感染型病毒

病毒進入細胞的幾種感染形式

病毒通過以下不同的方式進入宿主細胞：注射式侵入、細胞內吞、膜融合以及其

他特殊的侵入方式。

注射式侵入：一般為有尾噬菌體的侵入方式。通過尾部收縮將衣殼內的DNA

基因組注入宿主細胞內。

細胞內吞：動物病毒的常見侵入方式。經細胞膜內陷形成吞噬泡，使病毒粒

子進入細胞質中。

膜融合：有包膜病毒侵入過程中病毒包膜與細胞膜融合。

直接侵入：大致可分為三種類型

⑴部分病毒粒子直接侵入宿主細胞，其機理不明。

⑵病毒與細胞膜表面受體結合后，由細胞表面的酶類幫助病毒粒體釋放核

酸進入細胞質中，病毒衣殼仍然留在細胞膜外，將病毒侵入和脫殼融為一體。

⑶其他特殊方式。植物病毒通過存在于植物細胞壁上的小傷口或天然的外壁孔

侵入，或植物細胞之間的胞間連絲侵入細胞，也可通過介體的口器、吸器等侵入

細胞。

病毒的侵入

噬菌體

1952年證明DNA是遺傳物質的一個有利的證據就是赫爾希（Hershey）等用

同位素磷-32標記T噬菌體的核酸，用硫-35標記它的蛋白質，用這種被標記的

病毒來感染不帶任何同位素的大腸桿菌。結果證明含硫-35的蛋白完全留在細菌

的外面，磷-32標記的核酸被注入細菌體內了。當T4尾部像肌肉那樣收縮時，

外殼里面的DNA就被擠進細胞體內。它的DNA分子相當長，約50，000納米，

粗2.4納米，而尾鞘中心的管子直徑不過2.5-3.0納米。這樣長的DNA要通過這

樣細的管子完全完全細菌體內看起來也不是件容易的事，但是T4卻能在1分鐘

內就完成任務。早期人們相信進入體內的只是DNA，不含任何蛋白質，但最近工

作證明，有些殼內最里層的蛋白質也隨著DNA一起進入細菌，這少量蛋白可能在

以后的復制過程中起重要作用。

動物病毒進入寄主細胞就采取另外更簡便的方法了。當某種外來顆粒與動物

細胞接觸時，細胞的一種自然反應是把顆粒包進去，發生吞噬現象。某些動物病

毒恰恰利用了這種細胞的本能進入細胞。

植物細胞與動物細胞的顯然不同點之一在于植物細胞有一個由纖維素組成

的外壁，可以阻止很多東西進入細胞。假若細胞有了輕微的傷口，則病毒可以從

傷口進入。植物的細胞壁也并非無縫可入，在堅硬的纖維素結構中分散有微小的

管狀突起，叫做外壁連絲，直接與外界溝通。有人認為植物病毒是經外壁連絲入

侵的。在自然界，植物病毒的更重要的入侵方式是媒介昆蟲在植物上取食時，把

病毒直接注入植物體內。把植物細胞的外壁用果膠酶，纖維素酶處理后只剩細胞

質膜，叫做原生質球。如用TMV來侵染煙的原生質球，發現細胞也是利用吞噬把

病毒包進細胞內的。

有外膜的病毒進入寄主細胞內的方式就更為復雜了。人們發現有些病毒如麻

疹病毒，在侵染寄主細胞體外培養時，病毒能使細胞發生融合，形成所謂的多核

的合胞體。又如當人的和老鼠的組織培養細胞在有仙臺病毒存在時也會發生細胞

融合現象，形成既含有人細胞核，也含有老鼠細胞核的多核細胞。原來這些病毒

的外膜能夠與寄主細胞的細胞質膜融合，從而引起細胞的融合。在細胞融合的同

時也就把病毒顆粒中的核蛋白芯即核衣殼釋放到寄主細胞內。

綜觀病毒進入寄主細胞的方式不難看出，只將核酸注入細胞內的方式不過是

某些噬菌體所特有的方式。對動物或植物病毒說來更普遍的方式是整個病毒粒子

被細胞吞噬。顯然整個粒子被吞噬是有好處的，因為病毒的遺傳物質核酸，在細

胞內找到合適的復制場所前，可以被外殼蛋白質保護而不被高等生物內多種多樣

的核酸酶所降解破壞

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細胞對病毒的內吞作用

細胞膜作為細胞的限制性膜，其作用在于攝入營養物質和排出代謝廢物，并維持

一個相對恒定的內環境。細胞膜是一種半透性膜，水、氣體和小的疏水性分子例

如乙醇能自由穿過脂質雙層，但大多數代謝物，包括葡萄糖、ATP、核苷酸、

氨基酸和蛋白質，以及某些離子（例如Ca2+、H+、K+、Na+）都不能穿

過細胞膜。這些物質通過特定的轉運方式進入細胞。離子、糖類和氨基酸一般通

過整合膜蛋白的轉運進入細胞，而蛋白質和大顆粒（例如一些病毒和細菌）則通

過胞吞作用進入細胞。

細胞外液中的某些分子（配體）可以通過受體介導的胞吞作用被選擇性攝入細胞。

在受體介導的胞吞過程中，配體首先與集中于有被小窩中的受體結合；或先與分

散在細胞膜表面上的受體結合，再以受體—配體復合體形式迅速向有被小窩內集

中。有被小窩內表面含有包涵素，其總面積可達細胞表面積的2%以上。隨著受

體—配體復合體的積累，有被小窩逐漸內陷，最后脫離胞膜，形成有被小泡；隨

后有被小泡脫去包涵素。包涵素回到細胞膜，進行重復利用；而脫去包涵素的囊

泡與早期內吞泡（endosome）融合。早期內吞泡膜中的質子泵將質子轉運到內

吞泡的內部，因而早期內吞泡呈酸性。在內吞泡的酸性條件下，配體與其受體解

離，受體通過內吞泡以出芽的方式形成的轉運囊泡向細胞膜擴散，與細胞膜融合

后進行重新利用，此即受體循環。早期內吞泡的內容物隨即被轉運到核附近，形

成晚期內吞泡。晚期內吞泡與溶酶體融合，其中的配體被酶降解或被釋放而在細

胞內發揮作用。有時整個配體—受體復合體都到達溶酶體而被降解。對于通過受

體介導的胞吞作用這種方式侵入宿主細胞的病毒而言，盡管具體細節有所不同，

但大致與一般的受體介導的胞吞過程類似。不同病毒侵入細胞的具體機制將在下

文予以討論。

為了維持細胞的完整性以及細胞內的不同功能分區，其它膜性結構與細胞膜的融

合必須受到嚴密的調控，這一般由某些特定的蛋白通過特異性的機制介導。首先，

進行融合的膜性結構與細胞膜必須非常接近。這個過程由兩者的整合蛋白的相互

作用介導，其中膜性結構上的整合蛋白稱為靶蛋白，而細胞膜上的整合蛋白則稱

為錨定蛋白。隨后，膜性結構需要與細胞膜變得更近，兩者之間的距離應當在1.5

nm之內。為了達到這么短的距離，必須先除去膜表面的水分子，這是一個耗能

過程。在哺乳動物細胞中，由一種包含多個亞單位組成的復合體為該耗能過程提

供能量，這種復合體被稱為融合蛋白機器，其單個亞單位缺乏融合活性。靶蛋白

和錨定蛋白形成復合體后，募集其它一些能導致膜融合的蛋白，從而完成膜性結

構與細胞膜的融合。在哺乳動物細胞中，這些蛋白被稱為N-ethylmaleimide敏

感性融合蛋白（N-ethylmaleimidensitivefusionprotein，NSF）和可

溶性NSF附著蛋白（Snaps）。因而，靶蛋白和錨定蛋白又被稱為Snap受體

或Snares。融合完成后，復合體發生解離，直到下一次需要時又重新進行裝配。

細胞就是通過融合蛋白機器的裝配和解離而對細胞膜的融合進行所調節。

有包膜病毒的包膜與細胞膜的融合是病毒核酸進入宿主細胞的第一步，這種融合

過程可以發生在細胞膜，也可以發生在內吞泡膜。在膜的融合過程中，融合蛋白

的作用是形成一個稱為融合孔的開口。在病毒感染的細胞中能產生大量病毒，病

毒融合蛋白不需被回收，而細胞融合蛋白的量則少得多，必須被回收利用。大多

數情況下，單個病毒融合蛋白就足以介導膜融合反應，這比細胞的融合蛋白介導

的融合反應要簡單一些。病毒上的配體與細胞受體結合后，病毒包膜和細胞膜達

到密切接觸。隨后，病毒融合蛋白催化并在一起的病毒包膜和細胞膜進行融合。

病毒介導的膜融合必須受到密切調節，防止病毒顆粒聚集并確保膜融合發生在正

確的細胞功能區。例如，有的病毒融合蛋白只有在與另一些整合膜蛋白相互作用

后，才能具備融合能力；有的病毒融合蛋白需要在酸性環境下才能發生構象改變，

從而暴露出融合區。另外，對某些病毒融合蛋白而言，則是通過調節對其前體的

剪切來調控其活性。在這種情況下，病毒在到達合適的細胞部位之前，其融合能

力將受到抑制；這是由于如果融合蛋白在此之前就被完全剪切的話，那么轉運通

路中存在的弱酸性條件將可能誘導產生異常的融合反應。有時，還可以通過剪切

產生亞穩態的病毒糖蛋白，在條件合適時即能進行融合活性所需的構象改變。

酸催化病毒與細胞膜的融合

些有包膜的病毒通過受體介導的內吞作用來完成病毒包膜與細胞膜的融合，其中

研究得最透徹的例子就是流感病毒。病毒首先通過HA糖蛋白與含唾液酸的受體

結合，隨后病毒—受體復合體通過包涵素（clathrin）依賴的受體介導的胞吞

通路而內化。在晚期內吞泡（pH值約為0.5）中，HA在酸性條件的催化下

發生構象重排并暴露出融合肽，隨后病毒和內吞泡膜融合，并將病毒核蛋白

(vRNP）釋放入胞質。

流感病毒顆粒表面的HA是一個由三個亞單位組成的同三聚體，每個亞單位都包

括兩個由雙硫鍵連接在一起的多肽HA1和HA2。這兩種多肽是在HA的前體

HA0被轉運到細胞膜上時，通過蛋白水解作用產生的。HA三聚體可分為桿狀的

基底部和球狀的頭部兩部分，基底部由3個HA2肽鏈螺旋纏繞而成；頭部較膨

大，主要由HA1肽鏈組成。流感病毒的受體結合部位呈淺口袋狀，位于HA三

聚體的頭部。融合肽位于HA2的氨基末端，埋藏在三聚體桿狀結構的交界處，

其序列為N-Gly-Leu-Phe-Gly-Ala-Ile-Ala-Gly-Phe-Ile-Glu-Gly-Gly-。

對流感病毒天然狀態的HA的和酸性條件下的HA的晶體結構的比較研究表明，

低pH值能誘導HA發生明顯的構象改變。在天然HA中，HA2的第76～126

位氨基酸形成一個較大的a-螺旋，第56～75位氨基酸形成半環狀結構，

而第33-55位氨基酸則形成另外一個較小的a-螺旋。當pH值降至5.0～

6.0時，HA2的空間構型發生改變，第40～105位氨基酸形成一個大的a-

螺旋，并向前推進約100?。這就使得原來藏在HA蛋白三維結構內部的融合

肽暴露，并靠近細胞膜。移位后的融合肽可插入細胞膜內，進而介導病毒包膜與

內吞泡的融合。

HA0水解為HA1和HA2兩條多肽鏈是低pH值誘導HA蛋白構象發生改變，從

而暴露出融合肽進行融合的先決條件。HA0雖然能識別宿主細胞表面的受體，

但不能與宿主細胞膜發生融合，故而不具有感染性。將流感病毒的HA與HIV-1

和Moloney鼠白血病病毒等逆轉錄病毒的Env蛋白進行比較時可以發現，盡管

這些病毒與細胞膜的融合機制存在著差異，但它們的結構卻具有明顯的相似性。

在這幾種病毒中，融合肽都位于三個肽鏈纏繞而成的螺旋的末端。根據這些病毒

的研究結果，可以大致得出病毒包膜中具有融合功能的蛋白的一些普遍特征：

（1）含有一個大的a-螺旋，（2）含有七個疏水性的氨基酸重復序列，

（3）具有經過特征性纏繞而成的肽鏈螺旋，且該螺旋與氨基端的融合肽相鄰

接。

無包膜病毒侵入宿主細胞的過程

（一）通過破壞內吞泡膜

腺病毒感染宿主細胞時，首先通過纖維蛋白羧基端的結構域與其受體結合，繼而，

五鄰體蛋白基座區中的RGD基團與另一種受體—整合素avb3和avb5相

互作用。對大多數腺病毒血清型而言，這種作用是隨后病毒通過受體介導的內吞

作用完成內化所需的。病毒借助整合素進行細胞內吞的過程需要激活磷脂酰肌醇

-3-OH激酶(phosphatidylinositol-3-OHkina,PI3K)，PI3K再通過激活

Ras和Rho信號轉導系統，使細胞骨架發生改變來完成病毒的內化。在腺病毒

通過內吞泡的形式從細胞表面向核膜轉運的過程中，它經過一系列步驟來完成去

包被。在這個過程中，結構蛋白（如纖維蛋白、蛋白IIIa和VIII等）從衣殼

中依次解離出來。蛋白VI在酸性的內吞泡中被降解，這可能是由病毒蛋白酶

L3/p23完成的。該蛋白酶位于病毒顆粒的核心，在胞外的氧化性環境中沒有活

性。在進入內吞泡的還原性環境后，該蛋白酶被激活。而且，五鄰體基座區與整

合素受體的相互作用能導致五鄰體蛋白構象的改變，暴露出蛋白VI上的

L3/p23水解位點。在內吞泡酸化后，酸性環境促使五鄰體蛋白基座區及蛋白IX

也釋放出來。五鄰體蛋白基座區能介導內吞泡膜的溶解，并將殘余的病毒釋放入

胞質。除了病毒DNA、核心蛋白和少量的六鄰體蛋白外，已失去大部分成分的

衣殼被錨定在核孔復合體上。隨后核蛋白被釋放入核，病毒開始轉錄（圖3-4）。

腺病毒進入細胞的整個過程，即從開始胞吞到DNA釋放入核，在370C時約需

30分鐘。在此期間，病毒進行了一系列必須的改變。在這些改變中，一些由內

吞泡的酸性環境誘導，一些由病毒蛋白酶的作用引起，而另外一些改變例如纖維

蛋白的釋放則可能是由于衣殼與受體的相互作用所致。腺病毒通過利用五鄰體蛋

白基座區這種酸激活的膜水解蛋白破壞內吞泡膜的方式來通過細胞膜。

(二)通過在細胞膜上形成孔

小RNA病毒利用與腺病毒不同的機制來通過細胞膜。脊髓灰質炎病毒與其免疫

球蛋白樣受體PVR的相互作用使該病毒顆粒失去位于病毒內部的衣殼蛋白

VP4，并使衣殼蛋白VP1中通常位于病毒內部的的氨基末端外在化。改變后的

脊髓灰質炎病毒顆粒具有疏水性，而且與細胞膜的親和力增加。VP1的親脂性

氨基末端暴露后插入細胞膜，形成一個孔，將病毒RNA釋放到胞質中。

目前尚不清楚脊髓灰質炎病毒RNA的釋放發生在細胞膜還是在內吞泡中。

BafilomycinA1可以抑制質子轉運到囊泡中，因而能阻斷內吞泡的酸化。然而，

這種藥物對于脊髓灰質炎病毒的感染沒有影響。相反，這種藥物能完全抑制穿透

酸化的內吞泡膜而釋放到胞質中的病毒對細胞的感染，例如流感病毒、西門利克

森林病毒和水皰性口炎病毒等。另外，脊髓灰質炎病毒與其抗體形成的復合體能

與表達Fc受體的細胞結合，但不能感染這些細胞。Fc受體能被胞吞，因此脊

髓灰質炎病毒與PVR的相互作用是誘導導致病毒去包被的構象改變所需的。

(三)通過溶酶體的作用

大多數通過受體介導的胞吞作用進入細胞的病毒在囊泡到達溶酶體之前就已經

釋放到胞質中了。這種現象并不奇怪，因為溶酶體中含有可降解病毒顆粒的蛋白

酶和核酸酶。然而，呼腸病毒科家族成員卻能夠到達溶酶體并利用這些蛋白酶和

核酸酶來脫去其衣殼。

呼腸病毒是一種二十面對稱的雙鏈RNA病毒，其基因組分為10個節段。病毒

衣殼是一種雙層結構，由8種不同結構蛋白組成。呼腸病毒通過蛋白s1與受

體結合，并通過胞吞作用被內化入宿主細胞。呼腸病毒對BafilomycinA1敏感，

表明這些病毒需要內吞泡的酸化來進入細胞。酸性環境能激活溶酶體中的某些蛋

白酶，作用于病毒蛋白。例如，病毒蛋白被糜蛋白酶消化，丟失外殼蛋白s3，

且mIC在內蛋白的作用下裂解，形成具有感染性的亞病毒顆粒。這些亞病毒顆

粒能穿透溶酶體膜并進入胞質，隨后釋放出病毒核心，啟動病毒mRNA的合成。

亞病毒顆粒的感染性對BafilomycinA1不敏感，說明亞病毒顆粒進入胞質的過

程并不依賴于pH值的下降。

(四)通過caveolae

大多數猴病毒40(simianvirus40,SV40）顆粒在與其受體結合后，成為無包

被的小囊泡，其中約1/3進入內質網。這類小囊泡可能就是caveolae。

caveolae是由細胞膜收縮形成，移至內質網并與其融合的膜性囊泡。caveolae

含有一種標志蛋白，稱為caveolin。根據這種假說，SV40可能通過一種從細

胞表面至內質網的新通路來侵入細胞。

如果SV40通過內質網進入細胞能產生有效的感染，那么病毒顆粒如何到達其復

制位點—細胞核呢？病毒顆粒位于內質網中，不可能與胞質輸入蛋白作用或到達

核孔復合體的胞質側。因此，SV40可能通過一種特異性機制穿過內質網膜進入

胞質，并通過核輸入機制來進入細胞核。也有人認為，病毒可能通過核內膜直接

進入核基質，但這種觀點還未能得到證實。