痘病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳播方式及復(fù)制周期

自從1980年在世界范圍內(nèi)根除天花以來，人們幾乎不再開發(fā)天花病毒的療法。2022年世界范圍內(nèi)的猴痘爆發(fā)讓天花重回公眾視野，人們擔(dān)心天花病毒或與它同屬的猴痘病毒可能成為恐怖主義潛在的生物武器。天花病毒（Variola virus）、猴痘病毒（Monkeypox virus，MPXV）同屬于痘病毒科-脊索痘病毒亞科-正痘病毒屬。痘病毒是已知最大的動物病毒，可感染大多數(shù)脊椎和無脊椎動物。痘病毒是一種雙鏈DNA病毒，具有約200個不同的基因，基因產(chǎn)物的一個子集可獨立于宿主細(xì)胞核執(zhí)行病毒所必需的功能，其他基因產(chǎn)物可廣泛使用、調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞和免疫系統(tǒng)。

人類流行病史上較為有名的正痘病毒包括天花病毒（Variola virus）、痘苗病毒（Vaccinia virus，VACV）、牛痘病毒（Cowpox virus，CPXV）及猴痘病毒（Monkeypox virus，MPXV）。天花（Variola virus）是引起人類天花的病原體，在美國發(fā)現(xiàn)了兩種臨床流行病學(xué)變種：大天花病毒（Variola major virus）和小天花病毒（Variola minor virus或alastrim virus），其致死率分別是5-40%和1%，從致死率來看大天花病毒的毒性更強。牛痘病毒（Cowpox virus，CPXV）因其與奶牛乳頭和擠奶工人手上的膿皰病變有關(guān)而得名。有趣的是，在自然界中牛并不是CPXV的天然宿主，其引發(fā)的牛痘也不是一種常見疾病。痘苗病毒（Vaccinia virus，VACV）是實驗室廣泛使用的痘病毒模型，曾被用于制備天花疫苗，其中M-63（蘇聯(lián)）、Lister（英國）、天壇（中國）以及Wyeth、IHD（美國）VACV毒株使用最廣泛。

痘病毒基因組

痘病毒基因組是線性雙鏈DNA，兩端具有長度可變的反向串聯(lián)重復(fù)序列，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。從痘苗病毒Copenhagen和WR病毒株完整的測序信息來看，痘苗病毒基因組全長191kbp，12kbp的反向末端重復(fù)序列（ITR）末端為共價連接的單鏈發(fā)夾環(huán)，序列富含AT，包含短的直接重復(fù)序列和多個ORF。痘病毒可完全在細(xì)胞質(zhì)中進行復(fù)制，對宿主細(xì)胞的DNA和RNA依賴程度低。病毒可通過產(chǎn)生和分解大的串聯(lián)分子合成新的基因，新基因包裝不嚴(yán)格，為基因組擴增提供了有利條件，在此過程中病毒獲得新的功能完成進化。

圖1. 痘苗病毒基因組示意圖

痘病毒形態(tài)結(jié)構(gòu)

痘病毒科是迄今所知結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一類病毒，痘病毒粒子呈橢圓形或磚狀結(jié)構(gòu)，長度約為200-400nm，軸比為1.2-1.7。膜是典型的50-55nm脂蛋白雙分子層，包裹在核心周圍，外表面布滿隨機排列的小管元件（STE），平均寬7nm，長100nm。病毒粒子由核和被膜包圍的相關(guān)側(cè)體組成，具有足夠的傳染性；然而，對于某些病毒株和某些細(xì)胞的感染，病毒粒子會獲得一個額外的脂質(zhì)雙分子層，它具有自己獨特的化學(xué)成分，稱為包膜（Envelope）。這種包膜所含的磷脂大約是未包膜病毒粒子的兩倍。大量研究顯示，病毒包膜上的抗原能夠引起免疫，保護宿主抵御痘病毒的攻擊。痘病毒包膜至少含有7種不同的糖蛋白，以及一種主要的非糖基化?；嚯摹?/p>

圖2. IMV形式的痘病毒結(jié)構(gòu)示意圖

注：是否存在內(nèi)膜尚有爭議。

痘病毒傳播方式

病毒的傳播過程根據(jù)痘病毒種類及宿主的不同差別較大，通常包括以下幾種方式：1）在細(xì)胞質(zhì)中保持游離態(tài)；2）遷移到細(xì)胞表面并通過微絨毛排出；3）被來自高爾基體的兩層膜包裹，運輸?shù)郊?xì)胞表面，然后被包膜（來自高爾基體內(nèi)池膜）釋放；4）通過出芽形成大液泡獲得包膜；5）它們與無膜的液泡結(jié)合；6）它們以一種嗜酸的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)的形式與一種蛋白質(zhì)物質(zhì)相結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)被稱為a型包涵體（ATI）。

痘苗病毒復(fù)制周期

痘病毒復(fù)制周期因病毒種類而異,以模型病毒——VACV為例，復(fù)制一般發(fā)生在感染后2-5h。病毒成熟需經(jīng)歷五個階段：未成熟病毒體（IV）、細(xì)胞內(nèi)成熟病毒體（IMV）、細(xì)胞內(nèi)包膜病毒體（IEV）、細(xì)胞相關(guān)包膜病毒體（CEV） 和細(xì)胞外包膜病毒體（EEV）。IMV和EEV是痘苗病毒的主要傳染形式，EEV比IMV更具傳染力，可通過非pH依賴方式與質(zhì)膜融合，進入細(xì)胞。EEV負(fù)責(zé)胞間傳輸，最終會作為IMV從細(xì)胞釋放到外部環(huán)境中，與EEV相比IMV更穩(wěn)定，負(fù)責(zé)宿主間傳輸。

脫殼

病毒和細(xì)胞膜融合后，發(fā)生初級脫殼，病毒核心被釋放到細(xì)胞質(zhì)中。核心除了有病毒基因組，還有依賴于病毒DNA的RNA聚合酶、特異性識別病毒早期基因啟動子所需的“起始”蛋白質(zhì)，以及幾種修改病毒轉(zhuǎn)錄本的RNA處理酶。核心釋放后合成病毒早期mRNA（圖3，步驟2），這些mRNA表現(xiàn)出細(xì)胞mRNA的典型特征，被細(xì)胞識別翻譯（圖3，步驟3）。大約一半的病毒基因在感染早期表達(dá)。一些與細(xì)胞生長因子具有序列相似性的早期蛋白從細(xì)胞中分泌（圖3，步驟4），誘導(dǎo)鄰近宿主細(xì)胞增殖或抗宿主免疫防御機制。早期蛋白質(zhì)的合成誘導(dǎo)第二次脫殼，核心壁打開，含基因組的核蛋白復(fù)合體從核心釋放（圖3，步驟5），病毒早期基因表達(dá)停止。

復(fù)制

早期蛋白催化病毒DNA基因組復(fù)制（圖3，步驟6），新合成的病毒DNA分子作為下個復(fù)制周期的模板（圖3，步驟7），它們也是病毒中間期基因的轉(zhuǎn)錄模板（圖3，步驟8）。中間基因轉(zhuǎn)錄激活需要特定的病毒蛋白（早期基因的產(chǎn)物），賦予病毒RNA聚合酶上的中間啟動子特異性，以及從受感染細(xì)胞核重新定位到細(xì)胞質(zhì)的宿主細(xì)胞蛋白（Vitf2）。中間mRNA編碼的蛋白質(zhì)（圖3，步驟9），包含晚期基因轉(zhuǎn)錄所需的蛋白（圖3，步驟10）。末期基因編碼構(gòu)建病毒粒子的蛋白質(zhì)、病毒粒子的酶和其他組裝過程所需的早期起始蛋白。這些病毒蛋白借助細(xì)胞翻譯機制合成（圖3，步驟11）。

組裝

病毒膜蛋白是無糖基化的，細(xì)胞膜在組裝早期的作用存在爭議（圖3，步驟12）。最初的組裝形成未成熟病毒粒子（圖3，步驟13），它是一種由膜分隔的球形粒子，可從細(xì)胞分泌途徑的早期獲得。該病毒顆粒成熟后形成磚狀I(lǐng)MV（圖3，步驟14），在細(xì)胞裂解時釋放（圖3，步驟15）。此外，顆?？梢詮目绺郀柣w或早期內(nèi)小體室獲得第二層雙層膜，形成胞內(nèi)包膜病毒粒子（IEV）（圖3，步驟16）。

分離

IEV移動到細(xì)胞表面的微管上，與質(zhì)膜融合形成細(xì)胞相關(guān)病毒粒子（CEV）（圖3，步驟17）。這些CEV誘導(dǎo)肌動蛋白聚合，促進肌動蛋白直接轉(zhuǎn)移到周圍細(xì)胞（圖3，步驟18）;它們也可以從膜上分離出來，形成EEV。

圖3. 痘苗病毒的單細(xì)胞繁殖周期

參考文獻(xiàn)

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