感染型病毒

病毒进入细胞的几种感染形式

病毒通过以下不同的方式进入宿主细胞：注射式侵入、细胞内吞、膜融合以及其

他特殊的侵入方式。

注射式侵入：一般为有尾噬菌体的侵入方式。通过尾部收缩将衣壳内的DNA

基因组注入宿主细胞内。

细胞内吞：动物病毒的常见侵入方式。经细胞膜内陷形成吞噬泡，使病毒粒

子进入细胞质中。

膜融合：有包膜病毒侵入过程中病毒包膜与细胞膜融合。

直接侵入：大致可分为三种类型

⑴部分病毒粒子直接侵入宿主细胞，其机理不明。

⑵病毒与细胞膜表面受体结合后，由细胞表面的酶类帮助病毒粒体释放核

酸进入细胞质中，病毒衣壳仍然留在细胞膜外，将病毒侵入和脱壳融为一体。

⑶其他特殊方式。植物病毒通过存在于植物细胞壁上的小伤口或天然的外壁孔

侵入，或植物细胞之间的胞间连丝侵入细胞，也可通过介体的口器、吸器等侵入

细胞。

病毒的侵入

噬菌体

1952年证明DNA是遗传物质的一个有利的证据就是赫尔希（Hershey）等用

同位素磷-32标记T噬菌体的核酸，用硫-35标记它的蛋白质，用这种被标记的

病毒来感染不带任何同位素的大肠杆菌。结果证明含硫-35的蛋白完全留在细菌

的外面，磷-32标记的核酸被注入细菌体内了。当T4尾部像肌肉那样收缩时，

外壳里面的DNA就被挤进细胞体内。它的DNA分子相当长，约50，000纳米，

粗2.4纳米，而尾鞘中心的管子直径不过2.5-3.0纳米。这样长的DNA要通过这

样细的管子完全完全细菌体内看起来也不是件容易的事，但是T4却能在1分钟

内就完成任务。早期人们相信进入体内的只是DNA，不含任何蛋白质，但最近工

作证明，有些壳内最里层的蛋白质也随着DNA一起进入细菌，这少量蛋白可能在

以后的复制过程中起重要作用。

动物病毒进入寄主细胞就采取另外更简便的方法了。当某种外来颗粒与动物

细胞接触时，细胞的一种自然反应是把颗粒包进去，发生吞噬现象。某些动物病

毒恰恰利用了这种细胞的本能进入细胞。

植物细胞与动物细胞的显然不同点之一在于植物细胞有一个由纤维素组成

的外壁，可以阻止很多东西进入细胞。假若细胞有了轻微的伤口，则病毒可以从

伤口进入。植物的细胞壁也并非无缝可入，在坚硬的纤维素结构中分散有微小的

管状突起，叫做外壁连丝，直接与外界沟通。有人认为植物病毒是经外壁连丝入

侵的。在自然界，植物病毒的更重要的入侵方式是媒介昆虫在植物上取食时，把

病毒直接注入植物体内。把植物细胞的外壁用果胶酶，纤维素酶处理后只剩细胞

质膜，叫做原生质球。如用TMV来侵染烟的原生质球，发现细胞也是利用吞噬把

病毒包进细胞内的。

有外膜的病毒进入寄主细胞内的方式就更为复杂了。人们发现有些病毒如麻

疹病毒，在侵染寄主细胞体外培养时，病毒能使细胞发生融合，形成所谓的多核

的合胞体。又如当人的和老鼠的组织培养细胞在有仙台病毒存在时也会发生细胞

融合现象，形成既含有人细胞核，也含有老鼠细胞核的多核细胞。原来这些病毒

的外膜能够与寄主细胞的细胞质膜融合，从而引起细胞的融合。在细胞融合的同

时也就把病毒颗粒中的核蛋白芯即核衣壳释放到寄主细胞内。

综观病毒进入寄主细胞的方式不难看出，只将核酸注入细胞内的方式不过是

某些噬菌体所特有的方式。对动物或植物病毒说来更普遍的方式是整个病毒粒子

被细胞吞噬。显然整个粒子被吞噬是有好处的，因为病毒的遗传物质核酸，在细

胞内找到合适的复制场所前，可以被外壳蛋白质保护而不被高等生物内多种多样

的核酸酶所降解破坏

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细胞对病毒的内吞作用

细胞膜作为细胞的限制性膜，其作用在于摄入营养物质和排出代谢废物，并维持

一个相对恒定的内环境。细胞膜是一种半透性膜，水、气体和小的疏水性分子例

如乙醇能自由穿过脂质双层，但大多数代谢物，包括葡萄糖、ATP、核苷酸、

氨基酸和蛋白质，以及某些离子（例如Ca2+、H+、K+、Na+）都不能穿

过细胞膜。这些物质通过特定的转运方式进入细胞。离子、糖类和氨基酸一般通

过整合膜蛋白的转运进入细胞，而蛋白质和大颗粒（例如一些病毒和细菌）则通

过胞吞作用进入细胞。

细胞外液中的某些分子（配体）可以通过受体介导的胞吞作用被选择性摄入细胞。

在受体介导的胞吞过程中，配体首先与集中于有被小窝中的受体结合；或先与分

散在细胞膜表面上的受体结合，再以受体—配体复合体形式迅速向有被小窝内集

中。有被小窝内表面含有包涵素，其总面积可达细胞表面积的2%以上。随着受

体—配体复合体的积累，有被小窝逐渐内陷，最后脱离胞膜，形成有被小泡；随

后有被小泡脱去包涵素。包涵素回到细胞膜，进行重复利用；而脱去包涵素的囊

泡与早期内吞泡（endosome）融合。早期内吞泡膜中的质子泵将质子转运到内

吞泡的内部，因而早期内吞泡呈酸性。在内吞泡的酸性条件下，配体与其受体解

离，受体通过内吞泡以出芽的方式形成的转运囊泡向细胞膜扩散，与细胞膜融合

后进行重新利用，此即受体循环。早期内吞泡的内容物随即被转运到核附近，形

成晚期内吞泡。晚期内吞泡与溶酶体融合，其中的配体被酶降解或被释放而在细

胞内发挥作用。有时整个配体—受体复合体都到达溶酶体而被降解。对于通过受

体介导的胞吞作用这种方式侵入宿主细胞的病毒而言，尽管具体细节有所不同，

但大致与一般的受体介导的胞吞过程类似。不同病毒侵入细胞的具体机制将在下

文予以讨论。

为了维持细胞的完整性以及细胞内的不同功能分区，其它膜性结构与细胞膜的融

合必须受到严密的调控，这一般由某些特定的蛋白通过特异性的机制介导。首先，

进行融合的膜性结构与细胞膜必须非常接近。这个过程由两者的整合蛋白的相互

作用介导，其中膜性结构上的整合蛋白称为靶蛋白，而细胞膜上的整合蛋白则称

为锚定蛋白。随后，膜性结构需要与细胞膜变得更近，两者之间的距离应当在1.5

nm之内。为了达到这么短的距离，必须先除去膜表面的水分子，这是一个耗能

过程。在哺乳动物细胞中，由一种包含多个亚单位组成的复合体为该耗能过程提

供能量，这种复合体被称为融合蛋白机器，其单个亚单位缺乏融合活性。靶蛋白

和锚定蛋白形成复合体后，募集其它一些能导致膜融合的蛋白，从而完成膜性结

构与细胞膜的融合。在哺乳动物细胞中，这些蛋白被称为N-ethylmaleimide敏

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

溶性NSF附着蛋白（Snaps）。因而，靶蛋白和锚定蛋白又被称为Snap受体

或Snares。融合完成后，复合体发生解离，直到下一次需要时又重新进行装配。

细胞就是通过融合蛋白机器的装配和解离而对细胞膜的融合进行所调节。

有包膜病毒的包膜与细胞膜的融合是病毒核酸进入宿主细胞的第一步，这种融合

过程可以发生在细胞膜，也可以发生在内吞泡膜。在膜的融合过程中，融合蛋白

的作用是形成一个称为融合孔的开口。在病毒感染的细胞中能产生大量病毒，病

毒融合蛋白不需被回收，而细胞融合蛋白的量则少得多，必须被回收利用。大多

数情况下，单个病毒融合蛋白就足以介导膜融合反应，这比细胞的融合蛋白介导

的融合反应要简单一些。病毒上的配体与细胞受体结合后，病毒包膜和细胞膜达

到密切接触。随后，病毒融合蛋白催化并在一起的病毒包膜和细胞膜进行融合。

病毒介导的膜融合必须受到密切调节，防止病毒颗粒聚集并确保膜融合发生在正

确的细胞功能区。例如，有的病毒融合蛋白只有在与另一些整合膜蛋白相互作用

后，才能具备融合能力；有的病毒融合蛋白需要在酸性环境下才能发生构象改变，

从而暴露出融合区。另外，对某些病毒融合蛋白而言，则是通过调节对其前体的

剪切来调控其活性。在这种情况下，病毒在到达合适的细胞部位之前，其融合能

力将受到抑制；这是由于如果融合蛋白在此之前就被完全剪切的话，那么转运通

路中存在的弱酸性条件将可能诱导产生异常的融合反应。有时，还可以通过剪切

产生亚稳态的病毒糖蛋白，在条件合适时即能进行融合活性所需的构象改变。

酸催化病毒与细胞膜的融合

些有包膜的病毒通过受体介导的内吞作用来完成病毒包膜与细胞膜的融合，其中

研究得最透彻的例子就是流感病毒。病毒首先通过HA糖蛋白与含唾液酸的受体

结合，随后病毒—受体复合体通过包涵素（clathrin）依赖的受体介导的胞吞

通路而内化。在晚期内吞泡（pH值约为0.5）中，HA在酸性条件的催化下

发生构象重排并暴露出融合肽，随后病毒和内吞泡膜融合，并将病毒核蛋白

(vRNP）释放入胞质。

流感病毒颗粒表面的HA是一个由三个亚单位组成的同三聚体，每个亚单位都包

括两个由双硫键连接在一起的多肽HA1和HA2。这两种多肽是在HA的前体

HA0被转运到细胞膜上时，通过蛋白水解作用产生的。HA三聚体可分为杆状的

基底部和球状的头部两部分，基底部由3个HA2肽链螺旋缠绕而成；头部较膨

大，主要由HA1肽链组成。流感病毒的受体结合部位呈浅口袋状，位于HA三

聚体的头部。融合肽位于HA2的氨基末端，埋藏在三聚体杆状结构的交界处，

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

对流感病毒天然状态的HA的和酸性条件下的HA的晶体结构的比较研究表明，

低pH值能诱导HA发生明显的构象改变。在天然HA中，HA2的第76～126

位氨基酸形成一个较大的a-螺旋，第56～75位氨基酸形成半环状结构，

而第33-55位氨基酸则形成另外一个较小的a-螺旋。当pH值降至5.0～

6.0时，HA2的空间构型发生改变，第40～105位氨基酸形成一个大的a-

螺旋，并向前推进约100Å。这就使得原来藏在HA蛋白三维结构内部的融合

肽暴露，并靠近细胞膜。移位后的融合肽可插入细胞膜内，进而介导病毒包膜与

内吞泡的融合。

HA0水解为HA1和HA2两条多肽链是低pH值诱导HA蛋白构象发生改变，从

而暴露出融合肽进行融合的先决条件。HA0虽然能识别宿主细胞表面的受体，

但不能与宿主细胞膜发生融合，故而不具有感染性。将流感病毒的HA与HIV-1

和Moloney鼠白血病病毒等逆转录病毒的Env蛋白进行比较时可以发现，尽管

这些病毒与细胞膜的融合机制存在着差异，但它们的结构却具有明显的相似性。

在这几种病毒中，融合肽都位于三个肽链缠绕而成的螺旋的末端。根据这些病毒

的研究结果，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）含有一个大的a-螺旋，（2）含有七个疏水性的氨基酸重复序列，

（3）具有经过特征性缠绕而成的肽链螺旋，且该螺旋与氨基端的融合肽相邻

接。

无包膜病毒侵入宿主细胞的过程

（一）通过破坏内吞泡膜

腺病毒感染宿主细胞时，首先通过纤维蛋白羧基端的结构域与其受体结合，继而，

五邻体蛋白基座区中的RGD基团与另一种受体—整合素avb3和avb5相

互作用。对大多数腺病毒血清型而言，这种作用是随后病毒通过受体介导的内吞

作用完成内化所需的。病毒借助整合素进行细胞内吞的过程需要激活磷脂酰肌醇

-3-OH激酶(phosphatidylinositol-3-OHkina,PI3K)，PI3K再通过激活

Ras和Rho信号转导系统，使细胞骨架发生改变来完成病毒的内化。在腺病毒

通过内吞泡的形式从细胞表面向核膜转运的过程中，它经过一系列步骤来完成去

包被。在这个过程中，结构蛋白（如纤维蛋白、蛋白IIIa和VIII等）从衣壳

中依次解离出来。蛋白VI在酸性的内吞泡中被降解，这可能是由病毒蛋白酶

L3/p23完成的。该蛋白酶位于病毒颗粒的核心，在胞外的氧化性环境中没有活

性。在进入内吞泡的还原性环境后，该蛋白酶被激活。而且，五邻体基座区与整

合素受体的相互作用能导致五邻体蛋白构象的改变，暴露出蛋白VI上的

L3/p23水解位点。在内吞泡酸化后，酸性环境促使五邻体蛋白基座区及蛋白IX

也释放出来。五邻体蛋白基座区能介导内吞泡膜的溶解，并将残余的病毒释放入

胞质。除了病毒DNA、核心蛋白和少量的六邻体蛋白外，已失去大部分成分的

衣壳被锚定在核孔复合体上。随后核蛋白被释放入核，病毒开始转录（图3-4）。

腺病毒进入细胞的整个过程，即从开始胞吞到DNA释放入核，在370C时约需

30分钟。在此期间，病毒进行了一系列必须的改变。在这些改变中，一些由内

吞泡的酸性环境诱导，一些由病毒蛋白酶的作用引起，而另外一些改变例如纤维

蛋白的释放则可能是由于衣壳与受体的相互作用所致。腺病毒通过利用五邻体蛋

白基座区这种酸激活的膜水解蛋白破坏内吞泡膜的方式来通过细胞膜。

(二)通过在细胞膜上形成孔

小RNA病毒利用与腺病毒不同的机制来通过细胞膜。脊髓灰质炎病毒与其免疫

球蛋白样受体PVR的相互作用使该病毒颗粒失去位于病毒内部的衣壳蛋白

VP4，并使衣壳蛋白VP1中通常位于病毒内部的的氨基末端外在化。改变后的

脊髓灰质炎病毒颗粒具有疏水性，而且与细胞膜的亲和力增加。VP1的亲脂性

氨基末端暴露后插入细胞膜，形成一个孔，将病毒RNA释放到胞质中。

目前尚不清楚脊髓灰质炎病毒RNA的释放发生在细胞膜还是在内吞泡中。

BafilomycinA1可以抑制质子转运到囊泡中，因而能阻断内吞泡的酸化。然而，

这种药物对于脊髓灰质炎病毒的感染没有影响。相反，这种药物能完全抑制穿透

酸化的内吞泡膜而释放到胞质中的病毒对细胞的感染，例如流感病毒、西门利克

森林病毒和水疱性口炎病毒等。另外，脊髓灰质炎病毒与其抗体形成的复合体能

与表达Fc受体的细胞结合，但不能感染这些细胞。Fc受体能被胞吞，因此脊

髓灰质炎病毒与PVR的相互作用是诱导导致病毒去包被的构象改变所需的。

(三)通过溶酶体的作用

大多数通过受体介导的胞吞作用进入细胞的病毒在囊泡到达溶酶体之前就已经

释放到胞质中了。这种现象并不奇怪，因为溶酶体中含有可降解病毒颗粒的蛋白

酶和核酸酶。然而，呼肠病毒科家族成员却能够到达溶酶体并利用这些蛋白酶和

核酸酶来脱去其衣壳。

呼肠病毒是一种二十面对称的双链RNA病毒，其基因组分为10个节段。病毒

衣壳是一种双层结构，由8种不同结构蛋白组成。呼肠病毒通过蛋白s1与受

体结合，并通过胞吞作用被内化入宿主细胞。呼肠病毒对BafilomycinA1敏感，

表明这些病毒需要内吞泡的酸化来进入细胞。酸性环境能激活溶酶体中的某些蛋

白酶，作用于病毒蛋白。例如，病毒蛋白被糜蛋白酶消化，丢失外壳蛋白s3，

且mIC在内蛋白的作用下裂解，形成具有感染性的亚病毒颗粒。这些亚病毒颗

粒能穿透溶酶体膜并进入胞质，随后释放出病毒核心，启动病毒mRNA的合成。

亚病毒颗粒的感染性对BafilomycinA1不敏感，说明亚病毒颗粒进入胞质的过

程并不依赖于pH值的下降。

(四)通过caveolae

大多数猴病毒40(simianvirus40,SV40）颗粒在与其受体结合后，成为无包

被的小囊泡，其中约1/3进入内质网。这类小囊泡可能就是caveolae。

caveolae是由细胞膜收缩形成，移至内质网并与其融合的膜性囊泡。caveolae

含有一种标志蛋白，称为caveolin。根据这种假说，SV40可能通过一种从细

胞表面至内质网的新通路来侵入细胞。

如果SV40通过内质网进入细胞能产生有效的感染，那么病毒颗粒如何到达其复

制位点—细胞核呢？病毒颗粒位于内质网中，不可能与胞质输入蛋白作用或到达

核孔复合体的胞质侧。因此，SV40可能通过一种特异性机制穿过内质网膜进入

胞质，并通过核输入机制来进入细胞核。也有人认为，病毒可能通过核内膜直接

进入核基质，但这种观点还未能得到证实。