分子病毒学 病毒受体PPT学习教案

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1、会计学1分子病毒学分子病毒学 病毒受体病毒受体第1页/共40页第2页/共40页病毒的进化病毒的进化是一个非常复杂而难以研究的问题 病毒特别小，用常规的进化生物学研究方法不能来研究病毒的进化。 病毒在演化史中没有“化石”或“遗体”，难以获得系列的病毒材料供进化研究。 病毒进化具有一定的随机性，每种病毒的每一步演变都不是唯一的可能事件，而是在一定概率下发生的结果，使我们很难从病毒的现状，或短暂时间内病毒演变情况来推论出病毒演变的过去和未来。第3页/共40页正是病毒进化的复杂性，才给研究带来了广阔的空间。Pasteur在19世纪80年代利用狂犬病毒在兔子上反复传代，最终研制成有效的狂犬减毒疫苗，说明

2、病毒不仅可以变异，而且变异的结果具有一定的稳定性。 第4页/共40页病毒的存在基本形式病毒以quasispecies（准种）形式存在于宿主体内。现代群体遗传学上突出“居群”（population）的概念。“居群”指在相对独立的范围内存在的，属于同一物种的所有个体的组合。居群之间可以存在一定的基因流动（gene flow），因为病毒以居群的形式存在，而不是以均一形式存在。机体内某一脏器中属于同一个种的病毒，也可以看作病毒的一个居群。在局部地区流行的，属于同一个种的病毒也可以看作病毒的一个居群。病毒的居群内部，也就是各个毒粒之间，核酸序列并不是完全一样的，相互间略有不同，即存在一个“差异谱”。虽然

3、存在一个“差异谱”，但是一般还是以某一种序列为主，这个序列一般叫做主序列（consensus sequence）。一般测定的病毒核酸序列可以认为是主序列，因为主序列被测定的概率最大。 第5页/共40页病毒进化的基本特征 1、新病毒不断产生，而且基本上是从另一种宿主的病毒演化而来。 2、新病毒产生后，在新的宿主以较快的速度进行变异分化。例如：犬细小病毒是新病毒，猫的细小病毒是老病毒，两者差异不大，但是犬细小病毒进化速度较快。对流感病毒而言，人的流感病毒是新病毒，禽流感病毒是老病毒；人流感病毒进化较快。对慢病毒而言，人免疫缺陷病毒是新病毒，猴免疫缺陷病毒是老病毒，人的免疫缺陷病毒进化比猴的免疫缺陷

4、病毒快。第6页/共40页 3、新病毒稳定后，病毒的毒力大多处在中等水平。 如： 兔黏液病病毒在澳大利亚释放之后的10几年的跟踪研究，发现强毒株逐步演变为以中等毒力为主的病毒。 副粘病毒引起的禽NDV在我国开始流行时，毒力很强，这些年来逐渐产生了一些弱毒株，但整体上既不是以强毒为主，也不是以弱毒为主，而是以中等毒力为主。4、病毒的进化既有一定的随机性，又受到一定的选择压力而呈现一定的方向性和稳定性。第7页/共40页病毒在现代进化生物学中的地位 病毒是沟通分子进化理论和传统进化理论的桥梁；病毒基因组特别小，进化特别快，受干扰的因素特别少，因而在分子生物学飞速发展的今天，它是进化研究的很好材料，从中

5、能得出一些较为肯定的结论。 第8页/共40页病毒受体的基本概念1 受体(receptor)是指分子水平上的靶部位，通过与配体的相互作用能在这个部位结合上的某种物质，这个部位可能在细胞膜上，也可能在细胞壁上或者在细胞里面的酶上。被连上去的配体，可能是病毒，抗原成分，激素或药物。病毒受体具有受体的共性也有其自身特定的意义。 病毒受体较准确的理解是由宿主基因组所编码，控制和表达的一组参与病毒结合，相互作用，便于病毒感染宿主细胞，位于细胞膜表面的蛋白质组分。 第9页/共40页 病毒受体的分布与病毒对宿主动物的感染范围有关，有的受体可在多种不同种属的动物细胞上存在，而与此相适应的病毒就表现出较广的宿主范

6、围。 在同一种易感的动物中，各种不同类型的病毒受体，其形成却不相同，这不仅与病毒间存在的差异有关，也与病毒受体的演变进化过程有关. 在同一种细胞的不同分化阶段，病毒受体的表达也会有差异。 第10页/共40页 流感病毒A与B和副流感病毒均有细胞受体破坏酶，即神经氨酸酶(neuraminidase)，它能破坏N-乙酰神经氨酸酶（Neu5Ac）的糖苷键，提示Neu5Ac就是这些病毒的受体。 逆转录病毒也是利用特异性的细胞受体产生感染的。 HIV与其细胞受体CD4吸附，随后进入细胞完成复制。CD4分子主要存在于TH细胞和单核巨噬细胞表面，在试管内HIV-1的感染仅限于带有分化抗原的细胞，T4就是受体的

7、主要成分。而且用T4抗原决定簇的单克隆抗体可以阻断HIV-1的感染和诱导的细胞融合。近来研究表明，感染了不同毒株的逆转录病毒至少表达8个不同类型的受体分子。 第11页/共40页第12页/共40页第13页/共40页第14页/共40页病毒受体的发生和进化 第15页/共40页(一)受体功能的进化 在磷脂双分子层中镶嵌着大量的具有各种各样生物学功能的蛋白质，这些蛋白质在结构上都是以双分子层为支架，两端分别游离于细胞质内和细胞表面的空间中。它们的形状不同，是基于其所执行的各种各样功能而形成的。 在最早的单细胞生物中，细胞膜上几乎没有具有特定功能的蛋白质分子，随着生物的进化，细胞膜蛋白才随着细胞进化而成为

8、不同类型细胞特征之一。细胞膜蛋白成分的形成，正是为实现细胞的各种功能而具备的进化产物。 第16页/共40页 1、细胞为有效的摄取外环境中的营养成分，从简单的吞噬形式发展到了多种通道摄取所需的各种电介质、水分和一些大分子物质，这些功能是通过细胞膜上的蛋白质成分形成的离子泵、门控、通道来实现的。 2、细胞为了对外界有益或有害的信号作出相应的反应，在膜上形成了各种各样的受体蛋白，这些受体蛋白接受外界信号，并通过一套完整而精确的途径将信号传入细胞内部，并引起细胞在基因水平上的精细反应和生化变化来对外界信息作出相应的调整，以保证其生命过程中与环境的最适宜配合。 第17页/共40页 3、细胞膜上可以和外界

9、各种信号递质、各种物质分子结合以及细胞之间相互结合识别的蛋白分子被称为受体，这些受体在进化过程中是因细胞的功能而发生发展的。 面对病毒受体这样一个事实，这就是细胞作为一个独立的生命体系，为什么会发展出一些受体，以主动的形式接纳一个准备消灭自身的病原体？这是进化上的必然还是偶然，或是其它原因 。第18页/共40页（二）受体和配体在共同进化过程中的相互影响 与受体发生完全结合的大分子通常被称为配体(ligand)。 由于病毒可以和特定的受体结合，因此，亦可以把病毒受体间的关系看作是配体与受体的关系。 从一些配体与受体对的共进化关系来推测病毒与受体关系的发生和发展过程。 蛋白质与蛋白质的相互作用所导

10、致的氨基酸分子变异，本身就是进化过程中的一个主要作用因素。提出这样一个问题，即病毒与宿主细胞之间的关系是否是一个由于相互之间在一定时期内作用和接触而导致的接触表面相关氨基酸置换，最终形成相互适应和吻合的作用部位，亦就是受体和病毒的特异结合位点。 第19页/共40页 仍然感到不能理解清楚的是：在病毒吸附并穿过细胞膜进入细胞，最终繁殖摧毁细胞的过程中，细胞是以何种形式执行其自身防卫功能的，尤其是病毒与受体结合进入细胞的过程中，细胞做出了什么样的反应？ 细胞这样高度进化的生命结构，会在病毒的侵入过程中无所反应，被动的趋于死亡。同时，大量的证据已经表明，在细胞受病毒感染的后期，细胞可以启动程序化死亡（

11、apoptosis）的基因。使细胞在病毒繁殖完成前死亡，由此来阻断病毒的繁殖与扩散，而病毒亦有相应的相反措施来阻断细胞程序化死亡，这样明确的事实意味着，细胞决不可能在病毒吸附并穿入细胞膜的过程中保持沉默。 问题是，在此阶段中，细胞是否表现，或者是怎样表现这样一种防卫机制呢？在这个问题上，仍然只能推测性讨论。 第20页/共40页（三） 病毒和受体的结合与宿主细胞的防御功能在进化中的关系 各种病原微生物促进了宿主的防御机制蛋白异向趋化的现象的确存在。即病毒逃逸宿主防御机制的方法是去除宿主的前炎性介质，如EB病毒的BCRF-1可结合IL-10的受体。 病毒在与机体的相互作用过程中，在进化的选择压力下

12、，病毒形成了可能与某些细胞膜蛋白受体它们本身是一些细胞因子或其他功能蛋白的受体相结合的特殊蛋白质模拟分子，这些蛋白质模拟分子与受体的结合，一方面阻断细胞对某些抗炎细胞因子的反应，另外，亦为病毒进入细胞提供条件。第21页/共40页 Poliovirus在50200个病毒中仅有一个病毒颗粒可以感染细胞。只有少量的病毒感染细胞的现象并非是由于大多数病毒颗粒存在缺陷。又如Poliovirus（包括可以进入细胞开始感染和不能进入细胞的部分）在开始接触细胞时，均吸附到了细胞膜上，并发生了壳体蛋白的构象变化，脱去壳蛋白VP4，变成为135S的颗粒，之后大部分135S的颗粒离开细胞，而以135S形式存在的病毒

13、颗粒不再具有感染力。所有病毒颗粒脱下的VP4基本留在细胞膜上。 这个现象提示了这样一种可能性，即大量病毒颗粒提供的VP4，似乎是病毒体为克服细胞膜受体阻止病毒颗粒进入细胞所作的努力。这样的可能性暗示着细胞膜受体并非被动的接受病毒颗粒的结合而进入，而有着一种尚未人类所知的机制在不同程度上阻止被动感染。 第22页/共40页三病毒与受体间的相互作用（一）病毒与细胞受体的结合 对任何一种病毒来说，其宿主细胞上需要有相应的受体，才能表现为对病毒的易感性。否则不能形成感染。 Poliovirus可以感染人鼻咽部细胞，消化道细胞和某些中枢神经细胞（脊髓前角细胞），是因为这类细胞表面具有该病毒的特异性受体，而

14、其它组织不被感染，是因为缺乏该类病毒受体的关系。 轮状病毒（Rotavirus，RV）具有很强的宿主局限性，一般只引起婴幼儿及哺乳动物的感染，而且病毒有明显的种族差异，同样于受体有关。 第23页/共40页 许多病毒以其宿主之间存在这种受体与配体之间结合机制已研究的很清楚。同一病毒也可在不同的细胞种类中发现该病毒受体，RV可以感染上皮细胞，如小肠末端刷状缘细胞、猴肾细胞MA104株，另外RV还可使某些动物的红细胞发生凝集现象，说明病毒可以吸附到红细胞上，红细胞上存在其受体。 Polio V 在人体内不感染肾组织细胞，而在实验室，人肾细胞、猴肾细胞对Polio V很敏感，用来分离病毒野毒株或制备活

15、疫苗。 有些病毒经过一段时间的适应性培养，可以在原来不敏感的宿主中复制，说明也许与病毒本身身在特定的环境中，求得生存某种新的感染机制有关，也可能在病毒与宿主细胞培养其间病毒受体的演变进化有关，病毒很可能利用细胞表面的自然蛋白进入细胞内，例如狂犬病毒，可利用乙酰胆碱受体进入细胞，痘病毒可通过上皮生长因子受体进入宿主细胞，MHC-I类分子是SV40的受体，细胞黏附分子ICAM-1是鼻病毒的受体，免疫球蛋白超家族是Polio V的受体。 第24页/共40页 病毒和多个受体的结合，病毒颗粒和宿主细胞相互作用在感染的早期可能只涉及到一个病毒蛋白质分子， Polio V的VP4成分和一个受体蛋白分子结合，

16、而且这种结合并不紧密，可以重新分开，当毒粒上的多个位点与多个受体相结合时，就可能发生不可逆的结合，病毒与细胞受体间的相互作用不仅涉及到病毒本身的性质，也涉及到细胞受体多个组合。很多病毒都可以识别1个以上的受体，如HIV除识别CD4糖蛋白受体，也识别半乳糖基神经酰胺受体，HSV糖蛋白C结合硫酸乙酰肝素，而糖蛋白D结合的是细胞中限量存在的一个蛋白质分子，EBV的B淋巴细胞受体是CR2或CD21，也是C3a/c3dg补体片段的受体，有些病毒的第二次受体结合对于病毒的侵入是必须的，例如，CD4DNA被转移到对HIV不敏感的细胞中，可以表达CD4抗原，使HIV病毒结合到细胞表面，但不能进入细胞，显然是病

17、毒于细胞的融合过程受到阻碍。 第25页/共40页 当病毒结合到第一受体时，能引起病毒或宿主发生一些变化，这些变化是第二受体能被结合所必需的，如果说病毒进入机体后，能快速地与第一受体结合，第二受体则能对增加贴附或（和）病毒侵入所需的任何缓慢过程起作用。 这种第二次与受体的结合，实际上是紧跟在初次结合发生的，第二次受体结合是一种粘附增强作用，这种增强作用使得结合更加稳定牢固。 第26页/共40页 结合后病毒的基因组是如何进入细胞? 多数有包膜病毒往往一经接触后就与宿主细胞的多个受体立即发生不可逆的结合，通过毒粒包膜与细胞膜融合进入胞浆，在这个融合过程或多或少会有一部分病毒的核衣壳要进入到胞浆。无包

18、膜病毒则不同，只有当受体移行至毒粒，才能发生不可逆性的结合，而且发现核衣壳在这个过程中并不进入胞浆。 有包膜病毒与无包膜病毒在不可逆结合上存在明显差异，可能原因：有包膜病毒受体是糖蛋白，在细胞膜表面的分布十分丰富，而无包膜病毒的受体虽然也可能是糖蛋白，但在细胞膜表面的分布不十分丰富。对于那些较大的，结构较复杂的病毒，如Reo病毒，痘病毒等也是通过受体介导的内吞作用使完整的病毒进入到细胞内。而对大多数病毒而言，单纯的吞噬作用仅仅是病毒与宿主细胞间一种简单的结合，这种简单的结合并不能造成感染的发生。可能是一种特殊的形式吞噬作用，而决定能否进入细胞，病毒的特异性受体起到关键性作用 。第27页/共40

19、页（三）病毒与受体结合的粘附增强作用 病毒与受体第2次结合产生的粘附增加作用，对于病毒侵入到细胞内至关重要，这种结合的变化一般是在接近生理温度下发生的，多数病毒可在0-4度的低温下发生结合，但仅在接近37时，才能侵入到细胞内，因此，第2次结合也许对病毒无论是胞饮作用还是融合侵入到细胞内，都是必要的，温度逐步升高至趋近生理状态时，病毒与受体的结合更加牢固，在研究Polio V时发现，病毒结构蛋白VP4在天然状态下，是潜伏在毒粒内部的，并不是出于表面，当病毒与宿主细胞在近生理温度下，隔离一段时间后，而发现VP4蛋白成分突出到病毒粒表面，并与细胞的某个特异性受体发生了结合，随后引发感染的形成。 第2

20、8页/共40页（四）病毒受体的复杂性。 病毒从吸附的宿主细胞表面到与受体结合，再经过第2次结合增强黏附进入到细胞内是一个很复杂的过程，多因素参与的过程，除病毒特异性受体外，还与一些相关的受体参与有关。HBV由3种蛋白质组成胞膜，主要蛋白(S蛋白)、中等蛋白（S+preS2）、大蛋白（S+pre1+preS2），对3种蛋白质中何种蛋白质或决定簇可吸附到靶细胞受体中尚未确定的定论，似乎大分子蛋白质可直接与肝细胞膜的结合，用针对pre-s1不同决定簇的单抗来阻断，发现一株可阻断大分子蛋白质与肝细胞膜的结合，但另一株无阻断作用。因此推测，只有pre-s1的一部分肽决定 HBV对靶细胞的吸附，可能这段短

21、肽是HBV吸附于受体的特异性决定簇。 第29页/共40页第30页/共40页 HIV只感染CD4+ T细胞，引起细胞病变CPE，而对CD8+ T细胞和其他组织细胞并不感染，因此，认为T4细胞是HIV感染的唯一靶细胞，至少CD4分子是HIV特异受体，因此抗CD4分子的单抗可以抑制T细胞系与外周血T细胞的HIV感染，也可阻断病毒感染的细胞与表面有CD4受体表达的细胞系产生的细胞融合作用。 但实际上HIV受体本质很复杂。实验证明CD4+的淋巴细胞一般只有10%能与HIV结合，许多因素可影响CD4受体的表达，如一些丝裂原ConA、福包脂等可促进CD4受体的表达，除CD4外，细胞膜上亦可能表达一种类似CD

22、4受体，或通过Fc受体结合病毒的IgG Fc段、IgG的Fab段等病毒结合的方式，使病毒进入细胞内。 第31页/共40页 最近研究发现：HIV gp120可增强胶质细胞中ICAM-1基因的表达，促进了HIV-1感染的单核细胞进入CNS，并能增强活化小胶质细胞、星状细胞与HIV-1感染的单核细胞/小胶质细胞间的黏附，导致神经毒素的产生而损伤神经元。 病毒受体与宿主间的相互作用所诱发的是一个非常复杂的过程，包含了病毒与受体初次结合、二次结合，多受体结合，结合后病毒颗粒物理、化学、生物学性状和蛋白构象的变化以及宿主细胞膜的变化等。 第32页/共40页五 病毒受体的研究方法1、利用人工合成的特异性肽段

23、与病毒受体进行竞争性结合或封闭细胞表面的病毒受体。2、 利用细胞表面蛋白的特异性单抗阻断病毒与受体的结合。3 利用酶的作用去除细胞表面的病毒受体。4 分离和纯化细胞的病毒受体复合物。5 利用抗独特型抗体纯化病毒受体。6 利用将基因方法使受体缺陷性细胞获得特异性受体。 7 在细胞表面表达特异性受体8、 利用噬菌体表面表达呈现技术筛选病毒受体。 第33页/共40页病毒的细胞受体是指能够与病毒吸附蛋白产生特异性结合，介导病毒侵入细胞，启动病毒感染的特殊性细胞表面位点。 细胞受体单位（cellular receptor unit）是指能够识别一个病毒吸附蛋白质的细胞分子。通常一个细胞受体单位可以由几个

24、亚单位构成，其活性依赖于分子的空间结构。大多数噬菌体的细胞受体单位在细菌细胞壁上。大部分动物病毒的细胞受体单位是镶嵌在细胞膜的脂双分子层中的糖蛋白，也有的是糖脂或唾液酸寡糖苷。动物病毒的细胞受体不仅与病毒吸附和侵入有关，而且还有重要的细胞生物学功能，如狂犬病毒的受体是乙酰胆碱受体，HIV受体是CD4分子，Reo病毒3型的受体是-肾上腺素受体。 第34页/共40页 细胞受体的位点（cellular receptor site）是指由一个或几个受体单位组成，并能有效地结合一个病毒粒子的细胞表面结构。由于细胞受体位点往往由几个受体单位构成，因而受体位点的结合特性是多价的，并且对病毒粒子的结合力远远大

25、于细胞受体单位。病毒的细胞受体具有种系和组织特异性，一些不同种系动物的细胞可能存在不同的病毒受体，病毒受体的种系特异性决定了病毒的宿主谱，如多瘤病毒受体存在于小鼠细胞上，故多瘤病毒只能感染小鼠。有些病毒受体并无严格的种系特异性，如感染多种不同的脊椎动物。 第35页/共40页 动物不同组织细胞可能存在不同的病毒受体，从而决定了病毒的组织细胞嗜性。如HIV可感染具有CD分子的辅助性淋巴细胞，单核巨噬细胞，而不能感染无CD分子的其他细胞；EBV主要感染有CR或CR糖蛋白受体的淋巴细胞。 不同种属的病毒有着不同的细胞受体，有时甚至同种病毒不同型的病毒以及同型不同株的病毒受体也不相同。另外有些不同种属的

26、病毒在相同细胞上却又有相同的细胞受体，但在这种情况下，一种病毒的吸附和感染可以对另一种病毒产生干扰。如和柯萨奇病毒B3有相同的细胞受体。 第36页/共40页病毒吸附蛋白与细胞受体结合的机制 1、 可逆性吸附 病毒粒子对细胞受体的最初吸附是可逆性吸附，这种吸附是由病毒粒子与细胞表面的静电引力引起的，并未产生病毒吸附蛋白和细胞受体之间的化学键结合，因此，这种吸附易受环境中的PH影响。一旦PH改变使二者的排斥力大于吸附力时，病毒粒子就会从细胞表面上解脱下来，所以这种吸附是不稳定的，可逆的。 2、 不可逆性吸附 病毒吸附的第二阶段属于不可逆吸附，其实质是病毒吸附蛋白和细胞表面受体之间发生了牢固的化学键反应。同时伴随有病毒粒子结构上的显著变化。因此病毒粒子一旦形成不可逆性吸附，就不能从细胞的表面洗脱下来，这一阶段具有特异性。 第37页/共40页第38页/共40页 病毒对细胞的吸附一般可在几分钟至几十分钟内完成，如西方马脑炎病毒感染鸡胚成纤维细胞，30分钟的吸附率达到85%，狂犬病毒感染BHK-21细胞，也可在30分钟内完成吸附。因此在病毒感染实验中，通常病毒只作用于细胞30-60分钟，便可达到吸附的目的。 植物病毒迄今尚未发现有特异性细胞受体，其病毒进入植物细胞的机制是通过伤口或媒介昆虫传播的。 第39页/共40页