第三篇 病毒学
病毒（virus）是一类体积微小、结构简单、只含一种类型核酸（DNA或RNA）、严格活细胞内寄生、以复制方式增殖的非细胞型微生物。基于在生物学特性上与原核生物和真核生物的显著差异，病毒被列为一个独立的生物类型。
病毒在自然界分布非常广泛，人、动物、植物、昆虫、真菌以及细菌等均可有病毒寄生并引起感染。根据病毒感染的宿主范围不同，可将病毒分为脊椎动物病毒、无脊椎动物病毒、植物病毒、真菌病毒和细菌病毒(噬菌体)等。
病毒与人类疾病的关系极为密切，在微生物引起的疾病中，由病毒引起的约占75％。病毒性疾病不仅传染性强、流行广泛，而且很少有特效药物，严重危害人类健康。常见的有肝炎、流行性感冒、腹泻、艾滋病等，近年流行的传染性非典型肺炎、禽流感，以及一些新现病毒性传染病，给人民的生命财产和国民经济带来了巨大损失。除急性传染病外，病毒还可引起持续性感染，有的病毒还与肿瘤及自身免疫病的发生密切相关，因此，病毒已成为多学科关注的热点。
医学病毒学（medical virology）是研究病毒与人类疾病关系的一门科学，主要研究病毒的生物学特性、致病机制与免疫应答，开发控制和消灭病毒性传染病的制品，以保障人类健康。
第22章 病毒的基本性状
第一节 病毒的形态与结构
一、病毒的大小与形态
完整的成熟病毒颗粒称为病毒体（virion），是细胞外的结构形式，具有典型的形态、结构和感染性。病毒体的大小与形态可通过电子显微镜（超薄切片和磷钨酸盐负染技术）、超速离心、分级超过滤技术和X线晶体衍射等技术来观察和测量。
病毒体大小的测量单位为纳米（nanometer, nm, 为1/1 000mm）。各种病毒体大小差别悬殊，最大约为300nm，如痘苗病毒；最小约为30nm，如脊髓灰质炎病毒、鼻病毒等；多数病毒体小于150nm。除最大病毒体经适当染色后可在光学显微镜下观察到外，其他病毒体均须应用电子显微镜放大数千至数万倍才能看见。病毒体与其他微生物大小的比较见图22-1。
多数病毒呈球形或近似球形，少数可为杆状、丝状、子弹状、砖块状，噬菌体大多呈蝌蚪状（图22-2）。经用磷钨酸负染后，在电子显微镜下可见到病毒表面的微细结构。简单的病毒可被结晶后用X线衍射分析病毒的超微结构，根据X线衍射图型可用数学方式处理而推导病毒体的分子构型。病毒的大小及形态在病毒分类中有重要的参考价值；当标本中病毒含量很高，检测的病毒又有形态学特征时，观察病毒形态及大小可有重要发现。
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图22-1 微生物的大小比较 1．葡萄球菌 2．立克次体
3．衣原体 4．痘病毒
5．腺病毒 6．流感病毒
7．乙脑病毒 8．大肠埃希菌噬菌体
9．脊髓灰质炎病毒
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5
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A
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E
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F
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图22-2 几种病毒电镜图（Brooks et al, 2004； Ryan et al, 2004）
A. 脊髓灰质炎病毒 B. 猴多瘤病毒40 C. 水疱性口炎病毒
D. 流感病毒 E. 腺病毒 F. 埃博拉病毒
二、病毒的结构
病毒体的基本结构是核心（core）和衣壳（capsid），二者构成核衣壳（nucleocapsid）。有些病毒的核衣壳外面还有包膜（envelope）包裹，因并非所有病毒均具有，故可视为病毒的特殊结构。包膜上常形成一些钉状突起，称为刺突（spike）（图22-3）。有包膜的病毒体称为包膜病毒（envelope virus），而无包膜的病毒则称为裸露病毒（naked virus）。图22-4显示了几种不同病毒体的形态与结构模式。
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图22-3 病毒体结构模式图 |
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核心
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刺突
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包膜
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壳粒
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衣壳
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核衣壳
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图22-4 数种病毒体的形态与结构模式图（Brooks et al, 2004）
（一）病毒核心
病毒体核心成分主要为核酸，构成病毒基因组，是决定病毒遗传、变异和复制的物质。
病毒核酸位于病毒体中心，化学成分为DNA或RNA，籍此分为DNA病毒和RNA病毒两大类。病毒核酸的存在形式具有多样性，有线形或环形（闭环或缺口环），可为双链或单链，还有的分节段。因此，可将病毒分为双链DNA（dsDNA）、单链DNA（ssDNA）、双链RNA（dsRNA）、单链RNA（ssRNA）及分节段RNA等病毒类型。ssRNA病毒依据核酸的作用不同又分为二组：病毒RNA的碱基序列与mRNA完全相同者，称为单正链RNA病毒（+ssRNA），该病毒RNA可直接起病毒mRNA的作用，如从此类病毒颗粒中提纯RNA，注入适宜的细胞时具有感染性，故称为感染性核酸；病毒RNA的碱基序列与mRNA互补者，称为单负链RNA病毒（-ssRNA），这种病毒的颗粒中含有依赖RNA的RNA聚合酶，可催化合成互补链，成为病毒mRNA，翻译病毒蛋白。从-ssRNA病毒颗粒中提取出的核酸无感染性。一般而言，动物和人类病毒以线形的dsDNA和ssRNA为主，植物病毒多为ssRNA，噬菌体多为线形dsDNA。
病毒基因组大小差别悬殊，微小病毒（parvovirus）仅由5kb组成，而最大的痘类病毒则由约4 Mb组成。基因组的大小和病毒的复杂程度直接相关，基因组越大意味着病毒能合成越多的蛋白质，从而可以有更为复杂的结构。除此之外，基因组的大小也和病毒本身功能密切相关，有较大基因组的病毒能够合成更多相关的转录酶，而不是依靠宿主细胞提供，所以能够更独立地完成转录和翻译。病毒核酸作为模板还可在细胞内复制合成子代病毒的基因组，并最终形成完整的子代病毒。
（二）病毒衣壳
病毒核酸外包有蛋白衣壳，具有维持病毒体的形态、保护病毒核酸免受核酸酶等不利因素破坏的作用；还能介导病毒进入宿主细胞，决定病毒的亲嗜性；同时具有抗原性，是病毒体的主要抗原成分。
衣壳是由一定数量的壳粒（capsomere）所组成。在电镜下可见壳粒的形态，每个壳粒被称之为一个形态亚单位（morphologic subunit）；每个壳粒又由一个或多个多肽分子所组成，这些多肽分子又称为化学亚单位（chemical subunit）或结构亚单位（structural subunit）。不同病毒的衣壳所含壳粒的数量和排列方式不同，可作为病毒分类和鉴定的依据。 根据壳粒的排列方式不同，病毒的结构可有以下3种立体对称型（图22-5）。
图22-5 病毒体衣壳对称排列模式图
（A）螺旋对称；（B）二十面体立体对称；（C）复合对称
1. 螺旋对称型（helical symmetry） 壳粒沿着螺旋形的病毒核酸链排列而成。见于大多数杆状病毒、弹状病毒。
2. 20面体立体对称型（icosahedral symmetry） 核酸浓集成球形或近似球形，外周的壳粒呈20面体立体对称型排列。20面体的每个面都呈等边三角形，由许多壳粒镶嵌组成。大多数病毒体的20面体顶角的壳粒被5个相同壳粒包围，称为五邻体（penton）；而在三角形面上的壳粒，周围都有6个壳粒包围，称为六邻体（hexon）。见于大多数球状病毒，如腺病毒。
3. 复合对称型（complex symmetry） 病毒体结构较复杂，既有螺旋对称又有20面体立体对称型式。仅见于痘病毒、噬菌体等。
经测定，用20面立体构成的衣壳最为坚固，并且其内部空间容积最大。螺旋对称型衣壳则相对不够坚固，因此其衣壳外尚需另有包膜包围。
（三）病毒包膜
包膜是病毒核衣壳在成熟过程中穿过宿主细胞以出芽方式向细胞外释放时获得的，化学组成为脂质、蛋白质和少量糖类。其中脂质和多糖成分来自于宿主细胞膜或核膜，但蛋白则多为病毒基因组编码，构成病毒的表面抗原，具有抗原性，可诱生机体的体液免疫及细胞免疫应答。包膜表面常形成钉状突起，称为刺突（spike），其糖蛋白成分能被宿主细胞膜表面的相应受体所识别，介导病毒吸附和侵入宿主细胞内，引起感染。包膜脂蛋白也是引起机体发热、中毒症状的主要原因。此外，某些包膜病毒在核衣壳外层和包膜内层之间还有基质蛋白存在，多具有跨膜和锚定（anchor）的功能，与子代病毒在细胞内的装配释放和维持病毒的稳定性有关。
病毒衣壳、包膜和基质中的蛋白质是病毒结构中的重要组分，称为结构蛋白。了解病毒的形态结构及化学组成，不仅对病毒的分类和鉴定有重要意义，同时也有助于理解病毒的宿主范围，致病作用及亚单位疫苗的研制。
病毒基因组还编码多种酶类，可以存在于病毒体内，也可能不存在于病毒体内而仅在感染细胞内表达，称为非结构蛋白，例如抑制细胞生物合成的蛋白或抑制病毒抗原经组织相容性抗原递呈的蛋白等。各种具有酶功能的蛋白，如逆转录酶、蛋白水解酶、DNA聚合酶、胸腺嘧啶核苷激酶等，已作为抗病毒药物作用的靶而备受重视。研究病毒的非结构蛋白，对阐明病毒本质、揭示其致病机制和防治病毒性疾病具有重要意义。
第二节 病毒的复制
病毒的结构简单，不具备独立进行生物合成的结构和酶系统，在细胞外处于无活性状态，只有在活细胞内，借助宿主细胞的生物合成原料、能量及场所才能进行增殖。同时病毒进入活细胞时还要求该细胞表面具有相应的病毒受体，这种具有相应受体的细胞称为该病毒的易感细胞。病毒在易感活细胞内，以其基因为模板，籍DNA聚合酶或RNA聚合酶以及其他必要因素，复制病毒的核酸，并借助宿主细胞的核糖体翻译病毒的蛋白质，再经过装配，最终释放出子代病毒。这种以核酸分子为模板进行增殖的方式，称为病毒的自我复制（self replication）。病毒的复制过程可大致分成吸附和穿入（adsorption and penetration）、脱壳（uncoating）、生物合成（biosynthesis）、装配与释放（assembly and release）四个连续步骤，又称复制周期(replication cycle)。
一、复制周期
（一）吸附和穿入
吸附(adsorption)是指病毒附着于敏感细胞的表面，它是感染的起始期。吸附通常可分成两个阶段：首先是通过随机碰撞和离子间的电荷吸引，使病毒与细胞相互接触，这一阶段是非特异而可逆的，与环境中的离子浓度有关；随后通过病毒的包膜或无包膜病毒衣壳表面的配体位点与细胞表面的相应受体结合而发生特异性吸附。研究显示，特异性吸附对病毒的感染是非常重要的，各种病毒的受体不同，据此可确定许多病毒感染的宿主范围。如脊髓灰质炎病毒的细胞表面受体是免疫球蛋白超家族，存在于猴肾细胞、 HeLa细胞和人二倍体纤维母细胞膜上，在非灵长类细胞上没有发现此受体，故脊髓灰质炎病毒仅能感染人体鼻、咽、肠和脊髓前角细胞；流感病毒包膜表面的血凝素剌突与多种细胞膜上N-乙酰神经氨酸有特殊的亲和力，如用神经氨酸酶破坏该受体，则流感病毒不再吸附这种细胞。此外，人类免疫缺陷病毒（HIV）包膜糖蛋白gp120的受体是人辅助T淋巴细胞表面的CD4分子；鼻病毒的受体为细胞间粘附分子-1(ICAM-1)；EB病毒的受体为补体受体-2(CR-2)。但一种病毒可有不止一种细胞受体，而且还有不少病毒受体尚未被确定。研究病毒的吸附过程对了解受体组成、功能、致病机制以及探讨抗病毒治疗有重要意义。
穿入(penetration)是指病毒核酸或感染性核衣壳穿过细胞进入胞浆，开始病毒感染的细胞内期。主要有三种方式：①融合 (fusion)，在细胞膜表面病毒包膜与细胞膜融合，病毒的核衣壳进入胞浆，如麻疹病毒、腮腺炎病毒包膜上有融合蛋白，带有一段疏水氨基酸，介导细胞膜与病毒包膜的融合；②胞饮 (viropexis)，当病毒与易感细胞表面受体结合后，在细胞膜的特殊区域与病毒一起内陷使整个病毒被吞饮入胞内形成吞噬泡，是病毒穿入细胞的常见方式；③直接进入，某些无包膜病毒，如脊髓灰质炎病毒与受体接触后，衣壳蛋白的多肽构型发生变化并对蛋白水解酶敏感，病毒核酸可直接穿越细胞膜进入胞浆中，而大部分蛋白衣壳仍留在胞膜外，这种进入的方式较为少见。
（二）脱壳
病毒在细胞内必须脱去衣壳，其核酸方可在宿主细胞中发挥指令作用。多数病毒在穿入时已在细胞的溶酶体酶作用下脱壳并释放出病毒的基因组。少数病毒的脱壳过程较复杂。这些病毒往往是在脱衣壳前，病毒的酶已在起转录mRNA的作用。
（三）生物合成
病毒核酸一旦从衣壳中释放后就进入生物合成阶段。在此阶段，用血清学方法和电镜检查，不能从细胞内检出病毒体，故称隐蔽期（eclipse period）。各种病毒的隐蔽期长短不一，如脊髓灰质炎病毒只有3～4小时，而腺病毒则需16～17小时。隐蔽期实际上是在病毒基因控制下进行病毒核酸和蛋白质合成的阶段。
病毒生物合成部位因病毒种类而异，多数DNA病毒在细胞核内复制其核酸，在细胞质内合成其蛋白质；多数RNA病毒的核酸及蛋白质均在胞质中合成。
病毒的生物合成包括病毒核酸复制及病毒蛋白质合成两个方面，其中蛋白质合成又可分成早期蛋白质合成与晚期蛋白质合成两个阶段。通常早期蛋白为具有酶活性的非结构蛋白，而晚期蛋白则为结构蛋白。由于病毒基因组类型复杂多样，因而病毒生物合成的方式也比较复杂，一般根据病毒基因组的类型可分成6大类，即dsDNA病毒、ssDNA病毒、dsRNA病毒、+ssRNA病毒、-ssRNA病毒及逆转录RNA 病毒。不同基因组类型的病毒在生物合成中，除核酸复制方式的差异以外，其mRNA的转录亦不相同（图22-6）。
图22-6 病毒转录mRNA的基本形式
1. DNA病毒复制 人和动物的DNA病毒基因组大多数为双链DNA，例如疱疹病毒、腺病毒。它们在细胞核内合成DNA，在胞质内合成病毒蛋白。但痘病毒例外，因其本身携带DNA聚合酶，DNA和蛋白质都在胞质内合成。
双链DNA病毒的复制（图22-7）一般可分为早期及晚期两个阶段，早期阶段病毒先利用细胞核内依赖DNA的DNA聚合酶，转录出早期mRNA，再在细胞质内核糖体翻译成早期蛋白。这些早期蛋白主要为合成病毒子代DNA所需要的DNA聚合酶和脱氧胸腺嘧啶激酶及多种调控病毒基因组转录和抑制宿主细胞代谢的酶，为病毒核酸的复制提供酶和条件。晚期阶段则为病毒双链DNA通过解链后，利用早期转录、翻译的酶等分别以正链DNA和负链DNA为模板，复制出子代DNA。同时病毒DNA转录的mRNA可进入胞质翻译出病毒的结构蛋白，包括衣壳蛋白及其他结构蛋白。从DNA病毒复制的全过程，可见随病毒基因组转录和翻译的不同阶段，需要不同种类的蛋白参与调控，因此需有不同的mRNA转录与翻译，从而使这一过程可有效并有序地进行。在生物合成中，因病毒基因组进入细胞核内，不仅有与细胞染色体基因重组与整合的机会，还有利于病毒在细胞内持续存在、激活病毒或细胞的癌基因。生物合成中，由病毒DNA编码的酶与细胞所提供的酶不同，因此已成为抗病毒药物所针对的“靶”。
单链DNA病毒种类很少。其生物合成需先合成另一条互补链，与亲代单链DNA形成DNA双链的复制中间体后，然后解链而分别转录与翻译。
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图22-7 dsDNA病毒复制示意图 |
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吸附
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穿入
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DNA复制
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释放
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装配
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脱壳
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核酸游离
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早期转录
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早期蛋白质转译
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晚期转录
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晚期蛋白质转译
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2．RNA病毒复制 人与动物RNA病毒的基因组大多为单链RNA。RNA病毒的生物合成是极其独特的，因其他生物体的基因组均为DNA。绝大多数RNA病毒的生物合成并不需要DNA参与，用去核的细胞进行实验，发现RNA病毒仍可进行生物合成，因此RNA病毒只需在宿主细胞质内合成子代RNA及病毒蛋白质。例外的是流感病毒及个别副粘病毒，它们需要有一个细胞核内的生物合成阶段。实验证明细胞核的mRNA对流感病毒的转录有启动作用。
单链RNA病毒分为正单链RNA病毒与负单链RNA病毒。正单链RNA病毒的RNA基因组不仅可作为模板复制子代病毒RNA，还同时具有mRNA的功能，可直接附着于胞质的核糖体，翻译出病毒蛋白，包括酶和衣壳蛋白等。负单链RNA病毒的基因组RNA也可作为模板复制子代病毒RNA，但由于负链RNA不能直接附着于胞质内的核糖体作为mRNA以翻译病毒所需的蛋白质，因此负单链RNA病毒体内必须携带有依赖RNA的聚合酶，通过自身内部先转录出核苷酸序列与亲代基因组互补的正链后，才能在核糖体上翻译出相应的蛋白质。无论正单链或负单链RNA病毒在复制子代病毒RNA前都需合成另一互补链，成为复制中间型后，再分别解链进行复制。不同点是正单链RNA病毒所合成互补链的RNA聚合酶是由其本身RNA作为mRNA转译所合成；而负单链RNA病毒的RNA聚合酶则是病毒体自身所携带的。因多数RNA病毒的合成不进入细胞核内，因此不会出现RNA病毒的整合（逆转录病毒例外），且宿主细胞中无依赖RNA的RNA聚合酶，故该酶可作为抗病毒作用的“靶”。在生物合成中，RNA病毒形成的复制中间型可高效地大量复制，因此RNA病毒增殖一个周期所需时间少于DNA病毒。
3. 逆转录病毒复制 这一类病毒虽也是单链RNA病毒，但其生物合成过程完全不同。因病毒体带有逆转录酶，能以病毒亲代RNA为模板合成互补的DNA链，从而构成了RNA∶DNA中间体。其中RNA由细胞编码的RNA酶H水解去除，而DNA进入细胞核，经细胞的DNA聚合酶作用，以该DNA链为模板合成新的互补DNA链而成为双链DNA分子。这一双链DNA分子通过整合入细胞的染色体DNA上，成为前病毒（provirus），并可随宿主细胞的分裂而存在于子代细胞内。前病毒还可在核内经细胞的依赖DNA的RNA聚合酶转录出子代病毒的RNA与mRNA。后者可在胞质核糖体上翻译出子代病毒蛋白质（图22-8）。逆转录病毒独特的生物合成过程使其成为第一个被确定的人类肿瘤病毒。人类T淋巴细胞白血病病毒（HTLV-I及HTLV-Ⅱ）就是逆转录病毒。此外，HIV也是逆转录病毒；现有的抗HIV药物之一就是针对逆转录酶的制品。
图22-8 逆转录病毒复制的主要步骤
（四）装配与释放
病毒的种类不同，在细胞内复制出的子代病毒的核酸与蛋白质，在宿主细胞内装配的部位也不同，分别可在核内、胞质内、核膜及胞质膜上进行装配。无包膜病毒装配成的核衣壳即为成熟的病毒体，随宿主细胞破裂全部释放到周围环境中；有包膜的病毒，装配成核衣壳后以出芽方式或通过胞吐作用释放，释放时可包有核膜或胞质膜而成为成熟病毒体（图22-9）。包膜上的脂类来自细胞，可随在不同细胞内增殖而有不同，但包膜的蛋白（包括糖蛋白）则由病毒编码，故具有病毒的特异性与抗原性。
图22-9 包膜病毒的出芽释放模式
二、病毒增殖的细胞效应
病毒在复制过程中阻断或抑制宿主细胞的正常代谢，可致细胞损伤、裂解并释放出大量的子代病毒（如脊髓灰质炎病毒等）。出芽释放的病毒（如疱疹病毒等）虽然不直接裂解细胞，但在体外细胞培养中可因细胞功能及新陈代谢的改变最终导致细胞死亡。有些病毒（如巨细胞病毒）的子代病毒很少释放至细胞外，而是通过细胞间桥，或通过细胞融合方式侵入新的细胞。逆转录病毒则一方面可以出芽方式释放子代病毒，另一方面还可通过整合有病毒基因的细胞分裂，而将病毒基因传递给子代细胞。至于基因分节段的RNA病毒（如流感病毒等）如何能有效地分别复制各节段并有序地将各节段装配成完整病毒体，还是尚未解决的问题。
当两种病毒同时感染同一细胞时，可发生一种病毒的增殖抑制了另一种病毒增殖的现象，称为干扰现象(interference)。有时同种病毒的不同型或不同株之间也可发生干扰现象。对这一现象机制的研究首先考虑的是第一种病毒感染后，宿主细胞表面的受体被结合或细胞发生了代谢途径的变化，从而阻止了另一种病毒的吸附、穿入细胞或生物合成。进一步研究发现，经灭活的病毒也具有干扰作用，这就难以用代谢途径变化来解释。以后发现灭活病毒在细胞中可诱导细胞产生抑制病毒复制的一组蛋白质，称为干扰素（interferon, IFN）。干扰素的发现启动了一系列细胞抗病毒作用及病毒免疫的研究。
三、病毒的异常增殖
病毒进入宿主细胞后，可因病毒本身基因组不完整或发生了变化，以致不能在细胞内完成增殖的全过程和复制出有感染性的病毒体。另一方面，如宿主细胞缺乏病毒复制所需的酶、能量等条件，病毒也不能复制和装配释放成熟病毒体。
（一）缺陷干扰颗粒(defective interfering particle, DIP)
带有不完整基因组的病毒体，称为缺陷病毒（defective virus）。当缺陷病毒不能复制，但却能干扰同种成熟病毒体进入细胞则被称为缺陷干扰颗粒。过去一度曾设想用DIP作为抗野毒株病毒复制的制剂，然而后来发现DIP具有两面性，即在干扰野毒株的同时，野毒株的完整基因组也可弥补缺陷病毒基因组的不足，辅助缺陷病毒增殖出完整病毒。结果使DIP与野毒株各自有增多及减少的消长动态。在自然界还发现有些病毒是天然的缺陷病毒，需要在另一种病毒辅助下方可增殖，如腺病毒伴随病毒，是一种单链DNA病毒，必须有腺病毒的辅助方可增殖。这种自然存在的缺陷病毒究竟是如何演变和成熟的，还待进一步研究。
（二）顿挫感染（abortive infection）
因细胞条件不合适，病毒虽可进入细胞但不能复制的感染过程被称为顿挫感染，亦称流产感染。构成顿挫感染的细胞被称为非容纳性细胞（non-permissive cells），而能支持病毒完成正常增殖的细胞则被称为容纳性细胞。在非容纳性细胞内病毒可以存在，但不完成正常增殖周期。如果条件改变，病毒可经过非容纳性细胞的介导进入容纳性细胞内，从而出现完整病毒的增殖。
第三节 理化因素对病毒的影响
病毒受理化因素作用后，丧失其感染性称为灭活（inactivation）。灭活病毒仍能保留其他生物学特性，如抗原性、红细胞吸附、血凝及细胞融合等。病毒的灭活可能是理化因素直接破坏病毒核酸的结果；也可能是由于理化因素改变了病毒蛋白质或脂类的结构或组成，发生变性，致使病毒不能进入宿主细胞所致。研究并掌握理化因素对病毒的影响，不仅对指导实施消毒，而且也对病毒疫苗的制备和临床实践均有重要意义。
一、物理因素的影响
（一）温度
大多数病毒耐冷不耐热，室温下存活时间不长，加热56℃ 30分钟或100℃几秒钟即可被灭活。但有些病毒如乙型肝炎病毒较耐热，加热60℃ 4小时尚能耐受，100℃ 10分钟以上才被灭活。热对病毒的灭活作用，主要是使病毒的衣壳蛋白和包膜病毒的糖蛋白刺突发生变性，因而阻止病毒吸附于宿主细胞。热也能破坏病毒复制所需的酶，但热对病毒的灭活作用受周围环境因素的影响，有蛋白质或Ca2+、Mg2+存在时常可提高病毒对热的抵抗力，如正粘病毒和副粘病毒在1mol/L MgSO4中较稳定而不易灭活，此作用称为阳离子稳定作用，常用于实验室保存某些标本。
（二）射线
电离辐射（包括α、β、γ射线和X射线等）与紫外线均可使病毒灭活，但所需剂量大于细菌。射线可破坏或改变病毒核酸的分子结构，使之丧失生物活性导致病毒灭活，但病毒体仍保留免疫原性，若长时间的紫外线照射也能使病毒蛋白变性而失去免疫原性。此外，有些病毒（如脊髓灰质炎病毒）经紫外线灭活后若再用可见光照射，因激活病毒酶的原因，可使已灭活的病毒复活，称为光复活作用photo-reactivation），故不宜用紫外线来制备灭活疫苗。（
（三）干燥
病毒在常温中干燥条件下易被灭活，但若冷冻后再进行真空干燥，则可使病毒长期存活，故常用于保存病毒毒种或制备冻干活疫苗。
（四）酸碱度
大多数病毒在pH6～8的范围内比较稳定，而在pH 5.0以下或pH 9.0以上迅速被灭活，病毒实验室常用酸性或碱性消毒剂消毒病毒污染的器材和用具，如1%～3%盐酸溶液浸泡消毒等。
二、化学因素的影响
（一）脂溶剂
乙醚、氯仿、去氧胆酸盐等脂溶剂可使包膜病毒的脂质溶解而灭活病毒。乙醚在脂溶剂中对病毒包膜具有最大的破坏作用，所以乙醚灭活实验可鉴别有包膜和无包膜病毒
（二）醛类
甲醛对病毒蛋白质和核酸都有破坏作用，使病毒失去感染性，是常用的灭活剂。甲醛也可与蛋白质氨基酸发生反应，但对蛋白质的构型作用不强，因此对免疫原性影响不大，故常用于病毒灭活疫苗的制备。
（三）氧化剂、卤素及其化合物
病毒对过氧化氢、漂白粉、高锰酸钾、碘和碘化物及其它卤素类化学物质都很敏感，为有效的病毒灭活剂。70%乙醇能使大多数病毒灭活。次氯酸盐、过氧乙酸等对肝炎病毒等有较好的消毒作用。
（四）抗生素与中草药
抗生素对病毒无效，但可以抑制待检标本中的细菌，利于病毒的分离。近年来研究证明，某些中草药如大青叶、板蓝根、贯仲、大黄等对某些病毒有一定的抑制作用。
大多数病毒缺乏游离水，对500ml/L的甘油盐水耐受性强，故常将其作为病毒性标本的保存液。
第四节 病毒遗传学
对病毒遗传与变异的研究经历了两个阶段，即传统的遗传学阶段和分子遗传学阶段。由于病毒基因组较简单，其基因数在3～10个之间，且为单一核酸，增殖速度极快，例如单个腺病毒在一个细胞内可产生相当于17代的25万个子代DNA 分子，因此最早即用病毒作为研究分子遗传学的工具。
对病毒基因结构与功能的分子生物学研究，从理论及应用上促进了病毒学的发展，目前对病毒的基因组研究已进入了后基因组阶段，即从全基因水平研究病毒的生物学功能，同时发现新的基因功能。病毒功能基因组学和功能蛋白质组学的研究，是病毒研究的发展趋势，是21世纪病毒学研究发展的方向，将使病毒感染性疾病和病毒相关肿瘤的致病机制研究有重大突破。
一、传统遗传学
病毒传统遗传学的研究主要是用不同表型的病毒变异株之间遗传物质的交换来分析各种病毒基因所编码的生物学功能。病毒基因组的差异决定了病毒生物学性状的不同，也决定了病毒遗传变异的机制。常用作研究的病毒为腺病毒、流感病毒和辛德毕斯病毒（Sindbis virus）等；主要的病毒变异有以下几种类型。
（一）突变
病毒基因组碱基序列发生改变，导致其表型性状改变的毒株称为突变株（mutant）。当突变株能稳定地在相应的宿主或细胞中传代与存活时，则称为变异株（variant）。突变可以是自然产生，也可以诱导出现，通常可从自然界分离，或用紫外线、亚硝酸等理化因子诱发而获得。常见的突变株多具有容易检测与识别的生物学特性，可用核酸测序等分子遗传学方法和表型分析鉴定技术来确定。如温度敏感（temperature sensitive, ts）突变株是指在28～35℃的温度下可以复制，但当温度升至37～40℃ 则不能复制的突变株；此外还有抗原性突变株、致病性减弱及耐药性突变株等。由于病毒群体中常同时存在基因组略有不同的病毒体，因此在研究中常利用病毒稀释后在单层细胞形成空斑，经三次纯化而获得纯度高的毒株。
（二）重组与重配
两种或两种以上有亲缘关系但生物学性状不同的毒株感染同一种细胞时，可发生核酸水平上的互换而产生兼有两亲本特性的子代，这种由于核酸间的互换而形成子代的过程称为重组（recombination）。重组时病毒核酸分子断裂、交叉连接，引起核酸分子内部重新排列。DNA或RNA病毒均可发生基因重组。对于基因分节段的RNA病毒，如流感病毒、轮状病毒等，通过交换RNA 节段而进行的重组称为重配（reassortment）（图22-10）。基因分节段的病毒发生重配的机率可高于基因组为单一分子的其他病毒。
图22-10 基因重组与重配模式图
（三）互补与表型混合
某些病毒在细胞培养中不能产生子代病毒，但当用不同毒株混合感染时，通过两种病毒基因产物之间相互作用则可产生具有感染性的子代病毒，称之为互补作用（complementation）。互补可在辅助病毒与缺陷病毒之间、两种缺陷病毒之间或活病毒与灭活病毒之间发生。
由于病毒增殖过程中，核酸复制与转录、翻译合成的病毒蛋白分别在细胞的不同部位进行，因此有时两株病毒共同感染时，并未发生核酸的交换。但当一种病毒核酸被另一种病毒核酸所编码的蛋白衣壳包裹后，也会发生一些生物学特征（如耐药性，嗜细胞性）的改变。若包裹的衣壳或包膜中镶嵌有两种病毒的衣壳蛋白或包膜糖蛋白，称为表型混合（phenotypic mixing）；若只是一种病毒的衣壳或包膜包裹另一种病毒的基因组，则称为表型交换（图22-11）。
互补作用、表型混和与表型交换所产生的子代病毒的基因组并未改变，这种变异不稳定，为非遗传性变异，经再次传代后，子代病毒的特性将恢复亲代原有的表型。因此在获得有新生物学特性的病毒株时，应通过传代，考验新特性的稳定性，以区别重组体与表型混合。
传统遗传学所用的方法和技术虽很复杂很繁琐，但在这一阶段研究中对病毒基因及功能的分析提供了有意义的成果。例如已知ts变异株常伴有毒力减弱，我国学者将甲型肝炎病毒感染细胞置于相对低的温度下连续传代，结果筛选出减毒的甲肝病毒株，制备了疫苗，并已用于预防甲型肝炎。此外，重组技术在目前研制以痘苗病毒为载体的多重新型疫苗中也仍被沿用。利用重配来研究流感病毒的分子流行病学和发展疫苗也在进行中。传统病毒遗传学的优点为将病毒基因改变与生物学特性直接联系，能较快地揭示病毒基因的功能。
图22-11 病毒的表型混和与表型交换
二、分子遗传学
20世纪70年代末开始了用分子遗传学及克隆技术研究病毒的基因，从而将病毒遗传学推进到分子遗传学阶段。通过对病毒基因组的全面研究，以及对自然界分离的各种病毒科、属、株的一些基因片段的分析和比较，使得对病毒基因结构与功能的分子生物学的研究得到快速发展，主要表现在以下几个方面。
（一）病毒基因结构分析
通过对甲型流感病毒基因的研究分析，了解了8个基因节段编码的蛋白功能，从而可对其编码的血凝素抗原进行测序分析，并及时发现带有非人来源（禽、猪）流感病毒血凝素的毒株；通过对丙型肝炎病毒基因组分析，发现有较多的编码非结构蛋白的基因，其中已可确定编码病毒RNA 聚合酶基因的序列和位置。
（二）病毒保护性表位的确定
根据核苷酸序列分析，分别克隆与表达不同的病毒包膜蛋白，经免疫原性研究，可以确定表达保护性抗原的位点，如在乙型肝炎病毒表达中已确定编码表面抗原中的“α”决定簇表位（第120～147位氨基酸）是具有保护性的表位。
（三）病毒抗原高变区的分析
根据基因分析，HIV的包膜抗原编码区（env）中有易发生突变的高变区，容易逃逸机体的免疫应答。
（四）与毒力相关的基因编码区分析
狂犬病病毒基因分析发现，编码病毒G蛋白第333位氨基酸若由精氨酸变为谷氨酰胺或异亮氨酸，则病毒在神经细胞中的增殖及扩散力将大大降低。
（五）耐药性变异分析
临床上应用针对病毒酶的药物后，有时病毒经短暂被抑制后又重新复制。分析病毒酶的基因编码区可发现核苷酸序列的变异与耐药性发生的关系。
第五节 病毒的分类
病毒分类是病毒学中一个基础研究领域。对病毒分类的原则是：①核酸类型与结构（RNA、DNA、双链、单链、线状、环状、是否分节段）；②病毒体的形状和大小；③病毒体的形态结构（衣壳的对称型、有无包膜）；④对脂溶剂的敏感性等。1995年国际病毒分类委员会第一次将病毒分为三大类，即在原有的DNA病毒类与RNA病毒类之间新增了DNA和RNA逆转录病毒类。这一新类包括了原属RNA病毒类的逆转录病毒科（如HIV）和原属DNA病毒类的嗜肝DNA病毒科（如HBV）。在医学病毒学中，常以临床学、病理学和流行病学的某些特征作为分类依据，如嗜神经病毒、呼吸道病毒、肠道病毒、虫媒病毒、婴儿腹泻病毒等。
依据分类原则，将病毒分为科、属、种。由结构、性状相关并亲缘关系相近的病毒成员组成病毒属（virus genera），属名后用后缀 -virus，如Enterovirus（肠道病毒属）；由结构、性状相关和有亲缘关系的病毒属组成病毒科（virus families），科名后用后缀 -viridae，如Picornaviridae（小RNA病毒科）。目前将病毒分为71个科，164个属和4 000多种病毒，但有些病毒仍无法分类。与人类疾病相关的重要病毒科见表22-1。
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表22-1 感染人类的重要病毒分类
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病毒科名
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包膜
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衣壳对称
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颗粒大小
（nm）
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分子量
(×106)
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结构
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重要病毒
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细小病毒科
(Paraoviridae)
|
无
|
20面体
对称
|
22
|
2
|
单链线状DNA
|
B19病毒
|
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乳多空病毒科
(Paproavairidae)
|
无
|
20面体
对称
|
55
|
3-5
|
双链环状DNA
|
乳头瘤病毒(HPV)
|
|
腺病毒科
(Adenoviridae)
|
无
|
20面体
对称
|
75
|
23
|
双链环状DNA
|
腺病毒(adenovirus)
|
|
疱疹病毒科
(Herpesviridae)
|
有
|
20面体
对称
|
1 002
|
100～
150
|
双链环状DNA
|
单纯疱疹病毒
(herpes simlex virus)
|
|
痘病毒科
(Poxviridae)
|
有
|
复合对称
|
250×400
|
125～
185
|
双链环状DNA
|
天花病毒(smallpox virus)
|
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嗜肝DNA病毒科
(Headnasviridae)
|
有
|
20面体
对称
|
42
|
1.5
|
双链不完整环状DNA
|
乙肝病毒(hepatitis B virus)
|
|
逆转录病毒科
(Retroviridae)
|
有
|
20面体
对称
|
100
|
72
|
2条相同正链RNA
|
人类免疫缺陷病毒
(HIV)
|
|
小RNA病毒科
(Picornaviridae)
|
无
|
20面体
对称
|
28
|
2.5
|
单正链RNA
不分节
|
脊髓灰质炎病毒
(poliovirus)
|
|
嵌杯病毒科
(Caliciviridae)
|
无
|
20面体
对称
|
38
|
2.7
|
单正链RNA
不分节
|
戊型肝炎病毒
(hepatitis E virus)
|
|
呼肠病毒科
(Reovirus)
|
无
|
20面体
对称
|
75
|
15
|
双链RNA，分节
|
呼肠病毒(reovirus)
|
|
黄病毒科
(Flaviviridae)
|
有
|
20面体
对称
|
45
|
4
|
单正链RNA
|
丙型肝炎病毒
(hepatitis C virus)
|
|
披膜病毒科
(Togaviridae)
|
有
|
20面体
对称
|
60
|
4
|
单正链RNA
|
风疹病毒
(rubella virus)
|
|
正粘病毒科
(Orthomyxoviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
80～120
|
4
|
单负链RNA
分节
|
流感病毒
(influenza virus)
|
|
副粘病毒科
(Paramyxoviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
150
|
6
|
单负链RNA
不分节
|
麻疹病毒(meales virus)
|
|
弹状病毒科
(Rhabdoviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
75×180
|
4
|
单负链RNA
不分节
|
狂犬病毒(rabies virus)
|
|
线状病毒科
(Filoviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
803
|
4
|
单负链RNA
不分节
|
埃博拉病毒(ebola virus)
|
|
冠状病毒科
(Coronaviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
100
|
5
|
单负链RNA
不分节
|
冠状病毒
(coronavirus)
|
|
沙粒病毒科
(Arenaviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
80～130
|
5
|
单负链RNA
分节
|
淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒
(lymphocytic choriomeningitis virus)
|
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布尼病毒科
(Bunyaviridae)
|
有
|
螺旋对称
|
100
|
5
|
单负链RNA
分节
|
汉坦病毒
(hantavirus)
|
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代尔塔病毒科
(Deltaviridae)
|
有
|
不明
|
37
|
0.5
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单负链RNA
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丁型肝炎病毒
(hepatitis D virus)
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近年发现一些比一般病毒更小的非寻常病毒的致病因子，称为亚病毒（subviru），包括卫星病毒（salellite）、类病毒（viroid）和分类学上尚未确定归属的朊粒（prion）。
1. 卫星病毒 多数与植物病毒相关，少数与噬菌体或动物病毒相关。如腺病毒的卫星病毒。卫星病毒可分为两大类，一类可编码自身的衣壳蛋白，另一类为卫星病毒RNA分子，曾被称为拟病毒（virusoid），需利用辅助病毒的蛋白衣壳。
2. 类病毒 均为植物病毒，由200~400个核苷酸组成单链环状的RNA分子，有二级结构，不含蛋白质，无包膜或衣壳。在细胞核内增殖，利用宿主细胞的RNA聚合酶Ⅱ进行复制。目前认为人丁型肝炎病毒是一种特殊的嵌合分子，具有部分卫星病毒及部分类病毒的特性。
3. 朊粒 无核酸，结构仅由一种耐蛋白酶K的蛋白分子组成，具有传染性，与动物和人类传染性海绵状脑病有关，如库鲁病（Kuru）、克雅病（CJD）等。经近年深入研究，不少学者认为不宜将朊粒列入病毒范畴，故其生物学地位待定。
