第一节 概述

一、病毒与病毒学的概念

病毒——virus一词的原义是“有毒”。在发现病原体以前，病毒是用来表示一切引起传染病的物质。1898年，贝杰林克（Beijerinck）证明患烟草花叶病的叶汁中存在着一种可以通过细菌过滤器的新病原体，比细菌还小，贝杰林克称为“有传染性的、活的流质”，也称滤过性病毒。以后的研究又把支原体、立克次体和衣原体与病毒区别开来。目前，病毒一词的含义是指那些在化学组成和增殖方式方面独具特点的，在细胞外具有感染性颗粒形式和细胞内基因形式的，具有独立于其宿主的进化史的，能自我复制和专性活细胞内寄生的非细胞生物，它的DNA或RNA基因组被其所编码的蛋白质壳体化。包括病毒和亚病毒（类病毒、卫星RNA和朊病毒）。病毒区别于其他生物的特点主要有：（1）不具有细胞结构，具有一般化学大分子的特征，如一些简单的病毒仅由核酸和蛋白质外壳（coat）构成，故可把它们视为核蛋白分子；（2）病毒体只有一种类型的核酸，DNA或RNA；（3）特殊的繁殖方式——复制（replication），感染敏感宿主细胞后，病毒核酸进入细胞，通过其复制与表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质，然后由这些新合成的病毒组分装配（assembly）成子代毒粒，并以一定方式释放到细胞外；（4）缺乏完整的酶系统和能量合成系统，也不具有核糖体；（5）绝对的细胞内寄生；（6）不能在无生命的培养基中增殖，必须依赖宿主的代谢系统复制自身的核酸，合成蛋白质并装配成完整的病毒颗粒，或称病毒体。

病毒学（Virology）是以病毒这一特殊的生命形式为研究对象的自然科学。病毒学的研究目的在于阐明病毒的性质及其与宿主的相互关系。其内容涉及病毒的形态结构、理化性质、起源进化、分类命名、繁殖遗传、病毒与病毒之间和病毒与宿主之间的相互关系；还包括病毒在医疗卫生、农林畜牧业、环境保护和工业等领域的应用等。病毒学研究的主要意义在于推进现代生物学的发展，使人们对生命物质的一些基本问题得到进一步的了解，从而对生命起源有所启示。在应用方面主要是：（1）控制和消灭病毒病害，保护人类的健康和人类赖以生存的环境，使人类的经济活动免遭损失；（2）利用病毒为人类造福，如利用病毒防治有害生物，利用病毒作为外源基因的表达载体和工程病毒的构建，制备亚单位疫苗等。

随着科学的不断发展，技术手段的日趋完善，病毒学的研究也愈来愈深入。在此基础上派生出了许多相互独立又相互关联的病毒学专业学科，如医学病毒学、动物病毒学、植物病毒学、昆虫病毒学、肿瘤病毒学、细菌病毒学和病毒生态学。20世纪50年代以后，随着分子生物学技术的迅速兴起和飞跃发展，新技术的出现和新发明的仪器装置，为研究病毒与宿主的相互关系提供了条件。病毒是分子生物学研究的理想材料，同时，病毒学中的诸多重大课题亦需要分子生物学的理论与技术方法去研究。在此阶段，人们运用分子生物学的理论与技术方法致力于研究病毒基因组的结构、功能和表达调控机制；病毒蛋白质的结构、功能以及合成方式，各类病毒的感染、繁殖和致病机理；更深入地了解病毒与宿主的相互关系，特别是病毒与肿瘤发生的关系。不断地探索病毒性疾病诊断、预防和治疗的新技术和方法，认识那些尚未证实病因的可疑病毒性疾病的病原本质。

二、病毒的起源和进化

病毒作为一种独特的非细胞结构的生命形式，地球上所有的物种包括人类在内，都有相应的共生病毒。然而病毒究竟从何而来？其出现遵循何种自然规律？在生命的进化树中占有何等地位？病毒感染受到干扰后将何去何从？对这些问题的思考均涉及病毒的起源，而要了解病毒的起源则必须去追索生命的起源。病毒的发生、进化乃至生命的起源，是生物学研究的一个重要命题。由于病毒只有在电子显微镜下才能看到，同时在长期演化过程中亦没有“化石”可供参考，所以关于病毒起源和进化的研究进行得比较困难。关于病毒的起源目前有三种假说。退化假说认为病毒是细胞的退行性生命物质，即细胞在生存过程中因种种内外因素可能会丢失部分基因，或分裂成含有部分基因的碎片。这部分基因丧失了独立的自我繁殖能力，只能在重新进入细胞中找到相应的位置才能具有活力，沦落为寄生状态，久而久之便退化为病毒。这个假说最不利的情况是细胞与病毒结构与大小的差异太大，缺乏中间过渡的寄生小型微生物的实证依据。进化假说认为病毒是地球上生物进化过程中最为原始的生命物质，由生命产生之前的RNA世界中能自我复制的分子进化而来，并与细胞生物体共同进化。细胞起源假说认为病毒是由细胞某些组分因某种因素脱离了细胞的调控系统而自成体系进而演变成的一组能在细胞内复制的生物。病毒的基因组可能就是细胞染色体的一部分。

病毒以最小的基因组合，呈现最大的多样性。基因突变和自然选择是病毒进化的基础，更是病毒多样性的基础。高频率的基因突变是病毒进化的基本条件。多数RNA病毒在复制过程中的错配率比宿主细胞高出10000倍。一个10kb的RNA病毒完成1次基因组复制就可能产生1个突变。由于DNA病毒聚合酶在复制过程中存在校正功能，DNA病毒基因组的突变率明显低于RNA病毒。病毒间通过基因组片段的重组和重配交换遗传信息是病毒在自然选择过程中生存所必需的。有时一个宿主细胞存在两种或更多种病毒同时感染的情况，这就为病毒遗传信息的交换提供了机会。当然，宿主细胞和病毒基因组之间也存在遗传信息交换的可能。

病毒通过快速变异和产生大量的子代病毒，提供了丰富多样性的病毒供其自然选择。病毒进化比一般生物快得多，这不仅是因为病毒基因突变的频率比其他生物高，更是因为病毒的快速大量繁殖也加速了病毒的变异。关于新病毒的产生大多都是从另一种宿主的病毒演化而来。新产生的病毒在新的宿主中以较快的速度分化变异，多样性也不断增加。鉴于自然选择，新病毒对新宿主的毒力大多处于中等水平。病毒的进化既具有一定的随机性，也具有一定的方向性和稳定性。

三、病毒学的发展趋势

1.新发病毒的研究

新出现的病毒就是最近才引起人们注意的病毒。病毒总是一直在不断地出现，新发病毒研究所关注的是那些目前才出现的病毒。在过去30多年里不断出现30多种病毒，如艾滋病毒、甲型流感H1N1、甲型流感H5N1、甲型流感H7N9、SARS病毒等。由于新发病毒与人类的关系密切，其出现可能在人类中造成巨大危害和恐慌。新发病毒是从哪里来的？任何新发病毒都必须进行增殖、传播和侵入宿主，所以无论哪一种新发病毒都不可能在瞬间就能进化形成，它可能是早就存在的，只是由于生存环境的改变才显现出来，或者可能是那些早已存在多年的病毒经过近期的变异而来。一些新出现的病毒可能因为快速发展的科技检测手段能检测到它们的存在。

2.病毒功能基因组学和功能蛋白质组学研究

全世界大约12%的人类癌症可能是由病毒导致的。从动态的、整体的角度对重大的病毒性疾病（如艾滋病、乙型肝炎等）和癌症相关基因的分离、定位、克隆、结构与功能以及蛋白质的修饰加工、转运定位、作用模式、空间构象变化等相互关系的规律探讨，对病患的致病机理，肿瘤的发生、致癌，将会有重大突破，是21世纪病毒学研究发展的方向之一。美国国家卫生研究院（NIH）在2016年11月3日发布了第14版关于致癌物的报告，将HIV、Epstein-Barr virus（EBV）、卡波济肉瘤相关疱疹病毒（Kaposi sarcoma-associated herpesvirus，KSHV）、梅克尔多元癌细胞病毒（Merkel cell polyomavirus，MCPyV）和人嗜T淋巴细胞病毒Ⅰ型（human T-cell lymphotropic virus typeⅠ，HTLV-I）列入其中。归纳而言，这5种病毒已与20多种类型的癌症相关联，而且当前也没有针对这5种病毒的疫苗，因此降低这些能够导致癌症的感染的预防策略至关重要。

3.病毒感染的分子生物学研究

它是以病毒与宿主的相互作用为研究对象，结合细胞水平和机体水平在分子水平上进行研究，以求进一步阐明发病、致癌、免疫等的机制，探讨病毒感染中的可能机制和所形成的细胞病理生理学、分子免疫学机理。开展这方面的研究对病毒学、病毒性疾病机理的深入了解具有很好的理论意义，也可为病毒性传染性病的治疗和有关疫苗的研制提供帮助。