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6.4: 病毒、病毒样体和朊病毒

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    学习目标

    • 描述病毒及其独特特征
    • 描述病毒样体及其独特特征
    • 描述朊病毒及其独特特征

    通过研究发现以前未研究过的疾病的病原体，发现了与病毒完全不同的非活性病原体。 其中包括仅由RNA或仅由蛋白质组成的颗粒，尽管如此，这些颗粒能够以牺牲宿主为代价进行自我繁殖，这与病毒的关键相似之处使它们能够引起疾病。 迄今为止，这些发现包括病毒、病毒样体和蛋白质朊病毒。

    Viroids

    1971年，在农业研究局工作的病理学家西奥多·迪纳（Theodor Diener）发现了一种无细胞颗粒，他将其命名为病毒，意思是 “病毒样”。 Viroids 仅由能够自我复制的短链 RNA 组成。 发现的第一个病毒会导致马铃薯块茎纺锤病，这会导致马铃薯植物发芽变慢和各种畸形（见图\(\PageIndex{1}\)）。 像病毒一样，马铃薯梭块茎病毒（PSTV）控制宿主机制来复制其RNA基因组。 与病毒不同，病毒没有蛋白质外套来保护其遗传信息。

    马铃薯生长奇怪而块状的照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：这些马铃薯已被马铃薯纺锤块茎病毒（PSTV）感染，这种病毒通常在使用受感染的刀具切割健康的马铃薯然后种植时传播。 （来源：美国农业部 ARS 佛罗里达大学食品与农业科学研究所帕梅拉·罗伯茨）

    病毒可能导致在田地和果园中种植的具有重要商业意义的农用粮食作物的毁灭性损失。 自从发现PSTV以来，已经发现了其他导致植物疾病的病毒。 番茄植物 macho viroid（tpmVD）会感染番茄植物，这会导致叶绿素流失、叶片变形和脆弱，番茄非常小，从而导致这种大田作物的生产力下降。 Avocado sunblotch viroid（asBvD）会导致产量降低和水果质量差。 asBvD 是迄今为止发现的最小的感染植物的病毒。 桃子潜伏马赛克病毒（plmVD）可导致花蕾和树枝坏死，成熟果实受伤，从而导致果实中真菌和细菌的生长。 PlmVD 还可能导致李子、油桃、杏子和樱桃发生类似的病理变化，从而导致这些果园的生产力下降。 一般而言，病毒可以在作物维持或收割、营养繁殖期间机械传播，也可能通过种子和昆虫传播，从而导致粮食供应严重下降和毁灭性的经济后果。

    练习\(\PageIndex{1}\)

    病毒的基因组是由什么组成的？

    病毒样体

    第二种可以感染具有重要商业意义的农作物的致病性RNA是病毒样体，它们是亚病毒颗粒，最好描述为非自我复制的SSRNA。 病毒样体的 RNA 复制与类病毒类似，但与类病毒不同，病毒样体要求细胞也感染特定的 “辅助病毒”。 目前仅描述了五种类型的病毒样体及其相关的辅助病毒。 辅助病毒全部来自 Sobemoviruses 家族。 辅助病毒的一个例子是地下三叶草斑驳病毒，它在病毒衣壳内包装了相关的病毒样体。 一旦辅助病毒进入宿主细胞，病毒样就会被释放出来，并可以在植物细胞质中自由找到，它们具有核酶活性。 辅助病毒会经历典型的病毒复制，与病毒样体的活性无关。 病毒样基因组很小，只有220至388个核苷酸长。 病毒样基因组不编码任何蛋白质，而仅用于复制病毒 RNA。

    病毒样体属于更大的一组称为卫星 RNA 的传染病原体，它们与动物体内发现的致病性 RNA 类似。 与植物病毒样体不同，卫星 RNA 可以编码蛋白质；但是，像植物病毒样体一样，卫星 RNA 必须与辅助病毒共同感染才能复制。 一种感染人类并被一些科学家描述为病毒样体的卫星RNA是三角型肝炎病毒（HDV），根据一些报道，它也被称为三角型肝炎病毒。 HDV比植物病毒大得多，它有一个由1,700个核苷酸组成的圆形ssRNA基因组，可以指导HDV相关蛋白的生物合成。 HDV 辅助病毒是乙型肝炎病毒（HBV）。 HBV 和 HDV 合并感染会导致感染期间肝脏发生更严重的病理变化，这正是首次发现乙型肝炎病毒的方式。

    练习\(\PageIndex{2}\)

    病毒样体和病毒样体的主要区别是什么？

    朊病毒

    科学家曾相信，任何传染性颗粒都必须含有DNA或RNA。 然后，在1982年，研究scrapie（一种致命的绵羊退行性疾病）的医生斯坦利·普鲁西纳（Stanley Prusiner）发现这种疾病是由蛋白质传染性颗粒或朊病毒引起的。 由于蛋白质是脱细胞的，不含DNA或RNA，普鲁西纳的发现最初受到抵制和怀疑；但是，他的研究最终得到了验证，并于1997年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

    图A显示了正常的朊蛋白如何转化为致病形式的过程。 内源性 prPC 与 prpsC 相互作用。 这会将 PRPC 转换为 PRPSC。 PRPSC 积累起来。 图 B 是一张显示脑组织孔洞的显微照片。
    图\(\PageIndex{2}\)：内源性正常朊蛋白（prPC）在遇到这种变异形式的蛋白质时会转化为致病形式（prPSC）。 prpsC 可能在脑组织中自发产生，尤其是在存在突变形式的蛋白质的情况下，或者它可能源于食物中消耗的错误折叠的朊病毒，最终会进入脑组织。 （来源 b：美国农业部对作品的修改）

    朊病毒是在细胞中发现的一种错误折叠的正常蛋白（prPC）的无赖形式。 这种流氓 prion 蛋白 (prpsC) 可能由基因突变引起或自发发生，具有传染性，刺激其他内源性正常蛋白错误折叠，形成斑块（见图\(\PageIndex{2}\)）。 如今，众所周知，朊病毒会在人类和动物身上引起各种形式的传播性海绵状脑病（TSE）。 TSE 是一种罕见的退行性疾病，会影响大脑和神经系统。 恶意蛋白质的积累会导致脑组织变成海绵状，杀死脑细胞并在组织中形成空洞，从而导致脑损伤、运动协调能力丧失和痴呆（见图\(\PageIndex{3}\)）。 感染者有精神障碍，无法移动或说话。 无法治愈，疾病进展迅速，最终导致在几个月或几年内死亡。

    从整个大脑图像中更多的黑色区域可以看出，克雅氏大脑的空间更大。 显微照片显示脑组织中有洞。
    图\(\PageIndex{3}\)：Creutzfeldt-Jakob 病（CJD）是一种导致神经组织退化的致命疾病。 (a) 这些脑部扫描将正常的大脑与患有克雅氏病的大脑进行比较。 (b) 与正常的大脑相比，克雅氏病患者的脑组织充满了海绵样病变，这些病变是由朊蛋白的异常形成引起的。 （来源 a（右）：修改劳克林·道斯博士的作品；来源 b（上）：修改苏珊娜·瓦基姆的作品；来源 b（下）：修改疾病控制与预防中心的工作）

    人类的 TSE 包括库鲁病、致命的家族失眠、格斯特曼-施特劳斯勒-舍因克病和 Creutzfeldt-Jakob 病（见图\(\PageIndex{3}\)）。 动物体内的 TSE 包括疯牛病、scrapie（绵羊和山羊）和慢性消耗性疾病（麋鹿和鹿）。 通过食用受污染的肉类或动物饲料，TSE 可以在动物之间传播，也可以从动物传播给人类。 人与人之间的传播可以通过遗传（GSS和CJD通常是这种情况）或通过接触受污染的组织而发生，输血或器官移植期间可能发生这种情况。 没有证据表明是通过与感染者的偶然接触传播的。 表中\(\PageIndex{1}\)列出了影响人类及其传播方式的 TSE。

    表\(\PageIndex{1}\)：人类中的可传播海绵状脑病（TSE）
    疾病 传动机制 1
    零星克雅氏病 (scJD) 未知；可能是由于体细胞突变将正常的先验蛋白 (prP) 变为流氓形态
    变体 CJD (vcJD) 食用受污染的牛产品和继发血液传播途径
    家族性克雅氏病 (fcJD) 种系 prP 基因的突变
    医源性克雅氏病 (iCJD) 受污染的神经外科器械、角膜移植物、促性腺激素，其次是输血
    库鲁 通过仪式的自相残杀吃受感染的肉
    Gerstmann-Straussler-Scheinker 病（GSS） 种系 prP 基因的突变
    致命性家族失眠 (FFI) 种系 prP 基因的突变

    朊病毒极难摧毁，因为它们具有耐热、耐化学和辐射的能力。 即使是标准的灭菌程序也不能确保这些颗粒的破坏。 目前，TSE病尚无治疗或治愈方法，必须根据联邦指导方针处理受污染的肉类或受感染的动物，以防止传播。

    练习\(\PageIndex{3}\)

    朊病毒有基因组吗？

    临床重点：分辨率

    几天后，大卫的医生收到了对他的皮肤样本进行免疫荧光测试的结果。 狂犬病抗原检测结果为阴性。 对他的唾液样本进行的第二次病毒抗原检测结果也呈阴性。 尽管有这些结果，但医生还是决定继续戴维目前的治疗方案。 鉴于逆转录聚合酶链反应检测呈阳性，最好不要排除可能的狂犬病感染。

    在咬伤部位附近，大卫注射了狂犬病免疫球蛋白，这种免疫球蛋白附着在他组织中可能存在的任何狂犬病病毒并使其失活。 在接下来的14天里，他的手臂接种了四种狂犬病特异性疫苗。 这些疫苗可以激活大卫的免疫反应，帮助他的身体识别和对抗病毒。 值得庆幸的是，通过治疗，大卫的症状有所改善，他完全康复了。

    并非所有狂犬病病例都有如此幸运的结果。 实际上，狂犬病通常在患者开始出现症状后致命，而咬伤后的治疗主要是姑息治疗（即镇静剂和疼痛管理）。

    摘要

    • 其他脱细胞因子，例如病毒、病毒样体和朊病毒也会引起疾病。 Viroids 由小而裸露的 ssRNA 组成，它们会导致植物疾病。 病毒样体是需要其他辅助病毒才能确立感染的 SSRNA。 朊病毒是蛋白质类传染性颗粒，可引起可传播的海绵状脑病。
    • 朊病毒对化学品、热和辐射具有极强的抵抗力。
    • 没有针对朊病毒感染的治疗方法。

    脚注

    1. 1 国立神经系统疾病和中风研究所。 “Creutzfeldt-Jakob 病情况说明书。” http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm（2015 年 12 月 31 日访问）。