第三讲 病毒的遗传变异分析
病毒进化和遗传变异的机制分析和应用
病毒进化和遗传变异的机制分析和应用随着科学技术的不断发展，人类对于病毒的了解也越来越深入，然而病毒进化和遗传变异的机制还是很有意思的话题。
病毒进化和遗传变异可以让病毒适应环境的变化以求得更好的生存机会，而这也可能会导致病毒的变异变得更加致命。
在本文中，将重点探讨病毒进化和遗传变异的机制的分析和应用。
一、病毒进化的机制病毒进化是指病毒种群随着时间和环境改变而产生的微小变化。
它是一个漫长的过程，在这个过程中，病毒的基因组可能会发生点突变。
这些突变可能让病毒得到某些基因的增强或减弱，以更好地适应环境。
在病毒进化的过程中，是否会发生基因重组和水平转移也非常重要。
基因重组是指病毒的DNA或RNA链之间发生剪接，从而形成新的基因组序列。
而水平转移是指病毒的DNA或RNA链在种群之间的转移。
这些转移和重组过程常常会让病毒的基因组发生变化。
在进化的过程中，病毒的恶意性也可能会被改变。
例如，病毒可能会从不引起疾病的“温和”型转变为致命的“猛烈”型。
这些变化分别对全球健康和增长构成威胁，因此了解这些过程非常重要。
二、病毒遗传变异的机制病毒的遗传变异是指由于基因重组和突变而导致的遗传信息变化。
这些变化可能会导致病毒的外表、功能、感染途径等各方面发生变化。
病毒遗传变异的机制主要有突变、抗原漂变和基因重排三种。
1.突变突变是病毒存活的一种基本方式。
突变可以发生在病毒的DNA或RNA链上，它改变了病毒的基因组序列。
这些变异可能是单个核苷酸的改变或大规模的改变。
2.抗原漂变抗原漂变是病毒突变的一种形式，它影响病毒的抗原特性。
当病毒感染人体后，免疫系统会识别其表面上的特定蛋白，从而导致病毒被消灭。
然而，病毒在进化过程中可能会发生抗原漂变，从而改变其表面蛋白，从而抑制免疫系统的反应，因此病毒也继续存活下来了。
3.基因重排基因重排是指病毒基因组内的DNA或RNA链之间互相“串”来“串去”从而形成新的病毒基因组序列。
基因重排也是病毒进化和遗传变异的重要形式。
病毒的遗传与变异
病毒的遗传与变异病毒的遗传与变异病毒的遗传能保持物种的相对稳定，维系生物界的平衡；而病毒的变异可导致新品种出现，孕育生物界的进化。
病毒是一类极为简单的分子生物，核酸是遗传的物质基础，核酸复制的忠实性使病毒具有稳定的遗传表现。
但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，病毒与其它生物相比，其遗传具有更大的变异性。
病毒的变异主要源于其基因组的突变和重组。
病毒突变一般分为自发突变和诱导突变。
自发突变是在没有任何已知诱变剂的条件下，病毒子代产生高比例的突变体，最后导致表型变异。
诱导突变则是利用不同的物理或化学诱变剂处理病毒，提高病毒群体突变率，诱导病毒子代出现特定的突变类型。
DNA病毒和RNA病毒在突变频率上有较大的差别。
病毒突变类型可从多层次、不同水平进行分类，但目前作为研究工具的突变体类型主要有无效突变体、温度敏感突变体、蚀斑突变体、宿主范围突变体、抗药性突变体、抗原突变体、回复突变体等。
病毒重组一般通过分子内重组、拷贝选择和基因重配三种机制完成。
分子内重组需要核酸分子的断裂及其它核酸分子的再连接，拷贝选择不涉及核酸分子的共价键断裂，基因重配则是具分段基因组病毒之间核酸片段交换，基因组各片段在子代病毒中随机分配。
病毒重组机制不同，其重组频率有很大差别，且RNA分段基因组病毒同型不同株病毒间的重组经重组重配机制进行，其重组率可高达50%。
通过病毒重组，可构建表达特定外源基因的重组病毒，可使灭活病毒经交叉感染或复感染得以复活，这在病毒的研究和利用上都具有重要意义。
病毒表型突变除了源于基因组的突变和重组外，还有一些非遗传因素影响病毒变异。
无囊膜病毒的转壳、表型混杂及具囊膜病毒的伪型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。
如何利用病毒突变和重组建立病毒生物学研究的有效方法，如何利用重组病毒构建重要疾病基因治疗载体，是研究病毒遗传和变异的主要目的之一。
病毒的遗传变异及其影响
病毒的遗传变异及其影响病毒的遗传变异是指病毒在繁殖过程中产生的基因突变和基因重组等遗传变化。
这些变异使得病毒具有不同的基因型和表型，从而可能影响其传播能力、致病性和抗药性。
病毒的遗传变异是病毒演化和适应环境的重要机制，对公共卫生和临床医学具有重要影响。
病毒的遗传变异主要通过两种方式产生，即点突变和基因重组。
点突变是指病毒基因序列中的单个核苷酸发生变化，包括错义突变、无义突变和同义突变等。
这些突变会改变病毒的蛋白质结构和功能，进而影响其与宿主细胞的相互作用，致病性和免疫逃逸能力。
基因重组则是指病毒基因组中两个不同来源的基因在复制过程中发生结合，并形成新的基因组组合。
这个过程常见于RNA病毒，例如HIV和流感病毒，通过基因重组，它们能够产生新的亚型和变异株。
病毒的遗传变异对公共卫生和临床医学具有重要影响。
首先，病毒的遗传变异是病毒逃逸免疫系统监测和攻击的机制。
当人体感染了某种病毒后，免疫系统会产生特异性抗体来清除病毒。
然而，病毒的遗传变异能够改变病毒表位的结构，导致原有的抗体无法有效结合和中和病毒，从而允许病毒在宿主体内持续感染和复制。
这就是为什么有些病毒感染后会产生短暂的免疫保护，而有些病毒会不断引起感染和疾病恶化的原因之一。
其次，病毒的遗传变异也会影响病毒的致病性和传播能力。
病毒的遗传变异可能导致病毒具有更高的复制速率和更强的致病性，从而增加了病毒在人群中的传播风险。
例如，新冠病毒（SARS-CoV-2）的遗传变异已被发现与其传播能力和致病性之间存在关联。
一些变异体具有更高的传播速度，因此在短时间内可以感染更多的人。
此外，病毒的遗传变异还可能影响疫苗的效果和药物的疗效。
如果病毒的遗传变异导致病毒表位的结构改变，可能会降低疫苗对病毒的识别和中和能力，或者减少抗病毒药物对病毒的效果。
最后，病毒的遗传变异对病毒的流行趋势和传播模式具有重要影响。
根据不同的遗传变异，病毒可以形成不同的变种和亚型，这可能导致疫情在不同地区的变异。
病毒的遗传和变异
病毒的遗传和变异病毒在增殖过程中常发生基因组中碱基序列的置换、缺失或插入，引起基因突变。
病毒因基因突变而发生表型改变的毒株称为突变株(Inutant)。
1．基因突变(1)条件致死性突变株(conditlonal-lethal mutant)：是只能在某种条件下增殖的病毒株，如温度敏感性突变株(temperature-sensltlVe mutant，ts)在28～35℃条件下可增殖，而在36～40℃条件下不能增殖。
主要原因是高温下ts株的基因所编码的酶蛋白或结构蛋白质失去功能，使病毒不能增殖。
(2)宿主范围突变株(host-Ⅷlge mutant，hr)：是指病毒基因组的突变影响了对宿主细胞的感染范围，能感染野生型病毒不能感染的细胞。
例如可对分离的流感病毒株等进行基因分析，及时发现该病毒株是否带有非人源(禽、猪)的血凝素(H5、H7等)而发生宿主范围的变异。
(3)耐药突变株(drug-resistant mutant)：常因编码病毒酶的基因突变导致药物作用的靶酶特性改变，使病毒对药物产生抗性而能继续增殖。
2. 基因重组与重配两种病毒同时或先后感染同一宿主细胞时发生基因的交换，产生具有两个亲代特征的子代病毒，并能继续增殖，该变化称为基因重组(gene recombination)，其子代病毒称为重组体(recombinant)。
对于基因分节段的RNA病毒，如流感病毒、轮状病毒等，通过交换。
RNA节段而进行基因的重组称为基因重配(gene reassortment)。
散而言，发生重配的概率高于基因重组的概率。
3．基因整合某些病毒感染宿主细胞的过程中，病毒的DNA片段可插入细胞染色体DNA中，这种病毒基因组与细胞基因组的重组过程称为基因整合(gene integration)。
多种DNA病毒、反转录病毒等均有整合宿主细胞染色体的特性，整合既可引起病毒基因的变异，也可引起宿主细胞染色体基因的改变，易导致细胞转化发生肿瘤等。
【宠物微生物课件】病毒的遗传和变异
二.病毒变异类型
1.点突变
(DNA A-T, C-G ； RNA A-U, C-G，G-C，U-A )
基因突变病毒
二.病毒变异类型
2.缺失、插入
如 ： TAC CCA TTA GGA TCC CAT CAT
基因突变病毒
二.病毒变异类型
3.基因重组
基因突变病毒
二.病毒变异类型
4.特殊变异-缺损性感染变异
宠物微生物
病毒的遗传和变异
病毒的遗传、变异
变异的病毒
一.病毒稳定遗传应具有的重要特征
1 快速复制的能力 2 高滴度复制的能力 3 在组织中复制的能力 4 长时间排毒的能力
5 逃避宿主防御的能力
6
排到外部环境生存的能力
7 垂直传播的能力
二.病毒变异类型
病毒突变中的 基因变化
点突变 缺失、插入 病毒的重组 病毒突变中的基因ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化
基因突变病毒
三.获得变异病毒的方法
1.自然突变
A、化学方法
2.人工诱变
B 、物理方法
C 、生物方法
3.人工构建突变病毒
感谢各位聆听
病毒的遗传和变异
病毒的遗传与变异
分段基因组
病毒核酸由多个片段组成 ，如流感病毒、轮状病毒 等。
病毒基因表达与调控
立即早期基因表达
病毒感染细胞后，立即表达的基因，主要参与病毒基因组的复制和转 录调控。
早期基因表达
在病毒DNA复制开始前表达的基因，编码与病毒DNA复制相关的蛋 白质。
晚期基因表达
在病毒DNA复制完成后表达的基因，编码病毒的结构蛋白和功能蛋白 。
基因型分析
通过对病毒基因序列进行分型分析，了解不同病 毒株之间的遗传关系和变异特点。
进化树分析
利用生物信息学软件对病毒核酸序列进行进化树 构建，揭示病毒的进化历程和变异趋势。
05
抗病毒药物设计与应用策 略
针对病毒遗传物质药物设计
核酸类药物
通过干扰病毒基因组复制、转录 和翻译等过程，抑制病毒增殖。 如核苷类似物可竞争性抑制病毒 DNA或RNA聚合酶活性。
03
病毒遗传变异与疾病关系
病毒遗传变异导致疾病发生
基因突变
病毒基因组在复制过程中发生随 机突变，可能导致病毒毒力、传 播能力等发生变化，进而引发疾
病。
基因重组
不同病毒株之间发生基因交换， 产生新的病毒株，具有更强的适
应性和致病性。
宿主适应性
病毒在传播过程中逐渐适应宿主 环境，通过变异提高在宿主细胞
基因表达调控
病毒通过自身编码的转录因子或利用宿主细胞的转录因子来调控基因 的表达，确保病毒在感染周期中正确表达所需的蛋白质。
02
病毒变异现象及原因
病毒变异类型
基因突变
病毒基因组中碱基的替换 、插入或缺失，导致病毒 遗传信息的改变。
基因重组
不同病毒株之间或病毒与 宿主细胞基因组的交换， 产生新的病毒基因组组合 。
病毒的遗传与变异
3.2、表型混合
两种病毒混合感染后，一个病毒的基因 组偶尔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。
PHENOTYPIC MIXING
PHENOTYPIC MIXING
no changes in genome possibly altered host range possibly resistant to antibody neutralization
10.0% ∨
∨
单交换型 m r + 853 + + tu 965
18.4%
∨∨
双交换型 m + tu 162
+ r + 172
合计
9892
3.4% ∨ ∨ 12.9 20.8 27.1
作图： m 13.4 r 21.8 tu
重配作图
重配具有有或无，可用来进行重配作图。
中间型杂交作图
芜 菁 黄 花 叶 病 毒 (Twznip yellow mosaic virus, TYMV) 3.动物病毒 鸡痘病毒(Fowlpox virus) 痘苗病毒(Vaccinia virus) 疱疹病毒(Hezpes virus) 呼肠孤病毒(Reovirus)
口蹄疫病毒(Foot and mouth disease virus, FMDV) 脊髓灰质炎病毒(Polio virus) 多型瘤病毒(Polyome virus)
Reassortment by independent assortment during dual infection.
adapted from Treanor JJ Infect. Med. 15:714
最近重配
此次甲型H1N1流感病毒包含北美和欧 亚猪流感病毒、人流感病毒以及禽流感 病毒的基因片段。正因为其基因片段不 同于传统的H1N1病毒，因此属于新病 毒。
病毒的遗传与变异
病毒的遗传与变异1、遗传：亲代与子代相似2、变异：亲代与子代或者子代不同个体之间不完全相同。
遗传决定了物种的延续，变异有利于物种的进化。
核酸传递遗传信息的基础在于其碱基的排列顺序，病毒核酸复制时能够产生完全等同于原核酸的新的核酸分子，从而保持遗传的稳定性。
病毒的突变机率较高，决定了病毒遗传的变异性。
遗传和变异是对立的统一体，遗传使物种得以延续，变异则使物种不断进化。
流感病毒的抗原性会因为核酸的复制、装配等各种因素而发生变化，有了这些变化，流感病毒就可以有效地逃避宿主的免疫清除。
病毒的突变病毒的突变(Mutation)：基因组中核酸的组成或结构发生改变。
点突变（狭义突变）:少数几对碱基的缺失、插入或置换。
大段染色体的缺失、重复、移位和倒位等较大范围内可遗传结构的改变（广义突变）。
突变体：携带突变的生物个体或群体、株系。
突变基因：包含突变位点的基因。
基本概念病毒株(strain)：同一种病毒的不同分离株或不同来源的病毒系病毒型别(type)：同种病毒的不同血清型别病毒野生型( Wildtype): 从自然宿主中新分离出的, 或者是实验室采用的病毒突变体(mutant)：与野生病毒株的不同表型的变异株,已清楚其机理病毒变异体(variant)：与野生病毒株的不同表型的变异株, 并不清楚其机理病毒准株(quasispecies):在一个宿主体内，子代病毒出现了与原始感染株不一致，该变异个体称为病毒准株。
自发突变和诱发突变病毒变异除自发、诱发突变外，还可能因混合感染引起的遗传重组。
病毒的变异主要源于其基因组的突变和重组。
1.自发突变：在无任何已知诱变剂的条件下产生的突变。
DNA病毒和RNA病毒的自发突变有明显区别:DNA：有一整套完整的DNA复制、核对、修正系统RNA：不能自动修复（RNA复制酶中缺少校正阅读活性）病毒复制比自发突变快得多，野生型种群处统治地位突变效率：DNA 10-8～10-11RNA 10-3～10-62.诱发突变：野生型病毒在各种理化因子存在的条件下提高突变力的措施 (适当的剂量、获得单一突变的突变体)根据诱发突变的本质和途径分为：体外诱变剂(静态)通过一些化学物质对核苷酸进行化学修饰→ 碱基配对发生改变→ （a.转换 b.颠换）亚硝酸、羟胺、烷化剂等体内诱变剂(动态)a.碱基类似物：通过互变异构效应造成碱基的转换和颠换b.插入剂：吖啶类染料插入到核酸分子之间，引起碱基堆积畸变，在下一步复制时造成核酸移码（碱基增加或缺失）→ 移码突变这两种物质所引起的核酸的变异，都需要病毒细胞处于代谢活性状态，此时核酸处于复制阶段，对处于静止状态的病毒无作用。
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病毒进化的例证
粘液瘤病毒与宿主的共同进化 甲型流感病毒的抗原性转移以及漂移
人类的感染
重组的甲型流感在人群中三次大流行：
1918年西班牙流感
1957年亚洲流感
1968年香港流感
流感期間 Camp Funston 的緊急軍事醫院。
禽流感病毒（Avian influenza virus， AIV）
野生水禽是禽流感病毒的基因库
病毒的变异
甲型流感病毒变异的显著特点是HA和NA发生
遗传性或抗原性漂移（genetic or antigenic drift） 遗传性或抗原性转移（genetic or antigenic shift）
表型的一致性，遗传的动态差异，在变异中 保持稳定。
突变
病毒复制过程中单个或者成段的核苷酸序列发生 替换、缺失、插入等现象。 缺损型干扰（defective interfering， DI）突变 株，突变的特例
缺损型干扰(defective interfering,DI)突变株
这是一种缺失突变的产物。自身不能复制,只有在
“transforming principle” demonstrated with Streptococcus pneumoniae
病毒
第一节 第二节 第三节 第四节
突变 诱变 基因重组 病毒基因产物间的相互作用
准种：由一种母序列和来自该序列的大量突 变基因组所组成的病毒群体。
病毒的遗传与变异
What is a gene?
Stable source of information Ability to replicate accurately Capable of change
DNA
RNA
Pr
基因激 转录起始 活 转录后加工
mRNA 降解
翻译
翻译后加工
细菌
外源性的遗传物质由供体菌进入受体菌细
胞内的过程称为基因转移（gene
transfer)；转移的基因与受体菌DNA整合
在一起称为重组(recombination)。细菌基
因转移和重组的主要方式有转化、转导、
接合。
Frederick Griffith’s Transformation Experiment - 1928
分子内重组
重配
一、分子内重组
将两个有亲缘关系但生物学性状不同的毒
株感染同一个宿主细胞，从而可发生核酸水平
上的互换，产生兼有两亲本特性的子代，称为
重组。
分子内重组：
两种密切的相关但序列不同的病毒核苷酸
病毒与病毒 病毒与细胞
Recombination by break-rejoin of incompletely linked genes
1901年即分离禽流感病毒，但直到1955年才明确 它与人及哺乳动物流感的关系，20世纪70年代开 始注意在水禽广泛存在的禽流感病毒是流感病毒 的“基因库”，并对家禽业构成潜在威胁。 禽流感的高致病力毒株对鸡有致病性，旧称“真 性鸡瘟”（fowl plague），现名高致病性禽流感 （Highly pathogenic avian influenza, HPAI） 是OIE规定的通报疫病。
病毒毒力有很大差异。 高致病力毒株主要有H5N1和H7N7亚型的 某些毒株。 禽流感病毒能感染人，某些毒株甚至可不 经过猪体混合重配再传染的过程，直接感 染人。
国外学者认为，在中国南部生活着密集的 人群及养殖大量的猪和鸭，彼此密切接触提 供了上述的机遇。 其实除华南之外，东南亚也具有类似情况， 2004年禽流感在该地区的广泛流行，似可 为佐证。
二、重配(reassortment)
重配 大多数情况下特指基因组分节段的RNA病 毒，砂粒病毒 双RNA病毒 布尼病毒 正黏病毒 以及呼肠孤病毒。
两个进化相近的毒株感染同一细胞是，两者 发生了基因的交换，产生稳定或可变的重配 毒株。
Reassortment by independent assortment during dual infection
亲本野生株作为辅助病毒存在时才能复制,但又干
扰亲本病毒的复制,导致后者数量减少。
含正常的衣壳蛋白质 只含有正常基因组的一部分 只能在正常同源病毒同时存在时才能繁殖, 这时同源病毒成为辅助病毒(helper virus) 特异性地干扰同源病毒的繁殖,经连续传代 后,DI颗粒增多
突变率和适应性
迅速复制的能力 较高的胞内滴度 特定细胞受体的选择 慢性感染以及隐性感染 逃避防御机制 传播方式的适应
诱变
病毒复制时前者可掺入RNA病毒的核酸， 后者可掺入DNA病毒的核酸。 定点诱变，生物有机体基因组中，分离 出带有目的基因的DNA片段。 2. 将带有目的基因的外源DNA片 段连接到能够自我复制的并具有 选择记号的载体分子上，形成重 组DNA分子。
3. 将重组DNA分子转移到适当的 受体细胞（亦称寄主细胞）并与 之一起增殖。
4. 从大量的细胞繁殖群体中，筛 选出获得了重组DNA分子的受体 细胞，并筛选出已经得到扩增的 目的基因。 5. 将目的基因克隆到表达载体上 ，导入寄主细胞，使之在新的遗 传背景下实现功能表达，产生出 人类所需要的物质.
基因重组
在
病毒的一步生长曲线（one-step growth curve） 感染比（multiplicity of infection, MOI）是指在一个系统中感染病毒的细胞 数与细胞总数之比。 在人工培养的细胞中，接种高MOI的病毒 ，使所有细胞几乎同时受到病毒感染，如 分析该培养系统中的单个细胞， 就可以代表病毒在整个体系中所有细胞生 长的情况。应用这一方法，可获得病毒一 步生长曲线试验的结果（图22-1）， 观察到病毒具有复制周期（replication cycle）。一个完整的复制周期包括吸附、 穿入与脱壳、生物合成、组装与释放等步 骤。 病毒感染细胞之后的一个短时间内，病毒 完全消失，甚至在细胞内也找不到传染性 的病毒颗粒， 直至感染数小时后子代病毒出现为止，这 阶段称为隐蔽期（eclipse period），一般 持续2~12h。