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| 病毒學 |
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中文名：病毒學 外文名：Virology 歷史一：1892年發現煙草花葉病毒 歷史二：確認了病毒只有一種核酸 學科代碼：18064 |
病毒學是以病毒作為研究對象，通過病毒學與分子生物學之間的相互滲透與融合而形成的一門新興學科。具體來講，它是一門在充分了解病毒的一般形態和結構特徵基礎上，研究病毒基因組的結構與功能，探尋病毒基因組複製、基因表達及其調控機制，從而揭示病毒感染、致病的分子本質，為病毒基因工程疫苗和抗病毒藥物的研製以及病毒病的診斷、預防和治療提供理論基礎及其依據的科學。
簡介
病毒學(Virology)是以地球上最微小的非細胞生物病毒為研究對象的一門科學，作為地球生物圈中的一類生物因子，人類對病毒的本質及其生命規律的認識，也已經經歷了一個世紀，病毒學獲得了巨大的發展，現已成為生命科學領域中一門重要的分支學科。病毒學研究的內容涉及病毒的類型、成分、結構、新陳代謝、生長繁殖、遺傳、進化、分布等生命活動的各個方面，以及病毒與其他生物和環境的相互關係等。
病毒學研究與生命科學及生物技術密切相關，因為病毒是研究生命活動最簡單的模型，為近代研究生物大分子結構及其功能、基因組高效表達與調控提供了有力工具，在人類認識生命現象的過程中提供了許多基本的信息。同時，病毒一方面能夠引起動物、植物及人類各種疾病，如艾滋病，對人類的生存至今仍是巨大的威脅；另一方面，它又可被用來消除害蟲、用作外源基因的表達載體，可以為人類所利用。病毒學涉及醫學、獸醫、環境、農業及工業等廣闊領域，相應發展成噬菌體學、醫學病毒學、獸醫病毒學、環境病毒學、植物病毒學及昆蟲病毒學等分支學科。病毒學已成為人們認識生命本質，發展國民經濟和保證人畜健康而必須深入研究的重點學科。
醫學病毒學是病毒學的一個重要分支，主要是從醫學的角度來研究病毒特性，有時又叫醫學分子病毒學。醫學病毒學研究範圍包括病毒本質，傳播模式及致病機制，以及應用層面的藥物及疫苗研究。它和分子生物學及藥物學關係密切。
基本特點
1.共同點： 同所有的生物一樣，病毒是一類具有基因、複製、進化特點，並占據着特殊生態地位的生物實體。在細胞外環境中，以形態成熟的病毒體形式存在，具有一定的大小、形狀、密度、沉降係數和化學組成，類似化學大分子；在細胞內環境中，則表現出生物體的基本特徵(基因組的複製導致病毒的繁殖，隨之出現遺傳和變異等一系列典型的生命活動)。
2.異同點：
1)不具有細胞結構---所以劃分為非細胞生物，其它生物則以細胞作為基本構成單元。 2)病毒體只有一種類型的核酸。 3)特殊的繁殖方式，因絕大多數生物是通過構成機體的各種組分數量有序增加而生長，經過分裂方式完成繁殖。病毒則通過基因組的複製與表達完成新病毒粒子的合成。 4)缺乏完整的酶系統和能量合成系統 生物體的一切代謝活動都需要在酶的作用下進行，同時也需要一定的能量 5)絕對的細胞內寄生 在細胞外不表現出任何生命特徵，它的一切生命活動都只有在其生活的寄主細胞內方能進行。這種寄生方式不同於某些微生物如麻風桿菌、立克次氏體、衣原體的寄生，它們主要是源於缺乏外源營養物質或外源的代謝中間體需要寄主提供。
歷史
病毒是一類比較原始的、有生命特徵的、能夠自我複製和嚴格細胞內寄生的非細胞生物。其含義是隨着人們對病毒本質認識的不斷深入而不斷加深，大慨經歷過以下幾個比較重要的階段：
1.1892年Ivanofsky因發現煙草花葉病毒(TMV)時，稱其為濾過性致病因子 2.1957年Lwoff.A因病毒複製周期的闡明以及一些病毒的細胞培養技術的建立，定義為一類具有嚴格細胞內寄生和潛在感染性的病原體，並且指出病毒只有一種核酸。 3.1978年luria和Darnell進一步確認了病毒只有一種核酸，能在活細胞複製產生子代病毒粒子。 4.1971年Dienner發現僅有小分子RNA的類病毒(viroid)、1981年在澳大利亞發現類病毒樣的擬病毒(virusoid)(衛星病毒)和1982年由Prusiner發現由分子量約50KD構成的朊病毒(virinoorprion)。
作用
首先，病毒是一種病原體，它們幾乎能感染所有的細胞型生物並產生病害。據初步統計，人類的60~70%的傳染病系病毒感染所引起。從常見的感冒、麻疹、腮腺炎、脊髓灰質炎、狂犬病、肝炎、各種腦炎，到流行性出血熱、老年性痴呆、艾滋病(AIDS)以及許多癌症。因此，病毒性傳染病依然是嚴重危害我國人民健康的主要病種之一，原因在於病毒基因在自然選擇和人群免疫等壓力的共同作用下不斷發生變異以及社會人口老齡化和城市化進程加快等因素的交互作用，某些病毒性傳染病的流行不僅未能得到有效控制，反而更加猖獗。如甲、乙、丙型肝炎、艾滋病、流行性感冒和多種腸道病毒病的流行情況依然十分嚴重。此外許多結果表明病毒與惡性腫瘤和多種慢性疾病的發生密切相關。
同時，由於病毒也能引起家禽、家畜、野生動物、農作物、林木果類及其它許多經濟動物、植物和微生物的疾病，因而給人類的經濟活動、生態環境造成極大的危害。進行分子病毒學的學習，就是要充分認識病毒的特性基礎上，從分子水平上闡明病毒基因和產物結構與功能之間的關係，揭示病毒的致病機理和本質，為最終控制病毒性疾病的流行提供重要的理論基礎和科學依據。
其次，由於某些病毒也能侵襲那些對人類有害的生物，所以可以成為生物防治的重要手段。如利用噬菌體對細菌的裂解作用來治療霍亂、痢疾和傷寒等疾病；利用昆蟲病毒來防治有害昆蟲等。 最後，由於病毒是目前已知結構最為簡單的生命單位，基於它在細胞外的相對簡單性和細胞內的病毒與宿主細胞之間相互作用的複雜性的突出特點，由此成為分子生物學研究複製、信息傳遞、突變以及其它分子生物學問題的理想對象。利用分子生物學方法進行研究，其結果不僅促進了病毒學的研究，反過來對分子生物學的發展也起到巨大的推動作用。總之分子病毒學在各個自然科學交叉滲透、互為促進的今天，它的研究和發展無論是在闡明更多的現代生物學的重大課題方面；還是在促進生物技術發展方面都有十分重要的作用。
主要內容
1)病毒基因組的結構和功能 核酸分為DNA和RNA，有單鏈和雙鏈之分，也有線狀和環狀之分。對於單鏈RNA還有極性的不同，分為正鏈RNA(+RNA)、負鏈RNA(—RNA)和雙義RNA(其基因組的一部分為正極性；另一部分為負極性)。正鏈RNA(+RNA)具有或無帽子結構，無帽子結構的正鏈RNA(+RNA)基因組5，端具有共價結合蛋白；3`端有多聚尾poly(A)或無poly(A)。探明病毒基因組的核苷酸組成及其排列順序；弄清基因組中開放閱讀框(ORF)的數量、位置及其功能；了解病毒基因組中重複序列元件、調節單元對病毒基因複製和表達的影響；闡明病毒的結構基因、調節基因及其編碼產物在病毒複製循環以及它們與細胞基因及其表達產物的相互關係。
2)病毒基因表達的調控 基因表達包含2個方面：轉錄和轉譯。
轉錄
(1)有的病毒利用自身基因組編碼的RNA聚合酶。 (2)有的完全依賴宿主的RNA聚合酶。 (3)有的通過調節基因編碼的調節蛋白取代宿主細胞的RNA聚合酶中的某些因子，從而改變宿主RNA聚合酶的轉錄途徑。 (4)利用啟動子或增強子，通過細胞或病毒編碼的調節因子結合或作用於這些調控元件，影響病毒基因的表達。 (5)端戴帽和3`端加poly(A)尾以及內含子切除和mRNA的拼接。
轉譯 由於蛋白質的合成完全依賴於細胞翻譯體系，病毒可通過自身擁有的特定機制接管和利用宿主的轉譯體系，如脊髓灰質炎病毒的2A蛋白水解帽子結合蛋白複合物(CBP)失活，導致有帽子結構的宿主mRNA不能翻譯，而缺少帽子結構的病毒mRNA則能順利利用宿主的翻譯體系進行翻譯。 3)病毒感染的分子機制
研究既包括病毒吸附、侵入和釋放等感染循環的特點，同時也包括闡明病毒致病與宿主產生免疫效應的分子機制。 主要涉及到病毒的吸附蛋白與宿主細胞受體蛋白的相互識別和作用；病毒急性感染和持續性感染的發生機理，特別是在持續性感染過程中，產生非殺細胞感染和病毒逃逸宿主免疫識別的作用機制。
4)病毒致癌的分子機理
人與動物腫瘤的形成除了與遺傳和其它各種因素有關外，一些腫瘤病毒也是發生的重要誘因，具體有以下三種情況： (1)某些DNA腫瘤病毒的早期基因編碼的轉化蛋白引起細胞轉化和動物致癌的作用機理在於它們結合或者作用於細胞的抑癌蛋白P53或者Rb，從而引起P53或者Rb失活，導致細胞無限增殖和生長失控，最終誘發細胞轉化和腫瘤形成。 (2)一些RNA腫瘤病毒的基因組攜帶有病毒癌基因，這類RNA腫瘤病毒的細胞轉化和致癌作用與病毒癌基因的表達活性有關。 (3)在RNA病毒中，還有一些病毒如人T淋巴細胞白血病病毒1型(HTLV-1)，既不含有病毒癌基因，其原病毒DNA也不優先插入和整合在細胞癌基因附近，但可以通過自身基因組P40tax調節蛋白，則可以反式激活細胞增殖的相關基因表達，從而引起細胞無限增殖和誘發癌症的發生。
5)抗病毒活性物質
干擾素是抗病毒多肽物質中作用機制研究得最清楚。幾乎在所有的哺乳動物中存在，它不僅能夠抗病毒，也具有免疫調節和腫瘤抑制作用。1979年首次克隆表達干擾素基因獲得成功。經過多年的發展，目前它已成為抗病毒的重要藥物。 克隆重組的淋巴因子如IL-1、IL-2、腫瘤壞死因子(TNF)也具有較強的抗病毒活性。
反義RNA的抗病毒活性也得到了廣泛的重視。主要是通過與其相應的病毒mRNA或DNA雜交，使病毒的mRNA編碼合成蛋白質的功能受阻，從而破壞病毒的複製循環，達到抗病毒感染和防病、治病的目的。
核酶是一種能夠水解靶RNA的RNA分子，通過核酶與靶序列雜交後，可以切割RNA上的特異性磷酸二酯鍵。
6)病毒的基因工程疫苗
疫苗，特別是病毒疫苗已經成為人們預防傳染病的最重要、最有效的手段，越來越受到生物醫學界的重視。特別是近30年來，生物工程技術和分子生物學技術的迅猛發展，極大地促進了疫苗的研究和發展。一般來說，對於免疫保護機制明確、易於培養的病毒，均可以採用傳統工藝進行生產；而一些免疫保護機制不清，可能產生免疫病理反應、有潛在致腫瘤作用或不易進行培養的病毒，則難以用傳統方法生產疫苗，可以通過基因工程的方法得到解決。採用這種方法需要注意以下問題： (1)採用合適的表達系統---表達產物是否具有免疫原性 (2)表達系統的表達效率 (3)表達產物的方便純化
衍化
病毒學的形成和發展大致經歷以下四個時期： 1、病毒的發現時期 2、病毒的化學時期 3、細胞水平研究時期 4、分子病毒學時期
1)病毒的發現時期
在病毒被發現之前，人們已經在自覺或不自覺的過程中開始與病毒打交道。觀察到許多病毒存在所引起的自然現象，由於受到當時歷史條件和人們認識水平的限制，無法對這些現象進行合理的解釋。直到1892年由科學家D.Ivanofsky在研究煙草花葉病的過程中，發現煙草花葉病的致病因子能夠通過細菌過濾器，但他仍然認為該病由產生毒素的細菌引起。之後，在1898年荷蘭科學家Beijerinck重複了D.Ivanofsky的實驗，證明了煙草花葉病是由濾過性病原引起。同年，德國科學家Loeffler和Frosch發現口蹄疫病原也具有濾過性。在此後10多年，相繼發現10多種傳染病的病原病毒(雞瘟病毒、黃熱病病毒、狂犬病毒等)以及後來發現的噬菌體和多種植物病毒。
2)病毒的化學時期
自從1935年美國的Stanley首次提純和結晶了煙草花葉病毒，從而使人們對病毒化學本質的認識有了重大突破，並為病毒的深入研究開闢了廣闊的道路。接着，Bawden等進一步揭示煙草花葉病毒的化學本質並不是純蛋白，而是核蛋白。在此基礎上，德國的Kausche於1940年首先利用電子顯微鏡觀察到煙草花葉病毒的杆狀外形，電鏡技術的應用，從多個方面促進了它的發展，為病毒的形態結構及其在細胞內的形態發生學研究提供了有效手段。總之，到這一時期，病毒學雖然取得很大的進展，但尚未形成獨立學科，對病毒化學本質的了解也比較膚淺，對病毒的概念仍存在很大爭論。
3)病毒的細胞水平時期
在此期間，病毒學無論從理論上還是在實踐上都有很大的發展，對病毒有了一個統一、明確的概念。逐步形成為一門獨立的學科，同時也為分子病毒學的建立奠定了基礎。 通過圍繞噬菌體和感染細菌之間的相互作用研究，闡明噬菌體的複製周期；揭示溶原性噬菌體誘導的原理；證明噬菌體DNA的感染性；發現溶原性噬菌體和噬菌體的轉導現象,組織培養技術的建立，大大拓寬了病毒學的研究範圍，促進人們對病毒本質的認識，目前該技術已廣泛用於未知傳染因子的分離，病毒病的診斷，疫苗生產以及病毒感染和複製的基礎研究。
4)分子病毒學時期
自從1953年DNA的雙螺旋結構理論建立以來，新技術和新方法的廣泛應用，使得病毒學的研究步入分子病毒學的發展時期。50年代至60年代是分子生物學的奠基時代，噬菌體和植物病毒為此作出了巨大貢獻，因此，分子病毒學也正是在分子生物學的發展過程中應運而生。 在這一階段，人們主要致力於病毒基因組的結構、功能和表達調控機制；病毒蛋白質結構、功能以及合成的方式；各類病毒的感染、繁殖和致病機理；更深層次了解病毒與宿主之間的相互作用關係，特別是腫瘤病毒與腫瘤發生的關係；不斷探索病毒性疾病診斷、預防和治療的新技術和新方法，認識那些尚未證實病因的可疑病毒性疾病的病原本質期間，所取得的碩果纍纍，具體表現以下一些方面。 1955年Franenkel—Conrat完成了煙草花葉病毒(TMV)的核酸和蛋白質亞基的體外拆開和重建實驗。 1960年Anderer弄清了TMV衣殼蛋白亞基的氨基酸排列順序 1962年Casfar闡明了某些病毒的二十面體結構，明確核衣殼二十面體的構成規律。 1962年Nathans成功進行噬菌體RNA的體外翻譯 1965年Spiegelman成功在體外複製噬菌體RNA，從而打破了病毒必須在活體內才能增殖的傳統觀念，這些工作對以後闡明DNA病毒和RNA病毒的繁殖機制起了重要作用。 1970年Baltimore和Temin分別發現病毒的逆轉錄酶，這是對1958年提出的中心法則的重要補充和發展 1976年Dueberg發現Rous肉瘤病毒含有癌基因v-src，而且在正常雞以及其它脊椎動物和無脊椎動物的DNA中，也發現有癌基因v-src的同源序列存在，推測病毒的癌基因可能來自於細胞的正常基因。 1977年Sanger完成噬菌體φX174-DNA的全部序列測定。 1979年由Taniguchi成功地表達人干擾素基因，這是基因工程的一項重大突破。 1982年Moss和Paoletti用痘苗病毒作為載體表達外源基因獲得成功。 1983年Montagnier和Gallo分別分離到與AIDS相關的人類逆轉錄病毒(HIV)。 1991N年Han等將Moloney鼠白血病毒的反義表達序列導入小鼠受精卵中，從而培養成功對該病毒抗性的轉基因小鼠。 1995年HIV天冬氨酰蛋白酶三維結構的鑑定，使得一些針對病毒蛋白酶活性位點的抑制劑先後問世。 1996年由美籍華人何大一等利用逆轉錄酶抑制劑與蛋白酶抑制劑配製的雞尾酒式藥，成功地抵抗HIV的感染。
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