病毒的復(fù)制及各類病毒的增殖過程概述

陳伶莉 胡雪峰

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

1 病毒的種類

病毒可分為亞病毒與真病毒兩類：前者不具有完整的病毒結(jié)構(gòu)，僅由某種核酸或蛋白質(zhì)構(gòu)成；后者通常由核酸及蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成，部分病毒還具有囊膜結(jié)構(gòu)。不同病毒所含核酸的種類、轉(zhuǎn)錄形成mRNA和合成蛋白質(zhì)的方式迥異。因此，根據(jù)病毒的核酸類型和轉(zhuǎn)錄形成mRNA的方式不同，可將病毒歸為六大類：雙鏈DNA病毒、單正鏈DNA(+DNA)病毒、雙鏈RNA病毒、單正鏈RNA(+RNA)病毒、單負(fù)鏈RNA(-RNA)病毒和逆轉(zhuǎn)錄病毒。本文概述了病毒的一般復(fù)制過程以及各類病毒的具體增殖步驟。

2 病毒的復(fù)制

病毒為顆粒狀的非細(xì)胞結(jié)構(gòu)，極其微小，通常以納米為單位，營寄生生活。病毒侵入宿主細(xì)胞后，借助宿主細(xì)胞提供的核苷酸原料、氨基酸、核糖體及能源系統(tǒng)等，以病毒核酸為控制中心，合成子代病毒所需核酸與蛋白質(zhì)等成分，最后在宿主細(xì)胞內(nèi)裝配成結(jié)構(gòu)完整、具有一定侵染力的病毒粒子，這個(gè)過程稱為病毒的復(fù)制[1]。病毒正常復(fù)制周期分為六個(gè)階段：吸附、侵入、脫殼、生物合成、組裝和釋放。

2.1 吸附 病毒感染宿主細(xì)胞的第一步就是吸附。絕大多數(shù)病毒的吸附可分為非特異性吸附和特異性吸附兩個(gè)階段：前者是指病毒依靠靜電作用與宿主細(xì)胞接觸而結(jié)合；后者是指病毒表面蛋白質(zhì)作為抗原與宿主細(xì)胞膜上相應(yīng)的受體特異性識別并結(jié)合。

2.2 侵入 無囊膜的病毒一般由細(xì)胞膜直接包裹吞入從而進(jìn)入細(xì)胞，稱為病毒胞飲。有囊膜的病毒除了通過細(xì)胞胞飲的方式進(jìn)入細(xì)胞，還可通過囊膜與宿主細(xì)胞膜融合的方式，使病毒進(jìn)入細(xì)胞。

2.3 脫殼 即病毒內(nèi)具有感染性的核酸從外殼內(nèi)釋放出來的過程。不同病毒脫殼方式迥異，大多數(shù)是在宿主細(xì)胞溶酶體作用下脫殼并釋放出核酸。脫殼與侵入通常是連續(xù)進(jìn)行的，如某些通過胞飲進(jìn)入細(xì)胞的病毒在細(xì)胞壁或細(xì)胞膜表面同時(shí)進(jìn)行脫殼和侵入，以膜融合方式入侵的病毒在與細(xì)胞膜融合時(shí)同時(shí)脫去包膜。

2.4 生物合成 病毒核酸進(jìn)入宿主細(xì)胞后，利用宿主細(xì)胞的物質(zhì)首先合成自身復(fù)制所必需的復(fù)制酶和一些抑制蛋白，然后合成子代病毒的核酸和結(jié)構(gòu)蛋白，不同種類病毒的生物合成方式各不相同。

2.5 組裝 病毒的組裝是指新的病毒核酸與蛋白質(zhì)衣殼裝配在一起，形成結(jié)構(gòu)完整、具有一定感染力的子代病毒。RNA病毒和DNA病毒組裝的位置具有一定差異，其中絕大多數(shù)DNA病毒在宿主細(xì)胞的細(xì)胞核中完成組裝，而RNA病毒和痘病毒類一般在細(xì)胞質(zhì)中完成組裝[2]。

2.6 釋放 絕大多數(shù)無囊膜病毒同步釋放，會(huì)對宿主細(xì)胞造成急性傷害，使得宿主細(xì)胞短時(shí)間內(nèi)迅速死亡；而絕大多數(shù)有囊膜的病毒則需要經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工，最后以出芽的方式釋放，在一段時(shí)間內(nèi)逐個(gè)釋出，宿主細(xì)胞死亡較緩慢。一個(gè)感染細(xì)胞通常可以釋放出100～1000個(gè)病毒。

3 各類病毒的增殖過程

3.1 雙鏈DNA病毒 腺病毒、皰疹病毒以及痘病毒等病毒均屬于雙鏈DNA病毒。

以皰疹病毒為例，說明此類病毒的主要增殖過程：①皰疹病毒包膜上的血型糖蛋白B與宿主細(xì)胞膜上的受體特異性識別并吸附；②宿主細(xì)胞膜包裹皰疹病毒顆粒，形成吞噬泡，皰疹病毒顆粒通過吞噬作用而進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，并脫去包膜；③在宿主細(xì)胞的溶酶體作用下脫去蛋白質(zhì)外殼；④病毒DNA進(jìn)入宿主細(xì)胞的細(xì)胞核；⑤在RNA聚合酶的幫助下，以病毒DNA為模板合成早期mRNA并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中；⑥早期mRNA翻譯形成早期蛋白，主要指與DNA復(fù)制相關(guān)的酶，如DNA聚合酶、脫氧胸腺嘧啶激酶等；⑦在解旋酶作用下，DNA雙鏈打開，以打開的兩條鏈為模板，遵循堿基互補(bǔ)配對原則，依賴合成的DNA聚合酶，合成子代DNA分子；⑧合成晚期mRNA，并以此翻譯成晚期蛋白，主要為病毒的結(jié)構(gòu)蛋白，子代病毒DNA與結(jié)構(gòu)蛋白裝配形成子代病毒；⑨子代病毒從細(xì)胞核釋放出來，同時(shí)披上包膜；⑩細(xì)胞膜通過胞吐的形式將子代病毒釋放到體外。

3.2 單正鏈DNA(+DNA)病毒 代表病毒為細(xì)小病毒，此類病毒增殖的主要過程為：①形成復(fù)制中間體：單正鏈DNA病毒進(jìn)行生物合成時(shí)，首先以親代DNA作模板，依賴復(fù)制酶，遵循堿基互補(bǔ)配對原則，合成其互補(bǔ)DNA鏈，并與親代DNA形成雙鏈，作為復(fù)制中間型，含有親代DNA的新合成的雙鏈DNA繼續(xù)復(fù)制；②轉(zhuǎn)錄和翻譯：不含親代DNA的新合成的雙鏈DNA作為轉(zhuǎn)錄的模板，翻譯合成病毒相關(guān)蛋白質(zhì)(主要是結(jié)構(gòu)蛋白)；③裝配和釋放：新形成的子代DNA分子與結(jié)構(gòu)蛋白裝配形成成熟的病毒并從細(xì)胞中釋放出來。

3.3 雙鏈RNA病毒 大部分RNA病毒的子代病毒的全部成分的合成都在宿主細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)完成，雙鏈RNA病毒是其中一種，其代表病毒為呼腸孤病毒。雙鏈RNA病毒增殖的主要過程為：①RNA復(fù)制：病毒脫殼進(jìn)入宿主細(xì)胞后，在相關(guān)酶作用下，首先不對稱地轉(zhuǎn)錄出正鏈RNA，再由正鏈RNA復(fù)制出新的負(fù)鏈RNA，共同構(gòu)成子代RNA；②合成蛋白質(zhì)：在RNA多聚酶作用下，正鏈RNA轉(zhuǎn)錄形成mRNA，在宿主細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中翻譯成早期蛋白或晚期蛋白；③裝配和釋放：新形成的子代RNA分子與結(jié)構(gòu)蛋白裝配形成成熟的病毒并從細(xì)胞中釋放出來。

3.4 單正鏈RNA(+RNA)病毒 單正鏈RNA病毒種類較為豐富，人和動(dòng)物的絕大多數(shù)的RNA病毒屬于此類，如黃病毒和脊髓灰質(zhì)病毒等。多數(shù)單正鏈RNA病毒在宿主細(xì)胞質(zhì)內(nèi)完成生物合成。單正鏈RNA病毒母代的RNA既可直接作為翻譯的模板，又能作為模板合成單負(fù)鏈RNA；而單負(fù)鏈RNA反過來也可復(fù)制子代單正鏈RNA[3]。

以脊髓灰質(zhì)病毒為例，說明此類病毒的具體增殖過程：①合成早期蛋白：單正鏈RNA直接附著于宿主細(xì)胞的核糖體上，利用宿主細(xì)胞提供的原料和能源系統(tǒng)合成多聚蛋白前體，前體進(jìn)一步裂解成病毒結(jié)構(gòu)蛋白(P1)、蛋白酶(P2)和RNA聚合酶(P3)；②合成子代RNA：在復(fù)制酶作用下，以親代單正鏈RNA為模板合成單負(fù)鏈RNA，單負(fù)鏈RNA進(jìn)一步形成子代單正鏈RNA；③裝配和釋放：P1前體部分裂解形成結(jié)構(gòu)蛋白，子代單正鏈RNA與結(jié)構(gòu)蛋白裝配形成成熟的病毒并從細(xì)胞中釋放出來。

3.5 單負(fù)鏈RNA(-RNA)病毒 常見的單負(fù)鏈RNA病毒有流感病毒和狂犬病病毒等。此類病毒含有依賴RNA的RNA多聚酶，能以病毒RNA為模板進(jìn)行復(fù)制，但單負(fù)鏈RNA不能直接作為轉(zhuǎn)錄的模板。具體增殖過程為：①+RNA合成：病毒核酸連同RNA多聚酶一起侵入宿主細(xì)胞并進(jìn)行生物合成，負(fù)鏈RNA首先轉(zhuǎn)錄出互補(bǔ)正鏈RNA，形成復(fù)制中間體(±RNA)，產(chǎn)生更多的正鏈RNA；②-RNA合成：以部分正鏈RNA為模板復(fù)制出子代負(fù)鏈RNA；③裝配與釋放：部分正鏈RNA作為轉(zhuǎn)錄的模板，形成mRNA并翻譯出病毒所需的蛋白質(zhì)，其中的結(jié)構(gòu)蛋白與負(fù)鏈RNA一起裝配形成子代病毒，并從細(xì)胞中釋放出來。

3.6 逆轉(zhuǎn)錄病毒 此類病毒本身攜帶逆轉(zhuǎn)錄酶，兩條相同的線狀正鏈RNA構(gòu)成其基因組，稱為單正鏈雙體RNA。免疫缺陷病毒(HIV)和人類T淋巴細(xì)胞白血病病毒(HTLV)都是逆轉(zhuǎn)錄病毒。以HIV為例，介紹此類病毒的主要增殖過程：①HIV囊膜蛋白gp120與宿主細(xì)胞膜上受體CD4結(jié)合；②病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，并脫去包膜；③在宿主細(xì)胞提供的脫殼酶作用下，脫去蛋白質(zhì)外殼；④以病毒RNA作為模板，依賴逆轉(zhuǎn)錄酶形成cDNA，構(gòu)成RNA—DNA中間體[4]；⑤RNA酶將中間體的RNA鏈水解，形成cDNA；⑥以cDNA鏈為模板，依賴DNA聚合酶形成雙鏈DNA；⑦雙鏈DNA進(jìn)入宿主細(xì)胞的細(xì)胞核；⑧雙鏈DNA與宿主細(xì)胞的DNA整合，成為前病毒；⑨前病毒被激活，轉(zhuǎn)錄形成子代病毒RNA；⑩一部分子代RNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中與核糖體結(jié)合，作為模板翻譯形成子代蛋白，另一部分直接被裝配成子代病毒體；翻譯出子代病毒的結(jié)構(gòu)蛋白和逆轉(zhuǎn)錄酶等酶蛋白；子代病毒RNA與結(jié)構(gòu)蛋白裝配形成子代病毒體；子代病毒包裹包膜后形成完整病毒；子代病毒從宿主細(xì)胞中釋放。

(基金項(xiàng)目：福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目：心臟起搏細(xì)胞的體外誘導(dǎo)及其功能驗(yàn)證，No.2015I0011；*通信作者)