病毒(生物学)

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December 4, 2021

病毒是一小块有机物质,只能在生物细胞中繁殖。当病毒侵入活细胞时,这个细胞——所谓的宿主细胞——将开始产生原始病毒的数千个拷贝。病毒会感染所有形式的生命,从动物和植物到细菌和古细菌等微生物。它们存在于所有生态系统中,并且在土壤、空气和水中数量众多。研究病毒的科学称为病毒​​学,是微生物学的一个子领域。病毒具有相对简单的结构。单个病毒颗粒称为病毒粒子,内部包含遗传物质。这由包含制造蛋白质指令的长 DNA 或 RNA 分子组成。病毒总是有一层蛋白质外壳,即衣壳,它围绕并保护遗传物质。在某些情况下,存在称为包膜的脂质外鞘。大多数病毒都很小,用光学显微镜是看不到的。它们比大多数细菌小一百倍。病毒以各种方式传播,例如通过呼出的气溶胶或通过蚊子和蜱虫等媒介传播。为了消灭入侵的病毒,脊椎动物具有复杂的防御系统。一些对人类有害的病毒,例如疱疹病毒或 HIV,可以逃脱免疫系统。已经开发了各种疫苗来预防病毒感染。成功的疫苗接种策略现已根除一些臭名昭著的病毒性疾病。病毒的进化起源尚不清楚。它们可能多次起源于来自活生物体的“逃逸”DNA 或 RNA 片段。关于病毒本身是否还活着,也没有达成共识。虽然它们拥有遗传物质并进化,但它们没有自己的新陈代谢,也无法自行繁殖。它们完全依赖于它们的主机进行复制。出于这个原因,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。关于病毒本身是否还活着,也没有达成共识。虽然它们拥有遗传物质并进化,但它们没有自己的新陈代谢,也无法自行繁殖。它们完全依赖于它们的主机进行复制。出于这个原因,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。关于病毒本身是否还活着,也没有达成共识。虽然它们拥有遗传物质并进化,但它们没有自己的新陈代谢,也无法自行繁殖。它们完全依赖于它们的主机进行复制。出于这个原因,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。

历史

病毒学的原理可以追溯到 19 世纪后期。 1883 年,德国农学家阿道夫·迈耶 (Adolf Mayer) 发现,他可以通过在健康植物上摩擦患病叶子的汁液,从而从烟草植物中传播疾病。他没有找到传染性病原体,这表明这种疾病是由显微镜下看不见的非常小的细菌引起的。十年后,俄罗斯生物学家德米特里·伊万诺夫斯基 (Dmitri Ivanovski) 验证了这一假设,他将受感染的烟草植物的汁液通过一个专门用于捕获细菌的过滤器。即使经过过滤,果汁仍然对烟草植物具有传染性。1898年,荷兰微生物学家Martinus Beijerinck重复实验,得出的结论是滤液中一定含有一种新型病原体。他发现病原体只能在活细胞中繁殖。在后来的实验中,Beijerinck 表明烟草植物疾病的原因不能在营养培养基上生长。他假设它是一种比细菌更小、更简单的复制粒子,并创造了病毒这个词。拜耶林克被认为是病毒学最重要的奠基人之一。拜耶林克的怀疑在 1935 年美国人温德尔·斯坦利 (Wendell Stanley) 发现了传染性颗粒,即今天称为烟草花叶病毒时得到了证实,结晶并进一步描述其性质。不久之后,电子显微镜被发明,病毒第一次被看到。很明显,病毒被一层蛋白质包裹着,就像植物和动物一样,都有一个核酸来储存遗传信息。从 20 世纪下半叶开始,发现了数千种新病毒。大多数研究都是针对噬菌体进行的,但许多植物和动物病毒也被赋予了名称和描述。多亏了新的栽培方法,各种医学方面都得到了澄清。 1963 年,Baruch Blumberg 发现了乙型肝炎病毒,1965 年 Howard Martin Temin 描述了第一个逆转录病毒。逆转录酶,逆转录病毒用来复制自己的酶,1970 年被发现。1983 年,Luc Montagnier 的团队首先分离出现在称为 HIV 的逆转录病毒。尽管知识增加,但新兴病毒继续需要科学和社会的关注。

微生物学

特征

病毒是一组独立的生物制剂。它们的主要特征是具有传染性:为了繁殖,病毒被迫进入宿主的细胞——例如植物、动物、真菌或细菌。受感染的宿主细胞将根据病毒遗传物质产生新的病毒颗粒。在感染期间,细胞过程会受到影响,并可能对细胞造成损害。在许多情况下,某些症状会随之而来,因此病毒往往被定性为病原体。从20世纪初开始,关于病毒应被视为生命形式还是无生命的有机结构的讨论一直存在。病毒表现出几个让人联想到成熟生命的特征:它们拥有编码蛋白质的基因,它们通过自然选择进化,它们通过复制和自组装繁殖。因此,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。另一方面,病毒没有自己的新陈代谢。它们从宿主中提取繁殖所需的所有能量和分子。分离的病毒在生物学上是惰性的。此外,公认的生命形式总是由一个或多个细胞组成。没有新陈代谢和细胞结构意味着病毒通常被排除在活微生物之外。它们通过自然选择进化,通过复制和自组装繁殖。因此,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。另一方面,病毒没有自己的新陈代谢。它们从宿主中提取繁殖所需的所有能量和分子。分离的病毒在生物学上是惰性的。此外,公认的生命形式总是由一个或多个细胞组成。没有新陈代谢和细胞结构意味着病毒通常被排除在活微生物之外。它们通过自然选择进化,通过复制和自组装繁殖。因此,病毒被描述为“处于生命边缘的生物”。另一方面,病毒没有自己的新陈代谢。它们从宿主中提取繁殖所需的所有能量和分子。分离的病毒在生物学上是惰性的。此外,公认的生命形式总是由一个或多个细胞组成。没有新陈代谢和细胞结构意味着病毒通常被排除在活微生物之外。另一方面,病毒没有自己的新陈代谢。它们从宿主中提取繁殖所需的所有能量和分子。分离的病毒在生物学上是惰性的。此外,公认的生命形式总是由一个或多个细胞组成。没有新陈代谢和细胞结构意味着病毒通常被排除在活微生物之外。另一方面,病毒没有自己的新陈代谢。它们从宿主中提取繁殖所需的所有能量和分子。分离的病毒在生物学上是惰性的。此外,公认的生命形式总是由一个或多个细胞组成。没有新陈代谢和细胞结构意味着病毒通常被排除在活微生物之外。

结构

病毒非常小。直径通常在20到300纳米之间,比大多数细菌小一百倍左右。外部结构(形态)多种多样。大多数病毒无法用光学显微镜看到:研究人员使用电子显微镜来解开它们的结构。为了增加病毒颗粒和背景之间的对比度,病毒颗粒用重金属溶液染色,例如钨,它们会散射电子。检测器收集散射的电子,从而对病毒粒子进行数字化追踪。完整的病毒粒子出现在宿主细胞外,称为病毒粒子。它由一个核酸组成,周围是一层保护性蛋白质外壳,即衣壳。衣壳由几个相同的亚基(衣壳粒)组成。一些病毒在它周围有一个脂质包膜。衣壳由病毒基因组编码,其形状决定了病毒物种之间的形态差异。衣壳相对刚性,可以通过原子力显微镜进行机械检查。四种形态之间有广泛的区别: 螺旋 螺旋病毒由一种类型的壳粒组成,它们围绕中心轴缠绕成一个长的螺旋结构。遗传物质(通常是单链 RNA)通过带负电的核酸和带正电的蛋白质之间的相互作用稳定在蛋白质螺旋内。衣壳的长度与核酸分子的长度成正比;宽度取决于壳粒的大小和排列。烟草花叶病毒是螺旋病毒的一个例子。二十面体 大多数感染动物的病毒具有二十面体的形状(规则的二十面体)。二十面体是形成相同壳粒的稳定封闭壳的最有利方式。所需的最少壳粒数为十二个,每个壳粒由五个相同的亚基组成。许多病毒,例如轮状病毒,有十几个壳粒,这使得它们看起来几乎是球形的。包膜包围 一些病毒物种被外层包膜包围,即病毒包膜,它由双层脂质组成。这个包膜不是由病毒本身产生的,而是来自宿主的细胞膜。包膜病毒的著名例子是流感病毒、HIV 和冠状病毒。当包膜被破坏(例如被肥皂)时,病毒粒子通常会变得不活跃 复杂 复杂病毒的衣壳由螺旋和二十面体组成,并且通常具有额外的结构,例如蛋白质尾巴或复杂的外壁。噬菌体尤其表现出如此复杂的结构:这些病毒具有连接到螺旋尾部的二十面体头部、六边形底部和一些突出的蛋白质丝(腿)。他们的“身体”就像一个分子注射器。噬菌体用它的腿将自己附着在细菌宿主上,然后将其基因组注入其中。偏离这些常见形态的病毒包括痘病毒和拟病毒。天花病毒包含一个圆盘状结构,即类核,其中储存了遗传物质。在这周围是一个内膜。天花病毒是多形性的,可以呈椭圆形或矩形。拟菌病毒是一种巨型病毒;衣壳的宽度超过 400 nm,并具有丝状表面。巨型病毒是如此之大,以至于一些物种最初被误认为是细菌。拟菌病毒有一个非常大的基因组,其中包含甚至编码基本代谢的基因。从细胞释放的病毒颗粒的电子显微照片储存遗传物质的地方。在这周围是一个内膜。天花病毒是多形性的,可以呈椭圆形或矩形。拟菌病毒是一种巨型病毒;衣壳的宽度超过 400 nm,并具有丝状表面。巨型病毒是如此之大,以至于一些物种最初被误认为是细菌。拟菌病毒有一个非常大的基因组,其中包含甚至编码基本代谢的基因。从细胞释放的病毒颗粒的电子显微照片储存遗传物质的地方。在这周围是一个内膜。天花病毒是多形性的,可以呈椭圆形或矩形。拟菌病毒是一种巨型病毒;衣壳的宽度超过 400 nm,并具有丝状表面。巨型病毒是如此之大,以至于一些物种最初被误认为是细菌。拟菌病毒有一个非常大的基因组,其中包含甚至编码基本代谢的基因。从细胞释放的病毒颗粒的电子显微照片衣壳的宽度超过 400 nm,并具有丝状表面。巨型病毒是如此之大,以至于一些物种最初被误认为是细菌。拟菌病毒有一个非常大的基因组,其中包含甚至编码基本代谢的基因。从细胞释放的病毒颗粒的电子显微照片衣壳的宽度超过 400 nm,并具有丝状表面。巨型病毒是如此之大,以至于一些物种最初被误认为是细菌。拟菌病毒有一个非常大的基因组,其中包含甚至编码基本代谢的基因。从细胞释放的病毒颗粒的电子显微照片

基因组

病毒的遗传物质(基因组)极其多样化和可变。与所有植物、动物、古细菌或细菌放在一起,病毒在基因组结构上表现出更大的多样性。最小的病毒只有三个基因,最大的病毒有数百或数千。已知有数百万种不同类型的病毒,但仅详细描述了几千种。从 21 世纪初开始,病毒测序得到了发展。 2020 年,NCBI 的数据库包含超过 190,000 个完整的基因组序列。地球上的所有生物都有一个由双链 DNA 组成的基因组。病毒避开了这条规律:它们的基因组由 DNA 或 RNA 组成,并以双链或单链结构出现。大多数 RNA 病毒是单链的,大多数 DNA 病毒是双链的,但也有例外。所有与人类医学相关的病毒的基因组现在都已被测序并进行了大量注释。病毒基因组可以是线性的或环状的。线性基因组有两个末端,就像人类染色体一样。环状基因组是一个封闭的环,具有更大的稳定性。在某些病毒中,基因组被分成许多独立运作的独立片段。这样的基因组被称为分段的。在分段 RNA 病毒中,每个分段通常编码一种蛋白质。有时这些片段出现在不同的病毒粒子中。单链病毒基因组可以是有义(阳性)或反义(阴性),这取决于它们的核苷酸序列。在阳性单链 RNA 病毒中,基因组可以直接充当 mRNA。相反,负单链 RNA 病毒的基因组与 mRNA 互补。在这些病毒中,基因组在准备进行翻译之前必须首先转换为副本。

基因突变

病毒以其高突变率和快速进化而闻名。病毒的遗传物质通常比生物体的遗传物质更不稳定,这意味着它们的基因变化更快。病毒遗传物质的变化会导致病毒蛋白质的变化,例如衣壳的结构。最终,突变会影响病毒的特性(例如,传染性或毒力)。病毒的高突变频率是由于它们不受控制的复制方式。对于许多病毒,复制期间发生的错误并未得到纠正。结果,病毒自然形成高度异质的种群,其中包含数千种变异,这种现象被称为准种。流感等病毒基于两种不同的进化机制改变其遗传物质:抗原漂移和抗原转移。抗原漂移是在选择压力的影响下,小突变(点突变)在基因组中随时间积累,逐渐产生新特性的过程。绝大多数突变不影响蛋白质功能,但有些突变为病毒提供了进化优势。抗原漂移会导致病毒对抗病毒药物产生抗性或逃避免疫系统,有时来自两种不同病毒的两块遗传物质通过重组或重配混合形成新的基因组。由于一种全新的遗传物质组合,创造了一种新型病毒。这个过程称为抗原转移。在极少数情况下,大流行可能由抗原转变引起。在具有分段基因组的病毒中重组尤其容易。这些病毒的基因组片段可以重组以创造具有新的独特特征的“后代”。重组发生在 RNA 和 DNA 病毒中。

复制环

病毒颗粒不能自行繁殖。为了繁殖(复制),病毒被迫使用活宿主细胞的新陈代谢和机制。病毒感染始于病毒粒子附着在宿主细胞表面。然后病毒颗粒将其 DNA 或 RNA 引入宿主细胞。结果,细胞被编程为制造数百到数千个原始病毒的副本。在复制遗传物质并产生衣壳蛋白后,它们会自发地合并成新的病毒粒子。数以千计的病毒粒子被释放并可以感染新细胞。复制周期有五个主要步骤: 附件。病毒粒子粘附在合适的宿主细胞表面。位于衣壳上的蛋白质与宿主细胞上的蛋白质相互作用。只有在强烈的互动下,依恋才会发生。内化。遗传物质被引入。在动物细胞中,整个病毒粒子将进入宿主细胞。在具有细胞壁的细胞(植物和细菌)中,通常会注入基因组,而衣壳则留在外面。合成。蛋白质外壳破裂,遗传物质被释放到细胞质中。释放的遗传物质将在细胞中复制(复制)并由核糖体翻译成病毒蛋白(翻译)。集会。复制的遗传物质被包装成具有新衣壳蛋白的新病毒粒子。这个组装过程是自发的。释放。病毒粒子通过裂解或裂解离开细胞。当截断时,病毒被一小部分宿主膜包围。在裂解过程中,细胞破裂,同时释放所有病毒粒子。

动物病毒的复制

人类或动物感染的一个重要方面是病毒包膜的存在。许多动物病毒,尤其是 RNA 病毒,都被脂质双层(包膜)包围着。固定在包膜中的是突出的糖蛋白,它们与宿主细胞上的受体相互作用。附着后,病毒粒子被内吞作用吸收。病毒糖蛋白的合成在内质网和高尔基体中进行。从那里,蛋白质被运输到细胞膜的外部。然后,新的病毒粒子将离开细胞,关闭其周围的部分细胞膜,包括病毒糖蛋白(堵塞)。有些病毒的包膜不是来自细胞膜,而是来自核膜或高尔基体。例如,疱疹病毒就是这种情况,最复杂的复制周期发生在一组称为逆转录病毒的 RNA 病毒中。这些病毒有一种叫做逆转录酶的特殊酶。这种酶可以基于 RNA 模板合成 DNA 分子。当逆转录病毒感染细胞时,逆转录酶会产生病毒 DNA 分子。这个单一的 DNA 分子整合到宿主的一条染色体中。病毒 DNA 实际上是宿主基因组的一部分,将由细胞表达。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。最复杂的复制周期发生在一组称为逆转录病毒的 RNA 病毒中。这些病毒有一种叫做逆转录酶的特殊酶。这种酶可以基于 RNA 模板合成 DNA 分子。当逆转录病毒感染细胞时,逆转录酶会产生病毒 DNA 分子。这个单一的 DNA 分子整合到宿主的一条染色体中。病毒 DNA 实际上是宿主基因组的一部分,将由细胞表达。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。最复杂的复制周期发生在一组称为逆转录病毒的 RNA 病毒中。这些病毒有一种叫做逆转录酶的特殊酶。这种酶可以基于 RNA 模板合成 DNA 分子。当逆转录病毒感染细胞时,逆转录酶会产生病毒 DNA 分子。这个单一的 DNA 分子整合到宿主的一条染色体中。病毒 DNA 实际上是宿主基因组的一部分,将由细胞表达。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。这种酶可以基于 RNA 模板合成 DNA 分子。当逆转录病毒感染细胞时,逆转录酶会产生病毒 DNA 分子。这个单一的 DNA 分子整合到宿主的一条染色体中。病毒 DNA 实际上是宿主基因组的一部分,将由细胞表达。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。这种酶可以基于 RNA 模板合成 DNA 分子。当逆转录病毒感染细胞时,逆转录酶会产生病毒 DNA 分子。这个单一的 DNA 分子整合到宿主的一条染色体中。病毒 DNA 实际上是宿主基因组的一部分,将由细胞表达。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。具有医学重要性的是导致艾滋病的逆转录病毒 HIV。 HIV 复制周期是所有逆转录病毒的典范。

噬菌体的复制

在研究噬菌体(感染细菌的病毒)时,已经发现了病毒学的许多基本原理,尤其是病毒复制的机制。噬菌体和其他一些病毒使用两个特征性的复制循环来繁殖:裂解循环和溶原循环。裂解周期的特点是感染的最后阶段,在此阶段,细菌细胞裂解(爆裂),同时释放噬菌体。这种噬菌体可以在数小时内破坏整个细菌菌落。然而,大多数噬菌体在溶原循环中与其宿主共存。这个循环允许噬菌体在不杀死宿主细胞的情况下进行复制。噬菌体的基因组整合到细菌的染色体中,从而传递给子细胞。在某些时候,病毒可以挣脱并激活裂解循环。

主机范围

病毒以所有生命形式而闻名。植物、动物、真菌和微生物都可以被病毒感染。大多数病毒专门针对有限数量的主机。病毒衣壳与细胞受体之间的相互作用确保病毒只能附着在特定的宿主细胞上。据推测,这些受体是进化的残余物;它们已经失去了功能,但后来被病毒捕获进行感染。有些病毒的宿主范围很广。例如,西尼罗河病毒能够感染蚊子、鸟类、马和人类。其他病毒的宿主范围要窄得多,并且只对一种特定物种具有传染性。例如,麻疹病毒完全专门针对人类。此外,病毒感染通常仅限于特定的组织类型。例如,普通感冒病毒只攻击呼吸道的上皮细胞,而 HIV 只与某些免疫细胞上的受体结合。

人类的病毒性疾病

病毒是导致多种人类疾病的原因。已知病毒感染性疾病的例子包括感冒、流感、水痘和唇疱疹。狂犬病、埃博拉、艾滋病、禽流感和非典等更严重的疾病也有病毒病原。病毒使宿主患病的程度称为其毒力。一个物种的毒力通常取决于几个特征,并且可以通过毒力基因的获得随着时间的推移而增加。病毒感染的疾病表现可以以不同的方式出现。裂解病毒在复制过程中会破坏细胞,以至于细胞死亡和分解。在多细胞生物中,这会导致组织损伤,甚至可能导致器官衰竭。除了直接细胞死亡外,病毒感染还会引发过度的免疫反应。然后身体会释放过多的抗体、炎症刺激细胞因子或补体蛋白,破坏身体自身的细胞并引起发烧症状。虽然病毒会破坏生物体的健康,但也有许多物种与宿主共存而未被发现。一个众所周知的例子是单纯疱疹病毒,它可以在休眠状态下在人体内传播数月。这种现象称为潜伏期,也发生在其他疱疹病毒中,包括导致单核细胞增多症的 Epstein-Barr 病毒和导致水痘和带状疱疹的水痘带状疱疹病毒。在极少数情况下,潜伏病毒可能对宿主有益,因为病毒可以增强免疫系统。

流行病学和病毒爆发

Epidemos(希腊语:Epidemos common in the people)研究疾病在人群中的发生和传播。流行病学家收集有关疾病的定量数据并尝试追踪其决定因素。病毒流行病学旨在找到绘制和控制病毒传播的方法。利用统计模型,流行病学家可以预测免疫、群体治疗、筛查和隔离措施等干预措施的效果,病毒在人群中传播的主要机制是横向传播、人传人。水平转移发生在身体接触和体液交换中。这还包括含有病毒颗粒的呼出气溶胶和在宿主之间携带病毒的动物载体(蚊子、跳蚤和蜱虫)。病毒的特点是它们往往专攻特定的传播途径。病毒感染的传播速度取决于人口密度、易感人群比例、医疗保健质量和季节等因素。流行病学家正在寻找在病毒爆发期间打破感染链的方法。第一步是找到爆发源并确定病毒。一旦知道病毒株,就可以通过建立群体免疫力来打破传播链,最好是通过疫苗接种。在研制出疫苗之前,卫生和消毒对于使人们及其环境远离病毒颗粒非常重要。经过一定的潜伏期——从感染时刻到最初出现症状之间的时间——一段传染期开始了:一个被感染的人可以感染另一个人的时间。了解这两个时期的长度对于控制疫情至关重要。

流行病和流行病

当人口、社区或地区中有大量个体被感染时,就称为流行病。影响世界大部分地区的流行病称为大流行病。最近流行的例子包括艾滋病、猪流感和新型冠状病毒引起的疾病。许多因素在社会中病毒性疾病的兴衰中起作用。除了病毒的遗传灵活性外,社会文化因素也很重要,20世纪发生了四次由流感病毒引起的大流行。西班牙流感在 1918 年夺去了数千万人的生命,是迄今为止最致命的流感。西班牙流感的非凡之处在于,健康的年轻人也染上了重病。与其他流感爆发不同,这主要对老年人或免疫系统较弱的人构成危险。几种高度致命的病毒株属于丝状病毒。这些是导致人类出血热的丝状病毒。 1967 年发现的马尔堡病毒在 2005 年 4 月在安哥拉爆发后受到了媒体的广泛关注。自 1976 年首次发现埃博拉病毒以来,埃博拉病毒已引起间歇性爆发,死亡率很高。最严重的疫情发生在2013年至2016年间的西非。严重急性呼吸系统综合症(SARS)和中东呼吸系统综合症(MERS)是由新型冠状病毒引起的呼吸道感染。众所周知,冠状病毒会导致人类轻度感染,因此,SARS 感染的毒力和迅速传播——在 2003 年 7 月造成约 800 人死亡——相对出乎意料。2019 年 11 月,武汉出现了一种相关的冠状病毒。这种名为 SARS-CoV-2 的病毒在各大洲迅速传播。世界各地都采取了严格的措施来防止传播。在许多人口稠密的城市,国际交通被关闭,公共场所被关闭,并宣布封锁。世界各地都采取了严格的措施来防止传播。在许多人口稠密的城市,国际交通被关闭,公共场所被关闭,并宣布封锁。世界各地都采取了严格的措施来防止传播。在许多人口稠密的城市,国际交通被关闭,公共场所被关闭,并宣布封锁。

癌症

各种遗传和环境因素是导致癌症发展的原因。自 20 世纪初以来,病毒已在肿瘤的发展过程中被发现(或至少是可信的)。由病毒引起的最著名的癌症是肝细胞癌和宫颈癌,分别由乙型肝炎病毒和人乳头瘤病毒引起。其他致癌病毒包括 Epstein-Barr 病毒、Merkel 细胞多瘤病毒和人类疱疹病毒 8。这些病毒导致癌症的机制已得到深入研究。在感染期间,病毒基因组整合到宿主细胞的 DNA 中。某些宿主基因,例如参与细胞周期和细胞生长机制的基因,可能会被破坏。通过复杂的多步骤过程,受影响的细胞最终会不受控制地分裂并导致肿瘤。通过接种疫苗可以预防性地降低病毒性癌症的发生率。

防御与战斗

免疫系统

与所有脊椎动物一样,人类具有复杂的免疫系统来对抗病毒感染。人体器官系统主要被紧密堆积的上皮细胞包围。这些细胞对病原体形成物理和化学屏障:它们产生具有排泄作用并富含抗菌剂的粘液和水分。吞噬细胞也存在于体内:大型白细胞,用于扫描和清除异物,包括病毒和细菌。上皮细胞和吞噬细胞是先天免疫系统的一部分。先天免疫系统通常足以预防感染。然而,当病毒颗粒进入人体并繁殖时,获得性免疫系统就会启动,这将专门尝试消除入侵的病毒物种。获得性免疫系统旨在中和游离病毒颗粒和受感染的身体细胞。对抗游离病毒颗粒的主要机制是产生抗体(体液防御)。抗体是释放到血液中的蛋白质,可以与病毒衣壳特异性结合。结合后,病毒不再具有传染性。哺乳动物产生多种抗体。 IgM 和 IgG 对于中和病毒尤为重要。血液中高水平的 IgG 通常表明有免疫力。对抗受感染细胞是通过细胞毒性 T 细胞(细胞防御)完成的。被病毒感染的身体细胞会在其细胞膜上呈递抗原——病毒蛋白的小片段。当 T 细胞遇到可疑抗原时,该细胞会被特殊的细胞毒性 T 细胞杀死并清除。干扰素有利于细胞对病毒的防御。这些是干扰病毒复制的激素样物质,许多病毒似乎能够影响宿主的防御机制,从而绕过免疫反应。例如,HIV 通过不断改变其衣壳蛋白的氨基酸序列(抗原变异)来逃避免疫系统。因此宿主的免疫反应总是非特异性的,病毒会导致慢性传染病。其他逃避策略包括抑制吞噬作用、隐藏抗原呈递、抵抗细胞因子和逃避细胞凋亡。

防治

病毒完全依赖于宿主细胞的新陈代谢和机制。出于这个原因,很难针对病毒感染开发一种不伤害宿主本身的靶向治疗方法。毕竟,抑制对宿主细胞本身也很重要的过程会很快导致毒性作用。对抗病毒性疾病最有效的医学方法是接种疫苗。此外,还开发了许多抗病毒剂,它们专门影响病毒过程并抑制复制周期。

疫苗

疫苗接种是免疫学原理在卫生保健中最成功的应用。疫苗是一种诱导靶向免疫反应而不引起疾病症状的药物。给药后,接种疫苗的个体受到保护,免受所讨论的病原体的侵害。早在发现病毒之前,疫苗接种就被用来预防病毒性疾病。多年来,在大部分人口中使用疫苗导致脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎和风疹等病毒性疾病的发病率(疾病)和死亡率(死亡)急剧下降。由于接种疫苗,天花和牛瘟已被根除。生物技术被用于生产疫苗。经典的疫苗制剂由灭活或强减毒的病毒颗粒组成。因此,它们不再具有致病性,但确实含有激活免疫系统的抗原。也可以制备仅含有衣壳蛋白的疫苗(亚单位疫苗)。例如,具有更好安全性或更强免疫反应的最新技术是 RNA 疫苗和载体疫苗。 RNA 疫苗可确保合成外源蛋白(例如刺突蛋白),免疫系统可对其进行干预。载体疫苗的工作原理相同,但使用修饰的病毒颗粒将病原体的遗传物质转移到宿主细胞中。例如,具有更好安全性或更强免疫反应的最新技术是 RNA 疫苗和载体疫苗。 RNA 疫苗可确保合成外源蛋白(例如刺突蛋白),免疫系统可对其进行干预。载体疫苗的工作原理相同,但使用修饰的病毒颗粒将病原体的遗传物质转移到宿主细胞中。例如,具有更好安全性或更强免疫反应的最新技术是 RNA 疫苗和载体疫苗。 RNA 疫苗可确保合成外源蛋白(例如刺突蛋白),免疫系统可对其进行干预。载体疫苗的工作原理相同,但使用修饰的病毒颗粒将病原体的遗传物质转移到宿主细胞中。但使用修饰的病毒颗粒,将病原体的遗传物质带入宿主细胞。但使用修饰的病毒颗粒,将病原体的遗传物质带入宿主细胞。

抗病毒药物

抗病毒药物是干扰病毒复制周期的物质。市场上的大多数抗病毒药物都属于核苷类似物:DNA 构建块状分子,在复制过程中无意中将病毒整合到其基因组中。一旦加入核苷类似物,链的聚合就会停止。遗传物质不能再被复制。已知核苷类似物的例子是阿昔洛韦、司他夫定和瑞德西韦。抗病毒剂还可以防止附着在宿主细胞上或阻断病毒酶。大多数病毒抑制剂仅对特定物种有效,因此治疗窗很窄。对抗 HIV、乙型和丙型肝炎,疱疹病毒和流感病毒 现在有大量的抗病毒药物,但很少或没有对抗许多其他病毒感染的药物。联合疗法通常用于预防对抗病毒药物的耐药性。使用不同靶点的几种病毒抑制剂可提高抗病毒效果并显着降低耐药风险。

其他生命形式的感染

动物病毒

病毒可以在许多不同的动物物种中繁殖。与人类密切生活的动物,如狗、猫和马,容易受到严重的病毒感染。例如,细小病毒可在幼犬或猫中引起致命疾病。当然,许多病毒在无脊椎动物中也是已知的,例如蜜蜂。大多数病毒与其宿主共存而不被发现,不会引起任何疾病迹象。了解动物病毒对人类健康也很重要。在某些情况下,它们可以传播给人类(人畜共患病)并引起流行病。引起人畜共患病的病毒通常来自脊椎动物,通常通过叮咬节肢动物(虫媒病毒)传播。人畜共患病传播是巧合,有时可以通过中间宿主发生。狂犬病是人畜共患传染病的一个例子,它可以直接从受感染的捕食者传染给人类。

植物病毒

许多不同的植物病毒是已知的。特别是,影响农作物的病毒已经得到了很好的研究。植物病毒通过携带病毒的小生物(载体)在植物之间传播。这些主要是昆虫,但一些真菌、线虫和单细胞原生生物也可以是载体。当控制病毒性植物病害在经济上可行时,例如使用多年生果实,通常会选择根除载体并移除替代宿主,例如杂草。植物对病毒具有不同的防御机制。一种有效的防御机制是所谓的抗性基因(R 基因)的存在。 R基因导致感染部位周围的细胞死亡,以免感染扩散。结果通常是肉眼可见的(蔬菜中的斑点)。受感染的植物还会产生多种抗病毒物质,如水杨酸、一氧化氮和活性氧分子。这些中和病毒颗粒或干扰它们的复制。

细菌素

噬菌体,或简称噬菌体,是感染细菌的广泛多样的病毒群。它们几乎在所有生态系统中都非常多,但主要是在水中。一毫升海水中含有约 2.5 亿个噬菌体;细菌数量的十倍以上。附着在细菌细胞壁上后,噬菌体通过注射机制注射其遗传物质。病毒酶穿过细胞壁进入细胞质。感染后不久,有时在二十分钟内,细菌细胞破裂,释放出数百个新形成的噬菌体颗粒。细菌防御噬菌体的主要方式是产生破坏病毒 DNA 的酶。这些酶,称为限制性内切核酸酶,切割噬菌体注入细菌的 DNA。细菌还包含一个巧妙的系统,使它们能够储存与之接触的噬菌体 DNA 片段,以便在发生第二次感染时通过一种 RNA 干扰形式阻止复制。这种机制被称为 CRISPR,类似于动物的获得性免疫。

分类

病毒根据形态、基因组结构和复制方式分为分类群。第一个病毒分类系统是在 20 世纪中叶开发的。该系统符合林奈现行的动植物分类法,包括种、属、科和目。该系统流行了很长时间,并逐渐完善。在现代病毒分类中,等级家族占有重要地位。病毒科(可通过后缀 -viridae 识别)通常具有统一的特性,通常很容易区分,从医学角度来看也是如此。1966 年,国际病毒分类委员会 (ICTV) 成立。 ICTV 为自己设定了一个包容性、创建反映病毒进化的基于共识的分类法。最初,高突变率使得无法确定病毒分类群之间的远距离关系。因此,除了传统的层次结构之外,还使用了巴尔的摩分类系统。截至 2018 年,由于对病毒早期进化的认识大幅增加,ICTV 的分类系统进行了彻底修订。由于对病毒早期进化的知识有了很大的增长,并进行了彻底的修订。由于对病毒早期进化的知识有了很大的增长,并进行了彻底的修订。

ICTV分类

国际病毒分类委员会负责审查和批准病毒分类的变化。自 2010 年代以来 DNA 测序的快速发展使得能够编译包含全部病毒多样性的分类系统。由于阐明了几个基本的(早期)进化关系,系统中的分类学水平门、帝国和帝国被赋予了一席之地。截至2020年,ICTV分类包括6帝国、10界、17门、2亚门、39纲、59目、8亚目、189科、136亚科、2224属、70亚属、9110种。当前的层次结构如下。Empire (-viria) Empire (-virae) Fylum (-viricota) 亚门 (-viricotina) 纲 (-viricetes) 目 (-virales) 亚目 (-virineae) 科 (-viridae) 亚科 (-virinae) 性别 (-virus)亚属(病毒)种

巴尔的摩分类

病毒学家和诺贝尔奖获得者大卫巴尔的摩在 1971 年设计了一个七组分类系统。该系统使科学家能够预测或推断特定群体内病毒的性质和分子特性。与 ICTV 分类一起,巴尔的摩分类成为对病毒多样性进行分类的最常用方法之一。巴尔的摩分类基于基因组的结构和相关的复制模式。所有病毒在复制过程中都会产生信使 RNA,这取决于基因组结构,基于七种不同的机制。基因组可以是单链 (ss) 或双链 (ds),包含 RNA 或 DNA,并且可以利用逆转录酶 (RT)。此外,ssRNA 病毒可以是有义 (+) 或反义 (-)。因此,病毒可以分为七组:

命名法

在病毒学的早期,病毒以其致病特性或发现者命名。例如,导致肝脏疾病的病毒家族被称为嗜肝病毒科(hepar 的意思是“肝脏”)。从 1950 年代初到 1960 年代中期——发现了许多新病毒的时期——使用缩写和首字母来制定病毒名称是很常见的。例如,Picornaviridae 的名称来源于 pico 和 RNA,而 Papovaviridae 的名称来源于乳头状瘤、多瘤和液泡。现代病毒命名法由 ICTV 监督。命名一个新的分类单元要遵守几条规则。

起源与演变

尽管进行了广泛的科学研究,但关于病毒在进化过程中如何以及何时出现仍然不清楚。由于病毒不会留下化石遗骸,因此对其起源和进化的研究基于分子技术,例如测序。病毒很可能在进化的早期就出现了。这表明,在真核生物、细菌和古细菌(生命的三个领域)中复制的病毒之间具有很强的相似性。早期的发展也解释了为什么病毒蛋白质与活细胞蛋白质几乎没有相似之处。总的来说,已经提出了三个主要假设来解释病毒的起源:逃逸假设、减少假设和共同进化假设。逃逸假说 大多数病毒学家支持病毒是细胞 DNA 或 RNA 的独立部分的假说。从原始细胞中“逃脱”的核酸片段。这一假设与细胞可以与相邻细胞交换遗传物质的事实相一致。逃逸假说的第二条线索是病毒基因组与其宿主基因组之间的相似性。一些病毒基因几乎与宿主的基因相同,这可能表明存在(远距离)关系 还原假设 病毒可能起源于寄生于较大细胞的小型原始细胞。在影响深远的寄生虫减少过程中,所有对原始细胞增殖来说不是必需的基因都丢失了,只留下一个核酸和一些蛋白质。衣原体等寄生细菌和病毒一样,只能在宿主细胞中繁殖。已经清楚地表明,这些生物在进化过程中失去了使它们能够独立生活的特征,例如部分新陈代谢。共同进化假说该假说指出,病毒出现在地球上的第一个细胞之前或同时出现,并且病毒后来变得依赖于细胞生命。根据目前的见解,生命起源于 3.5 到 40 亿年前,大概来自 RNA 世界。非细胞生命先于细胞生命的假设,同意一个合理的事实,即最初的生命形式完全基于自我复制的 RNA 分子。类病毒的存在似乎支持了这个假设。这三个(经典)假设存在几个问题。逃逸假说并没有解释衣壳和其他病毒结构是如何起源的。减少假说并不能解释为什么即使是最小的细胞寄生虫也不以任何方式与今天的病毒相似。共同进化假说没有考虑到病毒根据定义依赖于宿主细胞这一事实。最近来自基因组学和结构生物学的分析使人们能够提出新的、更细微的假设,这些假设更符合分子数据。病毒具有不稳定的进化历史,这与细胞生命的进化交织在一起。在一些当代生物中发现了病毒基因的痕迹,这些基因在数百万年前就被整合到了祖先宿主的 DNA 中。这样的痕迹使得绘制病毒的早期进化图成为可能。了解病毒的进化很复杂,因为它们几乎肯定不是单系的:几个谱系彼此独立地出现。因此,病毒如何融入宇宙生命之树仍然是一个未解决的重大问题。这样的痕迹使得绘制病毒的早期进化图成为可能。了解病毒的进化很复杂,因为它们几乎肯定不是单系的:几个谱系彼此独立地出现。因此,病毒如何融入宇宙生命之树仍然是一个未解决的重大问题。这样的痕迹使得绘制病毒的早期进化图成为可能。了解病毒的进化很复杂,因为它们几乎肯定不是单系的:几个谱系彼此独立地出现。因此,病毒如何融入宇宙生命之树仍然是一个未解决的重大问题。

研究与应用

病毒培养

病毒可以在特殊的细胞培养物中生长。敏感细胞系由此被所需的病毒株感染。复制可以通过定期确定培养基中传染性病毒颗粒的数量(所谓的滴度)来监测。一个经典的发现是病毒在该过程开始时“消失”在细胞中。这是因为病毒已在细胞质内被分解,因此不再显示可见或生化足迹。几小时后,培养基中传染性病毒颗粒的数量再次增加。可以使用离心和过滤技术从细胞培养物中分离出病毒颗粒。细胞培养系统在实验病毒学研究中发挥着重要作用,例如分子特性的鉴定或分析。过去,病毒培养在病毒感染的诊断中也很重要。借助技术进步,病毒诊断现在主要基于通过 PCR 或 RT-PCR 对病毒 DNA 或 RNA 分子进行特异性检测。

Levenswetenschappen

病毒用于各种科学领域,尤其是分子生物学和细胞生物学。通过用操纵过的病毒颗粒感染细胞,可以人为地启动某些细胞过程,以便可以使用生化或显微技术对其进行监测。因此,病毒在解开分子生物学的许多基本机制方面发挥了作用,例如 DNA 复制、转录、RNA 加工、翻译和蛋白质定位。病毒可用于将所需的 DNA 片段引入细胞。携带DNA的病毒称为病毒载体。病毒载体用于治疗遗传性疾病等,因为它们能够去除疾病关键基因或插入缺失的基因。在一些国家,噬菌体被用来对抗细菌感染,作为抗生素的替代品。由于世界范围内对抗生素的耐药性增加,这种药物脱颖而出。病毒还用于药物蛋白质的工业生产,例如疫苗抗原和抗体。

病毒疗法

转基因病毒可用于治疗疾病。例如,已经开发出专门感染癌细胞并杀死它们的病毒株,而健康的身体细胞则被留下。这些所谓的溶瘤病毒现已通过了针对某些形式癌症的临床试验,并已获准在医院使用。病毒的其他显着医学应用是基因治疗,使用病毒载体来治疗遗传疾病,以及免疫治疗,使用病毒颗粒或蛋白质控制免疫系统以对抗某些疾病。

纳米技术

从纳米技术和材料科学的角度来看,病毒可以被视为天然存在的有机纳米粒子。它们的表面(衣壳)上存在各种分子基团,可用于实际目的。衣壳的大小和形状,以及其表面官能团的数量和性质,都在遗传材料中非常精确地确定。使用遗传技术和化学修饰可以相对容易地调整这些特性。衣壳的适应性和化学多功能性使病毒非常适合材料科学和纳米技术研究。因此,病毒已被用于电子学、分子物理学、药物开发和医疗技术。

另见

非细胞生命类病毒