病毒的遺傳與變異

隨著(zhù)分子生物學(xué)理論和其技術(shù)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了病毒遺傳和進(jìn)化的研究，豐富了對病毒基因組結構與功能的認識，使病毒遺傳學(xué)成為病毒學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

一、突變

病毒復制中出現的差錯均為突變(mutation)，但大多數突變對病毒是致命的，使之不再具有存活和復制的能力，而極少數能夠適應環(huán)境選擇的突變是非致死性的。一般所說(shuō)突變系指非致死性的突變，因為致死性突變無(wú)遺傳與進(jìn)化意義。

病毒的自發(fā)性突變的類(lèi)型有基因組變異與表型變異，后者表現為病毒顆粒的理化特性或復制性質(zhì)的改變。

（一）、基因組變異

單個(gè)核苷酸的替換為點(diǎn)突變(point mutation)，也可發(fā)生單個(gè)、小段或大段核苷酸缺失或插入突變。點(diǎn)突變最常見(jiàn)，小片段核苷酸缺失或插入次之，大片段核苷酸的缺失很少發(fā)生。

突變的核苷酸有可能發(fā)生回復突變，也可能因為相同甚至不同基因發(fā)生抑制性突變(suppresser mutation)，使突變逆轉，重新具有與起始毒株相同的表型。如流感病毒往往由于毫不相關(guān)的基因自行發(fā)生抑制性突變，使之失去作為弱毒疫苗的價(jià)值。

缺損型干擾(defective interfering，DI)突變株是突變的一個(gè)特例。大多數病毒均能產(chǎn)生DI突變株，這些突變株自身不能復制，只能在親本野生株作為輔助病毒(helper virus)存在時(shí)才能復制，并可干擾親本病毒的復制，使后者數量減少。

（二）、表型變異

表型變異有不同的方式，可涉及病毒顆粒理化特性和復制性質(zhì)等的變異。常見(jiàn)表型變異如下：

1. 空斑變異株(plaque mutants)：是其空斑形態(tài)發(fā)生不同于野生株空斑形態(tài)的變異。

2. 抗體逃逸變異株(antibody escape mutants)：由于變異株表面蛋白抗原決定簇發(fā)生變異，致使對野生株有中和作用的抗體產(chǎn)生抵抗，從而導致持續感染。

3. 條件致死性突變株(conditional lethal mutants)：此種變異株只能在經(jīng)選擇的特定條件下復制，而在非特定條件下死亡。此突變株常有若干基因變異株，研究最多的是宿主范圍突變株(host rang mutants)及溫度突變株。溫度突變株包括溫度敏感(temperature-sensitve)及冷適應(cold-adapted)突變株，經(jīng)改變培育細胞的溫度進(jìn)行篩選。溫度突變常被廣泛用于制備弱毒疫苗，如流感病毒疫苗。

（三）、突變率

突變率系指每個(gè)核苷酸在一次復制周期內發(fā)生復制錯誤的頻率。DNA病毒的突變率為10^－10～10^－11，RNA病毒的突變率為10^－3～10^－4，兩者間突變率的差異可能是DNA病毒在核內復制受真核細胞DNA復制校正功能的影響所致。密碼子的第三個(gè)核苷酸的點(diǎn)突變，往往為同義碼突變。

病毒RNA的突變率遠高于病毒DNA，這致使幾乎每個(gè)子代基因組都與親本不同，子代基因組之間也至少有一個(gè)核苷酸差異�；�因組的突變是不均勻的，意味著(zhù)編碼不同蛋白的基因以不同的速率進(jìn)化。

（四）、誘變

所謂誘變就是利用理化因素等處理病毒和其核酸以提高其突變率，如紫外線(xiàn)、X-射線(xiàn)、放射性同位素的射線(xiàn)以及亞硝基胍、堿基同類(lèi)物(5氟尿嘧啶、5溴脫氧尿苷)等化學(xué)試劑，堿基同類(lèi)物在核酸復制時(shí)可摻入其中，達到誘變的目的。

定點(diǎn)誘變(site-directed mutagenesis)就是將DNA基因組或RNA基因組的cDNA任何既定部位的核苷酸替換，或者使之缺失，或者插入另一段核苷酸。為達到這一目的，一般用分子雜交技術(shù)，即將含有特定位點(diǎn)變異的寡核苷酸通過(guò)分子雜交，導入載體DNA，再轉化到載體中擴增雜交DNA，最后根據設計的分子標記，在一定條件下篩選突變株。定點(diǎn)誘變在病毒學(xué)研究中，可用于確定病毒基因的致病作用和研制具有免疫學(xué)標記的弱毒疫苗等。

在事先不了解特定核苷酸序列作用的情況下，通過(guò)對定點(diǎn)誘變產(chǎn)物的分析，推測該序列編碼的蛋白質(zhì)及其功能，這種利用基因序列資料反過(guò)來(lái)研究動(dòng)物體內的遺傳學(xué)效應的手段，稱(chēng)之為反向遺傳學(xué)(reverse genetics)。

二、基因重組

兩種不同的病毒或同一種病毒的兩個(gè)不同毒株感染同一細胞時(shí)，在其核酸復制中發(fā)生基因交換，產(chǎn)生不同于兩親本性狀的子代病毒的過(guò)程叫基因重組(genetic recombination)，包括分子內重組、重配或復活。

（一）、分子內重組(intramolecular recombination)

是兩種不同、通常密切相關(guān)的兩種病毒的核苷酸片段的交換，DNA病毒可發(fā)生此現象，RNA病毒則更普遍。如西部馬腦脊髓炎病毒(WEEV)就是早期的類(lèi)仙臺病毒與東部馬腦脊髓炎病毒(EEEV)分子內重組的產(chǎn)物。在實(shí)驗條件下，甚至不同科病毒間也可發(fā)生分子內重組，這是目前病毒學(xué)研究的熱點(diǎn)。

在病毒與宿主細胞的基因組之間也會(huì )發(fā)生分子內重組。如反錄病毒基因組內發(fā)現有細胞基因，在其前病毒階段，病毒將細胞的腫瘤基因摻入其基因組，使其變?yōu)椴《镜哪[瘤基因。

（二）、重配(reassortment)

親緣關(guān)系相近的基因組分節段RNA病毒的兩毒株感染同一細胞時(shí)，二者可交換其基因組片段，產(chǎn)生穩定的或不穩定的重配毒株。在自然界中，流感病毒、藍舌病毒即以此方式呈現其遺傳變異性。

（三）、復活(reactivation)

又稱(chēng)增殖性復活(multiplicity reactivation)，是指用同一毒株的具不同程度致死性突變的若干病毒顆粒同時(shí)感染某一細胞，產(chǎn)生具有感染性病毒的現象。在理論上，用紫外線(xiàn)照射或化學(xué)誘變培育的疫苗有可能發(fā)生此種復活，因此上述方法不能用于制備病毒疫苗。

在有感染性的病毒與滅活的相關(guān)病毒或該病毒的DNA片段之間，可發(fā)生交叉復活(cross-reactivation)、基因組拯救(genome rescue)以及DNA片段拯救(DNA fragment rescue)，這些現象在利用病毒作為制備疫苗載體是應予重視。

四、病毒基因產(chǎn)物間的相互作用

病毒基因的產(chǎn)物蛋白質(zhì)相互作用也可影響病毒的表型，大多發(fā)生在實(shí)驗室，有的也可發(fā)生在自然界。

（一）、補償作用(complementation)

在感染細胞中，同一種病毒的兩個(gè)毒株、兩種相關(guān)或不相關(guān)的病毒之間由于病毒蛋白質(zhì)的相互作用，拯救了一種或兩種病毒或增加了病毒產(chǎn)量，即為補償作用。一種病毒為另一種病毒提供了其不能合成的基因產(chǎn)物，使后者在二者混合感染的細胞中得以增殖。如缺損病毒與其輔助病毒間的關(guān)系。

（二）、表型混合(phenotypic mixing)

是指兩種病毒混合感染細胞后，子代病毒獲得二者的表型特性。如流感病毒與副黏病毒共感染(coinfection)時(shí)，子代病毒顆粒的囊膜可具有雙親的抗原，但每個(gè)病毒顆粒僅含雙親之一的基因組。無(wú)囊膜的病毒之間的表型混合可以衣殼轉化(transcapsidation)的形式出現，即病毒的衣殼可全部或部分在病毒之間互換，這可改變病毒的嗜性。

（三）、多倍性(polypoidy)

是病毒成熟過(guò)程中，出現數個(gè)核衣殼被一個(gè)囊膜包裹的現象，可見(jiàn)于副黏病毒。

五、遺傳變異與病毒進(jìn)化

病毒之間在形態(tài)學(xué)及理化特性上的千差萬(wàn)別，是病毒各自在漫長(cháng)的進(jìn)化過(guò)程中適應環(huán)境而發(fā)生變異和遺傳積累的結果，很難用用一個(gè)“進(jìn)化樹(shù)”描述所有病毒的親緣關(guān)系。病毒與宿主彼此從對方獲得某些功能基因，某些病毒也從其他病毒獲得基因，這使病毒基因組具有許多功能的及非功能的“基因化石”。

雖然不同科間病毒的基因組互不相同，但某些不相關(guān)的病毒之間誘可能有相似的基因次序、結構及復制方式，甚至有編碼相似功能蛋白的共同保守序列，據此可以根據病毒的某些基因序列的相似程度繪制病毒的若干套較小的進(jìn)化樹(shù)，以比較病毒間進(jìn)化的系統發(fā)生關(guān)系，即親緣關(guān)系。這在病毒分類(lèi)及流行毒株衍生關(guān)系研究中具有重要意義。

在病毒進(jìn)化關(guān)系研究中，令人感興趣的是，哪一種病毒最古老？哪一種最現代？哪一種最穩定？哪一種最易變？解決這些問(wèn)題在于研究進(jìn)化關(guān)系的基因選擇。如有人認為病毒顆粒的結構成分是最古老的，也有人認為病毒基因組表達方式是最古老的，可是目前僅發(fā)現病毒的酶有共同的保守序列，而未在病毒結構基因上發(fā)現，因此尚不足以回答上述進(jìn)化的有關(guān)問(wèn)題。

目前所進(jìn)行的病毒進(jìn)化及其衍生關(guān)系的研究，僅在具有相同主要功能基因的病毒間或同一種病毒的不同毒株間進(jìn)行比較，以分析其部分基因的進(jìn)化和衍生關(guān)系，這在流行毒株的抗原變異性研究上具有一定的意義。

抗原性轉移及漂移：甲型流感病毒感染禽類(lèi)、多種哺乳動(dòng)物及人類(lèi)，引致人及動(dòng)物的流行性感冒。自1933年首次分離甲型流感病毒以來(lái)，現已發(fā)現該病毒囊膜上的血凝素(H)纖突有15個(gè)亞型、神經(jīng)氨酸酶(N)纖突有9個(gè)亞型。H的15個(gè)亞型在禽類(lèi)全部存在，人類(lèi)有3個(gè)，豬、馬、海豹及鯨各有2個(gè)；N的9個(gè)亞型在各種動(dòng)物有相似的分布。該病毒顯著(zhù)特點(diǎn)是H和N二者的遺傳性或抗原性漂移(genetic or antigenic drift)及遺傳性或抗原性轉移(genetic or antigenic shift)導致的抗原性變異。漂移發(fā)生在某一亞型內，其中和表位與未突變株稍有差異，是點(diǎn)突變的積蓄，是量變過(guò)程；轉移則驟然獲得一個(gè)全新的H或N基因，從而產(chǎn)生新的亞型，可能在全世界引致新型流感的暴發(fā)流行，是質(zhì)變過(guò)程。

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