第二节   病毒基因组与基因结构特点

一. 病毒基因组的存在形式

（一）病毒基因组载体

1. 病毒基因组载体的核酸类型    细胞型生物的基因组载体都是双链DNA分子，而非细胞型生物——病毒，不但DNA可以作为基因组载体，而且RNA也可象DNA一样作为基因组载体将遗传信息传给子代病毒，这在其它生物中是没有的。病毒的基因组载体只能是一种核酸，即是DNA或RNA，而不会同时兼有两种核酸。

病毒分类的一级依据是基因组核酸的类型。根据病毒基因组的核酸分子类型，所有病毒分为DNA病毒和RNA病毒。病毒基因组的载体不但可以是双股DNA或双股RNA（ds：double strand），也可以是单股DNA或单股RNA （ss：single strand）。因此现有病毒按基因组核酸类型和分子形式可分为：双链DNA（dsDNA）病毒、单链DNA（ssDNA）病毒、双链RNA（dsRNA）病毒、单链RNA（ssRNA）病毒。

为了正确描述单链核酸病毒，又将单链核酸分为正义（或正极）（+）核酸链和负义（或负极）（-）核酸链。规定“可作为mRNA直接翻译合成肽链的病毒基因组RNA链”为正链RNA（+ssRNA），其互补RNA链（可作为复制mRNA的模板）为负链RNA（-ssRNA）。进而规定+ssRNA的转录模板DNA链为负链DNA（-ssDNA），其互补DNA链为正链DNA（+ssDNA）。

+ssRNA病毒（如脊髓灰质炎病毒、冠状病毒、黄病毒等）即使缺失蛋白质衣壳，但只要其基因组核酸能进入宿主细胞内，也能复制出完整的子代病毒。这是因为+ssRNA进入宿主细胞后，可以直接作为mRNA利用宿主细胞核糖体翻译合成所编码的肽链。这种病毒核酸称为感染性核酸，而-ssRNA病毒的核酸不是感染性核酸。

[注] dsDNA或dsRNA的长度单位是碱基对(Base Pair，bp)；但ssDNA或ssRNA的长度单位不应用bp，而应该用碱基(Base，b)或核苷酸（nucleotides，nt）。此外，某一基因或调控序列在核酸链上的具体位置，也常用从 第几nt→第几nt 表示，如HSV-1的UL3基因，编码序列位于+DNA链 10957nt→11664nt，序号从核酸链5’ 至3’，箭头指明转录方向。

2. 病毒基因组的容量    病毒基因组核酸分子一般较小，对人类致病的脊椎动物病毒基因组核酸分子长度在1.7～250kb之间。如丁型肝炎病毒（HDV）基因组核酸-ssRNA长度不到1.7kb，而天花病毒基因组核酸dsDNA长度约186.1kbp。

由于病毒基因组核酸碱基数少，所以核酸携带的基因数一般很少。如HDV基因组目前只确定了1个开放阅读框（open reading frame，ORF），乙型肝炎病毒（HBV）基因组（核酸长度为3.2kb）只有4个ORF。即使是大型病毒（如痘病毒、疱疹病毒）最多也不超过300个ORF，如天花病毒已证实有187个ORF，人巨细胞病毒（HCMVAD169株）有208个ORF（比较：大肠杆菌约有4500个ORF，人约有3万个以上的基因）。病毒基因组如此小的基因容量，使得病毒的生命功能非常简单，不能独立生存增殖。

3. 病毒基因组是单倍体    目前所发现的病毒基因组都是单倍体，而且基因组中的基因绝大多数是单拷贝基因，只有少数病毒的个别基因有多拷贝。如在HSV-1基因组核酸的长组分独特序列（unique sequence of longcomponent，UL）区，+DNA链5’端有一个RL1和一个RL2基因，而在-DNA链3’端也有序列完全相同的一个RL1和一个RL2基因；在短组分独特序列（unique sequence of shortcomponent，US）区，-DNA链5’端有一个RS1基因，而在+DNA链3’端也有序列完全相同的一个RS1基因。RL1/2和RS1都是双拷贝基因。

逆转录病毒科的病毒（如HIV）基因组是由两条＋ssRNA在5’端通过氢键连接而形成的双体结构。但这两条RNA链编码的基因完全相同，说明这只应该是双拷贝基因组而不是双倍体基因组。

（二）病毒的多分基因组

病毒基因组全部都编码在一条核酸链上，并被其衣壳蛋白质包裹形成较均一的病毒颗粒，这种形式称为单分基因组(monopartitegenome)。如脊髓灰质炎病毒、乙型肝炎病毒等等。

如果病毒基因组分成多个部分，编码在多条大小不同的核酸链上，这种形式称为多分基因组(multipartitegenome)。

多分基因组又有两种形式：

一是病毒基因组编码在若干条核酸链上，但这些核酸链都包裹在外形均一的一种病毒衣壳中，如甲型流感病毒颗粒中包裹了由8条-ssRNA组成的基因组，而呼肠孤病毒颗粒中包裹了由10～12条dsRNA组成的基因组。这种多分基因组也称为分（节）段基因组(segmented genome)。

二是病毒基因组编码在若干条核酸链上，而这些核酸链又分别被包裹成大小不同的病毒颗粒，如烟草脆裂病毒(Tobaccorattle virus，TRV)基因组由大小不同的两条+ssRNA构成（RNAl分子量为2.4×10⁶，RNA2分子量为0.6×10⁶～1.4×10⁶)，分别被蛋白衣壳包裹形成长短不一的两种颗粒。单独一种颗粒无侵染性，必需长短颗粒同时侵染一个宿主细胞才能复制出子代病毒，这种病毒基因组又叫双分基因组(bipartite genome)。动物病毒目前未发现这种形式的多分基因组病毒。

（三）病毒基因组的其他存在形式

有些单链核酸（ssDNA或ssRNA）病毒在复制过程中，基因组可以其他形式存在于宿主细胞内。

1. 反义基因组   从理论上来说，ssDNA病毒和ssRNA病毒在复制时，都要合成中间复合体双链核酸分子，因此都存在反义基因组。这些病毒的反义基因组核酸是复制子代病毒核酸的模板，如果反义基因组是+RNA，还要作为mRNA翻译合成肽链。

丁型肝炎病毒（HDV）的反义基因组有点特殊。HDV的基因组核酸是杆状的闭合环状-ssRNA，在肝细胞核内HDV的-ssRNA采用连续滚环复制线性互补链+ssRNA，即可合成比基因组-ssRNA长出多倍的多个串联反义基因组。反义基因组+ssRNA具有核酶序列，具有自身催化裂解和自身拼接活性。新生的+ssRNA经自身拼接、RNA编辑、加poly（A）尾等步骤形成多种mRNA，运送至细胞浆合成相应肽链。其中依据ORF5-mRNA翻译合成的小HDAg（SHDAg）进入细胞核内，促进HDV基因组核酸-ssRNA复制反义+ssRNA、以及促进+ssRNA复制基因组-ssRNA。反义基因组+ssRNA自身拼接成环状结构后，也能以连续滚环复制方式复制互补-ssRNA。新生的-ssRNA也具有核酶活性，可自身裂解和拼接，形成杆状的闭合环状-ssRNA（核酶活性消失）。如此循环往复，以致于一个被感染的肝细胞内可出现几十万个HDV的基因组核酸和反义基因组核酸（或长或短）拷贝。

2. 前基因组（pregenome）    前基因组一般指整合在宿主细胞染色体dsDNA分子上的病毒基因组核酸（也称为原病毒，provirus）。

对人致病的部分dsDNA病毒，如疱疹病毒（HCMV、EBV）、人乳头瘤病毒及多瘤病毒的基因组核酸均能以原型与宿主染色体DNA整合，所以这些病毒的前基因组核酸与基因组基本相同。而ssDNA病毒基因组核酸一般以中间复制体dsDNA形式与宿主染色体DNA整合，如依赖细小病毒属的腺联病毒（AAV）的中间复制体dsDNA可定位整合在人染色体19q13.3至末端的区段（整合位点是GCTC序列）。因此，AAV的前基因组只有一条DNA链与基因组核酸相同。

逆转录病毒科的病毒（如HIV）基因组核酸是+ssRNA，但在病毒复制过程中，以基因组+ssRNA为模板逆转录合成互补的-ssDNA，再以-ssDNA为模板合成+ssDNA，形成中间复制体互补dsDNA（cDNA），然后利用病毒整合酶将cDNA整合在宿主染色体DNA分子上，所以逆转录病毒的前基因组以与病毒基因组不同的另一种核酸类型存在。

也有不整合的前基因组。乙型肝炎病毒（HBV）是dsDNA病毒，它有两种不同的前基因组：一种是以基因组核酸原型dsDNA整合在宿主染色体DNA分子上，前基因组形式与基因组相同；另一种是以-DNA链为模板转录合成的3.5kb +ssRNA，子代病毒将其作为病毒前基因组RNA（pregenome RNA，pgRNA）包裹进病毒核心蛋白衣壳内，再逆转录合成HBV基因组的-DNA链。这种复制方式很奇特，dsDNA基因组转变为+ssRNA前基因组，而且是不整合的前基因组。HBV为什么要以这种不寻常的方式复制？这对它的生存有何好处？值得进一步研究。

3. 亚基因组   披膜病毒科（甲病毒、风疹病毒等）、星状病毒科、成套病毒目（冠状病毒科、动脉炎病毒科）的病毒及杯状病毒科的部分病毒（水疮性病毒）是+ssRNA病毒，这些病毒的基因组核酸5’端为非结构蛋白阅读框（NS-ORF），3’端为结构蛋白阅读框（S-ORF）。在宿主细胞内复制时，基因组核酸可作为mRNA直接翻译前体多聚肽链，但由于核糖体运行到NS-ORF的终止码处即终止翻译肽链，所以基因组核酸作为mRNA只能翻译合成非结构蛋白，无法翻译结构蛋白。为解决此问题，这类病毒以基因组核酸+ssRNA为模板复制 -ssRNA（形成中间复制体），然后以           -ssRNA为模板复制全长的+ssRNA作为子代病毒基因组核酸，同时还复制一条更短的、只含3’端S-ORF序列的+ssRNA，这条更短的+ssRNA称为亚基因组（subgenome RNA，sgRNA）出现在宿主细胞内，专门作为翻译结构蛋白的mRNA（图1-7）。成套病毒目的病毒由于3’端有多个ORF，因此可有多种亚基因组核酸。这种现象类似于多分基因组病毒，这些+ssRNA病毒体衣壳内包裹的是单分基因组，但复制时却表现多分基因组病毒的特性。