普通遗传学-第16部分

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图5…1　　病毒的多样化形态和大小范围
一种病毒只含一种核酸，要么是DNA，要么是RNA。植物病毒绝大多数为RNA病毒，少数为DNA病毒。动物病毒一部分为DNA病毒，一部分为RNA病毒。细菌病毒则普遍是DNA病毒，RNA病毒为数极少。真菌病毒大多数也是RNA病毒。
大多数病毒粒子中只含有一个核酸分子，但在RNA病毒中少数病毒含有2个或2个以上的核酸分子，而且各个分子担负着不同的遗传功能，它们一起构成了病毒的基因组。病毒核酸的类型极为多样化。DNA和RNA病毒基因组不仅有单链和双链、线状和环状之分，而且还有正链和负链之分。DNA病毒和DNA多数为双链，少数为单链；RNA病毒的RNA多数为单链RNA，少数为双链RNA。
有的病毒只含一种蛋白质，如烟草花叶病毒；多数含有为数不多的几种蛋白质。成熟的具有侵染行为的单个病毒颗粒常称为病毒粒子。病毒核酸位于病毒粒子中心，构成它的核心（core）或基因组，四周为由病毒蛋白质组成的壳体所包围。壳体是同许多被称为衣壳料的蛋白质亚单位以高度重复的方式排列而成的。核心和壳体组成了病毒的基本结构——核壳体（nucleocapsid）。
5。1。2　　病毒的类型
几乎所有的生物都有病毒。为此，人们习惯于根据宿主种类将病毒分为微生物病毒、植物病毒、无脊椎动物病毒以及脊椎动物病毒。
5。1。2。1　　微生物病毒
这类病毒广泛寄生于细菌、真菌、单细胞藻类等细胞内。细菌病毒一般称为噬菌体（bacteri…ophage，简称phage）。它是遗传学研究中的一个方便的遗传模式系统。例如T4噬体是双链DNA病毒，蝌蚪状，由二十面体对称的头与螺旋对称的尾构成，为复合对称结构（图5…2）。头部长95nm，宽65nm，在电镜下呈椭圆形二十面体，其壳体由212个直径为6nm的衣壳粒组成，线状双链DNA位于头部的核心。尾长95nm，由尾管、尾鞘、基板、刺突与尾丝等组成。尾管是位于头部核心的DNA进入宿主细胞的通道，尾丝与刺突均有吸附功能。
5。1。2。2　　植物病毒
植物病毒的研究没有细菌病毒和动物病毒研究得多。但病毒学的开创性工作和重要的研究成果都来自烟草花叶病毒（tobacco　mosaic　virus；TMV）。植物病毒粒子有3种基本形态：杆状、长
丝状以及等轴对称的近球状二十面体。绝大多数没有包膜。所含核酸有线状ssRNA、线状dsRNA、环状dsDNA和环状ssDNA。绝大多数是线状ssRNA。基因组多数为单组分，即只由一个核酸分子组成。这若干个组分分散在几个病毒粒子中（这种多分体现象为RNA病毒所物有）。例如，烟草脆裂病毒基因组由分散在2个杆状粒子中的一大一小2个RNA分子所组成。较大的RNA分子虽然有侵染性，但新病毒粒子的合成要有2个RNA分子同时存在才行。
植物病毒在自然条件下的传播较多地依赖于昆虫载体，也有不少是种子传播的，少数通过接触传播。以无性繁殖植物为宿主的病毒还可通过营养繁殖传播。
很多植物病毒专一性不强，它们往往可寄生在不同种、属甚至不同科的植物上，如TMV可侵染10余科、百余种的草本和木本植物。
5。1。2。3　脊椎动物病毒
脊椎动物病毒是指寄生于人类、哺乳动物、禽类、两栖类、爬行类和鱼类等各类脊椎动物细胞内的病毒。它们中有许多由于引起人与动物多种严重疾病（包括肿瘤）而得到充分研究，例如流感病毒（influenza　A　virus）、乙型肝炎病毒（hepatitis　B　virus）、艾滋病病毒及流行性乙型脑炎病毒等。
该类病毒粒子很多是等轴对称的近球状二十面体，有些粒子的核壳为螺旋对称结构，少数呈复合对称的砖形或子弹状。有些有包膜，所含核酸有线状dsDNA、环状dsDNA、线状ssDNA、线状dsRNA。其中以线状ssRNA最普遍，线状dsDNA次之。有些ssRNA病毒的基因组也为多组分。例如，甲、乙型流感病毒和丙型流感病毒的基因组分别由8和7个节段RNA组成，它们被包裹到一个病毒粒子中。
5。1。2。4　无脊椎动物病毒
该类病毒主要见于昆虫，但在甲壳动物、软体动物以及其他无脊动物中都有发现。
5。1。2。5　亚病毒
1971年以来，陆续发现了比病毒更为简单的生命形式。它们是类病毒、拟病毒以及朊病毒。
类病毒（viroid）：仅含一个单链环状、相对分子质量小的裸露的RNA分子的病原体。发现的第一个类病毒是马铃薯纺锤形块茎病类病毒（potato　spindle　tuber　viroid），为棒状，无蛋白质外壳，仅含一个有359个核苷酸组成的单链环状RNA分子。该分子内有很多碱基（约70％）通过分子内氢键配对而形成双螺旋区，未配对碱基则形成内环。双螺旋与内环交替排列形成一个伸长的棒状分子（图5…3）。类病毒RNA相对分子质量虽小，但能独立侵染寄主，侵入寄主后也能自我复制，不需要辅助病毒。有报道动物有DNA类病毒。




图5…3　　马铃薯纺锤形块茎病类病毒（PSTV）的结构
拟病毒（virusoid）：这是一类在病毒壳体内的类病毒，拟病毒的粒子中含有两类核酸，一类为线状单链RNA（RNA…1），相对分子质量较大（约1。5×106）；另一类是环状单链RNA（RNA…2），其相对分子质量与二级结构均与类病毒相似。与类病毒RNA不同的是RNA…2不能单独侵染寄主和复制自身，拟病毒的RNA…1和RNA…2之间存在着互相依赖的关系，二者必须同时存在才能感染寄主、复制核酸和产生新的拟病毒粒子。
朊病毒（prion）：这是一类具侵染性并在宿主细胞内复制的蛋白质颗粒。1982年，美国人Prusiner在研究引起山羊瘙痒病的病原体时发现，该病原体在经过高温、辐射以及化学药品等能使病毒失活的处理后依然存活，而且它只对蛋白酶是敏感的，因而认为病原体是一种仅由蛋白质组成的侵染性颗粒，并命名为朊病毒。现在认为，引起山羊、绵羊瘙痒病以及人的库鲁症（kuru；又叫人类亚急性海绵状脑症）和脑脱髓鞘病变（Rentzeld…Jacob病的病原体）是朊病毒。电镜下观察到的朊病毒为脑脱髓鞘病变杆状颗粒，直径25nm，长100～200nm。杆状颗粒不单独存在，而呈丛状排列，丛的大小与形状不一，颗粒丛所含颗粒多时可有100个。朊病毒的发现更加丰富了“中心法则”的内容，并可能对一些疾病的病因、传播研究以及治疗带来新的希望。
5。1。3　　噬菌体的生活周期
噬菌体是指细菌病毒，就化学本质来讲，有RNA噬菌体、DNA噬菌体单体DNA和DNA噬菌体及双链DNA和RNA噬菌体等。它没有一般的细胞结构，仅由核酸和周围的蛋白质外壳构成。T偶列噬菌体（T…even　phage）的结构见图5…2。就它和寄主的关系来讲，可以分为烈性噬菌体和温和噬菌体两大类。
5。1。3。1　　烈性噬菌体
噬菌体的增殖包括吸附、侵入、核酸复制与蛋白质合成、装配以及释放5个阶段（图5…4）。
1．吸附
大肠杆菌的T系列噬菌体以其尾丝尖端附着在大肠杆菌的细胞壁上。附着时，噬菌体是以其尾丝尖端的蛋白质吸附在菌体细胞表面的特异受体上的。不同噬菌体吸附在不同的受体上。例如T3、T4和T7噬菌体吸附在脂多糖受体上，T2和T6噬体的受体为脂蛋白。但是有尾巴的噬菌体并非都吸附在细菌的细胞壁上，有的吸附在细菌荚膜上，有的则吸附在细菌的鞭毛上。
2．侵入
T4噬菌体吸附在大肠杆菌细壁上后，先是尾丝收缩，使尾管碰及细胞壁，这时尾管的溶菌酶溶解接触处细胞壁中肽聚糖，在细胞壁中“钻”了一个小孔，然后通过尾鞘收缩，把尾管推出并插入细胞壁中，DNA就通过尾管“注射”到细菌细胞质中，而蛋白质外壳则留在菌体外（图5…4）。








图5…4　　噬菌体的生活周期
3．核酸的复制、转录与蛋白质的生物合成
噬菌体DNA进入大肠杆菌后，双链DNA解螺旋，分别以（＋）、（…）链为模板复制出子代病毒±DNA从其中的（…）DNA转录出MRNA，合成病毒蛋白质。T7噬菌体的基因组和基因指导蛋白质合成的顺序见图5…5。
4．装配
装配是指将合成的病毒各部件装配在一起成为成熟病毒粒子的过程。T4噬菌体的装配过程：①头部壳体中装进DNA，成为成熟的头部。②由基板、尾管和尾梢等各部件装成尾部。③头部与尾部的装配。④总装，最终装上尾丝，成为成熟的噬菌体（图5…6）。已知，装配过程中至少有50种不同蛋白质和60多个基因参与。而且，装配需要在其中一些非结构蛋白的指导下进行。
5．释放
噬菌体借助于尾管的溶菌酶裂解宿主细胞，一下子释放出大量的子病毒。尽管噬菌体只有通过电子显微镜才能观察到，但我们可以通过观察噬菌体对细胞的影响，很容易对其进行计数。这种分析方法称为噬菌斑测验（plague　assay）。在测验过程中，首先将噬菌体颗粒与细菌细胞在少量含有细菌生长营养成分溶化的琼脂中进行混合，然后将混合物倒入另一培养皿中固体琼脂培养基的上层，此时琼脂就会迅速凝固。当细菌经过一夜培养之后，就可形成一层均一的、混浊垫层，当噬菌体裂角细菌细胞后，细菌垫层上就会出现许多清晰的小孔，即噬菌斑（plaque）。












图5…5　　噬菌体T7基因组及其产物
示早期蛋白、中期蛋白和晚期蛋白，并示基因大小。数字为基因编号。蛋白质合成从基因组左端开始
噬菌体是如何形成噬菌斑的呢？原来，在原始混合物中感染每一个细菌细胞的噬菌体都利用宿主细胞的DNA、RNA和蛋白质合成机器迫使细菌细胞合成组成噬菌体的产物，最后噬菌体DNA和蛋白质再装配完整的子代噬菌体。对于T4而言，大约在感染细菌后顾之25min，细胞裂解，可释放出数百个子代噬菌体。此时琼脂已经凝固，噬菌体不能漂浮开，而只能感染邻近细胞。这一过程反复重复下去，直到在细菌垫层上出现清晰可见的噬菌斑。
一般而言，原始悬浮培养液中的每一个噬菌体粒子都可能形成一个噬菌斑。因此，通过计数噬菌斑就可知道一定容量中侵染细菌的噬菌体或噬菌斑形成单位（plague…forming　unit）数，因为一个细菌细胞只能被一个病毒粒子所感染。假定将最初的悬浮混合培养物按1∶105稀释，然后再取0。25ml涂布到细菌平板上；又假定我们从一个平板上获得了100个噬菌斑，据此就可计算出每毫升最初悬浮液含有400×105=4×107个噬菌体或噬菌斑形成单位。
5。1。3。2　　温和噬菌体
某些温和噬菌体侵染细菌后，其DNA整合到宿主细菌染色体中。这种处于整合状态的噬菌体DNA称为原噬菌体（prophage）（图5…7）含有原噬菌体的细胞称为溶原性细菌（lysogenic　bacteria）或溶原体。













图5…6　　T4噬菌体的装配
装配从4个不同途径开始，数字示参与各步骤的T4基因的产物
原噬菌体虽然带有噬菌体的基因，但是在溶原性细菌中，它们所携带的遗传信息由于受噬菌体本身编码的一种特异阻遏物作用而得不到表达。所以，原噬菌体不进行DNA复制和蛋白质的合成，而随着宿主细菌染色体的复制而同步复制。并且，随着宿主细胞分裂而平均分配到两个子细胞中去，代代相传，这样便进入溶原周期（lysogenic　cycle）（图5…8）。Apell（1962）提出λ噬菌体整合到寄主细菌的模型。λ噬菌体感染寄主细胞后，其染色体便由线状转变为环状。这一环状DNA分子以它的附着位点attP和细菌染色体DNA的同源位点attB发生联会，然后通过一次交换而整合到寄主染色体上。噬菌体中有很多温和噬菌体，例如λ、Mu…1、P1和P2等，其中P1噬菌体并不整合到细菌染色体上，而是独立存在于细胞质内。溶原性细菌对赋予其溶原性的噬菌体及其相关的噬菌体有免疫性。这是因为存在于每个溶原性细胞的细胞质中的cI阻遏物能结合到重复侵染的噬菌体基因的操作子（operator）上，从而阻止其复制和建立原噬菌体。但在某些情况下，溶原性细菌培养物中会有很小一部分（10…3～10…6）细胞，由于原噬菌体脱离整合状态，增殖产生大量子噬菌体而导致细菌细胞裂解。在自然情况下溶原性细菌的裂解称为自发裂解（spontaneous　lysis）。若经紫外线、氮芥、X射线等理化因子处理，大部分甚至全部细菌细胞都会裂解。这种经诱导因子处理的高效率裂解称为诱发裂解（inducrive　lvsis）。