痘病毒1——正痘病毒屬 之 病原學

痘病毒「1」僅介紹病原學，內容繁雜枯燥，故本篇不具有科普意義 ，僅供生物專業了解，敬請期待 「2」。

一、病原學

痘病毒，顧名思義，引起出痘的病毒，英語Poxvirus，名詞pox就有「痘、疹」等意思。天花是smallpox，水痘是chicken pox。醫學英語里就顯得專業一點了，天花叫Variola，水痘叫Varicela。不像漢語里專業與通俗的分野並不大，所以大多數國人不會像《friends》里Joey一樣在這些情況下成為文盲，但是對於英語使用者來說，掌握這些辭彙就不是標配了，弄不好就有可能會出「彥伯問臍」這樣的笑話，話說看到這則新聞的時候，我真是笑了好久。

痘病毒科/Poxviridae是很大的一類病毒，還細分為兩個病毒亞科——脊椎動物痘病毒亞科（Chordopoxvirinae）和昆蟲痘病毒亞科（Entomopoxvirinae）；其中脊椎動物痘病毒亞科由9個屬組成——還可分為雞痘病毒屬/Avipoxvirus (10種), 山羊痘病毒屬/Capripoxvirus (3種), 鹿痘病毒屬/Cervidopoxvirus (1種), 兔痘病毒屬/Leporipoxvirus (4種), 軟疣病毒屬/Molluscipoxvirus(1種), 正痘病毒屬/Orthopoxvirus (9種), 副痘病毒屬/Parapoxvirus (4 種), 豬痘病毒屬/Suipoxvirus (1種)和雅塔痘病毒屬/Yatapoxvirus (2種)以及兩個未定屬的種。

其中對人類致病的主要有正痘病毒和副痘病毒，軟疣病毒和雅塔痘病毒的部分成員也可以引起人類疾病。

據史料記載，天花約在公元48年由西方傳入中國（也有學者認為更早，可能在公元前200年左右就通過匈奴傳了進來）；

公元340年，我國第一次史冊記載天花；

14世紀，我國明朝，已普遍使用人痘接種預防天花；

1798年，Jenner發表接種牛痘預防天花；

19世紀至20世紀，痘苗病毒開始大規模用於預防天花；

1977年，在非洲確診地球上最後一例人間天花病例；

1980年WHO正式宣布天花人間滅絕。

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[1] 形態：痘病毒的結構比較複雜，也比較大，三維重構的大小約在 360 × 270 × 250 nm。在光學顯微鏡下勉強可見。形狀為圓角磚型或者卵圓形。

痘病毒基本的感染形態是成熟病毒粒子（mature virion，MV），除此之外，痘病毒還有一種形態，也就是成熟病毒粒子外還包繞有一層額外的來源於內質網膜的脂質膜（extracellular enveloped，EV）。

在MV中，病毒的外膜（outer membrane）上還有很多管狀結構的蛋白。在外膜之下，病毒粒子在內部有一個啞鈴型的核心，主要成分是病毒的基因組雙鏈DNA，以及多種（至少15種以上）病毒增殖相關的酶。核心的外面是一層核心膜（core envelope），核心膜的成分是脂質，在其之上還有一層海綿基質。在病毒核心啞鈴狀的中心，是側體（lateral bodies，LB），其功能目前還不清楚。

[2] 基因組與結構：基因組為雙鏈DNA，大小不等，可以從副痘病毒基因組的140kbp到雞痘病毒的300kbp。基因組的兩端具有反向末端重複序列（inverted terminal repetitions，ITRs），也就是基因組兩端具有序列一致但是方向相反的序列，高度保守，主要是A-T，少於100bp，可以形成DNA的鏈聯形式，甚至可以有多達7個閱讀框。病毒的基因可以根據表達的先後順序劃分為早期/early（藍色）、中期/intermediate（綠色）/和晚期/Late（紅色）基因。下圖是痘苗病毒WR（ Western Reserve）株的轉錄圖譜，看著就頭大。

（J. Virol. October 2011 vol. 85 no. 19 9899-9908）

[3] 基因組的複製：痘病毒的基因組複製實在是太奇怪了，必須單獨拿出來講一講。跟其他DNA病毒不一樣，痘病毒DNA的複製是在細胞質中的，而我們知道其他病毒利用的是宿主細胞DNA複製相關的整套體系去複製病毒基因組的，所以都是在細胞核內完成的。

理解下圖需要有幾個基本知識：DAPI是一種特異性結合DNA的染料，所以一般在生物學實驗中用來給細胞核著色，而圖中綠色的eIF4G和eIF4E，學過《生物化學》的應該清楚，這兩個是真核生物翻譯蛋白質的起始因子，它們的位置就代表了細胞內蛋白質翻譯的場所，正常情況下（最左邊兩個小圖）是全細胞分布的，而且只有細胞核內才有DNA。而在痘病毒感染的情況下，有意思的情況出現了，細胞核外出現了大量的DNA，這是病毒的DNA。而且eIF4G和eIF4E也被募集到了這些新出現的DNA周圍，這是病毒用來翻譯它自己的蛋白質。紅色的G3BP正常情況下是處理細胞mRNA的一種蛋白，這裡不用多管，不過也被病毒募集了。

但是複製形式還是需要一點想像力的，下面藉助cronodon.com的幾張圖來簡單說明一下——

[4] 生活周期：前面說過，痘病毒存在兩種形式：MV和EV。EV因為有一層來自內質網膜的包膜，這層膜可以在與細胞接觸後分解，露出外膜進而直接和細胞膜發生融合，隨後進而進行下游的感染。對於MV來說，可以直接和細胞膜進行融合，也可以通過巨胞飲內吞進細胞，在內吞體里，外膜與內吞體膜融合釋放出內膜包繞的病毒核心。釋放出來的病毒核心可以發生脫殼，將病毒的基因組釋放出來，此外在病毒核心外面（外膜裡面）含有一些mRNA，這些mRNA編碼一些早期蛋白，也就是下圖裡面的第一條藍箭頭，這些早期蛋白可以阻斷細胞本身的一些免疫機制。而脫殼之後釋放的DNA可以在另一些早期蛋白，如轉錄因子，DNA聚合酶和RNA聚合酶的作用下進行基因組的翻譯和早期、中期蛋白的轉錄、翻譯；而基因組的翻譯這時候發生在之前那副熒光照片圖裡說過的，也就是細胞質里，形成一個類似病毒複製工廠的地方，進行基因組的複製。複製的場所是在形成的並具有一些孔洞的內膜之內進行，之後孔洞閉合，病毒粒子進行下一步的成熟，形成典型的痘病毒的啞鈴形態，MV正式形成。最終完成的病毒粒子可以有兩種方式離開細胞：第一種也是最主要的，細胞裂解，MV直接釋放。第二種是利用細胞的分泌轉運系統，通過高爾基體分泌至細胞外，這種方式會使得病毒額外獲得一層被膜，所以EV就產生了，EV一般用來在細胞間進行傳播，所以病毒還會利用細胞產生肌動蛋白絲，將產生的EV頂住，送到其他的細胞表面進行下一輪感染。不過EV在一批產生的病毒數量中是比較少的。

[5]病毒的入胞：對於痘病毒來說，入胞也比較複雜。痘病毒表明的糖蛋白非常多，還有MV和EV兩種形式，所以就難研究了。現在已經歸類了痘苗病毒表面那些蛋白參與了吸附，那些蛋白參與了膜融合，僅此而已，具體的機制也不是很清楚。

對MV來說，目前認為至少有4種蛋白參與了粘附，12種參與了融合。而細胞表面的糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和層粘蛋白（ laminin）介導了MV的粘附。對於膜融合來說，這12個蛋白形成的膜融合複合物（綠色方框）在痘病毒中都是保守的。

MV不同膜融合的電鏡照片——

其他重要的複製周期過程還有病毒的組裝（assemble）和不同時期基因的轉錄。抽空再補。

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參考資料：

[1]《八年制醫學微生物》人民衛生出版社3版

[2]《Fields Virology, 6th Ed》Wolters Kluwer Lippincott Williams & Wilkins

[3] Fenner F, Henderson DA, Arita I, et al. Smallpox and its Eradication.

[4] Geneva: World Health Organization; 1988.

外部鏈接——

ICTV Virus Taxonomy

生物病毒分類表

保存的天花病毒該不該銷毀？

Viralzone

Vaccinia Viron - 3D Tour

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