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第三章病毒和亚病毒1.本章内容提要与学时分配(5学时)病毒的一般属性;亚病毒的类型;病毒与实践。2.教学提示本章重点在于让学生了解病毒的特点、形态构造、化学成分、分类、繁殖方式及应用。3.本章的目的与要求1)了解病毒的形态构造与成分;2)熟悉病毒的繁殖方式与过程;3)理解一步生长曲线;4)掌握亚病毒的存在形式与类型;5)熟悉病毒在基因工程中的应用;6)掌握噬菌体的效价、噬菌斑、溶原性等概念。4.作业(见课件)第一节病毒的一般属性一、什么是病毒1、定义病毒是专性细胞内寄生物,其大小在20—200nm之间。尽管它们在形状和化学组成上有所不同,但都仅含有RNA或DNA。完整的颗粒称为“病毒粒子”,它包括一个衣壳,在衣壳的外面常包围有糖蛋白—脂类的膜。病毒对抗生素不敏感。2、病毒的基本特征没有细胞结构;只含有DNA或RNA一类核酸;不以二分分裂法繁殖,只能在特定的寄主细胞内以核酸复制的方式增殖;没有核糖体,不含与能量代谢有关的酶,在活体外没有生命特征。二、大小和形态1、大小病毒的大小常用纳米(nm)来度量,病毒大小从10-300nm之间,通常大小在100nm左右。2、形态球状——球状病毒(或多面体病毒)。动物病毒多为球状。杆状——杆状病毒(包括棒状或线状)。植物病毒多呈杆状。蝌蚪状——蝌蚪状病毒。细菌病毒也即噬菌体多呈蝌蚪状三、化学组成和结构1、病毒粒子的结构核壳(nucleo-capsid)病毒主要由壳体和核酸二部分构成,二者统称核壳。壳粒(capsomer)是构成病毒粒子的最小形态单位,每个壳粒由1-6个同种多肽分子折叠缠绕而成的蛋白质亚单位。也称为衣壳粒壳体(capsid)由壳粒以对称的形式,有规律地排列成杆状、球状、廿面体或其他形状,构成病毒的外壳。也称作衣壳,蛋白质外壳。包膜(envelope)在壳体外层还具有一层由病毒编码的封套,有包膜病毒粒子是以出芽的方式穿过被侵染细胞的核膜或原生质膜。包膜可能含有少量的糖蛋白,例如人类免疫缺陷性病毒(HIV),也可能含有大量的糖蛋白,例如单纯疤疹病毒(HSV)。病毒的包膜上具有受体,它能使粒子附着并感染宿主细胞。病毒的对称性病毒的衣壳具有螺旋体对称或二十面体对称。在很多情况下,衣壳被一种膜状结构包围(病毒包膜)。螺旋体对称可以看作蛋白亚基通过有序的螺旋方式,排列在病毒核酸周围,二十面体是一种有规则的立体结构,它由许多蛋白亚基的重复聚集组成,从而形成一种类似于球形的结构。2、病毒的化学组成病毒蛋白病毒蛋白,无论是结构蛋白(衣壳、包膜)还是非结构蛋白(例如,酶)都是由病毒的基因组编码的,这些蛋白在组织培养的复制中可以是必要或非必要的。结构蛋白是核衣壳、基质,或者是包膜中的蛋白,这些蛋白对病毒基因组起保护作用,并且能够利用宿主上的受体在宿主间传递基因组。同样在病毒粒子的装配过程中也起到了主要作用。非结构蛋白包含在病毒体内的非结构蛋白(并不作为病毒体的结构),它们通常具有酶的活性,这对启动病毒的感染是必要的。其他一些非结构蛋白并不在病毒中存在,但在被感染的细胞中起作用,这种作用包括关闭宿主细胞的核苦酸合成及蛋白质合成,另外这些蛋白具聚合酶、蛋白酶和激酶的活性,DNA连接酶活性,基因调控作用。病毒的核酸病毒基因组在大小、结构和核昔酸的组成上是多种多样的,有线状、环状、双链DNA(dsDNA)、单链DNA(ssDNA)、双链RNA(dsRNA)、单链RNA(ssRNA)、分段的或者不分段的。病毒的基因组携带有作为病毒遗传密码的核酸序列。在被感染的细胞中,基因组被转录(transcribed)和翻译(translated)成氨基酸序列,正是由这些氨基酸序列组成了病毒的蛋白,不论是结构蛋白,还是非结构蛋白。脂类和糖类病毒所含的脂类主要是一些磷脂、胆固醇和中性脂肪,多数存在于包膜。病毒所含的糖类主要是葡萄糖、龙胆二糖、岩藻糖、半乳糖等。病毒的包含体有的病毒在寄主细胞内还形成包含体结构,它们多数位于细胞质内,具嗜酸性;少数位于细胞核内,具嗜碱性;也有细胞核内和细胞质都存在的类型。寄主细胞被病毒感染后形成的蛋白质结晶体,内含有1至几个病毒粒子。II、噬菌体细菌噬菌体(bacteriophage),通常称为噬菌体(phage),是侵染细菌的病毒。它们是专性细胞内寄生物,可以噬菌体颗粒在细菌细胞外存在,但只能在细胞内繁殖。它们由核酸基因组和四周称为衣壳的病毒外壳包围而构成。噬菌体具有侵染细菌的能力,而且在细胞内指令合成噬菌体的成分。一、噬菌体形态、结构1、噬菌体的结构像病毒一样噬菌体有许多的类型。它们可以是20面体,几乎是含有20个三角形的面构成的特殊的类型或由20面体的头与螺旋的尾构成的复合结构。基因组是DNA或RNA;单链(ss)或双链(ds),环状或线状。某些噬菌体非常小,如大肠杆菌单链RNA噬菌体MS2,只含有四个蛋白信息的基因组,而其他的是大噬菌体像T4噬菌体,其基因组编码大约135个不同的蛋白。噬菌体由核酸基因组和四周称为衣壳的蛋白质外壳的包围而构成,衣壳蛋白具有保护遗传物质和帮助侵染新的宿主的作用。某些噬菌体也携带有另外的酶和衣壳内部的核酸。外壳是由排列高度有序的结构蛋白亚单位所组成,给噬菌体以特别明显的形状。构成衣壳不同蛋白类型的数目,从如MS2简单噬菌体中1种到如T4复合噬菌体的大于25种。2、噬菌体的形态与噬菌体结构相连系有三种噬菌体的形态(图2.32):20面体(icosahedron)这是由20个三角形面构成的几乎为特殊的形状,20面体在自然界是非常普遍的形状,因为它非常容易装配成一个由亚单位包裹的外壳。丝状(filamentous)这是由衣壳蛋白装配成的螺旋状结构的长的蛋白管。复合体(complex)某些噬菌体由20面体头部和连接螺旋状尾部复合构成。此类中有T型偶数类群噬菌体头部确为拉长的20面体。尾部能收缩或不能收缩,有尾鞘或没有尾鞘,可有基片(基板)或尾丝相连接。尾部作用是帮助遗传物质注入细胞。二、噬菌体的生活周期典型噬菌体生活周期一个噬菌体典型的生活周期,从噬菌体在细菌细胞表面的特异受体吸附开始,随后遗传物质注入宿主。细菌含有降解外源DNA的限制修饰系统,许多侵染是不成功的。接着核酸复制开始,噬菌体基因编码的酶被合成。最后,合成噬菌体衣壳蛋白,装配成新的噬菌体外壳,同时包装一个拷贝的基因。然后,噬菌体释放,普遍通过裂解进入周围培养基。也即经过吸附,侵入,复制,组装和释放5个阶段(图2.33)。吸附(附着)(adsorption,attachment)。噬菌体侵染宿主通过附着在细胞表面的特异受体上。受体的性质不同,是蛋白质或多糖,它们可在任何时间存在细胞表面或只在某些条件下产生。T4噬菌体结合在大肠杆菌外膜的脂蛋白上(T2、T4、T7、的吸附位点是脂多糖,T2、T6的吸附位点是脂蛋白),而噬菌体只有当细菌在含有麦芽糖的培养基上生长时,才能结合在外膜的麦芽糖转运蛋白上。侵入(Pentration)。一般只有遗传物质注射进入宿主,留下空蛋白外壳在细胞表面。在噬菌体头部的溶菌酶溶解宿主细胞壁肽聚糖。噬菌体侵入方式视噬菌体结构而定。在T4噬菌体的例子中,T4噬菌体有高度复合结构的收缩性尾,噬菌体通过长的尾丝吸附和基板接触细胞壁之后,尾鞘收缩DNA注入细胞。多数情况进来的DNA可以被内切核酸酶降解,它们是宿主的部分限制修复防御系统,偶然噬菌体的DNA可以存活引起侵染。此防御内切核酸酶称为限制酶,结合在外源DNA的特异序列,并在此位点切离DNA。微生物自己的DNA通常通过甲基化被修饰,阻止这些限制酶降解。某些噬菌体如T偶数噬菌体有包括糖基化作用或甲基化作用和修饰自己DNA的机制,阻止它们在注射时被限制酶降解。核酸复制(nucleicacidreplication)。一旦宿主内核酸被转录和翻译(在RNA病毒情况中只有翻译),在新的噬菌体核酸指导下合成所需的酶。有时这些称为早期蛋白,许多噬菌体切断宿主蛋白质合成和降解宿主的基因组,因此,保证所有细胞生物合成机构受噬菌体的基因组指令。经过一个短时间之后,通常转换到产生大量噬菌体结构蛋白、噬菌体装配所需的支架蛋白和裂解及噬菌体释放所需的蛋白。这些称为晚期蛋白。噬菌体装配(Phageassembly)。一旦噬菌体衣壳成分和核酸已被充分合成,新的噬菌体颗粒自发组装,同时衣壳包装核酸。释放(release)。许多噬菌体通过裂解细菌细胞壁而释放,这就是生活周期常称为裂解周期,而噬菌体称为烈性噬菌体。酶软化细胞壁和每个细胞释放裂解50-1000个之间的噬菌体。T4噬菌体37℃从侵染到释放时间大约22分钟。其它噬菌体如M13丝状噬菌体穿过细胞壁释放噬菌体并不损伤细胞,所以噬菌体释放经历一个长的时期。宿主细菌仍可继续生长,但以减低的速率生长。溶源性噬菌体生活周期某些噬菌体,典型例子是菌体,在细胞进入裂解周期开始,产生终止噬菌体复制的阻遏蛋白。噬菌体进入称为溶源化的阶段,噬菌体的基因组随染色体复制而复制,而且通过一个世代传至下一个世代。噬菌体可从溶源阶段自发诱导,进入裂解周期。随宿主复制,大多数溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)以原噬菌体状态整合至染色体上,但某些噬菌体,如P1噬菌体,却像一个质粒存在细胞质中。许多噬菌体,典型的为λ噬菌体,在宿主内替代裂解生活周期。在进人宿主时,这些噬菌体不进入裂解循环,而是它们进入称为溶源性(lysgeny)的阶段。在此阶段它们或者整合至染色体上形成原噬菌体(prophage)(如噬菌体)或者像质粒存在细胞质中(如P1噬菌体)。结果,这些溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)随着宿主染色体复制而复制,然后分配到子细胞(图2.34)溶源性噬菌体具有特别的特性,因为它们能携带改变宿主表型的功能性基因。称为溶源性转变(lysogenicconversion),溶源性噬菌体的特性有助于细菌在寄主中存活的能力。沙门氏菌噬菌体溶源化时改变细菌脂多糖(LPS)O—抗原的组分,因此改变细菌抗原的特性。许多细菌的毒素基因也由温和噬菌体携带,包括白喉棒杆菌(Corynebacteriadiphtheriae)的噬菌体携带的白喉毒素基因。霍乱毒素也在此类之中。溶源细菌自发裂解和诱发裂解:在溶源细菌中极少数(约10-6)会发生原噬菌体大量复制、成熟,导致寄主细胞裂解,这种现象称为溶源细菌的自发裂解;若用低剂量的紫外线照射处理或其他物理、化学方法处理,能够诱发溶源细胞大量溃溶,释放成熟噬菌体粒子,这就是溶源细菌的诱发裂解。溶源细菌细胞复愈:溶源细胞中的原噬菌体有时会消失,成为非溶源细胞,不会裂解,称为溶源细菌细胞复愈。
本文标题:第三章病毒和亚病毒(1)
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