病毒基因組

病毒基因組的結構特點

牛乳頭瘤病毒基因組結構和功能

RNA噬菌體的基因組結構和功能

乙肝病毒基因組的結構特點和功能

1.病毒基因組大小相差較大，與細菌或真核細胞相比，病毒的基因組很小，但是不同的病毒之間其基因組相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也較小，只能編碼4種蛋白質，而痘病毒的基因組有300kb之大，可以編碼幾百種蛋白質，不但為病毒複製所涉及的酶類編碼，甚至為核苷酸代謝的酶類編碼，因此，痘病毒對宿主的依賴性較乙肝病毒小得多。

2.病毒基因組可以由DNA組成，也可以由RNA組成，每種病毒顆粒中只含有一種核酸，或為DNA或為RNA，兩者一般不共存於同一病毒顆粒中。組成病毒基因組的DNA和RNA可以是單鏈的，也可以是雙鏈的，可以是閉環分子，也可以是線性分子。如乳頭瘤病毒是一種閉環的雙鏈DNA病毒，而腺病毒的基因組則是線性的雙鏈DNA,脊髓灰質炎病毒是一種單鏈的RNA病毒，而呼腸孤病毒的基因組是雙鏈的RNA分子。一般說來，大多數DNA病毒的基因組雙鏈DNA分子，而大多數RNA病毒的基因組是單鏈RNA分子。

3.多數RNA病毒的基因組是由連續的核糖核酸鏈組成，但也有些病毒的基因組RNA由不連續的幾條核酸鏈組成如流感病毒的基因組RNA分子是節段性的，由八條RNA分子構成，每條RNA分子都含有編碼蛋白質分子的信息；而呼腸孤病毒的基因組由雙鏈的節段性的RNA分子構成，共有10個雙鏈RNA片段，同樣每段RNA分子都編碼一種蛋白質。目前，還沒有發現有節段性的DNA分子構成的病毒基因組。

4.基因重疊即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質分子，這種現象在其它的生物細胞中僅見於線粒體和質粒DNA，所以也可以認為是病毒基因組的結構特點。這種結構使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。重疊基因是1977年Sanger在研究ΦX174時發現的。ΦX174是一種單鏈DNA病毒，宿主為大腸桿菌，因此，又是噬菌體。它感染大腸桿菌后共合成11個蛋白質分子，總分子量為25萬左右，相當於6078個核苷酸所容納的信息量。而該病毒DNA本身只有5375個核苷酸，最多能編碼總分子量為20萬的蛋白質分子，Sanger在弄清ΦX174的11個基因中有些是重疊的之前，這樣一個矛盾長時間無法解決。重疊基因有以下幾種情況：

（1）一個基因完全在另一個基因裡面。如基因A和B是兩個不同基因，而B包含在基因A內。同樣，基因E在基因D內。

（2）部分重疊。如基因K和基因A及C的一部分基因重疊。

（3）兩個基因只有一個鹼基重疊。如基因D的終止密碼子的最後一個鹼基是J基因起始密碼子的第一個鹼基(如TAATG)。這些重疊基因儘管它們的DNA大部分相同，但是由於將mRNA翻譯成蛋白質時的讀框不一樣，產生的蛋白質分子往往並不相同。有些重疊基因讀框相同，只是起始部位不同，如SV40DNA基因組中，編碼三個外殼蛋白VP1、VP2、VP3基因之間有122個鹼基的重疊，但密碼子的讀框不一樣。而小t抗原完全在大T抗原基因裡面，它們有共同的起始密碼子。

5.病毒基因組的大部分是用來編碼蛋白質的，只有非常小的一份不被翻譯，這與真核細胞DNA的冗餘現象不同如在ΦX174中不翻譯的部份只佔217/5375，G4DNA中佔282/5577，都不到5%。不翻譯的DNA順序通常是基因表達的控制序列。如ΦX174的H基因和A基因之間的序列（3906－3973），共67個鹼基，包括RNA聚合酶結合位，轉錄的終止信號及核糖體結合位點等基因表達的控制區。乳頭瘤病毒是一類感染人和動物的病毒，基因組約8.0Kb,其中不翻譯的部份約為1.0kb,該區同樣也是其他基因表達的調控區.

6.病毒基因組DNA序列中功能上相關的蛋白質的基因或rRNA的基因往往叢集在基因組的一個或幾個特定的部位，形成一個功能單位或轉錄單元。它們可被一起轉錄成為含有多個mRNA的分子，稱為多順反子mRNA（polycistroniemRNA），然後再加工成各種蛋白質的模板mRNA。如腺病毒晚期基因編碼病毒的12種外殼蛋白，在晚期基因轉錄時是在一個啟動子的作用下生成多順反子mRNA，然後再加工成各種mRNA，編碼病毒的各種外殼蛋白，它們在功能上都是相關的；ΦX174基因組中的D-E-J-F-G-H基因也轉錄在同一mRNA中，然後再翻譯成各種蛋白質，其中J、F、G及H都是編碼外殼蛋白的，D蛋白與病毒的裝配有關，E蛋白負責細菌的裂解，它們在功能上也是相關的。

7.除了反轉錄病毒以外，一切病毒基因組都是單倍體，每個基因在病毒顆粒中只出現一次。反轉錄病毒基因組有兩個拷貝。

8.噬菌體（細菌病毒）的基因是連續的；而真核細胞病毒的基因是不連續的，具有內含子，除了正鏈RNA病毒之外，真核細胞病毒的基因都是先轉錄成mRNA前體，再經加工才能切除內含子成為成熟的mRNA。更為有趣的是，有些真核病毒的內含子或其中的一部分，對某一個基因來說是內含子，而對另一個基因卻是外顯子。如SV40和多瘤病毒（polyomavirus）的早期基因就是這樣。SV40的早期基因即大T和小t抗原的基因都是從5146開始反時針方向進行，大T抗原基因到2676位終止，而小t抗原到4624位即終止了，但是，從4900到4555之間一段346bp的片段是大T抗原基因的內含子，而該內含子中從4900-4624之間的DNA序列則是小t抗原的編碼基因。同樣，在多瘤病毒中，大T抗原基因中的內含子則是中T和t抗原的編碼基因。

牛乳頭瘤病毒基因組結構和功能

乳頭瘤病毒（papillomavirus）是感染人和動物皮膚、粘膜並引起乳頭狀瘤病變的一種DNA病毒，屬於乳多空泡病毒（papovavirus）科。根據病毒感染的宿主不同可以分為牛乳頭瘤病毒（BPV），人乳頭瘤病毒（HPV）等。目前已發現的乳頭瘤病毒基因組都具有相似的結構。下面以BPV為例說明乳頭瘤病毒的基因組結構及功能。BPVDNA全長7945bp，為閉環超螺旋結構，在宿主細胞中可以和組蛋白結合形成核小體。以BPVDNA中單一的HpaⅠ酶切位點第一鹼基G為1號位，按5'→3'的方向給鹼基編號定位。DNA序列分析表明，所有的開放讀框（ORF）都存在於一條DNA鏈上，基因之間有相互重疊。整個BPV基因組分為編碼區和非編碼區（NCR），編碼區又按其編碼蛋白質的功能不同，分為早期轉錄功能區（E區）和晚期轉錄功能區（L區）。　1.非編碼區（NCR）非編碼區又稱上游調控區（URR）或長控制區（LCR），位於晚期基因L1終止密碼子與早期基因E6第一個起始密碼子之間，長度在不同的乳頭瘤病毒中不一樣，在BPV中長約1.0kb。在NCR轉錄的啟動子序列，可以啟動早期基因的轉錄和表達，另外，在該區還有增強子序列，可以被早期基因產物E2蛋白激活，進一步促進早期基因AAC的表達，目前已搞清了BPVNCR區增強子的序列，該序列為TTGGCGGNNG和ATCGGTGCACCGAT迴文結構。從NCR的結構特點上可以看出其主要功能是調節BPV基因的表達。

2.早期轉錄功能區（或稱早期基因區，E區）BPV的E區含有八個開放讀框（ORF），分別為E6、E7、E8、E1、E2、E3、E4、E5，其中E6、E7、E1基因有部份重疊，E8完全在E1中，E3、E4全部包含在E2中，E5與E2部份重疊。E2ORF編碼的蛋白產物可以與NCR的增強子結合，而提高或降低早期基因的表達水平。另外，E2ORF與E1ORF協同可以維持乳頭瘤病毒DNA的遊離狀態而不整合到宿主細胞染色體上去。E6和E7ORFs編碼的蛋白質可能是致癌蛋白。E6和E7蛋白可以引起宿主向惡性轉化成為腫瘤細胞。關於E6、E7蛋白引起細胞轉化的機制，現階段尚不清楚，但有兩種解釋。在E6、E7蛋白的氨基酸序列中發現有Cys-x-x-Cys重複序列，目前認為該結構是細胞內核酸結合蛋白所具備的特異性結構，因而認為E6、E7蛋白是DNA結合蛋白，可以調節基因的活性，進一步影響宿主細胞的增殖和分化，使該過程失去控制而形成腫瘤；最近，在正常細胞中發現有兩種蛋白質分子量分別為53KD和106KD分別稱為p53和p106蛋白質。這兩種蛋白質缺失或失活往往引起細胞的惡性化。研究發現，乳頭瘤病毒的E7和E6蛋白分別可以和p53和p106蛋白質結合而使其失活，這也可能是E6和E7蛋白質導致細胞惡性化的一種機制。

3.晚期轉錄功能區（晚期基因區、L區）：L區ORFs有兩個，即L1和L2ORF，編碼乳頭瘤病毒的外殼蛋白，其中L1蛋白是主要外殼蛋白，L2蛋白是次要外殼蛋白。

RNA噬菌體的基因組結構和功能

目前研究最清楚的大腸桿菌RNA噬菌體是MS2，R17，f2和Qβ。它們的基因組小，只有3600到4200個核苷酸，包含四個基因。MS2.R17和f2具有幾乎一樣的基因組結構。在四個基因中有兩個基因編碼噬菌體的結構蛋白：一個是A蛋白的基因，長1178個核苷酸。A蛋白（稱為成熟蛋白）的功能是使噬菌體能識別宿主，並使其RNA基因組能進入宿主菌，每個噬菌體一般只存在分子的A蛋白。另一個結構蛋白基因長399個核苷酸，編碼外殼蛋白以構成病毒顆粒，每個噬菌體有180個分子。基因組的其他部分編碼RNA複製酶和一個溶解蛋白，編碼溶解蛋白的基因與外殼蛋白和複製酶的基因有部分重疊，但讀框與外殼蛋白的讀框不一樣。在MS2、R17、f2基因組內有許多二級結構，RNA分子內鹼基的自我配對，可能對防止RNase降解有一定作用。另外，在編碼基因的5'和3'端各有一段非翻譯序列，該序列對穩定RNA分子也有一定作用。

另一種RNA噬菌體Qβ的基因組略大，與上述RNA噬菌體的基因組有以下不同；沒有獨立的溶解蛋白基因，但結構蛋白A2（或稱成熟蛋白，MaturaitonProtein）即具有溶解蛋白的功能，還編碼另一種外殼蛋白A1。

乙肝病毒基因組的結構特點和功能

乙肝病毒（HBV）的基因組DNA結構很奇特，是一環狀的部分雙螺旋結構，長約3.2kb。其中的2/3為雙螺旋結構，1/3為單鏈，這就是說，DNA中的兩條鏈不等長。長鏈的5'端與3'端無共價連接，而是與一種蛋白質共價相連。長鏈的5'端以250-300對鹼基互補結合。長鏈為負鏈，短鏈為正鏈。短鏈的長度視病毒而異，一般長約1.6-2.8kb,約為長鏈的2/3。短鏈之間的空隙可由病毒顆粒中的DNA聚合酶充填。乙肝病毒是目前已知的感染人類最小的雙鏈DNA病毒。為了能在細胞內獨立複製，病毒在很小的基因組中盡量容納大量的遺傳信息。因而HBV的基因組結構顯得特別精密濃縮，充分利用其遺傳物質。

重疊的基因序列比較多，HBV基因組中已確定的開放讀框有4個，分別編碼病毒的核殼（C）和包膜（S）蛋白，病毒複製酶（聚合酶)及一種似乎與病毒基因表達有關的蛋白質X。在S基因前面的兩個小ORFs與S基因ORF屬於同一個讀框，可以將ORFS通讀下去，編碼兩種S蛋白相關的抗原，這兩種抗原也存在於病毒顆粒的表面，這兩個抗原分別稱為前-S1(pre-S1)和前－S2(pre-S2)。同樣，在ORFC前面也有一短的ORF，稱為前－C(pre-C)，編碼一較大的C蛋白相關抗原。所有這些ORF都在負鏈DNA（長鏈）上，其中S基因完全重疊於聚合酶基因中，X基因與聚合酶基因、C基因重疊，C基因與聚合酶也有重疊。最近，Miller等人在HBV基因組中又發現兩個ORF,即ORF-5和ORF-6，這兩個ORFs與X基因重疊，其中ORF6不是由負鏈DNA編碼的，而是由正鏈DNA編碼。這兩個ORF的功能目前尚不清楚。

調節序列位於基因內部，這也是HBV節約使用遺傳物質的一種方式。與HBV基團組複製有關的序列有：短鏈順向複製序列（DR1和DR2）和U5樣序列（因與反轉錄病毒末端的U5序列類似面得名）。DR1和U5位於前－CORF中，是合成DNA長鏈的起始部位，DR2位於聚合酶基因與X基因重疊處，是DNA短鏈合成的起始部位。

與HBV基因表達有關的信號序列有4種：啟動子，增強子，polyA附加信號，糖皮質激素敏感因子（GRE）。由於HBV基因組中的基因分別轉錄於3種HBVmRNA轉錄本上，因此，相應地在病毒基因組中每一轉錄本近5'端也至少應有3種RNA聚合酶Ⅱ啟動子，雖然這些啟動子的基因序列尚不知，但這些啟動子顯然存在於編碼蛋白質序列內。增強子（ENH）位於聚合酶基因中；polyA附加信號位於CORF中；而GRE位於SORF和聚合酶基因中。GRE是與激素受體結構的DNA片段，結合后能使某一已知基因轉錄水平增加。

GRE有許多增強子的特徵：是起順式作用的因子，在轉錄的兩個方向均有作用，在距其調節的基因不同距離處均可起作用。

從以上可以看出HBV基因組結構嚴密，組織高效，在已知的病毒中是罕見的。HBVDNA不但在結構上有其獨特的地方，而且其DNA複製過程也非常特別。當HBVDNA進入宿主細胞后，首先成為完整的閉環雙螺旋DNA，以負鏈為模板合成全長的“+”鏈RNA（稱為前基因組RNA）。該“+”鏈RNA被包裝在未成熟的核心樣顆粒中，同時還有DNA聚合酶和一種蛋白質也被包裝在顆粒中。在該顆粒中“+”鏈RNA作為模板由反轉錄酶催化合成“-”鏈DNA，具體機制尚不清楚，可能與腺病毒DNA的複製相似，因為在“-"鏈DNA的5'端也有共價結合的蛋白質。“+”鏈DNA的合成便以該負鏈DNA為模板和一段RNA為引物而聚合延伸，核心樣病毒顆粒在這過程中也成為成熟的病毒顆粒。這時，正鏈DNA仍沒有合成完畢，因而造成病毒基因組兩條DNA鏈長度不一樣。