第三讲 病毒的遗传变异

毒力变异的分子基础

HA是否富含碱性氨基酸。HA裂解为HA1和HA2，暴露融合肽 段，通过融合进入宿主细胞，为入侵的关键步骤。 高致病力毒株HA的切割位点有多个氨基端毗连，决定该病

毒可被机体大多数组织细胞的蛋白酶裂解。低致病力的裂
解位点均只有一个单一的碱性氨基酸—精氨酸，只能被胰 蛋白酶切割，存在于消化道和呼吸道。

漂移
转移
转移
随机突变
基因组节段交换
流感病毒抗原性漂移及转移示意（据Harper）
源于禽类的甲型流感病毒在人体很难增殖， 反之亦然 二者均能在猪体内增殖，并在猪体内进行 基因重配，猪体是人流感毒株与禽流感毒 株的混合器，在猪体内流感病毒产生抗原 性转移

甲型流感病毒 传播的 经典模式
毒力变异的分子基础
“transforming principle” demonstrated with Streptococcus pneumoniae
病毒
第一节 第二节 第三节 第四节

突变 诱变 基因重组 病毒基因产物间的相互作用

准种：由一种母序列和来自该序列的大量突 变基因组所组成的病毒群体。
二、重配(reassortment)
重配 大多数情况下特指基因组分节段的RNA病 毒，砂粒病毒 双RNA病毒 布尼病毒 正黏病毒 以及呼肠孤病毒。


两个进化相近的毒株感染同一细胞是，两者 发生了基因的交换，产生稳定或可变的重配 毒株。
Reassortment by independent assortment during dual infection


1901年即分离禽流感病毒，但直到1955年才明确 它与人及哺乳动物流感的关系，20世纪70年代开 始注意在水禽广泛存在的禽流感病毒是流感病毒 的“基因库”，并对家禽业构成潜在威胁。 禽流感的高致病力毒株对鸡有致病性，旧称“真 性鸡瘟”（fowl plague），现名高致病性禽流感 （Highly pathogenic avian influenza, HPAI） 是OIE规定的通报疫病。
病毒毒力有很大差异。 高致病力毒株主要有H5N1和H7N7亚型的 某些毒株。 禽流感病毒能感染人，某些毒株甚至可不 经过猪体混合重配再传染的过程，直接感 染人。

国外学者认为，在中国南部生活着密集的 人群及养殖大量的猪和鸭，彼此密切接触提 供了上述的机遇。 其实除华南之外，东南亚也具有类似情况， 2004年禽流感在该地区的广泛流行，似可 为佐证。

红皇后学说，来源于来维卡罗所描写的爱丽丝 历险记中红皇后所说“你必须尽力的不停的跑， 才能保持在原来的地方。” “逆水行舟，不进 则退”。指侵扰性的寄生物和宿主双方都必须 快速变异，以维持存在。
病毒基因的进化特性
新病毒不断产生，从另一宿主的病毒演化而 来。 新病毒产生后，在新宿主以较快的速度变异 分化。 新病毒产生后，毒力大多处在中等水平。 病毒的进化有随机性，但受到选择的压力呈 现方向性。 病毒各个组分的进化呈现不同的速度和特征。
外源性的遗传物质由供体菌进入受体菌细
胞内的过程称为基因转移（gene
transfer)；转移的基因与受体菌DNA整合
在一起称为重组(recombination)。细菌基
因转移和重组的主要方式有转化、转导、
接合。
Frederick Griffith’s Transformation Experiment - 1928
Complementation
和 （或）
Progeny virus assembled using wt N and wt M proteins
Genomes in progeny are either ts M or ts N
二、表型混合（phenotype mixing）
两种病毒混合感染后，一个病毒的基因
在
病毒的一步生长曲线（one-step growth curve） 感染比（multiplicity of infection, MOI）是指在一个系统中感染病毒的细胞 数与细胞总数之比。 在人工培养的细胞中，接种高MOI的病毒 ，使所有细胞几乎同时受到病毒感染，如 分析该培养系统中的单个细胞， 就可以代表病毒在整个体系中所有细胞生 长的情况。应用这一方法，可获得病毒一 步生长曲线试验的结果（图22-1）， 观察到病毒具有复制周期（replication cycle）。一个完整的复制周期包括吸附、 穿入与脱壳、生物合成、组装与释放等步 骤。 病毒感染细胞之后的一个短时间内，病毒 完全消失，甚至在细胞内也找不到传染性 的病毒颗粒， 直至感染数小时后子代病毒出现为止，这 阶段称为隐蔽期（eclipse period），一般 持续2~12h。

第四节 病毒基因产物间的相互作用

补偿作用（complementation）



表型混合（phenotypic mixing）
基因型混合（Genotype mixing）
一、补偿作用（complementation）
是指在感染的细胞中，病毒蛋白质之间由 于相互作用的结果，拯救了一种或两种病 毒或增加了病毒的产量。


哺乳动物，特别是人的流感病毒进化较快，而禽流感病 毒似乎处于进化停滞状态。 病毒进化的根本目的就是为了增加病毒的多样性，病毒 多样性的发展需要从宿主体内获取一定的物质和能量， 所以，必然受到宿主环境的制约。首先，旧病毒通过跨 宿主转移的方式演化是较为高效的扩增病毒多样性的方 式，新病毒稳定后，病毒毒力大多处在中等水平，这是 因为毒力太强，最后造成宿主和病毒共同灭亡，双方都 不能传代，不利于宿主和病毒双方多样性的发展，将在 循环中被逐步淘汰。中等毒力的毒株既能保持一定的病 毒数量，又能不断传带下去，呈现一定的优势。
表型的一致性，遗传的动态差异，在变异中 保持稳定。
突变

病毒复制过程中单个或者成段的核苷酸序列发生 替换、缺失、插入等现象。 缺损型干扰（defective interfering， DI）突变 株，突变的特例

缺损型干扰(defective interfering,DI)突变株
这是一种缺失突变的产物。自身不能复制,只有在

HA和NA两个基因上的变异可以随时间的延长而 发生积累，但是流感病毒其他基因的变异在短 期内似乎并不随时间的延长而发生积累，可能 只是在某一范围内随意振荡而已。这可能是因 为流感病毒表面的蛋白质，在和宿主的免疫系 统进行赛跑而不断向前进化，而内部蛋白质却 一直处于相对稳定的环境。

哺乳动物流感病毒被认为来自禽流感病毒，理由 是禽类带有各个亚型的流感病毒，而哺乳动物一 般只带有个别亚型的流感病毒；禽类的流感病毒 大多数不致病，反映了病毒和宿主之间经过长时 间的共同进化达到一种和谐稳定的状态，而哺乳 动物流感病毒多有一定致病性。

野生水禽是禽流感病毒的基因库
病毒的变异
甲型流感病毒变异的显著特点是HA和NA发生
遗传性或抗原性漂移（genetic or antigenic drift） 遗传性或抗原性转移（genetic or antigenic shift）

抗原性变异是HA和NA二者的遗传性或抗原 性漂移（genetic or antigenic drift）及遗 传性或抗原性转移（genetic or antigenic shift）导致的。 漂移发生在某个亚型之内，是点突变的积 蓄，其中和表位与未突变株稍有差异。 转移则骤然获得一个全新的HA或NA基因， 从而产生新的亚型，可能在全世界引致新 型流感的暴发流行。
表型混合特点：

两株病毒混合感染时，装配过程发生错误形成 主要表现为耐药性，抗原性等改变，基因并未 改变，改变的生物学性状不能遗传

三、基因型混合（Genotype mixing）
指两种病毒的核酸偶尔混合装在同一病 毒衣壳内，或两种病毒的核衣壳偶尔包 在一个囊膜内，但它们的核酸都未重组 合，所以没有遗传性。

分子内重组
重配

一、分子内重组
将两个有亲缘关系但生物学性状不同的毒
株感染同一个宿主细胞，从而可发生核酸水平
上的互换，产生兼有两亲本特性的子代，称为
重组。
分子内重组：
两种密切的相关但序列不同的病毒核苷酸
病毒与病毒 病毒与细胞
Recombination by break-rejoin of incompletely linked genes
virus A
virus B
病毒进化的例证
粘液瘤病毒与宿主的共同进化 甲型流感病毒的抗原性转移以及漂移

人类的感染

重组的甲型流感在人群中三次大流行：
1918年西班牙流感
1957年亚洲流感
1968年香港流感
流感期間 Camp Funston 的緊急軍事醫院。
禽流感病毒（Avian influenza virus， AIV）
HA是否富含碱性氨基酸。HA裂解为HA1和 HA2，暴露融合肽段，通过融合进入宿主细 胞。 高致病力毒株与低致病力毒株的H裂解位点 的氨基酸序列有差异，前者为-X-X-精氨酸 -X-精氨酸/赖氨酸-精氨酸-（X为非碱性氨 基酸），而低毒株仅有单个精氨酸，蛋白 酶切割率极低，不易裂解。 NA 26个氨基酸的缺失及PB2蛋白氨基酸的 突变也影响病毒的毒力。

球体表面糖基化位点（影响细胞亲和性），多聚酶复合体
的作用（H5N1,NS1变化，破坏细胞内关键信号的转导通道） 等。
蛋白酶
催化蛋白质水解的酶类。 种类很多，重要的有胃蛋白酶、胰蛋白酶、 组织蛋白酶、木瓜蛋白酶和枯草杆菌蛋白 酶等。 蛋白酶对所作用的反应底物有严格的选择 性，一种蛋白酶仅能作用于蛋白质分子中 一定的肽键， 如胰蛋白酶催化水解碱性氨基酸所形成的 肽键