病毒的遗传与变异

随着分子生物学理论和其技术的发展，极大地推动了病毒遗传和进化的研究，丰富了对病毒基因组结构与功能的认识，使病毒遗传学成为病毒学研究的热点之一。

一、突变

病毒复制中出现的差错均为突变(mutation)，但大多数突变对病毒是致命的，使之不再具有存活和复制的能力，而极少数能够适应环境选择的突变是非致死性的。一般所说突变系指非致死性的突变，因为致死性突变无遗传与进化意义。

病毒的自发性突变的类型有基因组变异与表型变异，后者表现为病毒颗粒的理化特性或复制性质的改变。

（一）、基因组变异

单个核苷酸的替换为点突变(point mutation)，也可发生单个、小段或大段核苷酸缺失或插入突变。点突变最常见，小片段核苷酸缺失或插入次之，大片段核苷酸的缺失很少发生。

突变的核苷酸有可能发生回复突变，也可能因为相同甚至不同基因发生抑制性突变(suppresser mutation)，使突变逆转，重新具有与起始毒株相同的表型。如流感病毒往往由于毫不相关的基因自行发生抑制性突变，使之失去作为弱毒疫苗的价值。

缺损型干扰(defective interfering，DI)突变株是突变的一个特例。大多数病毒均能产生DI突变株，这些突变株自身不能复制，只能在亲本野生株作为辅助病毒(helper virus)存在时才能复制，并可干扰亲本病毒的复制，使后者数量减少。

（二）、表型变异

表型变异有不同的方式，可涉及病毒颗粒理化特性和复制性质等的变异。常见表型变异如下：

1. 空斑变异株(plaque mutants)：是其空斑形态发生不同于野生株空斑形态的变异。

2. 抗体逃逸变异株(antibody escape mutants)：由于变异株表面蛋白抗原决定簇发生变异，致使对野生株有中和作用的抗体产生抵抗，从而导致持续感染。

3. 条件致死性突变株(conditional lethal mutants)：此种变异株只能在经选择的特定条件下复制，而在非特定条件下死亡。此突变株常有若干基因变异株，研究最多的是宿主范围突变株(host rang mutants)及温度突变株。温度突变株包括温度敏感(temperature-sensitve)及冷适应(cold-adapted)突变株，经改变培育细胞的温度进行筛选。温度突变常被广泛用于制备弱毒疫苗，如流感病毒疫苗。

（三）、突变率

突变率系指每个核苷酸在一次复制周期内发生复制错误的频率。DNA病毒的突变率为10^－10～10^－11，RNA病毒的突变率为10^－3～10^－4，两者间突变率的差异可能是DNA病毒在核内复制受真核细胞DNA复制校正功能的影响所致。密码子的第三个核苷酸的点突变，往往为同义码突变。

病毒RNA的突变率远高于病毒DNA，这致使几乎每个子代基因组都与亲本不同，子代基因组之间也至少有一个核苷酸差异。基因组的突变是不均匀的，意味着编码不同蛋白的基因以不同的速率进化。

（四）、诱变

所谓诱变就是利用理化因素等处理病毒和其核酸以提高其突变率，如紫外线、X-射线、放射性同位素的射线以及亚硝基胍、碱基同类物(5氟尿嘧啶、5溴脱氧尿苷)等化学试剂，碱基同类物在核酸复制时可掺入其中，达到诱变的目的。

定点诱变(site-directed mutagenesis)就是将DNA基因组或RNA基因组的cDNA任何既定部位的核苷酸替换，或者使之缺失，或者插入另一段核苷酸。为达到这一目的，一般用分子杂交技术，即将含有特定位点变异的寡核苷酸通过分子杂交，导入载体DNA，再转化到载体中扩增杂交DNA，最后根据设计的分子标记，在一定条件下筛选突变株。定点诱变在病毒学研究中，可用于确定病毒基因的致病作用和研制具有免疫学标记的弱毒疫苗等。

在事先不了解特定核苷酸序列作用的情况下，通过对定点诱变产物的分析，推测该序列编码的蛋白质及其功能，这种利用基因序列资料反过来研究动物体内的遗传学效应的手段，称之为反向遗传学(reverse genetics)。

二、基因重组

两种不同的病毒或同一种病毒的两个不同毒株感染同一细胞时，在其核酸复制中发生基因交换，产生不同于两亲本性状的子代病毒的过程叫基因重组(genetic recombination)，包括分子内重组、重配或复活。

（一）、分子内重组(intramolecular recombination)

是两种不同、通常密切相关的两种病毒的核苷酸片段的交换，DNA病毒可发生此现象，RNA病毒则更普遍。如西部马脑脊髓炎病毒(WEEV)就是早期的类仙台病毒与东部马脑脊髓炎病毒(EEEV)分子内重组的产物。在实验条件下，甚至不同科病毒间也可发生分子内重组，这是目前病毒学研究的热点。

在病毒与宿主细胞的基因组之间也会发生分子内重组。如反录病毒基因组内发现有细胞基因，在其前病毒阶段，病毒将细胞的肿瘤基因掺入其基因组，使其变为病毒的肿瘤基因。

（二）、重配(reassortment)

亲缘关系相近的基因组分节段RNA病毒的两毒株感染同一细胞时，二者可交换其基因组片段，产生稳定的或不稳定的重配毒株。在自然界中，流感病毒、蓝舌病毒即以此方式呈现其遗传变异性。

（三）、复活(reactivation)

又称增殖性复活(multiplicity reactivation)，是指用同一毒株的具不同程度致死性突变的若干病毒颗粒同时感染某一细胞，产生具有感染性病毒的现象。在理论上，用紫外线照射或化学诱变培育的疫苗有可能发生此种复活，因此上述方法不能用于制备病毒疫苗。

在有感染性的病毒与灭活的相关病毒或该病毒的DNA片段之间，可发生交叉复活(cross-reactivation)、基因组拯救(genome rescue)以及DNA片段拯救(DNA fragment rescue)，这些现象在利用病毒作为制备疫苗载体是应予重视。

四、病毒基因产物间的相互作用

病毒基因的产物蛋白质相互作用也可影响病毒的表型，大多发生在实验室，有的也可发生在自然界。

（一）、补偿作用(complementation)

在感染细胞中，同一种病毒的两个毒株、两种相关或不相关的病毒之间由于病毒蛋白质的相互作用，拯救了一种或两种病毒或增加了病毒产量，即为补偿作用。一种病毒为另一种病毒提供了其不能合成的基因产物，使后者在二者混合感染的细胞中得以增殖。如缺损病毒与其辅助病毒间的关系。

（二）、表型混合(phenotypic mixing)

是指两种病毒混合感染细胞后，子代病毒获得二者的表型特性。如流感病毒与副黏病毒共感染(coinfection)时，子代病毒颗粒的囊膜可具有双亲的抗原，但每个病毒颗粒仅含双亲之一的基因组。无囊膜的病毒之间的表型混合可以衣壳转化(transcapsidation)的形式出现，即病毒的衣壳可全部或部分在病毒之间互换，这可改变病毒的嗜性。

（三）、多倍性(polypoidy)

是病毒成熟过程中，出现数个核衣壳被一个囊膜包裹的现象，可见于副黏病毒。

五、遗传变异与病毒进化

病毒之间在形态学及理化特性上的千差万别，是病毒各自在漫长的进化过程中适应环境而发生变异和遗传积累的结果，很难用用一个“进化树”描述所有病毒的亲缘关系。病毒与宿主彼此从对方获得某些功能基因，某些病毒也从其他病毒获得基因，这使病毒基因组具有许多功能的及非功能的“基因化石”。

虽然不同科间病毒的基因组互不相同，但某些不相关的病毒之间诱可能有相似的基因次序、结构及复制方式，甚至有编码相似功能蛋白的共同保守序列，据此可以根据病毒的某些基因序列的相似程度绘制病毒的若干套较小的进化树，以比较病毒间进化的系统发生关系，即亲缘关系。这在病毒分类及流行毒株衍生关系研究中具有重要意义。

在病毒进化关系研究中，令人感兴趣的是，哪一种病毒最古老？哪一种最现代？哪一种最稳定？哪一种最易变？解决这些问题在于研究进化关系的基因选择。如有人认为病毒颗粒的结构成分是最古老的，也有人认为病毒基因组表达方式是最古老的，可是目前仅发现病毒的酶有共同的保守序列，而未在病毒结构基因上发现，因此尚不足以回答上述进化的有关问题。

目前所进行的病毒进化及其衍生关系的研究，仅在具有相同主要功能基因的病毒间或同一种病毒的不同毒株间进行比较，以分析其部分基因的进化和衍生关系，这在流行毒株的抗原变异性研究上具有一定的意义。

抗原性转移及漂移：甲型流感病毒感染禽类、多种哺乳动物及人类，引致人及动物的流行性感冒。自1933年首次分离甲型流感病毒以来，现已发现该病毒囊膜上的血凝素(H)纤突有15个亚型、神经氨酸酶(N)纤突有9个亚型。H的15个亚型在禽类全部存在，人类有3个，猪、马、海豹及鲸各有2个；N的9个亚型在各种动物有相似的分布。该病毒显著特点是H和N二者的遗传性或抗原性漂移(genetic or antigenic drift)及遗传性或抗原性转移(genetic or antigenic shift)导致的抗原性变异。漂移发生在某一亚型内，其中和表位与未突变株稍有差异，是点突变的积蓄，是量变过程；转移则骤然获得一个全新的H或N基因，从而产生新的亚型，可能在全世界引致新型流感的暴发流行，是质变过程。

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