高中生物学中有关病毒知识的整合

陈国

病毒因其结构的特殊性，生物学家在分类上将它单独列为病毒界。在高中生物学教材中，有关病毒的知识在不同模块和章节中均有零散的表述，而高考试题也经常涉及相关知识的考查。将零散的知识进行整合与归纳，建构新的知识网络，是高三复习的有效策略。下面结合教学实践，以病毒为“锚”，来归纳高中生物学中有关病毒的应用价值。

1运载目的基因

运载体是基因工程的重要工具。在基因工程操作过程中使用运载体有2个目的：

①用来做运载工具，把目的基因送到受体细胞中；

②利用它在受体细胞内对目的基因进行大量复制(克隆)。

目前使用的运载体有以下2类：一類是细菌的质粒，它是一种相对分子质量较小、独立于染色体DNA之外的环状的DNA(一般在1～200kb左右)；另一类是噬菌体或病毒。随着病毒分子生物学研究的日益深入，人们对病毒的结构与功能也有了越来越深刻的认识，并能运用DNA的体外操纵技术，把病毒改造成不同外源基因的优良载体，通过它们，可以把动物、植物或微生物的目的基因导入到合适的受体系统中，从而获得具有新性状的“工程细胞”或“工程菌”。

这里还要说明的是：最常用的噬菌体载体是大肠杆菌的λ噬菌体。λ噬菌体的遗传物质是双链DNA，大小在50kb左右。λ噬菌体作为基因工程载体时具有很多优点，如载有外源基因的重组λ噬菌体可整合到宿主核基因组上，进而同步复制。λ噬菌体感染率几乎达100％，且宿主范围窄，使用安全。如果将λDNA上的cos基因接λpBR322质粒的抗氨苄青霉素基因上，就会形成一种新的载体，把这种载体叫做，装配型质粒，它的优点是能够容纳极大的外源DNA(可以达到35～40kb)。还有一种运载体需要提及的是噬菌体M13，因为它是单链比较适合于单链DNA的运载，如果进行单链DNA的克隆，就必须使用噬菌体M13。噬菌体M13在Sanger法测定DNA序列中被广泛应用。

2促进动物细胞的融合

在动物细胞工程中一项重要的技术手段是动物细胞的融合技术。目前诱导细胞融合的方法有：物理的、化学的和生物的方法。物理的方法主要是利用震动、离心、电刺激等手段来处理细胞；化学方法是利用聚乙二醇(PEG)等化学物质来诱导细胞融合；而生物的方法是指利用灭活的病毒来促使细胞融合。那么病毒为什么能起到促融作用，目前的解释是：病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能够与细胞膜表面的糖蛋白发生作用，使得细胞之间相互凝集，使细胞膜上的蛋白质分子和脂质分子重新排列，细胞膜打开，细胞发生融合。使用活的病毒是不行的，必须是灭活的病毒，这种病毒是用物理或者化学的方法将病毒杀死，但又不损害其有用的抗原。灭活的病毒既保留了诱导细胞融合的能力又不感染细胞，对于细胞是安全的。世界上最早的灭活病毒是从日本的仙台一实验室分离出来的，因此往往叫做“灭活的仙台病毒”。但是应用这项技术还有很多实际问题，比如细胞的感染率比较低、细胞融合的速度缓慢、反应条件要求高、融合体的去病毒困难等，还有待进一步地探索和研究。目前细胞融合技术主要是采用聚乙二醇(PEG)和电刺激等技术。

3诱发细胞癌变

细胞癌变的原因十分复杂，致癌因素很多，归纳起来主要有物理、化学、病毒三类致癌因子，可见，部分病毒能诱发细胞癌变。研究表明，病毒的致癌性主要是因为它们含有病毒癌基因以及与致癌有关的核酸系列。它们通过感染人体细胞后，将其基因组整合进入人的基因组中，从而诱发人体的细胞癌变，如Rous肉瘤病毒等。据英国流行病学家对癌症诱因的统计分析，病毒感染约占10％～15％。

4承当抗原

抗原的基本性质是：异物性、大分子性和特异性。异物性是指进入机体组织内的抗原物质，它必须与该机体组织细胞的成分不同。

抗原的基本含义有4点：

①大都是指进入机体内的外来物质，如细菌、病毒、花粉等；

②抗原也可以是不同物种间的物质，如马的血清进入兔子体内，马血清中某些蛋白质就成为兔子的抗原；

③同种异体间的物质也可以成为抗原，比如血型、免疫移植等；

④自体内的某些隔绝成分也可以成为抗原，如眼睛的晶体蛋白、精子、甲状腺球蛋白等。

但一般意义上的抗原指的是病菌、病毒一类的病原微生物，因此病毒可以做为抗原的一种。由于病毒都是营寄生生活。所以在病毒的感染过程中，人体往往是先通过体液免疫的作用来阻止病毒通过血液循环而扩散，再通过细胞免疫的作用来裂解靶细胞，使病毒没有藏身之所而被抗体消灭。

5作为疫苗

疫苗是将病原微生物(如细菌、立克次氏体、病毒等)及其代谢产物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的，用于预防传染病的自动免疫制剂。疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。当动物体接触到这种不具伤害力的病原菌后，免疫系统便会产生一定的保护物质，如免疫激素、活性生理物质、特殊抗体等；当动物再次接触到这种病原菌时，动物体的免疫系统便会依循其原有的记忆，制造更多的保护物质来阻止病原菌的伤害。

有的人会担心病毒在人体内会繁殖，这是不可能的。因为选用免疫原性好的细菌、病毒、立克次体等，经人工培养，再用物理或化学的方法将其杀死后才能制成疫苗。因此这种疫苗已经失去繁殖力，但仍然保留其免疫原性。死疫苗进入人体后不能生长繁殖，对机体刺激时间较短，但要获得持久免疫力还需多次重复接种。当然在接种的疫苗中也有活的，它们是用人工定向变异的方法，或从自然界筛选出毒力较弱或基本无毒的活微生物制成活疫苗或减毒活疫苗。常用的活疫苗有卡介苗、麻疹疫苗、脊髓灰质炎疫苗等。接种后在体内有生长繁殖能力，接近于自然感染，可以激发机体对病原体的持久免疫力。活疫苗用量较小，免疫持续时间长，其免疫效果优于死疫苗。

6研究遗传物质的模型

1944年艾弗里及其同事的研究证实了DNA是遗传物质，但是仍然有人提出疑议，因为艾弗里的实验中提取的DNA纯度并没有达到100％，就是说还有一定数量的蛋白质与DNA捆绑在一起。因此有的科学家就设想：能不能把DNA和蛋白质分开，直接地、单独地去观察DNA和蛋白质的作用。1952年美国的生物学家赫尔希、蔡斯及其合作者运用了放射性元素示踪法，对“什么物质管遗传”这个问题进行了深入细致的研究。他们把放射性³²P和放射性³⁵S分别标记在噬菌体的双链DNA分子和蛋白质分子上，来测定噬菌体侵染细菌的情况。赫尔希发现，只有噬菌体的DNA分子能够进入细菌而蛋白质分子却留在外面。当DNA分子进入细菌细胞以后，细菌细胞里就产生了成百上千的小的噬菌体。关于噬菌体的研究再次证明了DNA带有全部的遗传信息。由于赫尔希和德尔布鲁克由于对遗传学的突出贡献，被当时的科学界称为“信息学派”的代表人物，而他们利用的遗传物质的模型恰恰是噬菌体。

7影响生物的进化

病毒作为一种特殊的存在形式，在进化上具有独特的地位和作用。病毒营寄生生活，现代研究表明：已知大多数病毒能利用细胞的复制系统将病毒基因组永久地移植在宿主中，从而为宿主后代加入病毒的基因，进而发展成为宿主物种基因组中的重要组成部分，这在生物进化中起着举足轻重的作用。病毒的数量巨大，加之极大的繁殖能力和极快的突变速度，因而使它成为基因进化的主要源泉。同时又由于病毒的感染能力和传播范围，这将有助于它们进入其他生物体，从而影响生物的进化。