第五章-遗传与变异

1第五章病毒的遗传与变异生命科学与技术学院李灏[e-mail]2种瓜得瓜，种豆得豆；龙生龙，凤生凤，老鼠生仔会打洞。——遗传一猪生九仔，连母十个样。——变异3稳定性变异具有存在核酸进化理论的发展基因变异生物性状变化4病毒遗传的特点1、遗传方式简单2、受宿主细胞影响3、易产生变异5Genetics遗传:Aftervirusreplicates,thecharactersontheprogenyvirusaresimilarwiththepreviousgeneration.Variation变异:Aftervirusreplicates,thecharactersontheprogenyvirusaredifferentwiththepreviousgeneration.6第一节病毒变异的机制第二节病毒的突变第三节病毒的重组第四节影响病毒表型的病毒间相互作用第五节病毒基因图的构建方法第六节病毒基因功能的研究方法第七节哺乳动物病毒表达载体7第一节病毒变异的机制Heritablevariation遗传型变异因病毒遗传物质核酸发生了改变，导致其变异后的性状可遗传给子代病毒。包括突变（mutation）、重组（recombination）、重配（reassortment）、整合（integration）Non-Heritablevariation非遗传型变异又称基因产物的相互作用，因病毒核酸并未发生改变，所以此变异一般不能遗传。8非遗传型变异（Non-Heritablevariation）Interactions：whentwogeneticallydistinctvirusesinfectacell.4differentphenomenacanensue（1）Phenotypicmixingortranscapsidation表型混合与核壳转移（2）genotypemixing基因型混合（3）enhancement增强（4）complementation互补9第二节病毒的突变一、突变的定义二、突变的机制三、病毒突变类型四、病毒突变体10一、突变的定义基因突变指细胞内（或病毒粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，简称突变，狭义的突变专指基因突变，广义的突变包括基因突变和染色体畸变。病毒突变：病毒遗传物质核酸的组成或结构发生改变称为突变。11病毒突变研究中广泛使用的术语株strain：用来区分同一病毒的不同野生型型type：血清型的同义语突变株mutant：一般突变株指的是因基因改变而发生某些生物特性改变的病毒株。变异株variant：当病毒突变株能较稳定的存在，并可在相应的宿主或细胞中传代与存活，则称为变异株。野生型病毒株：从自然界分离到的病毒株。12二、突变的机制♦自发性突变(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、细胞的代谢产物对DNA的损伤)♦物理因素引起的突变(电离辐射、紫外线、热诱变等)♦化学因素引起的突变（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等）13突变的原因诱因物理因素：化学因素：如X射线、激光等亚硝酸、硫酸二乙酯、二口恶口英、秋水仙素等在没有这些外来因素影响时，基因突变也会由于DNA分子复制偶尔发生错误，DNA的碱基组成发生改变等原因发生自发改变。外因内因相互作用141、自发突变（spontaneousmutation）DNA病毒自发突变率较低，一般在10-8-10-11。RNA病毒自发突变率远高于DNA病毒，可达10-3-10-4。15HIV的变异变异变异HIV基因组可发生变异，最易变异的是编码包膜糖蛋白的env基因和调节基因nef。env基因核苷酸变异概率每年每个位点0.1%，其变异率与流感病毒相似。根据nef基因序列的异同，将HIV-1分M、O、N等3组（group）12个亚型(subtype)；HIV-2分为A-F等6个亚型。gp120gp4116HIV感染者体内的病毒群Aquasispecies(准病毒群)是从感染病毒遗传变异而来不同病毒株准病毒群的产生是由于逆转录酶的错误编码突变率：10-3-10-5/碱基/复制周期HIV每天有109-1010复制周期每个碱基每天均可能突变1次17HIV快速复制的结局HIV病毒株变异的结果：抗免疫识别抗未来疫苗诱导的免疫力更适于复制更具致病力更易持续更易于传播不同的细胞嗜性突变--多样化--进化18HIV变异性19ThetransmissionrouteofHIV-1inChinaSHANXIFUJIANXIZHANGHEILONGJIANGJILINLIAONINGNEIMENGGUBeijingTianJinQINGHAIHEBEININGXIAGANSUSHANXIANHUIHENANSHANDONGShangHaiJIANGXIHUBEIJIANGSUHUNANGUANGDONGGUANGXIGUIZHOUHAINANYUNNANSICHUANTAIWANXINJIANGChongQingZHEJIANGCRF07-BCB’CRF01-AEB传入我国C传入我国CRF08-BC20各种物理、化学诱变剂（Mutagens）可提高病毒突变率，如温度、射线、5-溴尿嘧啶、亚硝酸盐等物理、化学因素的作用均可诱发突变。运用特定诱变剂处理病毒，已成为获得适当病毒突变体的有效途径。体外诱变剂。对病毒的静态核苷酸进行化学修饰，使其在后面的复制中碱基配对发生改变，这类诱变剂主要包括亚硝酸、羟胺、烷化剂等。体内诱变剂。诱变复制过程中的病毒。包括碱基类似物、插入剂等。2、诱发突变（inducedmutation）21突变株与原先的野生型病毒特性不同，表现为病毒毒力、抗原组成、温度和宿主范围等方面的改变。根据遗传信息的改变分类：同义突变、错义突变、无义突变、连续突变。根据突变方向分类：正向突变、回复突变。根据突变点位置分类：组成型突变、启动子上升突变、启动子下降突变、抗阻遏突变、抗反馈突变。根据突变表型分类：形态突变体、条件致死突变体、生化突变体等。三、病毒突变的类型221、无效突变体（nullmutant）：病毒的一个基因完全失活。主要用于确定病毒的必需基因。2、条件致死突变体（conditionallethalmutants）：指病毒突变后在特定条件下能生长，而在原来条件下不能繁殖而被致死。温度敏感条件致死突变株，简称温度敏感突变体（temperature-sensitivemutant,ts），在特定温度（28～35℃）（允许温度）下孵育则能增殖，在非特定温度（37～40℃）（非允许温度）下孵育则不能繁殖，而野生型在两种温度均能增殖。四、病毒突变体23温度敏感突变体特性ts突变体一般产生全长蛋白质，它与野生型蛋白抗原特异性相同；一些ts突变体是渗漏突变，在非允许条件下可以保留非常弱的活性功能，产生很少的感染性病毒；在允许条件下，ts突变体很难达到野生型那样有效的功能。这也就是说，ts突变体是一个弱毒株；在一个给定的基因中，ts突变能产生不同的表型，用来帮助鉴定特异性功能位点和区域。243、蚀斑突变体（plaquemorphologymutant）：由于突变体和野生型病毒代谢不同，蚀斑突变体可产生大小和形状不同于野生型的蚀斑。蚀斑突变体表型能提供有用的遗传学标记。4、宿主范围突变体（hostrangemutant）：例如狂犬病毒突变株适应在兔脑内增殖，由“街毒”（streetvirus）变为“固定毒”（fixedvirus），可制成狂犬病疫苗。街毒：从人和自然感染的动物中分离并存在于自然界中的野生毒株称为街毒。固定毒：将街毒株在家兔等实验动物脑内接种，并连续传代50代以上而获得的脑内潜伏期短且固定的病毒称为固定毒株。255、抗药性突变体（drugresistancemutant）：可作为病毒遗传学研究的工具。用于验证特异基因功能或验证蛋白质特异部分的功能，可用来阐明病毒的重组机制等基本遗传学问题。6、抗原突变体（antibodyresistancemutant）：病毒的抗原性由病毒表面蛋白质的抗原决定簇决定，抗原结构变异导致抗原性产生差别。7、回复突变体（revertant）真正的回复突变假回复突变：基因内阻抑、基因外阻抑26突变株（mutant）：因基因改变而发生某些生物特性改变的病毒株。变异株（variant)：当该突变株能较稳定地存在，并可在相应的宿主或细胞中传代与存活，则称为变异株。由于病毒群体中常同时存在基因组略有不同的病毒体，因此在研究中常利用病毒稀释后在单层细胞形成空斑，经三次纯化而获得纯度高的毒株。27（+）3，5，3，5，RNADNA多聚酶PC（-）PreCPreS1PreS2SXHBV基因结构及其突变HBsAg编码DNA多聚酶HBcAgHBeAg编码HBxAg28第三节病毒的重组一、病毒重组机制二、病毒基因重组的方式三、病毒重组的意义29一、病毒重组机制当二种有亲缘关系的不同病毒感染同一宿主细胞时，它们的遗传物质发生交换，结果产生不同于亲代的可遗传的子代，称为病毒基因重组。根据对DNA序列和所需蛋白质因子的需要，重组分为：同源重组（一般重组）位点专一性重组30ABababABaBAb基因组不分节段的病毒的重组31分节段基因组病毒的基因重组（交换基因节段）称重配（reassortment）。发生几率较高。32二、病毒基因重组的方式两种活性（感染性）病毒之间：如流感病毒活性与非活性病毒之间（交叉复活，crossreactivation）两种非活性病毒之间（多重复活，multiplicityreactivation）：如紫外线照射后病毒与宿主细胞之间（不产生病毒后代，但致宿主细胞恶变）33活病毒间的重组例如流感病毒两个亚型之间可基因重组，产生新的杂交株，即具有一个亲代的血凝素和另一亲代的神经氨酸酶。这在探索自然病毒变异原理中具有重要意义。流感每隔十年左右引起一次世界性大流行，可能是由于人的流感病毒与某些动物（鸡、马、猪）的流感病毒间发生基因重组所致。34禽流感变异甲型流感病毒的遗传变异。流感病毒的基因组由8个单链的RNA片段组成。病毒增殖——基因重配——抗原性和致病性变异。HA抗原性变异率最高，其次是NA。这两种抗原变异可独立发生，有时两个同时发生变异。抗原变异分为抗原漂移(Antigenicdrift)和抗原转移(Antigenicshift)。35抗原漂移和抗原转移模型shiftdrift由于点突变而引起流感病毒的抗原性逐渐发生变异称为抗原漂移。由于基因重组导致的变异则称为抗原转移。36抗原转移3738甲型H1NI流感（猪流感）39死活病毒间的重组例如将能在鸡胚中生长良好的甲型流感病毒（A0或A1亚型）疫苗株经紫外线灭活后，再加亚洲甲型（A2亚型）活流感病毒一同培养，产生出具有前者特点的A2亚型流感病毒，可供制作疫苗，此称为交叉复活(Crossreactivation)40当一个细胞被多个病毒同时感染，即发生复合感染时，其中若有不能单独启动繁殖循环的灭活病毒颗粒存在，由于灭活病毒与参与复合感染的有活力的病毒间发生重组，或灭活病毒之间彼此重组，从而产生有感染性的重组子代病毒，这种现象称为复活（reactivation），这是一种特殊的病毒重组现象。一株活性病毒与另一株相关但具有不同遗传标记的灭活病毒复合感染细胞，由于重组产生具有灭活病毒某些遗传标记的活性病毒重组体，这类病毒复活现象称为交叉复活（crossreactivation），又称为标记拯救（markerrescue）。利用交叉复活可以选择性地获得具有所需性状的病毒重组体；交叉复活可用于构建病毒DNA的遗传图谱；利用标记拯救技术构建病毒表达载体。41灭活病毒间的重组灭活的两株同种病毒，若一同培养后，常可使灭活的病毒复活，产生出感染性病毒体，此称为多重复活（Multiplicityreactivation），这是因为两种病毒核酸上受损害的基因部位不同，由于重组合相互弥补