第三节　病毒的遗传变异

病毒可以说是生命体中最简单的成员。与其他生物一样，病毒通过遗传来繁衍后代，大多数病毒具有明显的遗传稳定性，如麻疹病毒和腮腺炎病毒的抗原性。病毒体在外界因素的影响下，通过病毒与细胞、机体之间的相互作用和病毒体之间的相互作用，也会发生变异。最早发现的病毒变异是病毒性状的变异，如毒性、抗原性、抵抗性、依赖性和空斑变异等。病毒变异率较高，这体现了病毒较强的适应能力和生存能力，也是病毒得以生存和繁衍的原因之一。由于病毒没有细胞结构，其遗传物质极易受外界环境及细胞内分子环境的影响而发生改变，与其他生物相比，病毒的遗传具有更大的变异性，其中大多数突变是致死性的。病毒的变异按遗传物质有无改变分为遗传和非遗传物质变异两种类型。

一、病毒遗传物质变异

病毒自身碱基序列改变，以及两种以上病毒基因组之间的相互作用（重组和重配）都会使病毒的遗传物质发生改变。

1.基因组碱基序列变异引起的表型改变

病毒基因组碱基序列发生改变导致病毒表型性状改变的毒株称突变株（mutant）。 突变（mutation）是指基因组中碱基顺序上的化学变化，可以是一个核苷酸的改变，也可以是成百上千个核苷酸的缺失或易位。病毒的突变可以自发产生，也可以经诱导出现。一般情况下，环境因素对突变只起选择作用而不起诱导作用。病毒在增殖过程中可发生自发突变，突变率为10-8～10-4。主要原因是病毒复制速度快，如单个腺病毒在一个细胞内可产生17代约25万个子代病毒DNA分子。其次，由于DNA聚合酶的保真性不高，导致碱基错配发生。RNA病毒的RNA聚合酶不存在复制后的校正机制，其突变率比DNA病毒更高。通常情况下，病毒的自发突变是较慢的，但这种突变过程可通过外界强烈因素的刺激而加快。诱导突变就是利用不同的物理或化学诱变剂（如高温、射线、5-溴尿嘧啶、亚硝酸盐等）处理病毒，提高病毒群体突变率，诱导病毒子代出现特定的突变型。未引起表性改变的基因突变称静默突变（silent mutation）。常见的有意义的突变株有：

（1）温度敏感株：

温度敏感株（temperature sensitive mutant，ts）的基因组碱基发生了位点突变，从而导致氨基酸的变化。这种突变的结果对病毒可能是致死的，也可能在较低温度下多肽结构稳定，可发挥正常功能；但在温度较高时，结构将发生改变，并易被蛋白酶降解，受温度条件影响而决定其能否增殖。如在28～35℃条件下可在细胞中增殖，但在36～40℃条件下则不能增殖，这与野毒株（wild type virus）能在20～39.5℃下增殖的特性完全不同。ts株多为减毒株，具有较高的回复突变率，经多次诱变后，能获得稳定的病毒突变株。虽然温度敏感株的多肽不能维持原有的功能，但其免疫原性常与野生株相同。目前应用的减毒疫苗，也有不少是将病毒在较低温度下培养筛选获得的，如脊髓灰质炎病毒疫苗就是温度敏感突变株。

（2）宿主范围突变株：

宿主范围突变株（host-range mutant，hr）是指病毒基因组改变影响了其对宿主细胞的吸附或相互作用。hr突变株可以感染野生型毒株不能感染的细胞，利用此特性可以制备减毒疫苗。

（3）耐药突变株：

耐药突变株（drug-resistant mutant）多因病毒酶基因突变导致药物作用的靶酶特性改变，病毒对药物产生耐药，能够继续增殖。耐药突变株是某一种病毒自身基因组序列碱基变化引起的病毒突变。如拉米夫定对血清HBV DNA具有显著而快速的抑制作用，但用药1年左右可诱发HBV DNA聚合酶YMDD（酪氨酸、蛋氨酸、天门冬氨酸、天门冬氨酸）区域及其上游调整序列的变异，而这种“YMDD基序”的基因组突变是乙肝病毒YMDD基因座将是对拉米夫定耐药的主要原因之一。

另外，还有酶缺损突变株、空斑大小突变株等。

如果病毒基因组碱基没有发生位点突变，而是发生了缺失变异，一旦缺失的那部分核酸是关键序列，病毒将失去独立繁殖能力，甚至死亡。在这类突变中最令人注目的是缺陷性干扰病毒颗粒。在某些条件下，易感细胞被这种病毒感染后只产生少量有感染性的病毒粒子，它们对同源的完整病毒有干扰作用，在几乎所有的RNA病毒和绝大多数DNA病毒中均发现此现象，缺陷性干扰病毒颗粒可以减轻发病，减少死亡，但也可能引起慢发病毒感染。

2.病毒基因组之间相互作用导致的重组与重配

两个病毒基因组之间可以发生相互作用，重组和重配就是发生在两种以上病毒基因组之间的交换组合所产生的突变。

（1）重组：

当两种或两种以上有亲缘关系但生物学性状不同的毒株（如同种病毒）感染同一宿主细胞时，相互作用发生核酸水平上的互换和重新组合，形成新的兼有亲代病毒性状的子代，称为 基因重组（genetic recombination）。重组现象最先发现于噬菌体，一般来说，同种病毒的不同毒株之间容易发生重组，但重组现象也可发生于不同种和不同群的病毒之间。基因重组如果发生在一个分子内，即分子内重组，这种现象主要见于双链DNA病毒，在RNA病毒中只见于脊髓灰质炎病毒和口蹄疫病毒。亲缘关系较远的病毒之间也会发生分子间重组，如乳多空病毒和腺病毒。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。

（2）重配：

在分节段的RNA病毒基因组之间（如流感病毒、轮状病毒等），两个病毒株可通过基因片段的交换使子代基因组发生突变，这种病毒基因组节段间的重新分配过程称之为 重配（reassortment）。例如流感病毒的两个亚型混合感染时，可产生新的重配型，即具有一个亲代的血凝素和另一亲代的神经氨酸酶，发生抗原转换。流感每隔十年左右引起一次世界性大流行，可能就是由于人的流感病毒与某些动物（鸡、马、猪）的流感病毒间发生基因重配的结果。

3.病毒基因组与细胞基因组的整合导致的遗传变异

在病毒感染宿主细胞过程中，有时病毒基因组或基因中某些片段插入到宿主细胞染色体DNA分子中，这种病毒和宿主细胞基因组之间的重组称为 整合（integration）。乳头瘤病毒、腺病毒、疱疹病毒都能将DNA全部或部分插入细胞基因组中去，逆转录病毒也具有整合特性。病毒基因组的整合作用，可引起宿主细胞基因组变异，使细胞发生恶性转化等改变。整合也可以导致病毒基因组发生变异，包括部分序列的缺失等。

二、病毒非遗传物质变异

病毒表型改变除了源于遗传物质的变异外，还有一些非遗传因素影响病毒的变异。无包膜病毒的转壳、表型混杂及具有包膜病毒的假病毒都可使病毒的表型发生改变。病毒的同源干扰、缺陷干扰及缺陷病毒的存在也会对病毒表型变化产生影响。

1.表型混合（phenotype mixing）

两种病毒混合感染时，一个病毒的核酸装入另一病毒的衣壳内，或装入两个病毒成分构成的衣壳内，发生表型混合。这种混合是不稳定的，传代后可恢复其原来的特性。

2.基因型混合（genotype mixing）

指两种病毒的核酸混合装在同一病毒衣壳内，或两种病毒的核衣壳偶尔包在一个囊膜内，但它们的核酸都未发生重组，所以没有遗传性。

3.互补（complementation）

在混合感染过程中，通过基因产物（如酶、衣壳或包膜）的相互作用，一种病毒可促进另一种病毒的增殖，使两者增殖均有所增加的现象。例如辅助病毒与缺损病毒间、两个缺损病毒间、活病毒与死病毒间都可以互补，互补后仍产生原来病毒的子代。

4.增强（enhancement）

指一种病毒与另一种非融细胞型病毒同时感染细胞后，后者促进增加前一种病毒的产量。这可能是因为加强作用的病毒产生了具有抗干扰素效果的蛋白所致。

三、病毒变异的生物学意义

病毒的遗传稳定性保证了病毒物种的稳定和病毒的延续存在。病毒的变异又可使其适应环境的变化，逃避宿主的免疫监视作用，并得以进化。所以，病毒的遗传变异有着极其重要的生物学意义。

1.在预防和治疗病毒性疾病中的应用

只有充分了解病毒遗传和变异的机制，才能设计出针对病毒复制、致病过程关键部位、关键酶的靶向药物（如HIV的逆转录酶抑制剂）。在病毒遗传和变异的研究基础上，建立病毒生物学研究的有效方法，通过重组病毒构建重要疾病基因治疗载体，一直都是病毒学的研究热点。我们一方面可利用病毒的遗传变异来研制减毒活疫苗进行疾病的预防，如ts株、宿主适应性突变株等；另一方面还可以应用于基因工程。由于一些病毒可以感染动物和人类的特异组织细胞，利用这些病毒构建表达外源基因载体，用于人类一些特殊疾病的基因治疗，其先决条件就是要充分了解病毒基因组的结构、功能和遗传变异情况。

2.病毒的变异与耐药性的关系

病毒严格的细胞内寄生和复制的特点，以及与宿主细胞的复杂关系，铸就了抗病毒治疗的困难。如药物必须渗透入细胞内才能作用于病毒，致使杀病毒的药物浓度必伤及细胞；又如前病毒以双链DNA的形式整合于宿主细胞染色体中，成为宿主染色体的一部分，想在这个阶段进行药物治疗是极度困难的，所以在抗病毒治疗上令人不安的是抗病毒药物库依然很小。目前，抗病毒药物的临床应用仍有较大的局限性：①药物都是以病毒复制过程中的某个环节作为靶位，因此对不进行复制的潜伏病毒无效。如疱疹病毒往往潜伏于神经细胞，可逃避药物的作用。②抗病毒药物似乎已不少，由于药物作用病毒的靶点属于病毒复制周期中各自不同的环节和分子，故具体落实到抗某病毒治疗时能供选择的又太少。③某些病毒（如HIV、甲型流感病毒等）的复制突变率非常高，易出现耐药性毒株。病毒在高效复制过程中存在中度到高度的突变概率，尤其是RNA病毒复制中产生高频率的突变是产生耐药性的重要原因，如临床上应用针对病毒代谢酶的药物后，有时病毒经短暂被抑制后又重新复制，常因编码病毒酶基因的改变而降低了靶酶对药物的亲和力或作用，从而使病毒对药物产生抗药性。单纯疱疹病毒的无环鸟苷（acyclovir，ACV）抗性突变体是在病毒复制过程中自发产生的，用齐多夫定（azidothymidine，AZT）治疗HIV感染也会很快产生抗性突变株，现已从临床上检测到每一个抗病毒药物的抗性突变体。病毒的变异除基因组突变以外，当两种或两种以上病毒同时感染同一宿主细胞时，还会发生基因重组和重配，有时出现基因产物的互补和表型混合等，这些也会使子代病毒出现基因变异或表型变异，成为产生耐药性的原因。尽管噬菌体可作为载体而携带耐药转座子（Tn）在噬菌体与细菌染色体之间进行转移，但至今对人类病毒基因组中是否携带耐药基因仍无报告。相对于其他生物，病毒基因的突变率是偏高的，基因插入、重组和重配以及与宿主细胞染色体的整合、脱离经常发生，但始终没有病毒的耐药基因之说。

3.在诊断病毒病中的应用

病毒的表型改变和基因组变异严重影响着病毒病的诊断和流行情况的监测。现实情况是，要求采用更加特异、敏感的诊断新技术来代替现有的检测方法。其前提是：①必须确定出病毒核酸的高度保守序列，以便采用核酸杂交、PCR等基因诊断技术；②必须寻找到病毒特异的保守性的抗原表位，以便采用特异的单克隆抗体建立免疫学检测方法。对于高突变率的病毒（如流感病毒）的诊断和流行情况的监测，同样需要该病毒遗传变异的基础资料。在病毒诊断的技术方面，无论是传统的检测手段，还是生物芯片技术，都是在充分了解病毒遗传和变异的背景资料上进行的。

（张伟　李星云）