普通病毒学

第1章 病毒学概述 **节 病毒学发展史 病毒是一种十分独*的生物，虽然人类发现病毒的历史只有100多年，但病毒在地球生命形成的早期可能就已经出现，而且一直在地球生物圈中发挥着重要的作用。 一、人类对病毒认识的经验时期 病毒的概念出现在1880年前后，但人类对病毒病的记载却有几千年的历史。人类在发现病毒之前，就有对多种病毒病的记载。 病毒学界公认的人类历史上*早关于病毒病的记载，是一块来自古埃及首都孟菲斯的石碑，上面刻画了一位牧师的布道场景，牧师的右腿有明显的残疾，与脊髓灰质炎的疾病症状十分类似，这块石碑的记载年代为公元前1400年。 人类对抗天花的历史十分悠久，埃及法老拉米西斯五世（Ramses Ⅴ）去世于公元前1144年，他的木乃伊显示了感染天花的痕迹。天花在我国的流行也有几千年的历史，16世纪，我国发明了人痘接种法来预防天花。明朝隆庆年间（1567～1572），人痘接种法从我国先后传至俄国、日本、朝鲜、土耳其和英国。1796年，英国医生爱德华 詹纳（Edward Jenner，1749～1823）发明了用牛痘接种预防天花的方法，在英国及欧洲大陆普遍应用，挽救了千百万人的生命，这是世界上*早的疫苗，为人类传染病的预防奠定了重要基础。 在动物病毒方面，公元前4世纪亚里士多德（Aristotle，公元前384～前322）所著的《动物志》一书中就对狂犬病进行了描述。我国东晋著名的医学家葛洪（284～364）在其《肘后备急方》一书中记载了治疗狂犬病的方法。 昆虫病毒方面，12世纪中叶我国的陈旉（1076～1156）著有《农书》，在下篇的《蚕说》中记载了家蚕的“高节”“脚肿”等病症，其实就是杆状病毒感染的典型症状。在植物病毒病方面，*早有记载的是郁金香碎色花病。在17世纪早期，荷兰人对病毒感染植株后形成具有条斑的花朵比未被感染的单色花朵更为珍视，并流行起“郁金香热”，据说一株好花的球茎可以换阿姆斯特丹的一栋房屋，由于当时并不知道产生这种花卉的原因，因此无法稳定地保证后代花卉的品质，球茎的买卖也变成了赌博，并由此引发了世界上**次经济泡沫。 上述历史表明，人类在不知道病毒之前，就已经在实践中总结出对抗病毒病的疫苗接种方法，并利用病毒培育出了美丽的花卉。 二、病毒的发现时期 19世纪中叶，随着显微镜的发明，人们逐渐接受了细菌、真菌等微生物。1840年，德国科学家雅各布 亨勒（Jacob Henle，1809～1885）提出可能存在一种更小的、光学显微镜看不见的感染性物质，但由于缺乏证据，他的这一假说当时并没有受到重视。 到19世纪后期，病原发生学说已经十分普及，亨勒的学生罗伯特 科赫（Robert Koch，1843～1910），提出了著名的科赫法则（Koch’s postulate），也称为亨勒-科赫法则（Henle-Koch postulate）。该法则认为，要证实某种微生物是某种疾病的病原，需要满足以下4种条件：① 在每一病例中都出现相同的微生物；② 这种微生物可以通过纯培养被分离出来；③ 用这种培养出的微生物接种敏感宿主，会引发同样的疾病；④ 从试验发病的宿主病灶中能再度分离培养出这种微生物。到19世纪末期，这种实验方法已成为主导医学微生物的经典方法。也正是某些病原不符合科赫法则，才导致了病毒的发现。 病毒的发现可以归功于3位科学家的重要贡献：① 德国科学家Adolf Mayer（1843～1942），1879年Mayer 在任荷兰瓦赫宁根农业实验站的站长时，应荷兰农民的要求开始研究烟草的一种疾病，他将此病命名为烟草花叶病，并对病症进行了详细描述，发现这种疾病可以通过病叶汁传播，但不能分离培养出细菌或真菌。1886年他发表文章提出这种传染源可能是一种可溶的、类似酶样的病原（Mayer，1886）。② 几年后一位俄国的科学家Dmitry Iwanowski（1864～1920）也发现了类似的现象，但Iwanowski增加了一个重要的实验步骤，他用可以过滤掉细菌的陶瓷滤器过滤了染病的烟草汁液，结果发现这种过滤除去所有细菌的汁液仍具有感染性，1892年2月12日，他向圣彼得堡科学院报告了这项研究结果。可惜的是，Iwanowski 没能在概念上进一步突破，他认为通过滤器的是一种毒素。③ 概念性的突破来自于Mayer的荷兰同事Martinus Beijerinck （1851～1931），Beijerinck在不了解Iwanowski研究结果的情况下，于1898年独立地发现通过陶瓷滤器的烟草汁液仍有感染性，不仅如此，他还发现将有“毒性”汁液稀释后，通过感染活的植物组织，汁液的毒性会得到恢复，也就是说这种感染原可以在活的细胞中进行增殖。他将这种病原称为“有感染性的活的液体”。因此，这3位科学家的研究奠定了病毒的基本性质。感染性、可滤过性和在活细胞中的增殖特性，后来，满足这3种特性，但不能按科赫法则用培养基培养出来的疾病病原，被称为病毒。 什么是病毒？ 病毒没有非常严谨的定义，一般来讲，病毒应该具有以下几种特性：① 是一种非常小的非细胞生物；② 一般由蛋白质外壳和内部包裹的核酸组成；③ 能感染敏感细胞，并利用宿主细胞系统进行繁殖；④ 新产生的子代病毒能再次感染敏感细胞。 综上所述，病毒是一类介于生命和非生命之间的特殊生命形式，是严格的细胞内寄生生物，离开宿主细胞，它只是一个大分子复合物或大分子；只有在宿主细胞内它才表现出生命的形式。 烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus，TMV）是**个被发现的病毒， 随后，Loeffler和 Frosch发现了**种动物病毒——口蹄疫病毒（foot-and-mouth diseasevirus，FMDV）（Loeffler and Frosch，1898）；1901年Walter Reed和他的团队发现了**种人类病毒——黄热病毒（yellow fever virus，YFV）（Reed and Agramonte，1983）。1932～1956年是病毒发现的高峰时期，包括天花、麻疹、腮腺炎、脊髓灰质炎、狂犬病、黄热病、流感的病毒病原，都是在这一时期发现的。这些病毒的发现，为病毒分子生物学的诞生奠定了基础。 三、早期病毒学的发展 在TMV发现后的50年间，其相关研究引领了整个病毒学的发展，1935年温德尔 斯坦利（Wendell M. Stanley）得到了TMV的晶体（Stanley，1935），X射线衍射显示它由重复的单元构建而成，斯坦利因此获得了1946年的诺贝尔化学奖（表1-1），这也为后来詹姆斯 沃森（James Watson）和弗朗西斯 克里克（Francis Crick）提出多数简单的病毒都是由一种或几种蛋白质重复所构成的理论打下了基础（Crick and Watson，1956）。1939年**张病毒的电镜照片显示，TMV是一个杆状的病毒粒子；1945～1946年，TMV的相关研究让人们意识到病毒是可以自组装的；1956年，TMV的遗传物质被证明为RNA，这也是首次证明RNA可以作为遗传物质（Gierer and Schramm，1956）。 表1-1 与病毒学相关的诺贝尔奖 与此同时，噬菌体的研究也带动了整个病毒学及分子生物学的发展。Twort（1915）和d′Herelle（1917）分别发现噬菌体；1932～1934年，MaX Schlesinger 发现纯噬菌体的质量为4×10-16g，而且其蛋白质和核酸组分基本是等量的。噬菌体研究得益于麦克斯 德尔布吕克（MaX Delbrück）、埃默里 埃利斯（Emory Ellis）、萨尔瓦多 卢瑞亚（Salvador E. Luria）这几位科学家的合作，1940年德尔布吕克和卢瑞亚成立了“噬菌体研究组”，他们在美国四处游说，召集科学家以噬菌体为模型研究生命现象；1947年3月，在冷泉港召开了只有8个人参加的**次噬菌体培训班，这被认为是现代分子生物学的开端。1950～1975年，噬菌体相关研究达到了高峰，此期间的主要发现集中在：① T-偶数噬菌体对大肠杆菌的裂解性感染；② λ 噬菌体的溶源性感染；③ 几种噬菌体如？×174、RNA噬菌体、T7噬菌体等的复制特性。一些重要的发现包括阿弗雷德 赫希（Alfred D. Hershey）和玛莎 蔡斯（Martha Chase）通过同位素标记证实了噬菌体的遗传物质是DNA而不是蛋白质（Hershey and Chase，1952），并揭示了复杂的λ噬菌体的复制调控等。1969年，德尔布吕克、赫希、卢瑞亚因为发现噬菌体的遗传结构及复制机制而分享了诺贝尔生理学或医学奖（表1-1）。 与植物病毒和噬菌体研究不同，动物病毒的早期研究受限于缺乏合适的培养系统。1948～1955年，通过下面一系列重要的研究进展，这方面终于取得了突破：1948年Sanford 及其美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）的同事突破了单细胞培养（Sanford et al.，1948）；1949年约翰 富兰克林 恩德斯（John Franklin Enders）、弗雷德里克 查普曼 罗宾斯（Frederick Chapman Robbins）和托马斯 哈克尔 韦勒（Thomas Huckle Weller）证实脊髓灰质炎病毒可以在体外培养的人类组织中增殖（Enders et al.，1949），他们3 人也因此分享了1954年的诺贝尔生理学或医学奖（表1-1）；1952年George Gey 建立了**个人类的传代细胞系——HeLa 细胞系（Geyet al.，1952）；1955年Harry Eagle 发明了可用于单细胞培养的培养基（Eagle，1955）。上述技术变革，对动物病毒的研究起到了变革性的推动作用，1953年罗纳托 杜尔贝科（ Renato Dulbecco）等建立了空斑技术（Dulbecco and Vogt。1953），开启了动物病毒学研究的新时代。同时，对疫苗的生产也产生了重大影响，在1949年以前，人类的天花疫苗、狂犬病疫苗、流感疫苗都是利用动物（牛、兔）或鸡胚生产的，而有了细胞培养之后，脊髓灰质炎疫苗成为首*利用培养细胞生产出的疫苗。 图1-1 列举了病毒学发展史上的一些重要历史事件。 图1-1 病毒学发展史上的一些重要历史事件 四、病毒学及其对生命科学的推动作用 （一）病毒学及其分支学科 病毒学作为一门独立的生物学科，出现于20世纪50年代。研究病毒学的主要目的包括：① 针对引起人类、动物、植物疾病的病毒病原进行深入研究，了解其生物学特性、繁殖机制、传播规律，研制相应的疫苗和药物，从而对病毒性疾病进行预防、控制和治疗；② 病毒是*简单的生命形式，在其生活周期中，与宿主发生了一系列的相互作用，通过对病毒及其与宿主相互作用的研究，能揭示生命中重要的本质规律，也能对生命起源有所启示；③ 利用病毒为人类造福，如以病毒作为载体表达外源基因，用溶瘤病毒来杀灭肿瘤，利用病毒对农林害虫进行生物防治，等等。随着研究的日益深入，病毒学已经派生出多种分支学科，如医学病毒学、兽医病毒学、植物病毒学、分子病毒学、病毒流行病学等。普通病毒学主要研究病毒的基本特性及其与宿主相互作用的本质规律，其研究对象涵盖人类病毒、动物病毒、植物病毒、噬菌体等所有病毒。 （二）病毒学对生命科学的推动作用 病毒学在其发展过程中，同时推动了分子生物学和细胞生物学等多学科的发展，举例来讲，病毒学在下列研究中均起到了重要的推动作用。 1. 遗传物质 1952年噬菌体的研究揭示DNA是遗传物质（Hershey and Chase，1952），1956年，TMV的研究证明RNA也可