生抗药性。

5.单链RNA病毒基因组核酸存在极性

依据病毒的遗传物质核酸是否具有mRNA的作用分为正链和负链RNA。正链RNA病毒（如脊髓灰质炎病毒）本身的RNA具有mRNA特性，可以直接作为模板在宿主细胞内参与病毒蛋白的翻译。而负链RNA病毒（如流感病毒）的核酸RNA不能直接参与蛋白翻译，需要进一步合成具有mRNA功能的互补链RNA。

6.多数病毒基因组都是单倍体

逆转录病毒基因组有两个RNA拷贝。其他病毒基因组都是单拷贝。

7.某些病毒核酸具有感染特性

有的病毒核酸在除去衣壳蛋白后，进入宿主细胞并能增殖，具有感染性，故称为感染性核酸。如单正链RNA病毒（丙型肝炎病毒）的基因组核酸具有感染性。

二、病毒基因组的复制

病毒的增殖不是二分裂方式，而是以其基因组为模板，经过复杂的生化合成过程，在宿主细胞内，复制出病毒的基因组，并经过转录、翻译过程，产生大量病毒蛋白质，再经过装配，最终释放出大量子代病毒。病毒这种以核酸分子为模板进行繁殖的方式称为自我复制。

从病毒进入细胞开始，经基因组复制到子代病毒释放的全过程，称为一个复制周期。复制周期是个连续的过程，一般人为地划分成6个步骤：吸附、穿入、脱壳、生物合成、组装成熟和释放。

1.吸附

吸附于易感细胞表面，这是病毒与宿主细胞相互作用的第一步。首先病毒通过非特异的布朗运动到达细胞表面，然后通过非特异可逆的静电作用相互结合；最后是宿主细胞表面受体与病毒包膜或衣壳表面的配体发生不可逆的特异性识别和结合。这也决定了病毒侵入的细胞类型，如HIV选择性侵犯CD4+T细胞，是因为细胞表面的CD4分子是HIV的gp120主要受体。

2.穿入

病毒吸附宿主细胞后，通过胞饮（裸病毒）或融合（包膜病毒）方式穿入细胞膜进入细胞的过程称为穿入。穿入与吸附不同，是个需要能量的过程。只有生长良好、代谢旺盛的细胞才能让病毒完成穿入过程。除了胞饮和融合的方式之外，少数裸病毒以直接穿入方式，利用病毒核衣壳蛋白和细胞膜上的特定蛋白质的相互作用，直接穿过细胞膜。

3.脱壳

病毒进入宿主细胞后，脱去蛋白质衣壳，暴露病毒的基因组核酸，这一过程称为脱壳。不同的病毒，脱壳方式不同，多数是在穿入时已经在溶酶体酶作用下脱去衣壳。少数病毒（如痘病毒）的脱壳过程复杂，不但需要溶酶体酶，还需要病毒特有的脱壳酶共同作用使病毒核酸完全释放。

4.生物合成

合成病毒的核酸和蛋白称为生物合成，包括基因组的复制和基因表达两个部分。病毒基因组的复制过程（尤其是RNA病毒）较为复杂。人和动物的RNA病毒多为单链RNA病毒，绝大多数在细胞质进行生物合成，但是正黏病毒和个别副黏病毒除外。由于病毒基因组类型决定了其核酸复制过程的不同，可将病毒的生物合成分为7大类：双链DNA病毒、单链DNA病毒、单正链RNA病毒、单负链RNA病毒、双链RNA病毒、逆转录病毒和嗜肝DNA病毒。

（1）双链DNA病毒：

人和动物DNA病毒多数为双链DNA，如疱疹病毒、腺病毒。它们在细胞核内复制DNA，在细胞质内合成病毒蛋白；然而痘病毒是个例外，DNA复制和病毒蛋白合成都在细胞质内完成。生物合成过程分为早期和晚期，早期蛋白为非结构蛋白，主要是合成子代DNA所需的DNA多聚酶及脱氧胸腺嘧啶激酶；晚期蛋白为结构蛋白。DNA的复制为半保留复制形式。

（2）单链DNA病毒：

以亲代DNA为模板，复制互补链，形成双链互补的复制中间型，解链后以互补链复制子代DNA，转录mRNA和翻译合成病毒蛋白。

（3）单正链RNA病毒：

不含RNA聚合酶，其本身具有mRNA功能，可翻译出早期蛋白——依赖RNA的RNA聚合酶。在此酶作用下，复制出互补的负链RNA，形成复制中间型，以互补的负链复制子代RNA。

（4）单负链RNA病毒：

大多数有包膜的RNA病毒都属于这种类型。病毒含有依赖RNA的RNA聚合酶，复制出互补的正链RNA，形成复制中间型，以互补的正链RNA为模板（起mRNA作用）翻译病毒蛋白和酶，同时转录出子代负链RNA。

（5）双链RNA病毒：

双链RNA病毒的复制与双链DNA病毒不同，双链RNA病毒仅由负链RNA复制出正链RNA，再由正链RNA复制出新负链RNA，如轮状病毒RNA复制就不遵循DNA半保留复制原则，其子代RNA全部为新复制的RNA。病毒双链RNA在RNA聚合酶作用下转录mRNA，再翻译出病毒蛋白。

（6）逆转录病毒：

病毒在逆转录酶的作用下，以病毒RNA为模板，合成互补的负链DNA，形成RNA：DNA中间体，中间体中的RNA由RNA酶H水解。然后在DNA聚合酶的作用下，由单链DNA复制成双链DNA。该双链DNA整合到宿主细胞的DNA上，成为前病毒（provirus），再由其转录出子代RNA和mRNA。mRNA在胞质核糖体上翻译出子代病毒的蛋白质。

（7）嗜肝DNA病毒：

乙型肝炎病毒（HBV）即属于该类型病毒（具有DNA逆转录酶），其基因组为不完全闭合环状双链DNA，其复制有逆转录过程。逆转录过程发生在病毒转录后，在装配好的病毒衣壳中，以前病毒DNA转录的RNA（前基因组）为模板进行逆转录，形成RNA：DNA中间体，RNA水解后，以负链DNA为模板，合成部分互补正链DNA，形成不完全双链的环状子代DNA。

5.组装与成熟

病毒的组装与成熟是连续的过程，关系密切。组装是成熟的开始阶段，组装完成并不代表病毒的成熟，成熟的病毒必须要为自身的释放做好充分准备。因此说，病毒成熟的标准难以判断。

（1）组装：

病毒的组装是指将生物合成的蛋白和核酸及其已形成的构件，装配成子代核衣壳的过程。组装过程非常复杂，当生物合成的病毒蛋白和核酸浓度呈高水平时，启动了病毒的组装。病毒的种类不同，组装的部位也不同，这与病毒复制部位和释放的机制有关。除痘病毒外，DNA病毒的核衣壳都是在细胞核内装配的，大多数RNA病毒（除正黏病毒外）都是在细胞质内装配的。

（2）成熟：

成熟是指病毒核衣壳组装好后，病毒发育成为具有感染性的病毒体的阶段。病毒的成熟涉及衣壳蛋白及其内部基因组的结构变化，这需要在高度调控之下完成。成熟的标准是：形态结构完整、具有成熟颗粒的抗原性、具有感染性。具有以上这些特征的无包膜病毒核衣壳即是成熟病毒体。有包膜的病毒尚需获得包膜后才能成熟为完整的病毒体。事实上，病毒在宿主细胞内组装和成熟，按其标准要求在释放前是难以确定的。

6.释放

病毒体离开宿主细胞的过程称为释放。有包膜的病毒多通过芽生方式，从细胞膜系统（核膜或细胞膜）获得包膜释放，病毒的出芽释放并不直接引起细胞死亡。无包膜病毒多通过溶解细胞释放大量子代病毒，如脊髓灰质炎病毒。

另外，病毒的基因组虽然较简单，但是却与真核细胞相似，如基因组中有内含子（intron）。病毒基因的转录与翻译均在宿主细胞内进行，转录后需加工和剪接，这也与细菌不同。由于病毒基因组很小，为充分利用其核酸，病毒基因组中多种基因常以互相重叠的形式存在，即重叠基因（overlap gene），很多情况下是仅有1个碱基的重叠，即前一基因终止码的最后一个碱基，是后一基因起始码的第一个基因（如TAATG），这种结构特点使得病毒基因组能以较小的分子携带较多的遗传信息。病毒非编码序列非常少，绝大多数序列用于编码蛋白质。这与真核细胞基因组中存在大量冗余序列形成鲜明对比，如噬菌体基因组中不翻译的序列小于5%，而且非编码序列又是基因表达的调节序列。病毒基因组中相关的基因往往簇集在一起，形成一个功能单位或转录单元，而且编码的蛋白在功能上也相关。值得注意的是，由于病毒体积极其微小又仅有一种核酸类型，为其顺利进行基因复制，还有少数能携带反转录酶的RNA病毒（如HIV）和DNA病毒（如HBV），这些反转录酶是病毒复制周期的关键酶，其酶蛋白的表达和活性，以及编码酶的基因往往成为抗病毒药物的作用靶点。