痘病毒的形態(tài)結構、傳播方式及復制周期

自從1980年在世界范圍內根除天花以來(lái)，人們幾乎不再開(kāi)發(fā)天花病毒的療法。2022年世界范圍內的猴痘爆發(fā)讓天花重回公眾視野，人們擔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(dòng)物病毒，可感染大多數脊椎和無(wú)脊椎動(dòng)物。痘病毒是一種雙鏈DNA病毒，具有約200個(gè)不同的基因，基因產(chǎn)物的一個(gè)子集可獨立于宿主細胞核執行病毒所必需的功能，其他基因產(chǎn)物可廣泛使用、調節宿主細胞和免疫系統。

人類(lèi)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(lèi)天花的病原體，在美國發(fā)現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(lái)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(jiàn)疾病。痘苗病毒（Vaccinia virus，VACV）是實(shí)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(xiàn)性雙鏈DNA，兩端具有長(cháng)度可變的反向串聯(lián)重復序列，形成發(fā)夾結構。從痘苗病毒Copenhagen和WR病毒株完整的測序信息來(lái)看，痘苗病毒基因組全長(cháng)191kbp，12kbp的反向末端重復序列（ITR）末端為共價(jià)連接的單鏈發(fā)夾環(huán)，序列富含AT，包含短的直接重復序列和多個(gè)ORF。痘病毒可完全在細胞質(zhì)中進(jìn)行復制，對宿主細胞的DNA和RNA依賴(lài)程度低。病毒可通過(guò)產(chǎn)生和分解大的串聯(lián)分子合成新的基因，新基因包裝不嚴格，為基因組擴增提供了有利條件，在此過(guò)程中病毒獲得新的功能完成進(jìn)化。

圖1. 痘苗病毒基因組示意圖

痘病毒形態(tài)結構

痘病毒科是迄今所知結構最復雜的一類(lèi)病毒，痘病毒粒子呈橢圓形或磚狀結構，長(cháng)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?chē)?，外表面布滿(mǎn)隨機排列的小管元件（STE），平均寬7nm，長(cháng)100nm。病毒粒子由核和被膜包圍的相關(guān)側體組成，具有足夠的傳染性；然而，對于某些病毒株和某些細胞的感染，病毒粒子會(huì )獲得一個(gè)額外的脂質(zhì)雙分子層，它具有自己獨特的化學(xué)成分，稱(chēng)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?。

圖2. IMV形式的痘病毒結構示意圖

注：是否存在內膜尚有爭議。

痘病毒傳播方式

病毒的傳播過(guò)程根據痘病毒種類(lèi)及宿主的不同差別較大，通常包括以下幾種方式：1）在細胞質(zhì)中保持游離態(tài)；2）遷移到細胞表面并通過(guò)微絨毛排出；3）被來(lái)自高爾基體的兩層膜包裹，運輸到細胞表面，然后被包膜（來(lái)自高爾基體內池膜）釋放；4）通過(guò)出芽形成大液泡獲得包膜；5）它們與無(wú)膜的液泡結合；6）它們以一種嗜酸的細胞質(zhì)結構的形式與一種蛋白質(zhì)物質(zhì)相結合，這種結構被稱(chēng)為a型包涵體（ATI）。

痘苗病毒復制周期

痘病毒復制周期因病毒種類(lèi)而異,以模型病毒——VACV為例，復制一般發(fā)生在感染后2-5h。病毒成熟需經(jīng)歷五個(gè)階段：未成熟病毒體（IV）、細胞內成熟病毒體（IMV）、細胞內包膜病毒體（IEV）、細胞相關(guān)包膜病毒體（CEV） 和細胞外包膜病毒體（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(guò)非pH依賴(lài)方式與質(zhì)膜融合，進(jìn)入細胞。EEV負責胞間傳輸，最終會(huì )作為IMV從細胞釋放到外部環(huán)境中，與EEV相比IMV更穩定，負責宿主間傳輸。

脫殼

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

復制

早期蛋白催化病毒DNA基因組復制（圖3，步驟6），新合成的病毒DNA分子作為下個(gè)復制周期的模板（圖3，步驟7），它們也是病毒中間期基因的轉錄模板（圖3，步驟8）。中間基因轉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(dòng)子特異性，以及從受感染細胞核重新定位到細胞質(zhì)的宿主細胞蛋白（Vitf2）。中間mRNA編碼的蛋白質(zhì)（圖3，步驟9），包含晚期基因轉錄所需的蛋白（圖3，步驟10）。末期基因編碼構建病毒粒子的蛋白質(zhì)、病毒粒子的酶和其他組裝過(guò)程所需的早期起始蛋白。這些病毒蛋白借助細胞翻譯機制合成（圖3，步驟11）。

組裝

病毒膜蛋白是無(wú)糖基化的，細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），在細胞裂解時(shí)釋放（圖3，步驟15）。此外，顆?？梢詮目绺郀柣w或早期內小體室獲得第二層雙層膜，形成胞內包膜病毒粒子（IEV）（圖3，步驟16）。

分離

IEV移動(dòng)到細胞表面的微管上，與質(zhì)膜融合形成細胞相關(guān)病毒粒子（CEV）（圖3，步驟17）。這些CEV誘導肌動(dòng)蛋白聚合，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白直接轉移到周?chē)毎▓D3，步驟18）;它們也可以從膜上分離出來(lái)，形成EEV。

圖3. 痘苗病毒的單細胞繁殖周期

參考文獻

[1] Buller RM, Palumbo GJ. Poxvirus pathogenesis[J]. Microbiol Rev., 1991,55（1）: 80-122.
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