1、1第五章 病毒与宿主细胞的相互作用 主讲：马金成主讲：马金成生命科学学院微生物学教研室2p第一节 病毒感染的致细胞病变作用 p第二节 病毒感染的分子机制 p第三节 细胞对病毒感染的应答 p第四节 病毒感染与细胞异常增殖 3第一节 病毒感染的致细胞病变作用 n溶细胞感染：直接造成细胞死亡脊髓灰质炎病毒破坏中枢神经系统的神经元细胞，导致小儿麻痹症。n非溶细胞感染稳定态感染：一些病毒在感染后不严重影响细胞的生命活动，在相当一段时间里细胞和病毒共存，这类感染形式称为稳定态感染。整合感染：有些DNA病毒的全部或部分基因组，以及逆转录病毒基因组的互补DNA(cDNA)可以整合到细胞染色体中，并随着细胞的分
2、裂而增殖。这种整合到宿主细胞基因组的病毒基因组称为前病毒，而感染形式称为整合感染。45一、细胞死亡一、细胞死亡 病毒在宿主易感细胞内增殖造成细胞损伤与死亡，这种感染称为杀细胞性感染。6病毒感染除了诱导细胞凋亡之外，还能影响细胞的基本代谢过程，如抑制细胞内生物大分子合成、改变细胞膜通透性、影响溶酶体及细胞器的功能等，最终引起细胞死亡。一、细胞死亡一、细胞死亡7二、细胞融合和合胞体形成二、细胞融合和合胞体形成感染细胞与未感染细胞的胞浆膜发生融合，形成多核的巨细胞可以使病毒从感染的细胞直接进入相邻的正常细胞，有利于病毒在细胞间的扩散。8多核的巨细胞多核的巨细胞合胞体合胞体9三、血吸附和血细胞凝集感染
3、正黏病毒、副黏病毒和披膜病毒的细胞获得了吸附红细胞的能力这些病毒的包膜含有血凝素突起，经过血凝素突起与红细胞表面的唾液酸糖蛋白受体结合，形成红细胞-病毒-红细胞复合物，从而引起红细胞凝集。10四、细胞膜渗透性的变化 某些病毒感染能增加细胞膜对离子的渗透性，例如允许钠离子的流入，增加细胞内钠离子的浓度。病毒mRNA的翻译比宿主细胞更能耐受高浓度的钠离子，渗透性的增加更有利于病毒mRNA的翻译。11五、包涵体的形成“包涵体”，又称为“内基氏小体”(Negri body)，其本质可能是病毒颗粒的聚集体；也可能是病毒增殖留下的痕迹；也可能病毒感染引起的细胞反应物。12A.痘苗病毒：胞浆内嗜酸性包涵体
4、B.单纯疱疹病毒：核内嗜酸性包涵体，细胞融合形成合胞体细咆 C.呼肠孤病毒：胞浆内核周嗜酸性包涵体 D.腺病毒：核内嗜碱性包涵体 E.狂犬病病毒：胞浆内嗜酸性包涵体 F.麻疹病毒：核内和浆内嗜酸性包涵体，细胞融合形成融合细胞 13六、细胞转化某些DNA病毒的全部或部分核酸，或RNA病毒基因组经反转录后产生的DNA，结合至细胞染色体中，称为整合可使细胞遗传性状发生改变，即转化。转化的细胞可发生生长、分裂失控，导致肿瘤的发生。14一些动物肿瘤病毒可以引起细胞转化，这些被肿瘤病毒转化的细胞往往具有癌细胞的生物学特性和行为：无限生长，成为永生化细胞；接触抑制现象丧失；细胞间粘着性减少；易于被凝集素凝集
5、；帖壁性下降；细胞骨架结构紊乱；产生新的膜抗原；对生长因子需要量降低。病毒导致细胞的转化15第二节 病毒感染的分子机制16在医学和兽医学范畴内，病毒的感染是指病毒侵入机体、增殖，并与机体相互作用现象的总和。而病毒在组织细胞内增殖，引起细胞病变，也叫感染。完整机体的病毒感染决不等于机体内细胞感染的简单综合；离体细胞的病毒感染与完整机体的病毒感染有明显的区别病毒感染的定义17一、病毒对宿主细胞的侵入副黏病毒通过囊膜上的整合蛋白与细胞表面受体结合，随后融合(F)蛋白发生构型改变，诱导囊膜和细胞膜的融合。逆转录病毒吸附细胞和诱导融合的作用由同一种蛋白负责。例如，禽肉瘤/白血病病毒(Avian sarc
6、oma/leucosis virus，ASLV)的囊膜糖蛋白Env-A具有SU和TM两个亚单位，其中SU亚单位与受体结合，TM亚单位的羧基端是融合肽。人免疫缺陷病毒还需要另一种细胞表面蛋白，即共受体一起诱导融合。1819(一)与质膜融合HIV-1的附着和侵入2021二、病毒蛋白质和病毒基因组的入核机制细胞核膜由外膜和内膜及两层膜间的核周间隙组成，对大分子物质也是不通透的。由核孔、环孔颗粒、中央颗粒和隔膜等形成的核孔复合体遍布于核膜上，为各种分子进行跨核膜交换提供通道。含有核定位信号的蛋白先与可溶性的胞质受体蛋白结合，形成的复合体随后与核孔复合体的胞质面结合，这个过程通常称为锚定；继而，受体配体
7、复合体通过核孔复合体移位入核。锚定的过程不需要能量，而入核的过程则需消费能量。22有些病毒被运输到核内才完成脱壳HIV-1 Rev protein23三、病毒基因的转录和细胞基因转录的抑制 病毒基因组的复制和子代病毒粒子的形成都离不开病毒mRNA编码的蛋白质。正链RNA病毒的基因组可以直接作为mRNA，而负链RNA病毒和DNA病毒则需要合成病毒mRNA。如果病毒粒子本身含有RNA聚合酶，则病毒mRNA的合成对细胞的依赖较少。如果病毒利用细胞的聚合酶合成mRNA，则需要通过一些特殊的方法来促进病毒基因的转录，同时抑制细胞mRNA的合成。24病毒基因组转录出mRNA是复制过程的关键步骤25(一)抑
8、制细胞基因转录p许多DNA病毒依赖于细胞的RNA聚合酶来合成其mRNA，它们可以竞争宿主细胞RNA聚合酶和转录因子，导致细胞基因转录受到抑制。p正链RNA病毒不需要细胞RNA聚合酶进行复制，其感染也可使细胞RNA合成受到抑制，可为病毒的复制提供足够的三磷酸核糖核酸。水疱性口腔炎病毒(Vesicular stomatitis virus，VSV)感染能迅速抑制宿主RNA合成病毒基因组编码的正链领头RNA的转录就可以抑制宿主细胞的转录。26流感病毒通过病毒的聚合酶切割细胞mRNA的帽子结构，显著减少细胞mRNA的数量 27u病毒粒子装配有病毒基因组编码的RNARNA聚合酶 双链DNA痘病毒在细胞质
9、里复制 u病毒粒子装配有一个转录激活因子 单纯疱疹病毒的VP16蛋白早期基因的表达 u利用增强子确保早期基因的高效转录 猿猴病毒40、多瘤病毒、人乳头瘤病毒、腺病毒和人巨细胞病毒的早期基因均带有增强子。u激活晚期基因转录 许多病毒早期基因编码的产物中包括转录激活因子。u促进RNA聚合酶在病毒模板上的延伸 当HIV的Tat蛋白表达后，可作为一种新的转录激活因子调节RNA聚合酶在病毒模板上的延伸。(二)病毒基因高水平转录2829(三)病毒利用细胞mRNA加工机制n病毒mRNA的成熟 一般利用细胞的加帽加尾机制；有些病毒(如痘病毒、水疱性口炎病毒)还以自身的酶进行mRNA加工。n抑制细胞mRNA的加
10、工成熟 所有病毒都必须利用宿主细胞的翻译系统来合成蛋白质，所以病毒不仅抑制细胞mRNA的合成，而且能抑制细胞mRNA的加工与成熟。30四、病毒蛋白质的合成和细胞蛋白质合成的抑制p修饰细胞蛋白质翻译装置，抑制细胞mRNA的翻译，促进病毒蛋白翻译 p-提供充足的核糖体、翻译因子、氨基酸和tRNAp病毒编码蛋白降解细胞mRNAp-HSV病毒粒子包裹UL41蛋白质，作为核酸酶分解细胞mRNAp抑制细胞mRNA转运，促进病毒mRNA输出p-重新分配参与mRNA转运的细胞因子，抑制细胞mRNA转运到细胞浆；促进病毒mRNA在细胞浆的积聚。p增加细胞内阳离子浓度n-细胞内阳离子浓度的增加抑制细胞mRNA翻译
11、，更有利于病毒mRNA的翻译。31病毒蛋白采用特殊的翻译策略合成多聚蛋白前体：单链RNA病毒(如小RNA病毒)先合成一种多聚蛋白的前体物，前体物经过切割可形成多种功能蛋白。渗漏扫描机制：渗漏扫描为某些病毒提供了一种由单一mRNA制造多种病毒蛋白的机制。核糖体ORF移位：病毒的基因交接处存在重复序列UUUAAAC，在mRNA信号的指导下，核糖体从一个ORF转移到另一个ORF，继续翻译。病毒转录产物的编辑：指在RNA合成过程中改变mRNA的序列，使之有别于编码它的基因组的序列。mRNA的编辑可以在转录前或转录后来实现。翻译终止的抑制：在病毒mRNA的翻译过程中，可通过抑制终止密码子实现某一病毒蛋白
12、的有限表达，从而产生一种羧基末端延伸的蛋白。32五、病毒对细胞DNA复制机制的颠覆抑制细胞蛋白质合成的间接效应病毒DNA能取代在正常位点复制的细胞DNA 细胞DNA能从它们的正常复制位点移位，为病毒DNA复制和晚期转录提供一个结构框架细胞DNA的降解为病毒DNADNA复制提供原料(一)抑制宿主细胞DNA的复制33p编码新的复制装置痘病毒基因组的复制完全在细胞浆内进行，不依赖于宿主细胞，所需的酶均由病毒编码。逆转录病毒携带了复制基因组RNA为DNA的逆转录酶，而宿主细胞本身不含有逆转录酶。p诱导细胞DNA的合成 某些DNA致瘤病毒依赖于宿主细胞DNA复制机制。在病毒基因组复制前需要引发宿主细胞进
13、入增殖状态，诱导静止的细胞或停止在G0相的细胞进入S相。一些病毒早期蛋白与细胞的抑癌基因结合并使之失活，使细胞进入增殖期。SV40和多瘤病毒编码一种被称为大T抗原的蛋白质，与细胞的DNA复制复合物结合，指导病毒DNA的合成。(二)确保病毒DNA复制的奇效性34六、病毒利用宿主细胞成熟 n有囊膜病毒从细胞膜或核膜获得脂质囊膜。n位于囊膜上的跨膜糖蛋白在合成后，经内质网和高尔基体的酶作用而成熟，到达细胞表面。n有些病毒装配后的颗粒不具感染性，经特定蛋白酶水解成为具有感染性的病毒颗粒。35第三节 细胞对病毒感染的应答 机体在长期进化过程中形成了对病毒感染的应答能力，用来中止病毒的复制和传播。这种应答
14、的基础建立在细胞水平上，而且最早由细胞产生。抗感染免疫应答种类很多，各种应答具有很好的衔接、协作和互补关系。按照进化的顺序可以划分为天然免疫和获得性免疫，前者包括吞噬细胞、天然杀伤细胞(NK)、干扰素和细胞凋亡等；后者包括抗体、T、B淋巴细胞等。36一、干扰素的产生及其抗病毒作用 1957年Isaacs和Lindenmann在研究流感病毒干扰现象时，发现一种与病毒干扰作用有关的活性物质，命名为干扰素(Interferon)。把流感病毒加温灭活后与鸡胚绒毛尿囊膜一起培养，随后把吸附到细胞表面的病毒洗掉，37C培养10小时后，再去掉鸡胚绒毛尿囊膜块，另外再加新鲜的鸡胚绒毛尿囊膜块，37C培养过夜，
15、用活病毒进行攻击，结果发现流感病毒繁殖明显被抑制。实验证明灭活病毒作用细胞，诱导细胞产生一种可溶性蛋白质，这种蛋白质干扰了随后入侵活病毒的繁殖。37 根据1980 年国际干扰素命名委员会的定义：干扰素(interferon，IFN)是一类在同种细胞上具有广谱抗病毒活性的蛋白质，其活性的发挥又受细胞基因组的调节和控制，涉及RNA 和蛋白质的合成。干扰素是一类蛋白。因此IFN对蛋白酶类的降解非常敏感，但对DNA酶和RNA酶具有抗性。干扰素本身不能直接灭活病毒。干扰素是通过激活细胞基因来发挥活性干扰素作用于细胞后，使后者的某些基因被激活产生多种其他蛋白，从而阻断病毒的复制。干扰素的定义38干扰素的分
16、类型干扰素型干扰素IFN-/IFN-/IFN-白细胞产生 IFN-成纤维细胞产生 IFN-白细胞产生IFN-反刍动物营养细胞分泌 型型IFNIFN又称为免疫IFN或IFN-，由淋巴细胞和NK细胞 39干扰素的分类和主要特征40干扰素的主要生物活性 41IFN的诱生机制 病毒诱生剂:病毒是最重要的IFN 诱生剂。RNA病毒诱生干扰素的能力高于DNA病毒。双链RNA 诱生剂:双链RNA 是另外一种重要的IFN 诱生剂。天然的双链RNA、中间体或人工合成的双链多聚核糖核苷酸，如聚肌胞(polyIC)，也是IFN 诱生剂。代谢物诱导剂:代谢激活物和抑制物是另一类重要的IFN 诱生剂。其它IFN诱生剂，
17、如细菌的内毒素、布氏杆菌、支原体等都属于IFN诱生剂 正常情况下，IFN 基因表达处于抑制状态。在诱生剂的诱导作用下可以发生表达。目前已经发现的IFN 诱生剂有多种，主要分为以下几类：42人INFINF基因转录诱导模型43干扰素的生物活性 p抗病毒活性具有广谱的抗病毒作用，表现为病毒增殖量减少，细胞的损伤程度降低。p免疫调节作用免疫系统细胞在受到抗原或促有丝分裂或肿瘤细胞刺激时或在自发情况产生IFN，从而调节多种免疫反应。p抗肿瘤活性-IFN能够抑制肿瘤病毒的增殖，抑制肿瘤细胞的生长，并调动机体的免疫系统，杀伤肿瘤细胞。另外IFN还可以调节细胞原癌基因的表达实现抗肿瘤的作用。44二、细胞凋亡细
18、胞凋亡(apoptosis)又叫程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，是指在一定生理或病理条件下机体为维护内环境的稳定，通过有序的基因调控而诱导的细胞自杀。凋亡细胞表现为胞浆内钙离子浓度和环AMP升高，RNA和蛋白质合成增加，随后染色质凝聚，细胞质浓缩，导致染色体在核小体处被切断降解，形成185碱基或整数倍长度的DNA片段。降解后的胞浆和胞核最终包裹于膜性成分中，形成凋亡小体，并被吞噬细胞吞噬。45(一)细胞凋亡的发生机制一种细胞凋亡的简化模型 半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(cysteinyl aspartate-specific proteinase，Casp
19、ase 46胱冬肽酶的激活、死亡底物的切割和凋亡（引自Nicholson DW et al.1997）通过配体受体相互作用的激活模型4748(二)病毒感染与细胞凋亡的关系 p机体受到一些病毒的感染后，为了维持正常的生理活动，同时尽可能的减少病毒造成的损害，会诱发机体自身控制的程序性死亡基因启动，从而导致细胞死亡。p一些病毒的基因产物可以诱导细胞凋亡，更有利于子代病毒从感染细胞释放和传播。病毒感染促进细胞凋亡：49病毒抑制细胞凋亡p被病毒感染细胞的死亡将严重影响病毒复制，并阻止病毒在宿主中的扩散。因此，在漫长的进化过程中，病毒也发展了一些相应策略来延迟或抑制细胞死亡，拮抗凋亡的发生，以保证病毒蛋
20、白的合成，装配和复制。50病毒感染对细胞凋亡的影响 51第四节 病毒感染与细胞异常增殖 肿瘤的发生是多因素相互作用的结果，它与环境、遗传、病原因子等有关因素密切相关。病毒作为病原因子之一可以诱发肿瘤以及人类癌症，但还不能确切地证明人类的任何癌症是由病毒所引起。能够诱发肿瘤的DNA病毒主要分布于腺病毒科、疱疹病毒科、乳多空病毒科，RNA病毒主要分布于反转录病毒科(retroviridae)的RNA肿瘤病毒亚科(oncovirinae)。52一、病毒感染的致瘤作用 一种病毒能否诱发动物的肿瘤取决于许多因素：病毒的致瘤能力：如鼠类反转录病毒有选择性地诱发乳房肿瘤。靶细胞的性质：例如存在未封闭的受体或
21、存在细胞内的诱发因子。非靶细胞的性质：如动物对病毒或对被感染细胞具有免疫反应的能力从而阻止肿瘤的发生。53致瘤病毒在体外能使正常细胞转化转化细胞的特性与体内的肿瘤细胞相似。致瘤病毒的完整核酸(病毒基因组)或部分核酸(某些基因)均能使细胞转化。有些病毒在诱发细胞转化后，不产生感染性子代病毒，而是以核酸或核酸片段的形式存在。病毒在转化细胞内存在多种形式：完整病毒粒子；仅有病毒核酸，不能合成病毒外壳，需要其他辅助病毒提供外壳，使其产生完整病毒；仅有病毒核酸与细胞基因组整合，不能产生完整病毒54二、病毒致细胞异常增殖的机制1981年Bishop 假设细胞内有潜在的能产生病毒癌基因的遗传成分，并把这种成
22、分称作原病毒（protoviruses），而后又称作原癌基因（proto-oncogenes），研究较深入的原癌基因有ras、c-erbB、myc、bcl-2、src等。抑癌基因与癌基因不同，其两条“拷贝”都突变时，肿瘤才发生，两条染色体的突变导致某些重要蛋白质完全丧失或仅有无活性蛋白质，结果使细胞生长和分化失控，引起肿瘤发生。主要抑癌基因有Rb、p16、p15、p53等基因。55(一)病毒对原癌基因的激活n病毒整合基因顺式激活细胞原癌基因 当病毒基因整合在细胞癌基因邻近位点时，这段插入的序列对相邻的癌基因产生激活作用，启动癌基因转录。n病毒蛋白反式激活细胞原癌基因许多病毒的早期产物是特异的转
23、录调控因子，对癌基因进行反式激活。参与反式激活的病毒蛋白多为非结构蛋白。n病毒通过信号传导激活细胞原癌基因病毒基因编码的蛋白质具有激酶活性，将病毒刺激信号放大，最后将其传至核内的转录机构，以调节特定基因的表达。人巨细胞病毒(HCMV)感染细胞后使胞内第二信使水平增高，原癌基因活化。56(二)病毒感染影响细胞周期n病毒蛋白与细胞抑癌基因产物结合p53肿瘤抑制蛋白可以阻止细胞从G1期进入S期，p53还通过诱导细胞凋亡来阻止具有癌变倾向的突变细胞的产生。n病毒蛋白与细胞周期蛋白作用细胞促进周期蛋白高表达，导致病毒转化后的细胞对多种生长抑制信号不能做出有效反应，因而继续增殖，发生癌变。n病毒感染与细胞增殖核抗原表达 PCNA是真核生物聚合酶的辅助因子，与p21结合后失活从而阻碍细胞进入S期。它的表达是细胞增殖的标志。n病毒感染与细胞钙调素增高病毒诱导的转化细胞中钙调素(CaM)含量较正常细胞增高23倍，且G1期大大缩短。57下节课再见了下节课再见了
