【地球生物全系列——从单细胞到人类】病毒界（下）

病毒界（下）

3.遗传物质

与一般的细胞生物的遗传物质为双链DNA不同的是，病毒的遗传物质（即病毒基因组）可以为DNA或RNA，可以为单链或双链。从目前已发现的病毒来看，更多的是RNA病毒；其中，植物病毒多为单链RNA病毒，而噬菌体多为双链DNA病毒。不同病毒的遗传物质中的基因结构也各不相同，它们之间的差异性比动物、植物或细菌中任何一个生物域内物种间的差异性都要大。

病毒的核酸可以是环状的，如多瘤病毒，或线状的，如腺病毒。核酸的种类与其所呈现的形状无关。在RNA病毒中，病毒体中的核酸常可以分裂为多个区段，这种状态称为“分段”（segmented）。其中的每一段常常编码一个蛋白质，并且这些区段通常位于同一个衣壳中。但每一个区段并不一定要在同一个病毒体中才能使病毒整体具有感染性，雀麦花叶病毒（Brome mosaic virus）就是一个例子。

病毒的核酸可以是单链或双链，也与核酸的种类无关。双链的病毒核酸是由两条互补配对的核酸链所组成，如同一个梯子。而单链的病毒核酸是一条没有配对的核酸链，如同一个梯子从中间分成两边的其中一边。一些病毒，如肝病毒科中的部分病毒，其核酸部分为单链，部分为双链。

其核酸为RNA或单链DNA的病毒，其核酸链可以分为正义链或反义链，这种划分取决于其与病毒mRNA是否互补。正义病毒RNA与病毒mRNA等同，宿主细胞因此可以直接用其来翻译。反义病毒RNA与病毒mRNA互补，必须通过RNA聚合酶合成正义病毒RNA后，才能够进行翻译。单链DNA的情况与RNA相似，“编码链”（与病毒mRNA互补）为反义链（?），而“非编码链”为正义链（+）。

不同病毒的核酸的大小差别很大。最小的病毒基因组分子量只有106道尔顿，编码4个蛋白质；最大的病毒基因组则有108道尔顿，编码超过100个蛋白质。RNA病毒的基因组通常比DNA病毒来的小，这是由于其复制过程有更高的错误率，使得RNA病毒的大小有上限。如果超出这一上限，复制后的RNA病毒基因组会出现错误，使得导致病毒无功能或无竞争力。为了弥补这一缺陷，RNA病毒通常将自己的核酸分成多个分子，每一个分子就是一段基因组，这样也就降低了复制过程中的错误率。相比而言，由于DNA病毒具有保真度较高的复制酶，降低了复制的错误几率，因而其基因组也就更大。

病毒的遗传变异可以有多种机制。“遗传漂变”（geneticdrift）是其中之一，即病毒DNA或RNA上单个碱基的突变。大多数这样的单点突变是无义的（或者说是沉默的），因为它们没有导致所编码的蛋白质发生变化；但有一小部分突变可能会引起进化上的优势，如产生对抗病毒药物的抵抗力。抗原漂移（antigenic shift）是另一种病毒基因组的主要变化，是由遗传重组或基因重排所导致的。当流感病毒发生抗原转移后，可能会导致瘟疫。RNA病毒常常以准种（quasispecies）的形式或大量同种但基因组核苷酸序列存在微小差异的病毒的形式存在。这样的准种是自然选择的主要目标。

分段的基因组具有进化上的优势：同一种病毒的不同的病毒株中的分段基因组可以进行重排，重排后产生的后代病毒具有不同于上一代的独特的特征。这种基因重排又称为“病毒的有性生殖”（viral sex）。

遗传重组是一条DNA链断裂后重新连接到另一条不同DNA分子末端的过程。遗传重组可以在病毒感染细胞的同时发生。对病毒进化的研究结果显示，在已研究的各种病毒中，重组发生得极为频繁。而且，无论是RNA病毒还是DNA病毒，重组的发生都是非常普遍的。

4.生命周期

由于病毒是非细胞的，无法通过细胞分裂的方式来完成数量增长；它们是利用宿主细胞内的代谢工具来合成自身的拷贝，并完成病毒组装。不同的病毒之间生命周期的差异很大，但大致可以分为六个阶段：

（1）附着

首先是病毒衣壳蛋白与宿主细胞表面特定受体之间发生特异性结合。这种特异性决定了一种病毒的宿主范围。例如，艾滋病毒只能感染人类T细胞，因为其表面蛋白gp120能够与T细胞表面的CD4分子和受体结合。这种吸附机制通过不断的进化，使得病毒能够更特定地结合那些使它们能够完成复制过程的细胞。对于带包膜的病毒，吸附到受体上可以诱发包膜蛋白发生构象变化从而导致包膜与细胞膜发生融合。

（2）入侵

病毒附着到宿主细胞表面之后，通过受体介导的胞吞或膜融合进入细胞，这一过程通常称为“病毒进入”（viral entry）。感染植物细胞与感染动物细胞不同，因为植物细胞有一层由纤维素形成的坚硬的细胞壁，病毒只有在细胞壁出现伤口时才能进入。一些病毒，如烟草花叶病毒可以直接在植物内通过胞间连丝的孔洞从一个细胞运动到另一个细胞。与植物一样，细菌也有一层细胞壁，病毒必须通过这层细胞壁才能够感染细菌。一些病毒，如噬菌体，进化出了一种感染细菌的机制，将自己的基因组注入细胞内而衣壳留在细胞外，从而减少进入细菌的阻力。

（3）脱壳

然后病毒的衣壳遭到宿主细胞或病毒自己的酶降解破坏，病毒的核酸得以释放。

（4）合成

病毒基因组完成复制、转录（除了正义RNA病毒外）以及病毒蛋白质合成。

（5）组装

将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。在病毒颗粒完成组装之后，病毒蛋白常常会发生翻译后修饰。在诸如艾滋病毒等一些病毒中，这种修饰作用（有时称为成熟过程），可以发生在病毒从宿主细胞释放之后。

（6）释放

无包膜病毒需要在细胞裂解（通过使细胞膜发生破裂的方法）之后才能得以释放。对于包膜病毒则可以通过出泡的方式得以释放。在出泡的过程中，病毒需要从插有病毒表面蛋白的细胞膜结合，获取包膜。

5.分类

诺贝尔奖获得者生物学家戴维·巴尔的摩在1970年代提出了巴尔的摩分类系统。巴尔的摩分类法与ICTV分类法一起用于现代病毒的分类。

巴尔的摩分类法是基于病毒mRNA的生成机制。在从病毒基因组到蛋白质的过程中，必须要生成mRNA来完成蛋白质合成和基因组的复制，但每一个病毒家族都采用不同的机制来完成这一过程。病毒基因组可以是单链或双链的RNA或DNA，可以有也可以没有反转录酶。而且，单链RNA病毒可以是正义（+）或反义（-）。这一分类法将病毒分为7类：

第一类是双链DNA病毒（如腺病毒、疱疹病毒、痘病毒）

第二类是单链DNA病毒（+）DNA（如小DNA病毒）

第三类是双链RNA病毒（如呼肠孤病毒）

第四类是（+）单链RNA病毒（如微小核糖核酸病毒、披盖病毒）

第五类是（-）单链RNA病毒（如正黏液病毒、炮弹病毒）

第六类是单链RNA反转录病毒（如反转录病毒）

第七类是双链DNA反转录病毒（如肝病毒）

（1）第一组:双链DNA病毒dsDNA viruses

这类病毒通常只有在进入宿主细胞核之后才能进行自我复制。除此之外，这类病毒还需要宿主细胞核内的DNA聚合酶才能完成自我复制，因此它们很大程度上受宿主细胞的细胞周期影响。有效的感染与子代的产生都需要在宿主细胞进行复制时才能进行，因为病毒所利用的核内DNA聚合酶在此时是活跃的。此类病毒有可能诱发细胞快速裂解，导致细胞转变和癌变，如疱疹病毒、腺病毒和乳头多瘤空泡病毒。

第一组中，唯一一类已充分研究且不在核内进行复制的例子是痘病毒科（一种有脊椎动物高发病率的病原体，包括天花病毒）。

此类病毒使用普遍的mRNA转录方式——使用宿主相关的转录酶——合成两种mRNA：

早期信使RNA(?) earlymRNA,事先转录用于合成DNA。

后期信使RNA(?) late mRNA,随后由子代DNA转录而成。

（2）第二组:单链DNA病毒ssDNA viruses

这一类病毒包括有：

感染脊椎动物的

指环病毒科

圆环病毒科

小DNA病毒

感染植物的

双生病毒科

矮化病毒科

感染原核生物的

微小噬菌体科

这类病毒中除了小DNA病毒?Parvoviruses以外，所有物种都具有环形DNA。其中感染真核生物的病毒大多在宿主细胞的细胞核中，通过基圆机制（英语：Rolling circle replication）构建双链DNA中间体，进行复制。

一种流行的却没有临床症状的叫作“TTV”（TransfusionTransmitted Virus）的人类指环病毒（英语：Anellovirus）?(Anellovirus)也包括在这一组中。

（3）第三组:双链RNA病毒dsRNA viruses

跟大部分RNA病毒一样，这类病毒的复制在宿主细胞的细胞质中，并不需要像DNA病毒那样使用宿主的聚合酶。这一组中研究较多的是双核糖核酸病毒科（Birnaviridae和呼肠孤病毒科（Reoviridae）。该组病毒的基因组为单顺反子（英语：monocistron），并且有一些病毒基因组只编码一个蛋白质（不像其它病毒有较复杂的转译过程）。

（4）第四组和第五组:单链RNA病毒

巴尔的摩病毒分类系统中的第四组和第五组为单链RNA病毒，根据病毒所带的RNA的正义或反义又可以细分成四五两组。拥有单链RNA是这两组病毒共同的特点，它们的复制在细胞质中，并且不受宿主细胞的细胞周期限制。

（5）第四组:正单链RNA病毒(+)ssRNA viruses

该组病毒的RNA可以直接被宿主细胞中的核糖体识别并立即转译出蛋白质，而事实上所有正股的ssRNA都是如此。本组病毒还可以根据转译的方式细分为两类：

一类病毒有由多顺反子组成的基因组，通过翻译得到一个多聚蛋白，随后分裂成多个成熟的蛋白质。这样的目的是减少基因组的大小。

另一类病毒有更复杂的转译过程，转译过程中有核糖体移码、蛋白质水解和次基因组mRNA的参与。该类病毒有各自的机制来完成从一条链上翻译蛋白质。

本组病毒包括有：

星状病毒科

杯状病毒科

冠状病毒科

黄病毒科

微小核糖核酸病毒科

动脉炎病毒科

披膜病毒科

（6）第五组:反单链RNA病毒(-)ssRNA viruses

该组病毒的RNA不能直接被宿主细胞中的核糖体识别并立即翻译出蛋白质，而事实上所有反链的ssRNA都是如此，因此它们要通过自身的聚合酶合成正链ssRNA，从而才可以被宿主核糖体识别。本组病毒也可以根据复制的方式细分为两类：

一种病毒包含不分段的基因组【(-)RNA】，首先用RNA聚合酶产生单顺反子（英语：monocistron）的mRNA【(+)RNA】（编码了多个病毒的蛋白质），随后以这一条RNA为模板复制产生反义ssRNA【(-)RNA】。整个过程在宿主细胞质中。

另一种病毒包含分段的基因组【(-)RNA】，而这一类病毒核酸的复制发生在宿主细胞核内，基因组中的每一段都各自在RNA聚合酶的作用下产生相应的mRNA。

两种病毒最大的不同在于核酸复制的位置不同。

本组病毒包括有：

沙状病毒科

正黏液病毒科

副黏液病毒科

本雅病毒科

丝状病毒科

炮弹病毒科（包括狂犬病毒）

（7）第六组:正单链RNA逆转录病毒ssRNA-RT viruses

一种被研究较多的，包括反转录病毒科?(Retroviridae)的病毒，一个明显的特点是使用逆转录酶将(+)ssRNA转换成DNA，随后用整合酶将DNA整合到宿主的基因组中，此后就可以利用核内的聚合酶了。

（8）第七组:双链DNA逆转录病毒dsDNA-RT viruses

一小组以乙肝病毒?(HepatitisB)【肝病毒科(Hepadnaviridae)】为典型的病毒，包含双链不闭环的DNA。该线型的DNA在闭环成为共价闭合环状DNA（cccDNA）后，作为模板转录mRNA和亚基因组mRNA（英语：subgenomic mRNA），随后由前基因组（英语：pregenome）表达的RNA做为模板逆转录出充当基因组的DNA。