chapter4非细胞生物病毒

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter4,非细胞生物,-,病毒,1,重点和难点：,病毒主要特点，毒性噬菌体的侵染循环，温和噬菌体和溶原细菌、昆虫病毒和植物病毒的主要特点。,2,非细胞型微生物包括：,病毒和亚病毒,非细胞生物的种类,（真）病毒,(virus),：,至少含有核酸和蛋白质两种组分,亚病毒,类病毒,(viroid),：,拟病毒,(virusoid),：,朊病毒,(prion),：,只含单独具侵染性的,RNA,组分,只含不具单独侵染性的,RNA,组分,只含蛋白质一种组分,3,4.1,概述,4.1.1,病毒的概念,病毒是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超 显微“非细胞型生物”，其本质是一种只含,DNA,或,RNA,的遗传因子，能以感染态和非感染态两种状态存在。,病毒,(virus),，拉丁语的原意是,“,毒素,”,。,病毒和病毒颗粒、病毒粒、病毒体,(virijon),是其同义词。,4,4.1.2,人类对病毒的发现和认识过程,1892,：俄国 伊万诺夫斯基首次发现烟草花叶病毒的感染因子能通过细菌过滤器。,1898,：荷兰 贝格林克 证实该致病因子可以被乙醇从悬液中沉淀下来而不失去其感染性但用培养细菌的方法培养不出来；给这样的病原体起名叫,virus,。,1935,：美国 斯坛莱 从烟草花叶病病叶中提取出了病毒结晶，又证实了结晶中含核酸和蛋白质两种成分，而只有核酸具感染和复制能力。,1952,：,Hershey,和,Chase,证实噬菌体的遗传物质仅仅是,DNA,开创了病毒分子生物学。,1971,后：陆续发现了各种亚病毒,类病毒、朊病毒、拟病毒。,5,4.1.3,病毒特征,1.,形态极其微小,必须在电镜下观察,一般具过滤性,;,2.,没有细胞构造,其主要成分仅是核酸和蛋白质两种，故称,分子生物,;,3.,每一种病毒,只含一种核酸,不是,DNA,就是,RNA;,4.,既无产能酶系,也无蛋白质和核酸酶合成系统，,也没有核糖体，,只能活细胞内,专性寄生,;,5.,靠其宿主代谢系统的协助来,复制核酸、合成蛋白质等组分，然后再进行装配而得以增殖，形成子代；,6.,在离体条件下,能以无生命的化学大分子状态存在,并可长期保持其侵染活力,;,经提纯的病毒结晶能保持侵染力,;,7.,对一般抗生素不敏感,但对干扰素敏感。,(,在寄主细胞内的病毒对各种化学药剂和抗菌素不敏感,);,8.,有些病毒的核酸还能整合到宿主的基因组中，并诱发潜伏性感染。,6,4.1.4,宿主范围（分布）,病毒在自然界分布广、数量多。几乎可以感染所有的生物，包括各类微生物、植物、昆虫、鱼类、禽类、哺乳动物和人类。,根据宿主可以分为：,动物病毒,植物病毒,细菌病毒（或称噬菌体）,7,4.2,病毒（,virus,）的形态构造和化学成分,4.2.1,病毒的大小,4.2.2,病毒的形态构造,4.2.3,化学组成,8,4.3,病毒的分类,病毒分类的主要依据：,病毒的结构和寄主范围,根据寄主范围不同分为：,细菌病毒（噬菌体）,植物病毒,昆虫病毒,根据,ICTV1995,年第六次报告，现已知病毒有,3600,多种，分别属于,71,个科，但科以上的分类结构尚未建立，一般归为以下七类：,dsDNA,有包膜的病毒,dsDNA,无包膜的病毒,ssDNA,无包膜的病毒,dsRNA,有包膜的病毒,dsRNA,无包膜的病毒,ssRNA,有包膜的病毒,ssRNA,无包膜的病毒,9,4.4,各类病毒及其繁殖方式,4.4.1,原核生物病毒,-,噬菌体,4.4.2,植物病毒,4.4.4,人类和脊椎动物病毒,4.4.3,昆虫病毒,10,4.5,亚 病 毒,4.5.1,类病毒,(Viroid),4.5.2,拟病毒,(Virusoid),4.5.3,朊病毒,(Prion),只含核酸或蛋白质一种成分的分子病原体,包括：,11,4.6,病毒与实践,病毒与实践的关系极密切，由病毒引起人、动物、植物病害，对发酵工业的不利影响，利用它们进行生物防治，生化制药（疫苗生产）和作遗传工程中的外源基因载体等。,1.,噬菌体与发酵工程,2.,昆虫病毒用于生物防治,3.,病毒在基因工程中的应用,12,测定病毒大小的单位是纳米,(nm),（,10,9,),，多数病毒的直径在,100nm,以下,.,绝大多数病毒是能通过细菌滤器,须用电镜才能观察到其具体形态和大小。,13,14,牛痘苗病毒,传染性浓泡皮炎病毒,大蚊病毒,腮腺炎病毒,T,偶数病毒,疱疹病毒,腺病毒,流感病毒,多瘤病毒,脊髓灰质炎病毒,披膜病毒,烟草花叶病毒,副黏病毒,核糖体,呼肠弧病毒,天花病毒,15,多数病毒呈球形或近似球形，杆状，丝状，少数可为子弹状、砖块状，噬菌体可呈蝌蚪状。,16,病毒粒子,(virus particle),：,指成熟的、结构完整的、有感染性的病毒个体。,在电子显微镜下呈特定的形态。,17,1.,病毒粒子的基本结构,衣壳,核心,包膜,刺突,核衣壳,衣壳粒,病毒粒子结构模式图,A.,结构简单的病毒粒子,B.,结构复杂的病毒粒子,18,2,、病毒的对称体制,由于壳粒在壳体上的不同排列，病毒具有三种,典型形态,结构：,廿面体对称的结构,(,球状,),螺旋对称的结构,(,杆状,),复合对称的结构,(,蝌蚪状,),大肠杆菌的,T,偶数噬菌体是由椭圆形的二十面体头部和螺旋对称的尾部组合而成，是病毒中复合对称的代表。,19,病毒粒子的对称体制,螺旋对称,二十面体对称,(A) Filamentous,(B) Complex,(C) Eicosahedral,(D) Enveloped,RNA or DNA,Protein Coat,(Capsomers),Lipid envelope,20,3,、三类典型形态的病毒及其代表,二十面体对称的代表,-,腺病毒,复合对称的代表,-T,偶数噬菌体,螺旋对称的代表,-,烟草花叶病毒,(TMV),21,（,1,）螺旋对称的代表,-,烟草花叶病毒,(tobaco mosaicvirus,TMV),有三种类型：纤维状、直杆状和弯曲杆状。衣壳形似一中空柱，内包核酸，衣壳粒和核酸呈螺旋对称形排列。由,95,衣壳,Pr,和,5,SSRNA,组成。蛋白质衣壳由衣壳粒（,2130,个）一个紧挨一个地呈螺旋排列而成，,ssRNA,位于衣壳内侧螺旋状沟中。,22,二十面体对称的代表,-,腺病毒,具有,20,个面，,30,条边和,12,个顶角。核衣壳由不同数量的衣壳粒按一定方式排列成对称体。腺病毒粒子共由,252,个球形的衣壳粒排列成一个具有廿面的对称体，线状,dsDNA,。,噬菌体,X174,只有,12,个衣壳粒，最大的廿面体是由,1,，,472,个衣壳粒组成的昆虫病毒粒子。,23,绝大多数噬菌体为蝌蚪形，现以,E.coli T4,为例，介绍蝌蚪形噬菌体的结构：,大肠杆菌,T4,噬菌体构造,复合对称的代表,T,偶数噬菌体,95nm,95nm,65nm,24,环,颈环,24,包涵体,(inclusion body),噬菌斑,(plaque),空斑,(plaque),枯斑,(lesion),病毒的群体形态有：,25,概念：感染病毒的宿主细胞内，出现在光学显微镜下可见的大小、形态、数量不等的小体，称为包涵体。,在宿主细胞内形成包涵体是病毒的特征，不同的病毒其形成的包涵体具有不同的形态、结构和特性。,包涵体在细胞中的形成部位：,位于细胞核内,如包疹病毒,位于细胞质内,如狂犬病毒等,胞核内胞质都有,麻疹病毒,（,1,）包涵体,（,inclusion body,）,26,包涵体（,inclusion body,）,是病毒的聚集体,;,是病毒的合成部位,;,是病毒蛋白和与病毒感染有关的蛋白质,非病毒性包涵体,由化学因子或细菌感染形成,包涵体的实践意义,-,病毒鉴定、临床诊断依据。,27,(2),噬菌斑,(plaque),噬菌斑是指在宿主细菌的菌苔上，噬菌体使菌体裂解而形成的空斑。,应用：,1.,噬菌体定量计数,2.,噬菌体的鉴定,28,空斑和病斑,在动物细胞培养物上的与噬菌斑类似的空斑,称为病斑,.,因为受肿瘤病毒感染。,空斑和病斑用于动物病毒粒子的计数也可以采用噬菌斑法类似的技术。,29,枯斑：,植物病毒在植物叶片上,形成的群体称为枯斑。,30,4.2.3,化学组成,病毒的主要成分,核酸（,DNA,或,RNA,）,蛋白质,有的还含有,脂质,糖类,31,1.,病毒的核酸,病毒核酸是病毒粒中最重要的成分，是病毒繁殖、遗传变异与感染性的物质基础。核酸构成了病毒的基因组。,32,一种病毒,只,含有一种核酸（,DNA,或,RNA,）。,植物病毒绝大多数含,DNA;,少数含,RNA,；,动物病毒一部分含,DNA,，一部分含,RNA,；,细菌病毒普遍含,DNA,，含,RNA,的极少。,病毒的核酸类型极为多样化：,病毒的,DNA,与,RNA,均有单链和双链：,dsDNA ssDNA dsRNA ssRNA,病毒核酸的种类,33,病毒,DNA,分子有线状和环状之分,34,2.,病毒的蛋白质,有的病毒只有一种蛋白质，多数含有为数不多的几种蛋白质。,病毒蛋白质的氨基酸组成与其他生物一样，但不同病毒蛋白质的氨基酸组成和含量各不相同。,病毒蛋白质主要在构成病毒结构、病毒的侵染与增殖过程中发挥作用。,35,3.,其他成分,一些较复杂的病毒（如包膜病毒）除含有核酸和蛋白质两种成分外，还含有脂类、多糖等其他成分。,大蚊虹色病毒含有,5%,脂类,流感病毒除含,19%,脂类外，还含,6%,的非核糖成分的糖类,磷脂、胆固醇和中性脂肪（存在于包膜中）,脂类主要是,:,葡萄糖、龙胆二糖、岩藻糖、半乳糖,糖类主要是,:,如：,36,4.4.1,原核生物的病毒,噬菌体,噬菌体：是病毒中的一种，一般把侵染细菌、放,线菌、,蓝细菌,的病毒叫噬菌体，包括噬细,菌体、噬放线菌体、噬蓝细菌体等。 把,侵染真菌的病毒叫噬真菌体。,37,1.,噬菌体的类型,温和噬菌体（,temperate phrage,）,噬菌体感染细胞后，将其核酸整合（插入）到宿主细胞核的,DNA,上，并且可以随宿主,DNA,的复制而进行同步复制，在一般情况下，不引起寄主细胞裂解的噬菌体。,烈性噬菌体（,virulent phage,）,感染细胞后,能在寄主细胞内增殖，产生大量子代噬菌体并引起细菌裂解的噬菌体。,38,噬菌体的繁殖分为：,2.,噬菌体的繁殖,裂解性周期（增殖性周期）：烈性噬菌体的繁殖过程。,吸附,侵入,增殖（复制与生物合成）,成熟（装配）,裂解（释放）,39,吸附,(adsorption),噬菌体对宿主细胞的吸附具高度的特异性。,吸附的机理：尾丝尖端与受体发生共价结合,。,40,影响吸附的因素,：,噬菌体数量,；,阳离子浓度,；,温度,；,辅助因子（生物素）等。,自外裂解：大量噬菌体吸附在同一细胞表面并释放众多的溶菌酶，最终因外在的原因导致细胞裂解。,41,侵入,(penetration),头部的核酸通过,中空的尾髓压入,细胞内，而蛋白质,外壳则留在细胞外。,尾鞘的收缩性可,明显提高噬菌体,核酸注入的速率。,42,增殖,(replication),包括核酸的复制和蛋白质的生物合成。,增殖是通过噬菌体基因表达实现的。,核酸的复制与病毒蛋白质的合成是分开进行的。,43,病毒核酸链接入寄主核酸链,病毒核酸复制,病毒核酸的复制,44,成熟（装配）,已合成的各部件进行自行装配成新的噬菌体的过程。,T,偶数噬菌体装配过程模式图,45,被感染细胞裂解，成熟的子代噬菌体转移到外界，,开始新的生活史。,裂解（释放）,裂解量：平均每一宿主细胞裂解后,所产生的子代噬菌体数。,46,3.,噬菌体增殖规律的描述方法,-,一步生长曲线,定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线。,47,一步生长曲线的三个阶段,:,潜伏期,裂解期,平稳期,噬菌体的核酸侵入宿主细胞至第一个成熟噬菌体粒子装配前的一段时间。,紧接在潜伏期后的宿主细胞迅速裂解、溶液中噬菌体粒子急剧增多的一段时间。,感染后的宿主细胞已全部裂解，溶液中噬菌体效价达到最高点的时期。,48,温和噬菌体特点,游离态,温和整合态,(,原噬菌体）,营养态,具有整合能力,具有同步复制能力,都是,dsDNA,4.,溶源性,溶源性：温和噬菌体侵入宿主细菌细胞后，由于其核酸整合到宿主核基因组上，并随宿主核酸同步复制，并不引起宿主细胞裂解的特性。子代均具有溶源性。,温和噬菌体存在形式,49,溶源性与溶源性细菌,溶源性细菌：含有原噬菌体的细菌称为溶源性细菌,（,lysogenic bacteria,）,或溶源化细胞,(lysogeniccell),。溶源菌是一类能和温和噬菌体长期共存，一般不会出现有害影响的细胞。,溶源性（溶源现象）：是温和噬菌体侵入宿主细菌细胞后，由于其核酸整合到宿主核基因组上，并随宿主核酸同步复制，并不引起宿主细胞裂解的特性。,凡能引起溶源性的噬菌体即为温和噬菌体。,50,噬菌体的应用,噬菌体会给人类造成损失，利用微生物进行发酵的工业常深受其害。但是，由于噬菌体的某些生物学特性，使其在人类的生产实践和生物学基础理论研究中都有一定价值。可概括为以下几方面。,51,1),用于鉴定未知细菌 在医学上，有些难鉴别的病原菌，利用噬菌体对宿主细胞的高度专化性的敏感性，不仅可鉴定到菌种，而且可鉴定到菌型。,2),用于临床 治疗某些传染性疾病。 如果将噬菌体制剂与抗生素或者磺胺药物配合应用，则效果更好。,3),检验植物病原菌 利用噬菌体可以检验由种子携带的植物病原菌。,4),测定辐射剂量 某些噬菌体,(,如,T2),对辐射剂量的反应敏感而精确。,5),噬菌体在分子生物学研究中的作用 噬菌体现已成为进行分子生物学研究的较为理想的重要材料。,52,4.4.2,植物病毒,已知的植物病毒多达,700,种（,1989,年），多数是,ssRNA,病毒。,1619,年荷兰画师描画的有病郁金香的画像,形态：杆、丝、球状，一般无包膜。,53,花叶、黄化或红化等症状,植株发生矮化，丛枝或畸形等,形成枯斑或坏死等症状,植物感染病毒后的主要症状,植物黄萎病,54,借昆虫刺吸式口器进入、通过,伤口或嫁接进入 ，再通过胞,间连丝或输导组织迅速向其它,部位扩散引起普遍感染。,1,、,“,侵入,”,方式,3,、核酸的复制和蛋白质的合成,2,、脱壳,植物病毒侵入宿主细胞后才能发生脱壳。,增殖过程,4,、装配（成熟）,55,多角体：,多数昆虫病毒可在宿主细胞内形成光镜下呈多角形的包涵体。,直径一般,3m,（,0.5,10m,），碱溶性蛋白，内包裹数目不等的病毒粒，可在细胞核或细胞质内形成。,功能：,保护病毒粒免受外界不良环境的破坏。,4.4.3,昆虫病毒,已知昆虫病毒,1671,种（,1990,），其中,80,以上鳞翅目昆虫的病原体。,56,昆虫病毒的种类,除非包涵体病毒外，可分为：,核型多角体病毒,(nuclear polyhedrosis virus,NPV),质型多角体病毒,(cytoplasmic polyhedrosis virus,CP,V,),颗粒体病毒,(granulosis virus,GV),57,昆虫病毒做为生物农药优点：,专一性高,毒力大,后效长,使用方便,对人畜安全,无公害,缺点危害经济动物,58,4.4.4,人类和脊椎动物病毒,在人类与脊椎动物中广泛寄生着相应的病毒。人类传染病,80,由病毒引起（,300,种），脊椎动物病毒,900,种，许多病毒引起人畜共患病。另一些病毒感染动物后，并不致死宿主细胞，而是引起肿瘤。,种类,:,dsDNA,、,ssDNA,、,dsRNA,、,ssRNA,。,衣壳外有的有包膜，有的无包膜，有的包膜上有刺突。,59,病毒感染的防治,接种疫苗、,生物制剂、,中药预防、,干扰素等。,增殖过程,与噬菌体的增殖大致相同，可分为五个连续步骤：,1,）吸附 具高度专一性地吸附于敏感细胞表面的受体。,2,）侵入 以胞饮、包膜溶入细胞膜、特异受体转移等方式侵入敏感细胞内。,3,）脱壳 脱去衣壳和包膜。,4,）生物合成 核酸的复制和蛋白质的合成。,5,）装配和成熟 分别合成的核酸和蛋白质组合成完整的、新的病毒粒子。,6,）释放大量有侵染性的子代病毒。,60,类病毒,只含,RNA,一种成分，专性活细胞内寄生的分子病原体。,是寄生于高等生物细胞中一类最小的新的病原体。,ssRNA,，分子量约,510,4,Da,1210,4,Da,，为已知最小病毒分子量的十分之一左右。,到目前为止，类病毒只在植物中被发现。类病毒对各种化学和物理因子的作用都不敏感，对热以及紫外光和离子辐射有高度抗性。,61,类病毒,(Viroid),马铃薯纺锤块茎病的病原体,长,50nm,棒状,RNA,分子,179,核苷酸半体,180,核苷酸半体,RNA,由,组成,两半体间有,70,碱基以氢键方,式结合共形成,122,个碱基对，,27,个内环。,Viroid Diseases of Potato,62,拟病毒,(virusoids,，类病毒,),是包裹在动植物病毒粒子中的类病毒,极其微小，仅由裸露的,RNA,（,300,400,个核苷酸）或,DNA,组成。,辅助病毒：,类病毒“寄生”的真病毒。,拟病毒为辅助病毒的“卫星”，其复制必须依赖辅助病毒的协助。拟病毒也可干扰辅助病毒的复制、减轻其对宿主的病害、用于生物防治中。,63,是一类不含核酸的侵染性蛋白质分子。,小型蛋白质颗粒，分子量,3.310,4,3.510,4,Da,约由,250,个氨基酸组成。,能引起宿主体内现成的同类蛋白质分子发生与其相似的构象变化而使宿主致病。,毒性很强，,1g,含朊病毒的鼠脑可感染,1,亿只小鼠。,朊病毒,64,引起的疾病,羊搔痒病、疯牛病、疯羊病、克雅氏病。,朊病毒侵入人体大脑的过程,借食物进入消化道，再经淋巴系统侵入大脑。,65,与真病毒的主要区别,:,（,1,）在电镜下，朊病毒呈淀粉样颗粒状，成丛排列，每丛大小和形状不一；,（,2,）无核酸成分；,（,3,）无免疫原性；,（,4,）由宿主细胞内的基因编码；,（,5,）抗逆性强，能耐杀菌剂（甲醛）和高温（,120,130,处理,4h,后仍具感染性）。,66,人的库鲁病,(kuru),、克雅氏病,(Creutzfeldt Jakob disease, CJD),等,羊搔痒症,(scrapie),牛海绵状脑病,(spongiform encephalopathy),67,病毒与实践,发酵周期明显延长,碳源消耗缓慢,发酵液清淡,发酵产物形成缓慢或根本不形成,噬菌体检测会发现大量噬菌斑,电镜可见噬菌体,1.,噬菌体与发酵工程,噬菌体对发酵工业的危害很大,，,当发酵液受噬菌体严重污染时，会出现以下异常表现：,68,发酵生产时预防措施,决不使用可疑菌种,严格环境卫生,活菌液严禁排放,通气加料严控,严格执行会客制度,设备灭菌,补救方法：,加药抑制,及时更换菌种,使用抗噬菌体菌株,尽快提取产品,69,2.,昆虫病毒用于生物防治,一部分昆虫对人类有利，大量的对人类有害。利用病毒制剂进行生物防治。,优点：,（,1,）致病力强，使用量小；,（,2,）专一性质，安全可靠；,（,3,）抗逆性强，作用久长；,（,4,）生产简便，成本低廉；,（,5,）资源丰富（已发现的昆虫病毒近,2000,种）。,70,3.,病毒在基因工程中的应用,动物,DNA,病毒作为动物基因工程的载体,噬菌体作为原核生物基因工程的载体,植物,DNA,病毒作为植物基因工程的载体,昆虫,DNA,病毒作为真核生物基因工程的载体,在基因工程操作中，病毒是除原核生物外的最好的外源目的基因的载体。,71,这个报告认可的病毒约,4000,种，设有三个病毒目，,64,个病毒科，,9,个病毒亚科，,233,个病毒属，其中,29,个病毒属为独立病毒属。亚病毒因子类群，不设科和属。包括卫星病毒和,prion,（传染性蛋白质颗粒或朊病毒）。一些属性不很明确的属称暂定病毒属。,国际病毒分类委员会（,ICT V,）第七次报告（,1999,），将所有已知的病毒根据核酸类型分为八大类群：,单股,DNA,病毒,双股,DNA,病毒,DNA,与,RNA,反转录病毒,双股,RNA,病毒,单股,RNA,病毒,单链,RNA,病毒,裸露,RNA,病毒,类病毒,此外，还增设亚病毒因子一类,72,