第十章--痘病毒科

1第二篇动物病毒学各论第十章痘病毒科（Poxviridae）痘病毒科是迄今所知结构最为复杂的一类病毒。天花病毒是人类较早认识，并且病毒学家作过详尽研究的痘病毒，20多年前就大致上阐明了痘病毒的基本繁殖过程，但随着种痘免疫的普遍推广，控制了天花流行，特别是1980年世界卫生组织宣布在世界范围内消灭天花以来，病毒学家对痘病毒的研究兴趣和重要性降低了。近年来，由于分子生物学的突飞猛进，痘病毒又使病毒学家、分子遗传学家及其他先生学家产生浓厚的兴趣，成为生物学中一个中心研究课题。究其原因，有两个方面。第一，痘苗病毒可作为表达外源基因的载体，这为发展重组痘苗病毒基因工程疫苗及高效表达活性多肽开辟了前景；第二，痘苗病毒具有庞大的基因组和编码进行自身复制的多种特殊的酶类，它是研究真核（或介于真核和原核）基因调节控制的良好模型。特别是最近发现，病毒编码的蛋白可以影响细胞生长和调节宿主的防御机制。第一节痘病毒的一般特征一、痘病毒分类痘病毒科下分脊椎动物痘病毒亚科（Chordopoxvirinae）、昆虫痘病毒亚科（Entomopoxvirinae）。（一）脊椎动物痘病毒亚科（Chodopoxvirinae）该亚科包含正痘病毒属、副痘病毒属、猪痘病毒属、羊痘病毒属、兔痘病毒属、禽痘病毒属、软疣痘病毒属和亚塔痘病毒属8个属。1．正痘病毒属（Orthopoxvirus）：该属包括天花病毒（Variolavirus）、痘苗病毒（Vacciniavirus）、鼠痘病毒（Ectromeliavirus）、猴痘病毒（Monkeypoxvirus）、兔痘病毒（Rabbitpoxvirus）、水牛痘病毒（Buffalopoxvirus）、骆驼痘病毒（Camelpoxvirus）、牛痘病毒（Cowpoxvirus）、马痘病毒（Horsepoxvirus）。2．副痘病毒属（Parapoxvirus）：口疮病毒（Orfvirus）（或羊接触传染性脓疱皮炎病毒）、假牛痘病毒（Pseudo-cowpoxvirus）（或挤奶者结节病毒Milkersnodevirus）、牛脓疱性口炎病毒（Bovinepustularstomatitisvirus）（或牛丘疹性口炎病毒（Bovinepopularstomatitisvirus）和羚羊触染性脓疱病毒（Chamoiscontagiousecthymavirus）。3．猪痘病毒属（Suipoxvirus）：猪痘病毒（Swinepoxvirus）。4．羊痘病毒属（Capripoxvirus）：有疙瘩皮肤病羊痘病毒（Lumpyskindisease2capripoxvirus）、绵羊痘病毒（Sheeppoxvirus）和山羊痘病毒（Goatpoxvirus）。5．兔痘病毒属（Leporipoxvirus）：也称粘液瘤病毒属。有粘液瘤病毒（Myxomavirus）、野兔纤维瘤病毒（Harefibromavirus）、兔肖普氏纤维瘤病毒（Rabbitshopefibromavirus）、松鼠纤维瘤病毒（Squirrelfibromavirus）。6．禽痘病毒属（Avipoxvirus）：有鸡痘病毒（Fowlpoxvirus）、鸽痘病毒（Pigeonpoxvirus）、金丝雀痘病毒（Canarypoxvirus）、麻雀痘病毒（Sparrowpoxvirus）、火鸡痘病毒（Turkeypoxvirus）、燕八哥痘病毒（Starlingpoxvirus）、鹌鹑痘病毒（Quailpoxvirus）、雪鸡痘病毒（Juncopoxvirus）。7．软疣痘病毒属（Molluscipoxvirus）：如人传染性软疣病毒（Molluscumcontagiosumvirus）。8．亚塔痘病毒属（Yatapoxvirus）：如亚巴猴瘤痘病毒（Yabamonkeytumorpoxvirus）。（二）昆虫痘病毒亚科该亚科包含昆虫痘病毒A属（EntomopoxvirusA），有蛴螬（鞘翅目）昆虫痘病毒等9个种；昆虫痘病毒B属（EntomopoxvirusB），有摩氏蛾（鳞翅目）昆虫痘病毒等9个种；昆虫痘病毒C属（EntomopoxvirusC），有淡黄摇蚊（又翅目）昆虫痘病毒等6个种。以上痘病毒，在病毒颗粒形态、大小、化学组成，包括DNA含量及在宿主细胞浆内繁殖的模式均相似。某些痘病毒具有共同的属抗原（NP），并具有拯救其它加热灭活痘病毒的能力。属内的痘病毒之间，在形态、抗原性及生物学性质方面一般是相似的。二、病毒粒子的形态所有痘病毒的毒粒呈砖形或大卵圆形。痘苗病毒大小为270×218nm，正痘病毒属的其它成员，兔痘病毒属和禽痘病毒属的成员，大小和外形均十分相似。Orf病毒较窄小，约252×158nm，绵羊痘病毒较小，约194×115nm。采用负染色或超薄切片电镜观察，毒粒在形态上具有三个主要结构成分：一个双凹面的核心体，两个侧体和包膜。病毒基因组集中在核体内，有蛋白质外膜。感染性痘苗病毒颗粒有两种形式：一种是细胞内的，也是主要的，即具有脂蛋白外膜，双凹核体和侧体；另一种存在于细胞外，一般仅占1%～20%，因不同毒株和宿主细胞而有所差异。它具有额外的一层脂蛋白外膜，可能来自高尔基体膜。三、理化性质毒粒的沉降系率为5×103。痘苗病毒毒粒的密度在稀释的缓冲液中为1.16g/cm3，在53%的蔗糖溶液中为1.25g/cm3，在酒石酸钾溶液中为1.20g/cm3。毒粒的重量为4.5×10-15g。痘苗病毒在生理pH值时带负电荷，兔痘病毒的等电点为2.3，天花病毒、类天花病毒和猴痘病毒为3.4，牛痘病毒和痘苗病毒为4.0。毒粒的主要成分为蛋白质，约占干重的90%，DNA约占5%，约含有3.2%的类脂，主要是胆固醇、磷脂和中性脂肪。磷脂中主要是卵磷脂。有报道说，鸡痘病毒中类脂含量极高，约占其重点的1/3。此外，尚有微量的非DNA的碳水化合物，还可能含有极微量的铜、核黄素和生物素。四、毒粒中含有的酶已知痘病毒中至少含有转录系统的多种酶类。1．依赖于DNA的RNA聚合酶，约500kd，含有147kd、132kd、34kd、22kd、213kd、20kd和17kd的亚单位。在DNA病毒中，仅知痘病毒与非洲猪瘟病毒有它们自己的RNA聚合酶。2．聚（A）聚合酶，80kd，含有55kd和33kd两个亚单位。3．RNA鸟嘌呤基转移酶。4．RNA鸟嘌呤7-甲基转移酶。5．RNA（核苷-2）甲基转移酶，38kd。6．GTP-焦磷酸转换酶。7．多核苷酸三磷酸酶。8．依赖核酸的核苷三磷酸酶I、II，72kd、68kd。9．蛋白激酶，62kd。10．5-磷酸多核酸激酶，目前尚未纯化。11．内核酸核酸酶，目前尚未纯化。12．单链特异性去氧核糖核酸酶。13．拓朴异构酶，在DNA病毒中，目前仅知痘病毒有自己的拓朴异构酶。五、毒粒的多肽组成痘病毒毒粒含有大量的蛋白，纯化的毒粒经SDS-PAGE至少可以分辨出30个条带。共12个区带，大部分区带中还包含着几个条带，有的条带可能是未加工的高分子前体，有的因为糖化或磷酸化使多肽形成多样性。双向电泳表明，在毒粒内存在100种以上的多肽。胞外病毒毒粒的外膜至少有8个多肽：210kd、110kd、89kd、42kd、37kd、21.5kd和20kd，其中7个是糖蛋白，37kd是主要蛋白，不糖基化；89kd蛋白是血凝素。胞内病毒毒粒的外膜蛋白中，54～58kd蛋白形成表面的微管结构，它可引起中和抗体和抑制细胞-细胞融合，另一种14kd蛋白也可引起中和反应。在毒粒核心中有4种蛋白，74kd、62kd、25kd和11kd，占核心重量的70%，其中11kd和25kd蛋白对DNA有很强的亲和性。第二节痘病毒基因组的结构痘病毒基因组的长度差异较大，副痘病毒约130kb，而禽痘病毒约300kb。采用温和的DNA提取办法可以获得完整的无缺口的病毒DNA分子，其长度的变化也较大，从兔痘病毒的120Md至牛痘病毒的145Md，就痘苗病毒本身的DNA长度也有变异，不同毒株为120～130Md，即180～200kb，其DNA无感染性。正痘病毒属各成员的基因组有70%～90%的同源性，其基因组结构的特点如下：一、DNA末端的发夹结构痘病毒DNA链的末端有单链的发夹结构，即末端交叉连结。由于这结构，原始基因组和末端的酶切片段在碱或加热变性后很快可以复性。存在这一发夹结构的证据是，如果不用单链特异性核酸酶处理，毒粒DNA对外切酶III、末端转移酶、多核苷酸激酶、蛇毒磷酸二脂酶和脾磷酸二脂酶的活性是有抵抗。就痘苗病毒DNA末端进行克隆和序列分析的结果表明，每一末端有104核苷酸并不完4全配对，存在两种形式，呈倒置互补，称为“反转”发夹结构，即使在合适的构形中，还有10个核苷酸不能配对。至于在DNA复制过程中，这一单链复制区的命运尚不清楚。Pogo（1977）报道，在接种痘苗病毒后，这一交叉连结的发夹结构在90min内消失。母株DNA发夹结构消失的时间相当于DNA合成开始的阶段，在DNA合成停止时，发夹结构才重新出现。发夹结构的消失是在末端发夹单链区产生缺口还是在DNA的主体部分发生缺口，也尚未阐明。Esteban等（1977）在电镜下研究痘苗病毒DNA复制中间体，发现逐渐增大的末端双链复制的泡状结构，提示在DNA复制早期，末端发夹结构并未解开。目前，关于带有末端发夹结构的线状DNA的复制机理有3种模式，即Bateman模式、Esteban模式、McFadden和Morgan模式。二、DNA末端的倒置重复序列正痘病毒基因组具有较长的末端倒置重复序列（ITRs）。不同成员的ITRs的长度也不一样，痘苗病毒、牛痘病毒和猴痘病毒的ITRs约有10kb长，而兔痘和鼠痘病毒则仅为其一半，天花病毒则十分短，小于2kb。这种结构与腺病毒、疱疹病毒的ITRs相似，但后者短得多。病毒的ITRs结构可能与繁殖方式有关。在ITRs的远侧端尚有串联的重复序列区。紧接着“反转”发夹结构有-86核苷酸的区段NR1，依次跟随着：（1）第一套串联重复序列（Set1），它由串联的重复序列单位所组成，在痘苗病毒则为AB两个单位，长约70bp，有13次重复；（2）NR2独特区，牛痘与痘苗病毒有77%的同源，其中有DdeI和AluI切点；（3）第二套串联重复序列（Set2），AB两个单位重复18次；（4）NR3独特区，在痘苗病毒Set2后1800bp处有SalI切点；在牛痘病毒Set2后269bp处有SalI切点。这两种病毒的重复单位十分相似，但其排列不同。倒置末端重复区内的串联重复区的生理作用，可能是加速单链DNA的自我退火而形成环状结构。另外，在倒置末端重复区内还编码早期蛋白。这种不转录的、周期性的、或长或短的高度重复序列是DNA基因的共同特征。它可能无特异性功能，有人建议称为“自私DNA”。其所以能保持其恒定结构，可能是由于不等重组的结果。痘苗病毒DNA的末端的这种13～18串联重复序列也属于此类。这种转座子样的排列可以促进重组的发生，导致DNA末端序列的不均一性，这可以解释DNA末端的酶切片段在凝胶电泳中为什么呈散状。在痘苗病毒的传代过程中，其DNA分子有两种形式，一种称为稳定形成，即每端有一套13～18的70bp的串联重复序列，13次与18次之间有435bp的间隔；另一种称为不稳定形式，即有多套重复序列和间隔。在连续传代的母系病毒中，有20%是不稳定型。这一现象，即使将病毒反复纯化也不能避免，单一病毒颗粒就可以形成这一结果。DNA稳定型和不稳定型的感染性没有差别。它们之间的转变可以用下列重组模式来解释：第一步在DNA分子的第一套串联重复序列与另一个分子的第二套之间发生重组，这样，可以形成缺乏一套重复序列和间隔序列的分子，以及具有三套重复序列的分子。由于重复序列在倒置末端重复区内，因此，重组可以发生在同一分子或不同分子的对立端，这样就可以形成许多具有不同数量重复序列的分子，包括稳定型DNA分子。三、痘病毒基因组的保守区与变异区除浣熊和Tatera痘病毒外，其它痘病毒科成员基因组的酶谱是十分相似的。以5种正5痘病毒