病毒界（下）

3。遺傳物質

與一般的細胞生物的遺傳物質為雙鏈DNA不同的是，病毒的遺傳物質（即病毒基因組）可以為DNA或RNA，可以為單鏈或雙鏈。從目前已發現的病毒來看，更多的是RNA病毒；其中，植物病毒多為單鏈RNA病毒，而噬菌體多為雙鏈DNA病毒。不同病毒的遺傳物質中的基因結構也各不相同，它們之間的差異性比動物、植物或細菌中任何一個生物域內物種間的差異性都要大。

病毒的核酸可以是環狀的，如多瘤病毒，或線狀的，如腺病毒。核酸的種類與其所呈現的形狀無關。在RNA病毒中，病毒體中的核酸常可以分裂為多個區段，這種狀態稱為“分段”（segmented）。其中的每一段常常編碼一個蛋白質，並且這些區段通常位於同一個衣殼中。但每一個區段並不一定要在同一個病毒體中才能使病毒整體具有感染性，雀麥花葉病毒（Brome mosaic virus）就是一個例子。

病毒的核酸可以是單鏈或雙鏈，也與核酸的種類無關。雙鏈的病毒核酸是由兩條互補配對的核酸鏈所組成，如同一個梯子。而單鏈的病毒核酸是一條沒有配對的核酸鏈，如同一個梯子從中間分成兩邊的其中一邊。一些病毒，如肝病毒科中的部分病毒，其核酸部分為單鏈，部分為雙鏈。

其核酸為RNA或單鏈DNA的病毒，其核酸鏈可以分為正義鏈或反義鏈，這種劃分取決於其與病毒mRNA是否互補。正義病毒RNA與病毒mRNA等同，宿主細胞因此可以直接用其來翻譯。反義病毒RNA與病毒mRNA互補，必須透過RNA聚合酶合成正義病毒RNA後，才能夠進行翻譯。單鏈DNA的情況與RNA相似，“編碼鏈”（與病毒mRNA互補）為反義鏈（−），而“非編碼鏈”為正義鏈（+）。

不同病毒的核酸的大小差別很大。最小的病毒基因組分子量只有106道爾頓，編碼4個蛋白質；最大的病毒基因組則有108道爾頓，編碼超過100個蛋白質。RNA病毒的基因組通常比DNA病毒來的小，這是由於其複製過程有更高的錯誤率，使得RNA病毒的大小有上限。如果超出這一上限，複製後的RNA病毒基因組會出現錯誤，使得導致病毒無功能或無競爭力。為了彌補這一缺陷，RNA病毒通常將自己的核酸分成多個分子，每一個分子就是一段基因組，這樣也就降低了複製過程中的錯誤率。相比而言，由於DNA病毒具有保真度較高的複製酶，降低了複製的錯誤機率，因而其基因組也就更大。

病毒的遺傳變異可以有多種機制。“遺傳漂變”（geneticdrift）是其中之一，即病毒DNA或RNA上單個鹼基的突變。大多數這樣的單點突變是無義的（或者說是沉默的），因為它們沒有導致所編碼的蛋白質發生變化；但有一小部分突變可能會引起進化上的優勢，如產生對抗病毒藥物的抵抗力。抗原漂移（antigenic shift）是另一種病毒基因組的主要變化，是由遺傳重組或基因重排所導致的。當流感病毒發生抗原轉移後，可能會導致瘟疫。RNA病毒常常以準種（quasispecies）的形式或大量同種但基因組核苷酸序列存在微小差異的病毒的形式存在。這樣的準種是自然選擇的主要目標。

分段的基因組具有進化上的優勢：同一種病毒的不同的病毒株中的分段基因組可以進行重排，重排後產生的後代病毒具有不同於上一代的獨特的特徵。這種基因重排又稱為“病毒的有性生殖”（viral sex）。

遺傳重組是一條DNA鏈斷裂後重新連線到另一條不同DNA分子末端的過程。遺傳重組可以在病毒感染細胞的同時發生。對病毒進化的研究結果顯示，在已研究的各種病毒中，重組發生得極為頻繁。而且，無論是RNA病毒還是DNA病毒，重組的發生都是非常普遍的。

4。生命週期

由於病毒是非細胞的，無法透過細胞分裂的方式來完成數量增長；它們是利用宿主細胞內的代謝工具來合成自身的複製，並完成病毒組裝。不同的病毒之間生命週期的差異很大，但大致可以分為六個階段：

（1）附著

首先是病毒衣殼蛋白與宿主細胞表面特定受體之間發生特異性結合。這種特異性決定了一種病毒的宿主範圍。例如，艾滋病毒只能感染人類T細胞，因為其表面蛋白gp120能夠與T細胞表面的CD4分子和受體結合。這種吸附機制透過不斷的進化，使得病毒能夠更特定地結合那些使它們能夠完成複製過程的細胞。對於帶包膜的病毒，吸附到受體上可以誘發包膜蛋白髮生構象變化從而導致包膜與細胞膜發生融合。

（2）入侵

病毒附著到宿主細胞表面之後，透過受體介導的胞吞或膜融合進入細胞，這一過程通常稱為“病毒進入”（viral entry）。感染植物細胞與感染動物細胞不同，因為植物細胞有一層由纖維素形成的堅硬的細胞壁，病毒只有在細胞壁出現傷口時才能進入。一些病毒，如菸草花葉病毒可以直接在植物內透過胞間連絲的孔洞從一個細胞運動到另一個細胞。與植物一樣，細菌也有一層細胞壁，病毒必須透過這層細胞壁才能夠感染細菌。一些病毒，如噬菌體，進化出了一種感染細菌的機制，將自己的基因組注入細胞內而衣殼留在細胞外，從而減少進入細菌的阻力。

（3）脫殼

然後病毒的衣殼遭到宿主細胞或病毒自己的酶降解破壞，病毒的核酸得以釋放。

（4）合成

病毒基因組完成複製、轉錄（除了正義RNA病毒外）以及病毒蛋白質合成。

（5）組裝

將合成的核酸和蛋白質衣殼各部分組裝在一起。在病毒顆粒完成組裝之後，病毒蛋白常常會發生翻譯後修飾。在諸如艾滋病毒等一些病毒中，這種修飾作用（有時稱為成熟過程），可以發生在病毒從宿主細胞釋放之後。

（6）釋放

無包膜病毒需要在細胞裂解（透過使細胞膜發生破裂的方法）之後才能得以釋放。對於包膜病毒則可以通過出泡的方式得以釋放。在出泡的過程中，病毒需要從插有病毒表面蛋白的細胞膜結合，獲取包膜。

5。分類

諾貝爾獎獲得者生物學家戴維·巴爾的摩在1970年代提出了巴爾的摩分類系統。巴爾的摩分類法與ICTV分類法一起用於現代病毒的分類。

巴爾的摩分類法是基於病毒mRNA的生成機制。在從病毒基因組到蛋白質的過程中，必須要生成mRNA來完成蛋白質合成和基因組的複製，但每一個病毒家族都採用不同的機制來完成這一過程。病毒基因組可以是單鏈或雙鏈的RNA或DNA，可以有也可以沒有反轉錄酶。而且，單鏈RNA病毒可以是正義（+）或反義（-）。這一分類法將病毒分為7類：

第一類是雙鏈DNA病毒（如腺病毒、皰疹病毒、痘病毒）

第二類是單鏈DNA病毒（+）DNA（如小DNA病毒）

第三類是雙鏈RNA病毒（如呼腸孤病毒）

第四類是（+）單鏈RNA病毒（如微小核糖核酸病毒、披蓋病毒）

第五類是（-）單鏈RNA病毒（如正黏液病毒、炮彈病毒）

第六類是單鏈RNA反轉錄病毒（如反轉錄病毒）

第七類是雙鏈DNA反轉錄病毒（如肝病毒）

（1）第一組：雙鏈DNA病毒dsDNA viruses

這類病毒通常只有在進入宿主細胞核之後才能進行自我複製。除此之外，這類病毒還需要宿主細胞核內的DNA聚合酶才能完成自我複製，因此它們很大程度上受宿主細胞的細胞週期影響。有效的感染與子代的產生都需要在宿主細胞進行復制時才能進行，因為病毒所利用的核內DNA聚合酶在此時是活躍的。此類病毒有可能誘發細胞快速裂解，導致細胞轉變和癌變，如皰疹病毒、腺病毒和乳頭多瘤空泡病毒。

第一組中，唯一一類已充分研究且不在核內進行復制的例子是痘病毒科（一種有脊椎動物高發病率的病原體，包括天花病毒）。

此類病毒使用普遍的mRNA轉錄方式——使用宿主相關的轉錄酶——合成兩種mRNA：

早期信使RNA（？） earlymRNA，事先轉錄用於合成DNA。

後期信使RNA（？） late mRNA，隨後由子代DNA轉錄而成。

（2）第二組：單鏈DNA病毒ssDNA viruses

這一類病毒包括有：

感染脊椎動物的

指環病毒科

圓環病毒科

小DNA病毒

感染植物的

雙生病毒科

矮化病毒科

感染原核生物的

微小噬菌體科

這類病毒中除了小DNA病毒 Parvoviruses以外，所有物種都具有環形DNA。其中感染真核生物的病毒大多在宿主細胞的細胞核中，透過基圓機制（英語：Rolling circle replication）構建雙鏈DNA中間體，進行復制。

一種流行的卻沒有臨床症狀的叫作“TTV”（TransfusionTransmitted Virus）的人類指環病毒（英語：Anellovirus） （Anellovirus）也包括在這一組中。

（3）第三組：雙鏈RNA病毒dsRNA viruses

跟大部分RNA病毒一樣，這類病毒的複製在宿主細胞的細胞質中，並不需要像DNA病毒那樣使用宿主的聚合酶。這一組中研究較多的是雙核糖核酸病毒科（Birnaviridae和呼腸孤病毒科（Reoviridae）。該組病毒的基因組為單順反子（英語：monocistron），並且有一些病毒基因組只編碼一個蛋白質（不像其它病毒有較複雜的轉譯過程）。

（4）第四組和第五組：單鏈RNA病毒

巴爾的摩病毒分類系統中的第四組和第五組為單鏈RNA病毒，根據病毒所帶的RNA的正義或反義又可以細分成四五兩組。擁有單鏈RNA是這兩組病毒共同的特點，它們的複製在細胞質中，並且不受宿主細胞的細胞週期限制。

（5）第四組：正單鏈RNA病毒（+）ssRNA viruses

該組病毒的RNA可以直接被宿主細胞中的核糖體識別並立即轉譯出蛋白質，而事實上所有正股的ssRNA都是如此。本組病毒還可以根據轉譯的方式細分為兩類：

一類病毒有由多順反子組成的基因組，透過翻譯得到一個多聚蛋白，隨後分裂成多個成熟的蛋白質。這樣的目的是減少基因組的大小。

另一類病毒有更復雜的轉譯過程，轉譯過程中有核糖體移碼、蛋白質水解和次基因組mRNA的參與。該類病毒有各自的機制來完成從一條鏈上翻譯蛋白質。

本組病毒包括有：

星狀病毒科

杯狀病毒科

冠狀病毒科

黃病毒科

微小核糖核酸病毒科

動脈炎病毒科

披膜病毒科

（6）第五組：反單鏈RNA病毒（-）ssRNA viruses

該組病毒的RNA不能直接被宿主細胞中的核糖體識別並立即翻譯出蛋白質，而事實上所有反鏈的ssRNA都是如此，因此它們要透過自身的聚合酶合成正鏈ssRNA，從而才可以被宿主核糖體識別。本組病毒也可以根據複製的方式細分為兩類：

一種病毒包含不分段的基因組【（-）RNA】，首先用RNA聚合酶產生單順反子（英語：monocistron）的mRNA【（+）RNA】（編碼了多個病毒的蛋白質），隨後以這一條RNA為模板複製產生反義ssRNA【（-）RNA】。整個過程在宿主細胞質中。

另一種病毒包含分段的基因組【（-）RNA】，而這一類病毒核酸的複製發生在宿主細胞核內，基因組中的每一段都各自在RNA聚合酶的作用下產生相應的mRNA。

兩種病毒最大的不同在於核酸複製的位置不同。

本組病毒包括有：

沙狀病毒科

正黏液病毒科

副黏液病毒科

本雅病毒科

絲狀病毒科

炮彈病毒科（包括狂犬病毒）

（7）第六組：正單鏈RNA逆轉錄病毒ssRNA-RT viruses

一種被研究較多的，包括反轉錄病毒科 （Retroviridae）的病毒，一個明顯的特點是使用逆轉錄酶將（+）ssRNA轉換成DNA，隨後用整合酶將DNA整合到宿主的基因組中，此後就可以利用核內的聚合酶了。

（8）第七組：雙鏈DNA逆轉錄病毒dsDNA-RT viruses

一小組以乙肝病毒 （HepatitisB）【肝病毒科（Hepadnaviridae）】為典型的病毒，包含雙鏈不閉環的DNA。該線型的DNA在閉環成為共價閉合環狀DNA（cccDNA）後，作為模板轉錄mRNA和亞基因組mRNA（英語：subgenomic mRNA），隨後由前基因組（英語：pregenome）表達的RNA做為模板逆轉錄出充當基因組的DNA。