病毒介紹 Introduction to viruses

病毒介紹 Introduction to viruses

本文是對該主題的非技術性介紹。有關主要百科全書的文章,請參見“ 病毒”。

輪狀病毒

一個病毒是生物製劑再現裏面的細胞生活的主人。當被病毒感染時,宿主細胞被迫以異常高的速度產生數千個原始病毒的相同副本。與大多數生物不同,病毒沒有分裂的細胞。新病毒會在受感染的宿主細胞中聚集。但是與仍然簡單的傳染原不同,病毒包含基因,這使它們具有突變和進化的能力。已經發現了 5,000多種病毒。

病毒的起源尚不清楚:某些病毒可能是從質粒進化而來的,即可以在細胞之間移動的DNA片段,而另一些病毒可能是由細菌進化而來的。病毒由兩部分或三部分組成:由DNA或RNA製成的基因,攜帶遺傳信息的長分子;保護基因的蛋白質外殼;在某些病毒中,包裹着蛋白質外殼的脂肪包裹着脂肪,並與特定的受體一起進入新的宿主細胞。病毒的形狀從簡單的螺旋和二十面體到更復雜結構。病毒的大小在20至300 納米之間 ; 將其中的33,000到500,000並排延伸到1釐米(0.39英寸)。

病毒以多種方式傳播。正如許多病毒是非常具體的哪個宿主物種或組織,他們的攻擊,每一個物種病毒依賴於對傳播的特定方法。植物病毒通常通過昆蟲和其他生物體在植物之間傳播,這些生物體被稱爲媒介。某些動物病毒(包括人類)通過接觸感染的體液而傳播。當人們咳嗽或打噴嚏時,諸如流感之類的病毒會通過水珠在空氣中傳播。諾如病毒等病毒是通過糞便-口腔途徑傳播的,這涉及到手,食物和水的污染。輪狀病毒通常是通過與受感染兒童直接接觸傳播的。人類免疫缺陷病毒HIV通過性交過程中的體液傳播。其他如登革熱病毒則是通過吸血昆蟲傳播的。

病毒感染可導致人類,動物乃至植物疾病。但是,它們通常會被免疫系統消除,從而使宿主對該病毒具有終生免疫力。抗生素對病毒沒有影響,但已開發出抗病毒藥物來治療威脅生命的感染。產生終生免疫力的疫苗可以預防某些病毒感染。

主條目:病毒學史

HIV-1病毒的掃描電子顯微鏡照片,呈綠色,從淋巴細胞中萌芽

1884年,法國微生物學家 查爾斯·錢伯蘭(Charles Chamberland)發明了一種過濾器,如今被稱爲“ 錢伯蘭(Chamberland)過濾器”或“錢伯蘭-巴斯德過濾器”,其孔徑小於細菌。因此,他可以使含有細菌的溶液通過過濾器,並將其從溶液中完全清除。在1890年代初期,俄羅斯生物學家 德米特里·伊萬諾夫斯基(Dmitri Ivanovsky)使用這種過濾器來研究所謂的菸草花葉病毒。他的實驗表明,經過過濾的被感染菸草植物的碎葉提取物仍然具有感染力。

同時,其他幾位科學家證明,儘管這些病原體(後來稱爲病毒)不同於細菌,但它們仍可能引起疾病,它們的大小約爲細菌的百分之一。1899年,荷蘭微生物學家馬丁努斯·貝耶林克(Martinus Beijerinck)觀察到,這種藥劑僅在分裂細胞中繁殖。由於未能證明其顆粒性質,他稱其爲“ 傳染性活體病菌”。在20世紀初期,英國細菌學家 Frederick Twort發現了感染細菌的病毒,和法裔加拿大微生物學家Félixd’Herelle描述的病毒,當添加到瓊脂上生長的細菌中時,會導致整個死細菌區域的形成。計算這些死區可以讓他計算出懸浮液中的病毒數量。

1931年,德國工程師恩斯特·魯斯卡(Ernst Ruska)和馬克斯·諾爾(Max Knoll)發明了電子顯微鏡,首次出現了病毒圖像。 1935年,美國生物化學家和病毒學家Wendell Meredith Stanley檢查了菸草花葉病毒,發現它主要由蛋白質製成。不久之後,這種病毒被分離爲蛋白質和RNA成分。早期科學家面臨的一個問題是,他們不使用活體動物不知道如何繁殖病毒。突破發生在1931年,當時美國病理學家Ernest William Goodpasture和 艾麗斯·邁爾斯伍德拉夫增長流感在受精雞卵和其他一些病毒。有些病毒無法在雞卵中生長,但是這個問題在1949年得到解決,當時約翰·富蘭克林·恩德斯,托馬斯·休克·韋勒和弗雷德裏克·查普曼·羅賓斯在活動的動物細胞培養物中生長了脊髓灰質炎病毒。已發現5,000多種病毒。

更多信息:病毒§起源

無論生命發生在哪裏,病毒都會與生命共存。自活細胞首次進化以來,它們就可能存在。病毒的起源尚不清楚,因爲它們沒有形成化石,因此分子技術一直是推測其起源的最有用的方法。但是,這些技術依賴於古代病毒DNA或RNA的可用性,但是實驗室中保存和存儲的大多數病毒的歷史都不到90年。 分子方法僅能成功追蹤20世紀進化的病毒的起源。在生命進化的各個階段,可能會反覆出現新的病毒羣。三種主要理論推測病毒的起源:

迴歸理論

病毒可能曾經是寄生於大細胞的小細胞。隨着時間的流逝,寄生所不需要的基因丟失了。立克次氏體和衣原體細菌是活細胞,它們像病毒一樣只能在宿主細胞內部繁殖。他們相信這一理論,因爲他們對寄生蟲的依賴性很可能導致了使他們能夠在細胞外存活的基因的喪失。

細胞起源理論

有些病毒可能是從較大生物體基因“逃脫”的DNA或RNA片段進化而來的。逃逸的DNA可能來自質粒-可以在細胞之間移動的DNA片段-其他可能是細菌產生的。

協同進化理論

病毒可能是在細胞首次出現在地球上的同時,從蛋白質和DNA的複雜分子演化而來的,並且已經取決於細胞壽命長達數百萬年。

所有這些假設都存在問題:迴歸假設不能解釋爲什麼即使最小的細胞寄生蟲也不會以任何方式類似於病毒。逃逸假說不能解釋病毒顆粒的結構。協同進化或病毒優先假設與病毒的定義相牴觸,因爲它們依賴於宿主細胞。但是病毒被認爲是古老的,其起源早於生命分化進入這 三個領域。這一發現使現代病毒學家重新考慮和重新評估了這三個經典假設。

病毒結構的簡化圖

病毒粒子,也稱爲病毒粒子,由DNA或RNA製成的基因組成,被被稱爲衣殼的蛋白質保護層包裹。衣殼由許多較小的相同蛋白質分子組成,稱爲衣殼蛋白。衣殼異構體的排列可以是二十面體(20面),螺旋形或更復雜。在DNA或RNA周圍有一個內殼,稱爲核衣殼,它是由蛋白質形成的。一些病毒被稱爲包膜的脂質泡沫包裹。

大小

病毒是最小的傳染原,其中大多數只能通過電子顯微鏡觀察到。大多數病毒無法通過光學顯微鏡觀察到(換句話說,它們是亞顯微的)。它們的尺寸在20至300 nm之間。它們是如此之小,以至於需要30,000至750,000的並排延伸至一釐米。相反,細菌的大小通常直徑約爲1微米(1000 nm),而高等生物的細胞則爲幾十微米。一些病毒如 megaviruses和pandoraviruses是比較大的。約1 微米,這些感染變形蟲的病毒是在2003年和2013年發現的。它們是流感病毒的約1000倍,這些“巨型”病毒的發現令科學家驚訝。

基因

更多信息:遺傳學導論

基因由DNA(脫氧核糖核酸)和許多病毒的RNA(核糖核酸)組成。生物體中包含的生物學信息編碼在其DNA或RNA中。大多數生物體都使用DNA,但是許多病毒都以RNA爲遺傳物質。病毒的DNA或RNA由單鏈或雙螺旋組成。

病毒繁殖迅速,因爲與擁有20,000–25,000的人類相比,它們只有少數基因。例如,流感病毒只有八個基因,輪狀病毒只有十一個基因。這些基因編碼形成病毒顆粒的結構蛋白,或非結構蛋白,僅在被病毒感染的細胞中發現。

所有的細胞,許多病毒,產生是蛋白質的酶稱爲DNA聚合酶和RNA聚合酶,這使得DNA和RNA的新副本。病毒的聚合酶通常比宿主細胞更有效地製造DNA和RNA。但是,RNA聚合酶經常犯錯誤,這是RNA病毒經常突變形成新菌株的原因之一。

在某些種類的RNA病毒中,基因不在RNA的連續分子上,而是分開的。例如,流感病毒具有八個由RNA組成的獨立基因。當兩種不同的流感病毒株感染同一細胞時,這些基因可以在稱爲重配的過程中混合併產生新的病毒株。

蛋白質合成

典型的真核細胞圖,顯示亞細胞成分。細胞器:(1)核仁(2)核(3)核糖體(4)囊泡(5)粗麪內質網(ER)(6)高爾基體(7)細胞骨架(8)光滑ER(9)線粒體(10)液泡( 11)細胞質(12)溶酶體(13)的中心粒內中心體(14)的病毒顯示出近似比例粒子

蛋白質是生命必不可少的。細胞根據DNA編碼的信息,從氨基酸構件中產生新的蛋白質分子。每種蛋白質都是通常只執行一種功能的專家,因此,如果細胞需要做新的事情,則必須製造新的蛋白質。病毒迫使細胞產生細胞不需要的新蛋白質,但該蛋白質是病毒繁殖所必需的。蛋白質合成包括兩個主要步驟:轉錄和翻譯。

轉錄是DNA信息(稱爲遺傳密碼)用於產生稱爲信使RNA(mRNA)的RNA副本的過程。它們通過細胞遷移並攜帶密碼至核糖體,在覈糖體中它被用來製造蛋白質。之所以稱爲翻譯,是因爲蛋白質的氨基酸結構由mRNA的編碼決定。因此,信息從核酸的語言翻譯成氨基酸的語言。

RNA病毒的某些核酸無需進一步修飾即可直接作爲mRNA。因此,這些病毒稱爲正向RNA病毒。在其他RNA病毒中,RNA是mRNA的互補拷貝,這些病毒依賴於細胞或自身的酶來製造mRNA。這些被稱爲負義 RNA病毒。在由DNA製成的病毒中,mRNA的產生方法與細胞相似。稱爲逆轉錄病毒的病毒種類完全不同:它們具有RNA,但是在宿主細胞內部,它們的RNA的DNA副本是通過逆轉錄酶的幫助而製成的。然後將該DNA整合到宿主自身的DNA中,並通過細胞的正常途徑複製到mRNA中。

主要文章:病毒生命週期和病毒進入

典型病毒的生命週期(從左到右);單個病毒感染細胞後,數百個後代被釋放。

當病毒感染細胞時,該病毒迫使其製造出數千種病毒。它通過使細胞複製病毒的DNA或RNA,製造病毒蛋白(全部組裝形成新的病毒顆粒)來實現此目的。

活細胞中病毒的生命週期有六個基本的重疊階段:

病毒對宿主細胞的結構和生化作用範圍廣泛。這些被稱爲細胞病變效應。大多數病毒感染最終會導致宿主細胞死亡。死亡原因包括細胞裂解(破裂),細胞表面膜改變和凋亡(細胞“自殺”)。細胞死亡通常是由於病毒產生的蛋白質而停止了其正常活動所致,並非所有蛋白質都是病毒顆粒的成分。

有些病毒不會對受感染的細胞造成明顯的變化。病毒潛伏且無活性的細胞幾乎沒有感染跡象,通常可以正常運行。這會導致持續感染,並且病毒通常處於休眠狀態長達數月或數年。皰疹病毒通常就是這種情況。

某些病毒,例如愛潑斯坦-巴爾病毒,通常會導致細胞增殖而不會引起惡性腫瘤。但是其他一些病毒,例如乳頭瘤病毒,是確定的致癌原因。當細胞的DNA被病毒破壞時,如果細胞無法自我修復,通常會觸發細胞凋亡。凋亡的結果之一是細胞自身破壞受損的DNA。有些病毒具有限制細胞凋亡的機制,因此宿主細胞不會在產生子代病毒之前死亡。例如,艾滋病毒就是這樣做的。

有關病毒引起的疾病的更多示例,請參見傳染病列表。

諾如病毒。十個諾如病毒顆粒;這種RNA病毒會引起冬季嘔吐疾病。它經常在遊輪和醫院中引起胃腸炎。

病毒引起的人類常見疾病包括普通感冒,流感,水痘和脣皰疹。埃博拉病毒和艾滋病等嚴重疾病也是由病毒引起的。許多病毒幾乎不會或根本不會引起疾病,並且被稱爲“良性”。有害性更高的病毒被描述爲有毒。病毒根據感染的細胞類型導致不同的疾病。有些病毒會導致終身或慢性感染,儘管宿主具有防禦機制,但病毒仍會在體內繼續繁殖。這在乙肝病毒和丙型肝炎病毒感染。長期感染病毒的人們被稱爲攜帶者。它們是病毒的重要儲存庫。如果給定人羣中攜帶者的比例很高,則稱該病爲地方病。

病毒可以通過多種方式在宿主之間傳播,但每種病毒僅使用一種或兩種。許多感染植物的病毒是有機體攜帶的; 這種生物被稱爲載體。一些感染動物(包括人)的病毒也通過媒介傳播,通常是吸血昆蟲。但是,直接傳輸更爲普遍。一些病毒感染,如諾如病毒和輪狀病毒,是通過被污染的食物,水,手和公共物品以及與另一個感染者的親密接觸而傳播的,而其他則是通過空氣傳播的(流感病毒)。艾滋病毒,乙型肝炎和丙型肝炎等病毒通常是未經保護的性行爲或受污染的病毒傳播皮下注射針。重要的是要知道每種病毒的傳播方式,以防止感染和流行。

主條目:植物病理學

辣椒被輕度斑駁病毒感染

植物病毒的種類很多,但通常只會造成產量損失,嘗試控制它們在經濟上並不可行。植物病毒通常通過生物體(載體)在植物之間傳播。這些通常是昆蟲,但是一些真菌,線蟲和單細胞生物已被證明是媒介。當認爲控制植物病毒感染是經濟的(例如多年生水果)時,應集中精力殺死載體並清除雜草等替代宿主。植物病毒對人類和其他動物無害,因爲它們只能在活的植物細胞中繁殖。

噬菌體

主條目:噬菌體

典型噬菌體的結構

噬菌體是感染細菌和古細菌的病毒。在國際病毒分類委員會正式承認屬於11個科噬菌體28個屬。它們在海洋生態學中很重要:隨着被感染細菌的爆發,碳化合物會釋放回環境中,從而刺激新鮮的有機生長。噬菌體在科學研究中很有用,因爲它們對人類無害且易於研究。這些病毒可能是通過發酵生產食品和藥品的行業中的一個問題。並依賴健康的細菌。一些細菌感染正變得難以用抗生素控制,因此人們越來越關注使用噬菌體治療人類感染。

宿主抵抗

動物的先天免疫力

主條目:先天免疫

動物,包括人類,對病毒具有多種自然防禦能力。一些病毒是非特定的,無論類型如何,都可以防禦多種病毒。通過重複暴露於病毒不能提高這種先天免疫力,並且不能保留感染的“記憶”。由死細胞製成的動物皮膚,尤其是其表面,可以防止許多類型的病毒感染宿主。胃內容物的酸性破壞了許多被吞嚥的病毒。當病毒克服這些障礙並進入宿主時,其他先天防禦措施會阻止感染在體內傳播。一種特殊的激素,稱爲干擾素當病毒存在時,它是由人體產生的,這通過殺死受感染的細胞及其近鄰來阻止病毒繁殖。在細胞內部,有一些酶可以破壞病毒的RNA。這稱爲RNA干擾。一些血細胞吞噬並破壞其他病毒感染的細胞。

動物的適應性免疫

主條目:免疫反應

兩個輪狀病毒顆粒:右側的一個被抗體包裹,可阻止其附着於細胞並感染它們

隨着時間的流逝,病毒會產生特定的免疫力,稱爲淋巴細胞的白細胞發揮着核心作用。淋巴細胞保留病毒感染的“記憶”併產生許多稱爲抗體的特殊分子。這些抗體會附着在病毒上,阻止病毒感染細胞。抗體具有高度選擇性,只攻擊一種病毒。人體產生許多不同的抗體,尤其是在初次感染期間。然而,在感染消退後,一些抗體仍然存在並繼續產生,通常使宿主對病毒具有終生免疫力。

植物抗性

植物具有針對病毒的詳盡有效的防禦機制。最有效的方法之一是存在所謂的抗性(R)基因。每個R基因通過觸發受感染細胞周圍的局部細胞死亡區域而賦予對特定病毒的抗性,這通常在肉眼觀察時可看作是大斑點。這阻止了感染的傳播。 RNA干擾也是植物的有效防禦。當植物受到感染時,它們通常會產生破壞病毒的天然消毒劑,例如水楊酸,一氧化氮和活性氧分子。

對噬菌體的抗性

細菌抵禦噬菌體的主要方法是產生破壞外源DNA的酶。這些酶稱爲限制性核酸內切酶,可切割噬菌體注入細菌細胞的病毒DNA。

預防和治療人類和其他動物的病毒性疾病

疫苗

更多信息:疫苗接種

DNA的結構,顯示了形成分子“骨架”的核苷和磷原子的位置

疫苗接種是預防由病毒引起的疾病的一種方法。疫苗模擬自然感染及其相關的免疫反應,但不會引起疾病。它們的使用導致根除天花,並由於脊髓灰質炎,麻疹,腮腺炎和風疹等感染而導致疾病和死亡的急劇下降。疫苗可預防超過十四種人的病毒感染,還有更多的疫苗可用於預防動物的病毒感染。疫苗可能包含活病毒或已殺死的病毒。活疫苗含有弱化的病毒形式,但是將這些疫苗用於免疫力較弱的人會很危險。在這些人中,弱化的病毒會引起原始疾病。生物技術和基因工程技術用於生產僅具有病毒衣殼蛋白的“設計”疫苗。乙型肝炎疫苗就是這類疫苗的一個例子。這些疫苗更安全,因爲它們永遠不會引起這種疾病。

抗病毒藥

主條目:抗病毒藥

自1980年代中期以來,抗病毒藥物的發展迅速增長,這主要是由艾滋病大流行帶動的。抗病毒藥物通常是核苷類似物,它們是非常相似的分子,但與DNA結構單元並不相同。當病毒DNA的複製開始時,其中的一些虛假構件便會被合併。一旦發生這種情況,複製就會過早停止-僞造的構建基塊缺少允許添加更多構建基塊的基本功能。因此,DNA的生產被停止,病毒不再繁殖。核苷類似物的例子是用於皰疹病毒感染的阿昔洛韋和拉米夫定用於HIV和乙肝病毒感染。阿昔洛韋是最古老且最常用的抗病毒藥物之一。

DNA鹼基鳥嘌呤和抗病毒藥物阿昔洛韋的結構

其他抗病毒藥物靶向病毒生命週期的不同階段。HIV依賴於一種稱爲HIV-1蛋白酶的酶來使病毒具有傳染性。有一種稱爲蛋白酶抑制劑的藥物,與該酶結合並阻止其發揮作用。

丙型肝炎是由RNA病毒引起的。在80%的感染者中,這種疾病會變成慢性病,除非接受治療,否則他們終生仍會感染。有一種使用核苷類似藥物利巴韋林的有效治療方法。用於治療慢性攜帶者通過使用類似的策略乙型肝炎病毒的拉米夫定和其它抗病毒的藥物已被開發。在兩種疾病中,藥物都會阻止病毒繁殖,干擾素會殺死所有殘留的感染細胞。

HIV感染通常使用抗病毒藥物聯合治療,每種藥物針對病毒生命週期的不同階段。有些藥物可以防止病毒附着在細胞上,有些藥物則是核苷類似物,有些可以毒害病毒需要複製的酶。這些藥物的成功證明了瞭解病毒繁殖的重要性。

病毒是水生環境中最豐富的生物實體 –在一茶匙的海水中大約有100萬 –並且它們對於調節鹹水和淡水生態系統至關重要。這些病毒大多數是噬菌體,對植物和動物無害。它們感染並消滅水生微生物羣落中的細菌,這是在海洋環境中回收碳的最重要機制。病毒從細菌細胞釋放的有機分子刺激新鮮的細菌和藻類生長。

微生物佔海洋生物量的90%以上。據估計,病毒每天會殺死約20%的這種生物質,並且海洋中的病毒數量是細菌和古細菌的15倍。病毒主要造成有害藻華的迅速破壞,這些藻華經常殺死其他海洋生物。 海洋中的病毒數量在近海進一步減少,而在更深的水中,宿主生物較少。

其影響是深遠的。通過增加海洋中的呼吸量,病毒間接導致每年減少大氣中二氧化碳的量約3 吉噸。

海洋哺乳動物也容易受到病毒感染。在1988年和2002年,在歐洲,成千上萬的海豹被菲辛熱病瘟熱病毒殺死。許多其他病毒,包括杯狀病毒,皰疹病毒,腺病毒和細小病毒,在海洋哺乳動物種羣中傳播。

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