病毒核酸

病毒核酸是指病毒颗粒内的核酸。由整套基因所组成的病毒核酸称病毒基因组。病毒核酸的研究对了解基因组的结构与功能、基因调控机理有重要意义，而且已经取得了重大进展。
病毒核酸的含量从不到病毒颗粒的1%（如正粘病毒科病毒）至50%（如大肠杆菌偶数噬菌体）不等。病毒核酸分子量的大小与病毒结构的复杂性及其功能大致成正比。病毒基因组除有DNA、RNA之分外，还有双链与单链、正链与负链、环状与线状以及分节段与不分节段之分，它的多种形式如图1所示。此外，某些病毒基因组可分开装配于两个或两个以上的病毒颗粒中，如腺病毒伴随病毒、浓核病毒，它们的基因组正、负链分开装配于两个病毒颗粒中，只是在用酚提取后才形成双链DNA。
大多数DNA病毒含双链DNA，仅极少数含单链DNA；反之，RNA病毒含双链RNA是很少见的，大多数含单链RNA。
核酸基本上由四种核苷酸所组成，这些核苷酸按照一定的方式、数量和排列顺序彼此相连而形成很长的多核苷酸链，此即所谓核酸的一级结构。双链核酸则由两条链的内侧通过碱基配对由氢键结合在一起，进而形成螺旋状构型，即称核酸的二级结构。这种二级结构基本上与Watson-Crick很早所提出的模型相符合。核酸的双螺旋二级结构还可进一步形成一定的空间相互关系，如多瘤病毒双链DNA可进一步缠绕成麻花状的构型，称三级结构(图2)。

图1 病毒基因组的多种形式

图2 多瘤病毒双链DNA的三级结构

双链DNA的二级结构的构型与湿度有关。当双链DNA湿度为70%时，构型呈A型； 湿度达90%时则呈B型。各种自然界的双链DNA包括病毒DNA在内，是呈B型的。在细胞内未观察到有A型。几乎所有的双链DNA的钠盐，湿度在70%时都呈A型，仅少数例外，如T₂噬菌体保持在B型状态不变。双链RNA跟A型双链DNA极相似，但双链RNA即使在湿度大的情况下仍能保持在A型状态，所以很可能它是在体内存在的构型。以A型双链DNA、B型双链DNA、双链RNA进行比较，从表1可见到，在每转螺旋的高度、每转螺旋的残基数、碱基对的平面与水平线之间的角度、螺旋轴心至碱基对之间的距离方面，A型双链DNA与B型双链DNA有一定差别，而双链RNA与A型双链DNA比较相近。

表1 双链核酸螺旋结构的有关数据

测量项目	双链DNA		双链 RNA
	A型	B型
每转螺旋的高度 每转螺旋的残基数 碱基对的平面与水平线之间的角度 螺旋轴心至碱基对之间的距离	28.2 11 20° 4	33.7 10 2° 0	30.5 10或11 15° 4～5

单链核酸也可以以碱基配对自身折叠，进而形成链内局部性的螺旋状二级结构，折叠可有短距离和远距离折叠(图3)。在单链核酸的二级结构中，可能有少数碱基不能互补，则形成向外凸出的状态(图4)。
直接测定单链病毒核酸的构型尚无精确的方法，但如果某病毒核酸的一级结构已被搞清，则可通过对核酸酶不敏感的双链区域进行分析，然后根据一级结构判断出有二级结构的具体部位。噬菌体MS2-RNA的全部二级结构已基本上清楚。MS2-RNA中的核壳蛋白作用子和复制酶作用子的二级结构也已经搞清楚。正链病毒RNA(如MS₂-RNA)的二级结构有的可参与基因调控，在MS₂RNA核苷酸序列上可见到核壳蛋白作用子在前，复制酶作用子在后，复制酶起始密码子被第72至第96个核苷酸埋在二级结构中，所以，在转译时首先转译核壳蛋白作用子，由此解开第72至第96核苷酸部位的二级结构，随后复制酶作用子才能开始转译。所以正链RNA的二级结构有时可调控作用子转译顺序。

图3 在溶液中单链核酸短距离折叠和长距离折叠的示意折叠后的螺旋状态未表示出来
(1)无折叠，呈随意卷曲状态 (2)短距离折叠(3)短距离和长距离折叠

图4 单链核酸非互补碱基形成向外凸出的示意(CPCP不能互补而向外凸出)

目前已有十种左右病毒核酸的一级结构已经研究清楚。现以具有一定代表性的SV₄₀和φX₁₇₄两种病毒为例，说明其一级结构及有关功能。
SV₄₀病毒对动物有致癌性，为双链DNA病毒，其DNA有5224个碱基对，在图5上可见到SV₄₀基因及基因产物的概貌。SV40的基因组可表达5个蛋白，其中VP₁、VP₂、VP₃为病毒结构蛋白；T蛋白不是病毒颗粒的结构蛋白，但SV₄₀复制时必需有T蛋白，它可使细胞发生转化；t蛋白也有促使细胞转化的作用。
在SV₄₀DNA中，有一个能为BgLI内切酶识别的部位，以这部位为起点，逆时钟向转录，称早期转录区； 顺时钟向转录，称晚期转录区。早期转录区转录的两种mRNA，分别转译为t蛋白和T蛋白； 晚期转录区转录3种mRNA，分别转译为VP₁、VP₂、VP₃。
在图5中还可见到mRNA上有剪接的现象，如T蛋白mRNA上有一段(以表示) 被“剪去”，因此，T蛋白是由两个不连续的序列编码的。在VP₁、VP₂、VP₃ mRNA序列的前面一段也有被“剪去”的现象。“剪去”序列是在转录mRNA后发生的。由此可见，基因的表达过程是很复杂的。在SV₄₀DNA复制时，也在BgLI内切酶切口附近双向(顺、逆时钟向)地进行复制，在DNA环的对面相遇为止。

图5 SV₄₀基因图谱示意

φ×₁₇₄病毒核酸是单链环状的DNA，它有5374个核苷酸，其一级结构的研究结果，提供了不少结构与功能的资料。如φX₁₇₄的启动子序列 （在携带遗传信息的核酸上可与转录酶结合而促使转录起始的序列） 与大肠杆菌典型的启动子TATPuATPu(其中Pu为嘌呤)序列基本相符。关于φX₁₇₄DNA的复制起始位点也已研究清楚。对φX₁₇₄DNA一级结构的研究还发现了基因重叠的现象，如φX₁₇₄的B蛋白基因位于A蛋白基因之中，只是A蛋白和B蛋白的“读码组”不同，而表达出这两种蛋白，A蛋白与B蛋白基因重叠的部分序列见图6。基因重叠的现象相当普遍，如在SV₄₀中VP₁、VP₂、VP₃的基因也有重叠现象(图5)。基因重叠可大大增加基因组的编码容量。

图6 φX₁₇₄A蛋白和B蛋白的读码组

注： (1)φX174为单链DNA，其mRNA序列与DNA序列一样，只是T改为U。
(2)图上仅表示A蛋白、B蛋白一段序列。
(3) 甲=甲硫氨酸，精=精氨酸，丙=丙氨酸，丝=丝氨酸，异亮=异亮氨酸，赖=赖氨酸，酪=酪氨酸，苯=苯丙氨酸，门=天门冬氨酸，门胺=天门冬酰胺。