病毒的复制机理

高双晨

病毒在科学上引起了很多的争论:如发现了反转录过程和自我复制,补充了中心法则,又发现了朊病毒,对中心法则又发起了冲击,挑战了生命的定义。新课标高中生物教材中也多次说到病毒:基因工程中用作运载体;动物细胞工程中用作促融;在免疫中作抗原。

病毒核酸的类型

病毒的核酸包括双链DNA(dsDNA)、单链DNA(ssDNA)、双链RNA(dsRNA)、单链RNA(ssRNA)等不同类型;病毒颗粒中的组成成分有简有繁,有的颗粒自带专门用于病毒复制的核酸酶,有的则无。有的病毒核酸并不仅有一个分子,如流感病毒有8条RNA,呼肠孤病毒有11-12条dsRNA。由于病毒种类繁多,核酸类别不同,因而病毒的复制机制不尽相同。

双链DNA(dsDNA)病毒的复制

双链DNA病毒中的腺病毒、疱疹病毒和乳多空病毒都在核内进行基因组的复制和衣壳的装配(见呼肠孤病毒的装配模型图和水疱性疱疹的出芽图);有些病毒的基因组复制基本上在核内进行,而衣壳的装配却在细胞浆内。病毒在胞浆内脱壳后DNA进入核内,在寄主细胞转录酶的作用下合成mRNA,一部分基因组转录早期mRNA,它们转译早期蛋白质,包括酶和T抗原等。T抗原即肿瘤抗原,能促进细胞合成DNA。病毒DNA的复制依赖于细胞的核酸聚合酶,由此产生的子代DNA用于转录晚期mRNA,在胞浆内转译病毒的结构蛋白,并转移到细胞核内,供装配病毒粒子的衣壳。当然实际复制过程复杂得多,而且各病毒科间的差异很大。

双链RNA(dsRNA)病毒的复制

双链RNA病毒有两个特点,一是它的基因组为10-12条双链RNA分子;二是它有双层衣壳,而没有囊膜。病毒的RNA-RNA聚合酶存在于髓核中,在该聚合酶的作用下病毒基因组转录正链RNA,它们自髓核逸出。它们既能作为mRNA,又能作为病毒基因组的模板。mRNA翻译结构蛋白,装配内层衣壳后,正链RNA进入,并形成双链RNA。然后又重复上述过程,最后获得了外层衣壳。

单链DNA(ssDNA)的复制

以噬菌体的复制为例,大肠杆菌噬菌体φX174是单链环状DNA噬菌体。当侵入寄主后,侵入的单链DNA称为正链DNA。以正链DNA为模板利用寄主细胞的DNA聚合酶复制出与之互补的负链DNA,然后形成双链DNA。在DNA酶的作用下,正链DNA被切断,它的某些内部结构被暴露出来。此时DNA聚合酶以负链DNA为模板,按碱基配对原理,把适当的脱氧核苷酸加至上述被暴露的结构部分。随着复制的进行像一条长尾巴似的被滚出去,所以这种方式叫滚环复制。不断的滚动,复制不断重复,因而新合成的单股长链是一条重复序列,像一条大链条。由核酸内切酶把大链条切成一节一节的线状DNA,每一节都含有相同的碱基序列,最后由DNA连接酶将每一节的首尾相连,形成单链环状DNA。

单链RNA(ssRNA)病毒的复制

有些ssRNA病毒,一旦病毒颗粒中的RNA进入寄主细胞,就直接作为mRNA,翻译出所编码的蛋白质,其中包括衣壳蛋白和病毒的RNA聚合酶。然后在病毒RNA聚合酶的作用下复制病毒RNA,最后病毒RNA和衣壳蛋白自我装配成成熟的病毒颗粒。这类病毒很多,如ssRNA噬菌体、脊髓灰质炎病毒、鼻病毒、TMV等。还有另一类ssRNA病毒,它们的复制特点是病毒颗粒中的ssRNA病毒为负链,进入寄主后不能直接作为mRNA,而是先以负链RNA为模板由转录酶转录出与负链RNA互补的RNA,再以这个互补RNA作为mRNA翻译出遗传密码所决定的蛋白质。这类病毒称之为负链非浸染型病毒,如滤泡性口腔炎病毒、流感病毒、副流感病毒、莴苣坏死黄化病毒等。此外,还有一类特殊的ssRNA病毒即反转录病毒。该类病毒通常引起人和动物的肿瘤,其中包括造成人免疫性缺陷症的艾滋病病毒、白血病病毒、肉瘤病毒等。在它们的髓核中携带反转录酶,能使RNA反向转录成DNA,丰富和发展了分子生物学的中心法则。它们的复制有其特有的特点,一是单链RNA的基因组必须反转录成双链DNA;二是随后这种DNA必须整合到细胞DNA中;三是整合状态长期持续下去并传给子代细胞,也可能转录RNA,生产子代病毒或使细胞转化;四是感染细胞不会死亡,分裂不停止。也就是说这类病毒的潜伏期很长,有时可以终身带毒而不发病。

综上,病毒复制的特点表现在:一是利用寄主细胞的物质和能量进行病毒生物大分子的合成;二是复制周期短,繁殖效率高;三是反转录病毒的复制方式,丰富了遗传信息传递的中心法则。

作者单位:江苏省射阳县盘湾中学