病毒的復(fù)制機(jī)理

高雙晨

病毒在科學(xué)上引起了很多的爭(zhēng)論:如發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)錄過程和自我復(fù)制,補(bǔ)充了中心法則,又發(fā)現(xiàn)了朊病毒,對(duì)中心法則又發(fā)起了沖擊,挑戰(zhàn)了生命的定義。新課標(biāo)高中生物教材中也多次說到病毒:基因工程中用作運(yùn)載體;動(dòng)物細(xì)胞工程中用作促融;在免疫中作抗原。

病毒核酸的類型

病毒的核酸包括雙鏈DNA(dsDNA)、單鏈DNA(ssDNA)、雙鏈RNA(dsRNA)、單鏈RNA(ssRNA)等不同類型;病毒顆粒中的組成成分有簡(jiǎn)有繁,有的顆粒自帶專門用于病毒復(fù)制的核酸酶,有的則無。有的病毒核酸并不僅有一個(gè)分子,如流感病毒有8條RNA,呼腸孤病毒有11-12條dsRNA。由于病毒種類繁多,核酸類別不同,因而病毒的復(fù)制機(jī)制不盡相同。

雙鏈DNA(dsDNA)病毒的復(fù)制

雙鏈DNA病毒中的腺病毒、皰疹病毒和乳多空病毒都在核內(nèi)進(jìn)行基因組的復(fù)制和衣殼的裝配(見呼腸孤病毒的裝配模型圖和水皰性皰疹的出芽圖);有些病毒的基因組復(fù)制基本上在核內(nèi)進(jìn)行,而衣殼的裝配卻在細(xì)胞漿內(nèi)。病毒在胞漿內(nèi)脫殼后DNA進(jìn)入核內(nèi),在寄主細(xì)胞轉(zhuǎn)錄酶的作用下合成mRNA,一部分基因組轉(zhuǎn)錄早期mRNA,它們轉(zhuǎn)譯早期蛋白質(zhì),包括酶和T抗原等。T抗原即腫瘤抗原,能促進(jìn)細(xì)胞合成DNA。病毒DNA的復(fù)制依賴于細(xì)胞的核酸聚合酶,由此產(chǎn)生的子代DNA用于轉(zhuǎn)錄晚期mRNA,在胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)譯病毒的結(jié)構(gòu)蛋白,并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi),供裝配病毒粒子的衣殼。當(dāng)然實(shí)際復(fù)制過程復(fù)雜得多,而且各病毒科間的差異很大。

雙鏈RNA(dsRNA)病毒的復(fù)制

雙鏈RNA病毒有兩個(gè)特點(diǎn),一是它的基因組為10-12條雙鏈RNA分子;二是它有雙層衣殼,而沒有囊膜。病毒的RNA-RNA聚合酶存在于髓核中,在該聚合酶的作用下病毒基因組轉(zhuǎn)錄正鏈RNA,它們自髓核逸出。它們既能作為mRNA,又能作為病毒基因組的模板。mRNA翻譯結(jié)構(gòu)蛋白,裝配內(nèi)層衣殼后,正鏈RNA進(jìn)入,并形成雙鏈RNA。然后又重復(fù)上述過程,最后獲得了外層衣殼。

單鏈DNA(ssDNA)的復(fù)制

以噬菌體的復(fù)制為例,大腸桿菌噬菌體φX174是單鏈環(huán)狀DNA噬菌體。當(dāng)侵入寄主后,侵入的單鏈DNA稱為正鏈DNA。以正鏈DNA為模板利用寄主細(xì)胞的DNA聚合酶復(fù)制出與之互補(bǔ)的負(fù)鏈DNA,然后形成雙鏈DNA。在DNA酶的作用下,正鏈DNA被切斷,它的某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)被暴露出來。此時(shí)DNA聚合酶以負(fù)鏈DNA為模板,按堿基配對(duì)原理,把適當(dāng)?shù)拿撗鹾塑账峒又辽鲜霰槐┞兜慕Y(jié)構(gòu)部分。隨著復(fù)制的進(jìn)行像一條長(zhǎng)尾巴似的被滾出去,所以這種方式叫滾環(huán)復(fù)制。不斷的滾動(dòng),復(fù)制不斷重復(fù),因而新合成的單股長(zhǎng)鏈?zhǔn)且粭l重復(fù)序列,像一條大鏈條。由核酸內(nèi)切酶把大鏈條切成一節(jié)一節(jié)的線狀DNA,每一節(jié)都含有相同的堿基序列,最后由DNA連接酶將每一節(jié)的首尾相連,形成單鏈環(huán)狀DNA。

單鏈RNA(ssRNA)病毒的復(fù)制

有些ssRNA病毒,一旦病毒顆粒中的RNA進(jìn)入寄主細(xì)胞,就直接作為mRNA,翻譯出所編碼的蛋白質(zhì),其中包括衣殼蛋白和病毒的RNA聚合酶。然后在病毒RNA聚合酶的作用下復(fù)制病毒RNA,最后病毒RNA和衣殼蛋白自我裝配成成熟的病毒顆粒。這類病毒很多,如ssRNA噬菌體、脊髓灰質(zhì)炎病毒、鼻病毒、TMV等。還有另一類ssRNA病毒,它們的復(fù)制特點(diǎn)是病毒顆粒中的ssRNA病毒為負(fù)鏈,進(jìn)入寄主后不能直接作為mRNA,而是先以負(fù)鏈RNA為模板由轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄出與負(fù)鏈RNA互補(bǔ)的RNA,再以這個(gè)互補(bǔ)RNA作為mRNA翻譯出遺傳密碼所決定的蛋白質(zhì)。這類病毒稱之為負(fù)鏈非浸染型病毒,如濾泡性口腔炎病毒、流感病毒、副流感病毒、萵苣壞死黃化病毒等。此外,還有一類特殊的ssRNA病毒即反轉(zhuǎn)錄病毒。該類病毒通常引起人和動(dòng)物的腫瘤,其中包括造成人免疫性缺陷癥的艾滋病病毒、白血病病毒、肉瘤病毒等。在它們的髓核中攜帶反轉(zhuǎn)錄酶,能使RNA反向轉(zhuǎn)錄成DNA,豐富和發(fā)展了分子生物學(xué)的中心法則。它們的復(fù)制有其特有的特點(diǎn),一是單鏈RNA的基因組必須反轉(zhuǎn)錄成雙鏈DNA;二是隨后這種DNA必須整合到細(xì)胞DNA中;三是整合狀態(tài)長(zhǎng)期持續(xù)下去并傳給子代細(xì)胞,也可能轉(zhuǎn)錄RNA,生產(chǎn)子代病毒或使細(xì)胞轉(zhuǎn)化;四是感染細(xì)胞不會(huì)死亡,分裂不停止。也就是說這類病毒的潛伏期很長(zhǎng),有時(shí)可以終身帶毒而不發(fā)病。

綜上,病毒復(fù)制的特點(diǎn)表現(xiàn)在:一是利用寄主細(xì)胞的物質(zhì)和能量進(jìn)行病毒生物大分子的合成;二是復(fù)制周期短,繁殖效率高;三是反轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制方式,豐富了遺傳信息傳遞的中心法則。

作者單位:江蘇省射陽縣盤灣中學(xué)