病毒基因組
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病毒基因組的結(jié)構(gòu)和功能
病毒是最簡單的原核生物，完整的病毒顆粒包括外殼蛋白和內(nèi)部的基因組DNA或RNA（有些病毒的外殼蛋白外面有一層由宿主細(xì)胞構(gòu)成的被膜（envelope），被膜內(nèi)含有病毒基因編碼的糖蛋白。病毒不能獨(dú)立地復(fù)制，必需進(jìn)入宿主細(xì)胞中借助細(xì)胞內(nèi)的一些酶類和細(xì)胞器才能使病毒得以復(fù)制。外殼蛋白（或被膜）的功能是識別和侵襲特定的宿主細(xì)胞并保護(hù)病毒基因組不受核酸酶的破壞。
病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
RNA噬菌體的基因組結(jié)構(gòu)和功能
乙肝病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能
病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.病毒基因組大小相差較大,與細(xì)菌或真核細(xì)胞相比，病毒的基因組很小，但是不同的病毒之間其基因組相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也較小，只能編碼4種蛋白質(zhì)，而痘病毒的基因組有300kb之大，可以編碼幾百種蛋白質(zhì)，不但為病毒復(fù)制所涉及的酶類編碼，甚至為核苷酸代謝的酶類編碼，因此，痘病毒對宿主的依賴性較乙肝病毒小得多。
2.病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成，每種病毒顆粒中只含有一種核酸，或?yàn)镈NA或?yàn)镽NA，兩者一般不共存于同一病毒顆粒中。組成病毒基因組的DNA和RNA可以是單鏈的，也可以是雙鏈的，可以是閉環(huán)分子，也可以是線性分子。如乳頭瘤病毒是一種閉環(huán)的雙鏈DNA病毒，而腺病毒的基因組則是線性的雙鏈DNA,脊髓灰質(zhì)炎病毒是一種單鏈的RNA病毒，而呼腸孤病毒的基因組是雙鏈的RNA分子。一般說來，大多數(shù)DNA病毒的基因組雙鏈DNA分子，而大多數(shù)RNA病毒的基因組是單鏈RNA分子。
3.多數(shù)RNA病毒的基因組是由連續(xù)的核糖核酸鏈組成，但也有些病毒的基因組RNA由不連續(xù)的幾條核酸鏈組成如流感病毒的基因組RNA分子是節(jié)段性的，由八條RNA分子構(gòu)成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質(zhì)分子的信息；而呼腸孤病毒的基因組由雙鏈的節(jié)段性的RNA分子構(gòu)成，共有10個(gè)雙鏈RNA片段，同樣每段RNA分子都編碼一種蛋白質(zhì)。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)有節(jié)段性的DNA分子構(gòu)成的病毒基因組。
4.基因重疊即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子，這種現(xiàn)象在其它的生物細(xì)胞中僅見于線粒體和質(zhì)粒DNA，所以也可以認(rèn)為是病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。重疊基因是1977年Sanger在研究ΦX174時(shí)發(fā)現(xiàn)的。ΦX174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，因此，又是噬菌體。它感染大腸桿菌后共合成11個(gè)蛋白質(zhì)分子，總分子量為25萬左右，相當(dāng)于6078個(gè)核苷酸所容納的信息量。而該病毒DNA本身只有5375個(gè)核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質(zhì)分子，Sanger在弄清ΦX174的11個(gè)基因中有些是重疊的之前,這樣一個(gè)矛盾長時(shí)間無法解決。重疊基因有以下幾種情況：
（1）一個(gè)基因完全在另一個(gè)基因里面。如基因A和B是兩個(gè)不同基因，而B包含在基因A內(nèi)。同樣，基因E在基因D內(nèi)。
（2）部分重疊。如基因K和基因A及C的一部分基因重疊。
（3）兩個(gè)基因只有一個(gè)堿基重疊。如基因D的終止密碼子的最后一個(gè)堿基是J基因起始密碼子的第一個(gè)堿基(如TAATG)。這些重疊基因盡管它們的DNA大部分相同，但是由于將mRNA翻譯成蛋白質(zhì)時(shí)的讀框不一樣，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子往往并不相同。有些重疊基因讀框相同，只是起始部位不同，如SV40DNA基因組中，編碼三個(gè)外殼蛋白VP1、VP2、VP3基因之間有122個(gè)堿基的重疊，但密碼子的讀框不一樣。而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它們有共同的起始密碼子。
5.病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質(zhì)的，只有非常小的一份不被翻譯，這與真核細(xì)胞DNA的冗余現(xiàn)象不同如在ΦX174中不翻譯的部份只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5％。不翻譯的DNA順序通常是基因表達(dá)的控制序列。如ΦX174的H基因和A基因之間的序列（3906－3973），共67個(gè)堿基，包括RNA聚合酶結(jié)合位，轉(zhuǎn)錄的終止信號及核糖體結(jié)合位點(diǎn)等基因表達(dá)的控制區(qū)。乳頭瘤病毒是一類感染人和動物的病毒，基因組約8.0Kb,其中不翻譯的部份約為1.0kb,該區(qū)同樣也是其他基因表達(dá)的調(diào)控區(qū).
6.病毒基因組DNA序列中功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個(gè)或幾個(gè)特定的部位,形成一個(gè)功能單位或轉(zhuǎn)錄單元。它們可被一起轉(zhuǎn)錄成為含有多個(gè)mRNA的分子，稱為多順反子mRNA（polycistroniemRNA），然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA。如腺病毒晚期基因編碼病毒的12種外殼蛋白，在晚期基因轉(zhuǎn)錄時(shí)是在一個(gè)啟動子的作用下生成多順反子mRNA，然后再加工成各種mRNA，編碼病毒的各種外殼蛋白，它們在功能上都是相關(guān)的；ΦX174基因組中的D-E-J-F-G-H基因也轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中，然后再翻譯成各種蛋白質(zhì)，其中J、F、G及H都是編碼外殼蛋白的，D蛋白與病毒的裝配有關(guān)，E蛋白負(fù)責(zé)細(xì)菌的裂解，它們在功能上也是相關(guān)的。
7.除了反轉(zhuǎn)錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個(gè)基因在病毒顆粒中只出現(xiàn)一次。反轉(zhuǎn)錄病毒基因組有兩個(gè)拷貝。
8.噬菌體（細(xì)胞病毒）的基因是連續(xù)的；而真核細(xì)胞病毒的基因是不連續(xù)的，具有內(nèi)含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細(xì)胞病毒的基因都是先轉(zhuǎn)錄成mRNA前體，再經(jīng)加工才能切除內(nèi)含子成為成熟的mRNA。更為有趣的是，有些真核病毒的內(nèi)含子或其中的一部分，對某一個(gè)基因來說是內(nèi)含子，而對另一個(gè)基因卻是外顯子。如SV40和多瘤病毒（polyomavirus）的早期基因就是這樣。SV40的早期基因即大T和小t抗原的基因都是從5146開始反時(shí)針方向進(jìn)行，大T抗原基因到2676位終止，而小t抗原到4624位即終止了，但是，從4900到4555之間一段346bp的片段是大T抗原基因的內(nèi)含子，而該內(nèi)含子中從4900-4624之間的DNA序列則是小t抗原的編碼基因。同樣，在多瘤病毒中，大T抗原基因中的內(nèi)含子則是中T和t抗原的編碼基因。
牛乳頭瘤病毒基因組結(jié)構(gòu)和功能
乳頭瘤病毒（papillomavirus）是感染人和動物皮膚、粘膜并引起乳頭狀瘤病變的一種DNA病毒，屬于乳多空泡病毒（papovavirus）科。根據(jù)病毒感染的宿主不同可以分為牛乳頭瘤病毒（BPV），人乳頭瘤病毒（HPV）等。目前已發(fā)現(xiàn)的乳頭瘤病毒基因組都具有相似的結(jié)構(gòu)。下面以BPV為例說明乳頭瘤病毒的基因組結(jié)構(gòu)及功能。BPVDNA全長7945bp，為閉環(huán)超螺旋結(jié)構(gòu)，在宿主細(xì)胞中可以和組蛋白結(jié)合形成核小體。以BPVDNA中單一的HpaⅠ酶切位點(diǎn)第一堿基G為1號位,按5'→3'的方向給堿基編號定位。DNA序列分析表明,所有的開放讀框（ORF）都存在于一條DNA鏈上，基因之間有相互重疊。整個(gè)BPV基因組分為編碼區(qū)和非編碼區(qū)（NCR），編碼區(qū)又按其編碼蛋白質(zhì)的功能不同，分為早期轉(zhuǎn)錄功能區(qū)（E區(qū)）和晚期轉(zhuǎn)錄功能區(qū)（L區(qū)）。 1.非編碼區(qū)（NCR）非編碼區(qū)又稱上游調(diào)控區(qū)（URR）或長控制區(qū)（LCR），位于晚期基因L1終止密碼子與早期基因E6第一個(gè)起始密碼子之間，長度在不同的乳頭瘤病毒中不一樣，在BPV中長約1.0kb。在NCR轉(zhuǎn)錄的啟動子序列，可以啟動早期基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，另外，在該區(qū)還有增強(qiáng)子序列，可以被早期基因產(chǎn)物E2蛋白激活，進(jìn)一步促進(jìn)早期基因AAC的表達(dá)，目前已搞清了BPVNCR區(qū)增強(qiáng)子的序列，該序列為TTGGCGGNNG和ATCGGTGCACCGAT回文結(jié)構(gòu)。從NCR的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上可以看出其主要功能是調(diào)節(jié)BPV基因的表達(dá)。
2.早期轉(zhuǎn)錄功能區(qū)（或稱早期基因區(qū)，E區(qū)）BPV的E區(qū)含有八個(gè)開放讀框（ORF），分別為E6、E7、E8、E1、E2、E3、E4、E5，其中E6、E7、E1基因有部份重疊，E8完全在E1中，E3、E4全部包含在E2中，E5與E2部份重疊。E2ORF編碼的蛋白產(chǎn)物可以與NCR的增強(qiáng)子結(jié)合，而提高或降低早期基因的表達(dá)水平。另外，E2ORF與E1ORF協(xié)同可以維持乳頭瘤病毒DNA的游離狀態(tài)而不整合到宿主細(xì)胞染色體上去。E6和E7ORFs編碼的蛋白質(zhì)可能是致癌蛋白。E6和E7蛋白可以引起宿主向惡性轉(zhuǎn)化成為腫瘤細(xì)胞。關(guān)于E6、E7蛋白引起細(xì)胞轉(zhuǎn)化的機(jī)制，目前尚不清楚，但有兩種解釋。［1］在E6、E7蛋白的氨基酸序列中發(fā)現(xiàn)有Cys-x-x-Cys重復(fù)序列，目前認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是細(xì)胞內(nèi)核酸結(jié)合蛋白所具備的特異性結(jié)構(gòu)，因而認(rèn)為E6、E7蛋白是DNA結(jié)合蛋白，可以調(diào)節(jié)基因的活性，進(jìn)一步影響宿主細(xì)胞的增殖和分化，使該過程失去控制而形成腫瘤；［2］最近，在正常細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有兩種蛋白質(zhì)分子量分別為53KD和106KD分別稱為p53和p106蛋白質(zhì)。這兩種蛋白質(zhì)缺失或失活往往引起細(xì)胞的惡性化。研究發(fā)現(xiàn)，乳頭瘤病毒的E7和E6蛋白分別可以和p53和p106蛋白質(zhì)結(jié)合而使其失活，這也可能是E6和E7蛋白質(zhì)導(dǎo)致細(xì)胞惡性化的一種機(jī)制。
3.晚期轉(zhuǎn)錄功能區(qū)（晚期基因區(qū)、L區(qū)）：L區(qū)ORFs有兩個(gè)，即L1和L2ORF，編碼乳頭瘤病毒的外殼蛋白，其中L1蛋白是主要外殼蛋白，L2蛋白是次要外殼蛋白。
RNA噬菌體的基因組結(jié)構(gòu)和功能
目前研究最清楚的大腸桿菌RNA噬菌體是MS2，R17，f2和Qβ。它們的基因組小，只有3600到4200個(gè)核苷酸，包含四個(gè)基因。MS2.R17和f2具有幾乎一樣的基因組結(jié)構(gòu)。在四個(gè)基因中有兩個(gè)基因編碼噬菌體的結(jié)構(gòu)蛋白：一個(gè)是A蛋白的基因，長1178個(gè)核苷酸。A蛋白（稱為成熟蛋白）的功能是使噬菌體能識別宿主，并使其RNA基因組能進(jìn)入宿主菌，每個(gè)噬菌體一般只存在分子的A蛋白。另一個(gè)結(jié)構(gòu)蛋白基因長399個(gè)核苷酸，編碼外殼蛋白以構(gòu)成病毒顆粒，每個(gè)噬菌體有180個(gè)分子?；蚪M的其他部分編碼RNA復(fù)制酶和一個(gè)溶解蛋白，編碼溶解蛋白的基因與外殼蛋白和復(fù)制酶的基因有部分重疊，但讀框與外殼蛋白的讀框不一樣。在MS2、R17、f2基因組內(nèi)有許多二級結(jié)構(gòu)，RNA分子內(nèi)堿基的自我配對，可能對防止RNase降解有一定作用。另外，在編碼基因的5'和3'端各有一段非翻譯序列，該序列對穩(wěn)定RNA分子也有一定作用。
另一種RNA噬菌體Qβ的基因組略大，與上述RNA噬菌體的基因組有以下不同；［1］沒有獨(dú)立的溶解蛋白基因，但結(jié)構(gòu)蛋白A2（或稱成熟蛋白，MaturaitonProtein）即具有溶解蛋白的功能，［2］還編碼另一種外殼蛋白A1。
乙肝病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能
乙肝病毒（HBV）的基因組DNA結(jié)構(gòu)很奇特，是一環(huán)狀的部分雙螺旋結(jié)構(gòu),長約3.2kb。其中的2/3為雙螺旋結(jié)構(gòu)，1/3為單鏈，這就是說，DNA中的兩條鏈不等長。長鏈的5'端與3'端無共價(jià)連接，而是與一種蛋白質(zhì)共價(jià)相連。長鏈的5'端以250-300對堿基互補(bǔ)結(jié)合。長鏈為負(fù)鏈，短鏈為正鏈。短鏈的長度視病毒而異，一般長約1.6-2.8kb,約為長鏈的2/3。短鏈之間的空隙可由病毒顆粒中的DNA聚合酶充填。乙肝病毒是目前已知的感染人類最小的雙鏈DNA病毒。為了能在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立復(fù)制，病毒在很小的基因組中盡量容納大量的遺傳信息。因而HBV的基因組結(jié)構(gòu)顯得特別精密濃縮，充分利用其遺傳物質(zhì)。
重疊的基因序列比較多，HBV基因組中已確定的開放讀框有4個(gè),分別編碼病毒的核殼（C）和包膜（S）蛋白，病毒復(fù)制酶（聚合酶)及一種似乎與病毒基因表達(dá)有關(guān)的蛋白質(zhì)X。在S基因前面的兩個(gè)小ORFs與S基因ORF屬于同一個(gè)讀框，可以將ORFS通讀下去，編碼兩種S蛋白相關(guān)的抗原，這兩種抗原也存在于病毒顆粒的表面，這兩個(gè)抗原分別稱為前-S1(pre-S1)和前－S2(pre-S2)。同樣，在ORFC前面也有一短的ORF，稱為前－C(pre-C)，編碼一較大的C蛋白相關(guān)抗原。所有這些ORF都在負(fù)鏈DNA（長鏈）上，其中S基因完全重疊于聚合酶基因中，X基因與聚合酶基因、C基因重疊，C基因與聚合酶也有重疊。最近，Miller等人在HBV基因組中又發(fā)現(xiàn)兩個(gè)ORF,即ORF-5和ORF-6，這兩個(gè)ORFs與X基因重疊，其中ORF6不是由負(fù)鏈DNA編碼的，而是由正鏈DNA編碼。這兩個(gè)ORF的功能目前尚不清楚。
調(diào)節(jié)序列位于基因內(nèi)部，這也是HBV節(jié)約使用遺傳物質(zhì)的一種方式。與HBV基團(tuán)組復(fù)制有關(guān)的序列有：短鏈順向復(fù)制序列（DR1和DR2）和U5樣序列（因與反轉(zhuǎn)錄病毒末端的U5序列類似面得名）。DR1和U5位于前－CORF中，是合成DNA長鏈的起始部位，DR2位于聚合酶基因與X基因重疊處，是DNA短鏈合成的起始部位。
與HBV基因表達(dá)有關(guān)的信號序列有4種：［1］啟動子，［2］增強(qiáng)子，［3］polyA附加信號，［4］糖皮質(zhì)激素敏感因子（GRE）。由于HBV基因組中的基因分別轉(zhuǎn)錄于3種HBVmRNA轉(zhuǎn)錄本上，因此，相應(yīng)地在病毒基因組中每一轉(zhuǎn)錄本近5'端也至少應(yīng)有3種RNA聚合酶Ⅱ啟動子，雖然這些啟動子的基因序列尚不知，但這些啟動子顯然存在于編碼蛋白質(zhì)序列內(nèi)。增強(qiáng)子（ENH）位于聚合酶基因中；polyA附加信號位于CORF中；而GRE位于SORF和聚合酶基因中。GRE是與激素受體結(jié)構(gòu)的DNA片段，結(jié)合后能使某一已知基因轉(zhuǎn)錄水平增加。
GRE有許多增強(qiáng)子的特征：［1］是起順式作用的因子，［2］在轉(zhuǎn)錄的兩個(gè)方向均有作用，［3］在距其調(diào)節(jié)的基因不同距離處均可起作用。
從以上可以看出HBV基因組結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，組織高效，在已知的病毒中是罕見的。HBVDNA不但在結(jié)構(gòu)上有其獨(dú)特的地方，而且其DNA復(fù)制過程也非常特別。當(dāng)HBVDNA進(jìn)入宿主細(xì)胞后，首先成為完整的閉環(huán)雙螺旋DNA，以負(fù)鏈為模板合成全長的“+”鏈RNA（稱為前基因組RNA）。該“+”鏈RNA被包裝在未成熟的核心樣顆粒中，同時(shí)還有DNA聚合酶和一種蛋白質(zhì)也被包裝在顆粒中。在該顆粒中“+”鏈RNA作為模板由反轉(zhuǎn)錄酶催化合成“-”鏈DNA，具體機(jī)制尚不清楚，可能與腺病毒DNA的復(fù)制相似，因?yàn)樵凇?"鏈DNA的5'端也有共價(jià)結(jié)合的蛋白質(zhì)。“＋”鏈DNA的合成便以該負(fù)鏈DNA為模板和一段RNA為引物而聚合延伸，核心樣病毒顆粒在這過程中也成為成熟的病毒顆粒。這時(shí)，正鏈DNA仍沒有合成完畢，因而造成病毒基因組兩條DNA鏈長度不一樣。
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