1、第一章 绪论同学们，今天我们开始一门新课病毒学的学习；近些年来，随着严重危害公共安全、威胁人类健康的新发、突发的病毒性传染病日益增多，如2003年的SARS、2012年的MERS和2019年的COVID-19等，促使人们对病毒及病毒学知识的需求达到了前所未有高度，因此，在当前形势下学习本课程不仅是同学们更好地掌握和完善微生物学课程体系的需要，也是现实社会对同学们相关专业知识的迫切需求。病毒学是原海南大学生物技术专业的一门选修课，最早设立于2005年，并在2007年海南大学与华南热带农业大学合校后继续保留的一门重要的专业选修课，当前选修该课学生主要来自于生物科学和生物技术两门本科专业。在教学队伍
2、上，当前我校微生物生物学平台共有13人，病毒学主要由我、柳志强教授和杨诺讲师共同承担，本人为该课程负责人。在课程安排上，病毒学共设有十个章节、22学时的理论学习，和两个实验、10学时的实验环节，共计32学时，2个学分。在教材选择上：主要参考谢天恩，胡志红主编、2019年科学出版社出版的第二版普通病毒学研究生教材。同时以卡恩编写、科学出版社出版的分子病毒学原理(第4版)和黄文林主编、人民卫生出版社出版的分子病毒学（第3版/研究生教材）为辅助。在考核方式上，采用平时成绩30% 与期未考试成绩70% 的方式考核，而平时成绩又按10%的理论和20%的实验部分所组成，考试采用闭卷。学习本课程的目的有三：
3、1.掌握病毒学的基础知识、基本理论和发展方向。2.掌握病毒学研究的基本方法。3. 为从事病毒学研究或进一步深造提供专业知识。下面正式开始病毒学第一部分绪论的学习：本章我们将从： 病毒与人类的关系、病毒的发现与研究历史、病毒学研究的对象及任务和病毒学发展趋势四个方面进行讲解。首先我们来看一下病毒与人类的关系我想大家对病毒的认识最为深刻的应该是这次最早发现于武汉、隶属于成套病毒目（Nidovirales）冠状病毒科（Coronaviridae）冠状病毒属（Coronavirus）的新冠病毒SARS-CoV-2，该病毒已造成世界性传染病，截止今天即2020年12月22日，已累计确诊新冠病例755万，
4、死亡人数高达169万。对于该病毒的来源至今成谜， 2020年11月的nature 新闻文章分析认为其极有可能是来自亚洲的马蹄铁蝙蝠变异而来，因为从来自日本、中国和柬埔寨的该类蝙蝠体中都检到与SARS-CoV-2超过97%同源病毒。另外一个与大家息息相关、应该每个都曾感染过、隶属正粘液病毒科、流感病毒属的流感病毒：对于这个病毒可能没有人认为有多大危害，但在历史上该病毒已造成多次的大流行，并导致严重后果，如2009年暴发于墨西哥的甲型H1N1型，俗称猪流感，曾在全球蔓延214个国家和地区，导致近20万人死亡。其他的还有爱滋病毒HIV、乙肝病毒HBV和丙肝病毒HCV等，今年Harvey J. Alt
5、er, Michael Houghton和Charles M. Rice三位科学家正是因为发现丙肝病毒而获得的诺贝尔生理学或医学奖的。当然，大家还有一个可能熟悉的、隶属于非洲猪瘟病毒科（Asfarviridae）下的非洲猪瘟病毒，该病毒2018年8月经由俄罗斯进入我国并迅速传播，几乎导致我国全部生猪与野猪灭绝，直到今天我国的养猪业还尚未恢复，而且因为没有疫苗、该病毒仍在世界范围内横行和施虐。不过值得庆幸的是，该病毒不传染人。由于可见，传染性病毒对人及对动物的危害难以估计，因此，1958年诺贝尔奖获得者Joshua Lederberg曾说过这样一句话：同人类争夺地球统治权的唯一竞争者就是病毒。L
6、ederberg所从事的专业本为动物学，但其在遗传学，尤其是微生物遗传学方面的贡献更大。前面的微生物学学习中，其发明的影印实验以证实突变的“不对应性”应是同学们所掌握的知识。那么是否所有的病毒都是对人有害的呢？其实不然，有研究表明，人体中的病毒数量为1015，细菌数量为1014，而人体自身的细胞数量仅为1013，病毒：细菌：细胞的数量呈现为100：10：1的比例，这么庞大的病毒数量预示着病毒对人类生存具有重大价值，事实上，在人类基因组中， 有8%的基因源自于病毒，可见，没有病毒，就没有人类的存在。2O世纪70年代初，人们发现在哺乳动物的胎儿中有一种称之为ERV（endogenous retro
7、virus）的内源性逆转录病毒，该病毒存在于所有的人体细胞，ERV似乎与胎盘一起构成一种更为完善的防止微生物入侵胎儿的胎盘屏障，就像肠道内的正常微生物与肠道黏膜一起构成的肠道屏障一样。简单的说，ERV保障了女性在怀孕时，避免受到其他微生物的入侵，保证了胎儿的存活率。另外，人们还发现在肠道黏液中含有更多的噬菌体，这些大量噬菌体可有效地消除进入肠道黏液的病原微生物，与粘膜一起进行形成更有效的保护屏障，从而阻止了病原菌进入粘膜与深层机体组织的可能。再有，人们在对艾滋病患者的研究中发现了一种隶属黃病毒科（Flaviviridae）的单一正链RNA病毒GB-C，研究显示，该病毒可有效抑制艾滋病病毒、埃博
8、拉（Ebola）等感染者体内的病毒活性等，以阻止这些高危病毒的侵害。在肿瘤治疗方面，病毒似乎也大有可为：早在1897年，密歇根的医生乔治多克(George Dock)就注意到流感显著缓解了一位妇女的白血病。随后，有医生开始有意的采用白血病患者和一个流感患者配对，即后者拿着一块抹布给白血病患者咳嗽，在当时根本不知道什么是病毒的情况下就开始使用它们进行癌症治疗的尝试。1971年乌干达一名患有伯基特淋巴瘤的儿童因感染麻疹而病情有所缓解。20世纪90年代，加拿大的研究人员发现呼肠孤病毒可以摧毁受感染的癌细胞。2005年，病毒学家格兰特麦克法登(Grant McFadden)发现一种对人类健康没有影响的
9、兔子病毒可以攻击人类癌细胞。目前人们将能够治疗癌症的病毒称为溶瘤病毒，因为这些病毒具有溶瘤和激活免疫的双重功能。即不仅可以破坏或溶解感染的肿瘤细胞，通过在肿瘤细胞内的复制和向邻近细胞间的扩散，在几天内杀死大面积的肿瘤；而且可以通过“唤醒”免疫系统，激活T细胞等免疫细胞，T细胞不仅会攻击感染的细胞，还会攻击包括未感染肿瘤细胞在内的任何异常细胞。病毒使肿瘤内爆后，T细胞可以更容易地穿透肿瘤，发现并清除剩余的肿瘤细胞。在实践上，人们已经开始采用：用麻疹病毒（measles virus）治疗多发性骨髓瘤用水泡性口炎病毒(vesicular stomatitis virus，VSV)治疗多发性骨髓瘤和血
10、癌（急性髓系白血病和T细胞淋巴瘤）。用呼肠孤病毒 (reovirus) 治疗多发性骨髓瘤用黏液瘤病毒（myxoma virus）治疗多发性骨髓瘤由此可见，病毒并不都对人类有害，而是有相当数量的“正义病毒”在保护着人类的健康、促进着人类的进化，即没有病毒，就没有人类的存在。那么，病毒的如何被发现与开始研究的呢，下面我们来看一下病毒的发现与研究历史。人们对病毒的认识与前面学习的微生物学一样，可分为经验时期、发现时期和病毒学的发展时期，在病毒学的建立与发展时期又可以分为病毒病原的发现时期、病毒的化学和结构研究阶段、病毒研究的细胞水平时期和分子病毒学的研究时期等。在经验时期：由于受条件限制，人们对病毒
11、并不了解：如考古发现 在古埃及石刻浮雕中所显示的脊髓灰质炎病毒感染而造成的小儿麻痹阿里斯多德（Aristotle）在公元前四世纪对狂犬病毒引起狂犬病病症的记述十二世纪中叶我国农书（1149年出版）中，对家蚕核型多角体病毒所引起的家蚕“高节”、“脚肿”等病症的记载等同时，在这个时期，人类在病毒防治上也在不断探索：如在公元十世纪宋真宗时代，我国就发明了人痘预防天花的伟大创举，其实质是通过灭活人痘来预防天花，并且通过明代隆庆年间（1567-1572）的广泛推行和传播，该方法被先后传至俄国、日本、朝鲜、土耳其及英国。并由促使英国医生琴纳（Jenner）在1796得出结论，牛痘也可能预防天花，从而采用了
12、更安全的牛痘接种法，而挽救了千百万人的生命，并直到今日仍在采用。该方法的实质是通过牛痘对人痘的交叉免疫保护而达到预防天花的目的。更为了不起的是，法国人巴斯德（Pasteur）在1884年发明了具有真正意义的弱毒狂犬疫苗，并由此建立了免疫学学科，从而将人类病毒防治技术推向了高潮。上述事例都是如何预防病毒的危害，而植物郁金香碎色病毒Tulipa virus（TV）却在一定时期成为被人们利用的新宠，原因是该病毒可导致郁金香碎色病的产生，这种病态美曾在16和17世纪极受欧洲人着迷，并由此催生出对生产碎色郁金香的极大需求。这种盛况可以从荷兰阿姆斯特丹的Rijks博物馆所保存的一张1619年的一幅得病的郁
13、金香静物画得以了解。在病毒的发现时期我们在微生物课程中已经知识，烟草花叶病毒Tobacco mosaic Virus （TMV）是最早被发现和研究的病毒，其发现的过程是1886年 德国科学家Adolf Mayer发现烟草花叶病可以通过提取染病叶片的汁液涂抹到健康叶片上的方法进行转移，在汁液中寻找可染病的微生物失败后，认为引起病症的微生物是一种极小的在显微镜下不可见的细菌。1892年 俄国DIIwanowski 发现花叶病的叶汁经过细菌滤器的过滤也仍具有传染的性质，认为是可过滤性的细菌或其分泌的毒素导致了烟草花叶病；1898年 荷兰Beijerinck 重复了伊万诺夫的实验，证实过滤液中的染病源
14、可以复制，但不像细菌一样可以在有营养物的试管或培养皿中培育，而只在它感染的宿主中存活，因而他认为这种侵染性物质要比通常的细菌小，并命名为Virus。贝叶林克因此被公认为第一个提出病毒概念的科学家，并由此开创了病毒学独立发展的历程。在病毒学的发展历程中，首先是病毒病害的病原研究阶段： 这一阶段为1898至上个世纪30年代初，这一时期人们通过过滤性试验，相继发现了近百种病毒病害，其中最具代表性的事件有：1898年德国细菌学家勒夫勒和弗施（Loeffler和Frosch）证实了口蹄疫病毒(Foot-and-mouth disease virus)的存在1911年, 美国内科医生 劳斯(Rous)发现
15、了引起鸡的恶性肿瘤的劳斯肉瘤病毒（Rous sarcoma virus， RSV）。1915-1917年, 托特和德爱莱尔（Twort和dHerelle）分别发现了噬菌体。同时这一时期还发现一些有趣的病毒生物学现象：病毒的变异：一种病毒通过变异，产生致病力强弱不等毒株。干扰现象：同一种病毒的不同毒株彼此间有拮抗。病毒与免疫：有人发现把病植株的汁液注入到动物体内后，动物的血清和病汁液起特异的反应总之，这一时期病毒学研究主要集中在：分离和鉴定引起各种病毒性疾病的病毒；病毒对机体所引起的特异性病理效应；病毒的传播方式和感染宿主范围；各种理化因子对病毒感染的影响等。在这一阶段，人们对病毒本质的认识还很
16、肤浅，认为病毒是一种与细菌类似的病原体，所不同的仅在于病毒必须在生活的细胞内才能繁殖，再就是体积十分微小，以致在显微镜下不能见到，能够通过细菌滤器。这也正是在那一时期把病毒称之为“超显微的滤过性病毒”的原因。在经历了初期的病毒病原研究后，就进入到了病毒的化学和结构研究阶段在这一时期分离鉴定了近百种病毒，在机体水平上研究了病毒的繁殖、发病机理和免疫反应等，认为病毒学只是微生物学的一个分支，对病毒化学本质的了解也较为肤浅，尚未形成独立学科。代表性事件有：在植物病毒方面1935年，美国生化学家斯坦利（Stanley）采用酶法获得了在显微镜下显示为针状结晶的病毒，并且这种结晶物可使烟草产生同样类型的花
17、叶病。由于未注意到病毒的含磷组分，因此他当时认为“烟草花叶病毒是一种具有自我催化能力的蛋白质，它的增殖需要活体细胞的存在”。1936年Bawden和Pirie等在纯化的TMV中发现了含磷和糖类的组分，它们以核糖核酸的形式存在，通过热变化，这种核酸可以从病毒粒子中释放出来。TMV的结晶及其化学本质的发现对医学和生物科学有着巨大贡献，它不仅引导人们从分子水平去认识生命的本质，而且为分子病毒学和分子生物学的诞生奠定了基础。为此，Stanley在1946年获诺贝尔奖，并成为病毒学领域的第一个获此殊荣的科学家。在动物病毒方面1955年，Scaffer和Schwerdt成功地结晶了脊髓灰质炎病毒，这是第一
18、个被结晶出来的动物病毒。在这一时期另一个值得关注的是电子显微镜的应用1931年，M克诺尔与E鲁斯卡制造出第一台透射电子显微镜，从而使观察病毒成为可能，并促进了病毒学的建立。两个因此获得1986年诺贝尔物理奖。1939年，G.A.Kansche在电镜下直接观察到了TMV，是一种直径为1.5 nm，长为300 nm的长杆状的颗粒；观察到番茄黄化花叶病毒（Tomato yellow mosaic virus, TYMV）颗粒为球形，直径为25 nm。1942年， 噬菌体电镜照片出来，最大直径仅为100 nm。其他的贡献还有采用敏感动物（如小白鼠）或动物胚胎（如鸡胚）来研究病毒在经过病毒的生化与结构深
19、入之后，病毒学发展从上世纪40年代至60年代进入到一个新的时期：即细胞水平时期这一时期的成就一是利用大肠杆菌研究噬菌体的感染过程取得了迅速发展。尤其是 M.Delbruck和A.D.Hershey等领导的“噬菌体小组” 1940年M.Delbruck阐明了噬菌体的复制周期 1950年A.Lwoff揭示了溶原性噬菌体诱导的原理 1952年A.D.Hershey证明了噬菌体DNA的感染性 1952年N.D.Zinder发现了噬菌体的转导现象 1952年E.Wollman发现了溶原性噬菌体其次是组织培养技术开始应用于动物病毒的研究，其主要事件有 1943年，黄祯祥利用鸡胚组织块在试管内进行病毒传代、
20、定量滴定及中和试验。 1958年，高尚荫在国际病毒学研讨会上宣读有关昆虫病毒的培养脓细胞的组织培养方法研究 1949年，J.J.Enders利用单层细胞培养繁殖脊髓灰质炎病毒取得成功，1954年获得诺贝尔奖这一时期的特点是逐步形成为一门独立的学科，对病毒的化学本质有了更清晰的认识分子病毒学的研究时期 随着1953年，Watson和Crick建立了DNA双螺旋结构理论，病毒学研究也相应地进入到分子病毒学的研究时期，这一时期的主要事件有：1962年，D.L.D.Casfar阐明了许多病毒的二十面体结构1962年，D.Nathans成功地进行了噬菌体RNA的体外翻译1965年，S.Spiegelma
21、n成功地在体外复制出Q噬菌体RNA1967年，M.Goulian成功地体外复制X174噬菌体1967年，T.O.Diener发现了马铃薯纺锤形块茎病类病毒（Viroids）1968年，P.H.Duesberg发现流感病毒的多节段RNA基因组1970年，P.H.Duelerg发现Rous肉瘤病毒含有癌基因v-src1970年，H.M.Temin和D.Baltimor分别发现了病毒的逆转录酶1993年，Roberts和Sharp从腺病毒基因组中发现了断裂基因1997年，美国加利福尼亚大学的神经病学和病毒学教授S.Prusiner由于发现了羊瘙痒病的致病因子是朊病毒（prion），以及提出了疯牛病、
22、Creutz-feldt-Jakob氏病、Kuru病等脑退化性疾病都是由朊病毒引起的理论，而获得了诺贝尔医学奖。病毒学经过上述四个时期的发展，逐渐形成和成熟起来，随着病毒基因组复制、基因表达调控原理、病毒与宿主细胞的相互作用规律，病毒感染和致病的分子机制的揭示，以及分子病毒学在技术上的革新和进步，它将为人类克服和战胜病毒病做出贡献。通过以上学习，使我们能够对病毒学研究的对象及任务进行归纳：病毒学：研究病毒的本质、病毒与宿主相互作用规律的科学病毒学的研究对象病毒的概念：从滤过性 可结晶蛋白体 核蛋白体 类病毒 假病毒、缺陷病毒 朊病毒 （DNA与RNA混杂配对的）反转子等，可见病毒的概念一直在不
23、断发展，至今尚无准确定义。病毒（virus)：是指那些在化学组成和增殖方式上独具特点的，只能在宿主细胞内进行复制的微生物或遗传单位。特点：超显微的、没有细胞结构的、专性活细胞内寄生那么，病毒有那些特性呢：1病毒性质的两重性 1.生命形式的两重性 存在形式：化学分子与细胞内寄生 结晶体与非结晶体 颗粒体形式与基因形式2.结构和功能的两重性标准病毒与缺陷病毒缺陷病毒：装配不完全的病毒（缺损病毒，defective virus,Di颗粒）标准病毒：产生缺陷病毒的原亲代病毒假病毒与真病毒假型病毒：一种病毒的核酸被另一病毒外壳包裹假病毒：细胞DNA被病毒外壳包裹真病毒：一种病毒的外壳包裹自己的核酸杂种病
24、毒与纯种病毒杂种病毒：在混合感染中，病毒外壳包裹两种病毒的核酸3.病理学两重性致病性与非致病性急性感染与慢性感染过客病毒：某一病毒对宿主无致病性，则该病毒称为此宿主的过客病毒 病原病毒：某一病毒对宿主有致病性，则该病毒称为此宿主的病原病毒 （三）病毒的类群 1. 原核病毒 细菌病毒：如大肠杆菌T4噬菌体 其他原核病毒：放线菌、藻类 2.真核病毒 植物病毒：TMV 脊椎动物病毒：人类病毒、禽、畜病毒 无脊椎动物病毒：昆虫病毒亚病毒：1 卫星病毒satellite virus需辅助病毒才能复制核酸（卫星病毒），或由辅助病毒提供外壳蛋白来包被核酸（卫星核酸）如丁肝病毒（HDV），需HBV作辅助病毒，
25、常与HBV联合感染。2 拟病毒 virusoid比卫星病毒核酸还要小，仅200400bp，最大不过1kb环状RNA。需辅助病毒才能复制，与辅助病毒同包一个外壳中。属植物病毒，目前归于环状卫星RNA。3 类病毒 viroid240375bp单链、环状RNA；独立侵染、自立复制、无外壳，多二级结构，不编码任何蛋白，为植物病毒4 朊病毒 prion很小的具侵染性的蛋白颗粒二、病毒学研究的任务1.防治和控制疾病 如去年的非洲猪瘟、当前的新冠疫情2.基础理论研究：生命起源与进化、认识生命本质3.利用病毒造福人类：生物防治（如利用噬菌体控制细菌、利用病毒控制蚊虫等）、病毒基因工程（肿瘤治疗载体、 疫苗载体
26、、 昆虫病毒表达干扰素等蛋白）病毒学研究分支：普通病毒学医学病毒学兽医病毒学昆虫病毒学植物病毒学细菌病毒学肿瘤病毒学分子病毒学环境病毒学1.4 病毒学发展趋势一、病毒功能基因组学和蛋白质组学研究1.从核酸及蛋白质水平认识病毒，了解它们的致病机理与诊断防治2.系统生物学理论的建立 通过多组学、如宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组学、代谢组学等，研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系的研究 3. 新的诊断/预防/药物的发展与利用 二、新发或再发病毒的特性与诊断、防治：当今病毒引起的疾病占所有传染病的四分之三：狂犬病、病毒性肝炎、艾滋病、SARS、MERS、流感、Nipah病毒、Ebola病毒、非洲猪瘟、COVID-19近年新出现或再现病毒的特点1. 多数为人畜共患病的病原，可能由动物传给人2. 可能由昆虫或节肢动物为中间媒介3. 随交通旅行或工作生活习性改变、环境气候变化而传播4. 所致疾病的诊断需作病原学确证三、病毒分子病理学研究1. 生命起源、变异、毒力改变、进化2. 病毒与宿主的相互作用3. 肿瘤病毒学思考题1. 病毒是如何发现的，如何定义病毒的概念?2.病毒学研究内容是什么，学习病毒学有何意义?11
