病毒的發現與研究歷史

 

　　一、病毒病由來已久

 

　　地球上的人類，其他動物和植物遭受病毒病的折磨已有許多世紀。許多記述表明至少在公元前二至三個世紀印度和中國就存在天花，中國從公元十世紀宋真宗時代就有接種人痘預防天花的記載了。在明代隆慶年間（1567-1572），人痘預防天花推行甚廣，先后傳至俄國、日本、朝鮮、土耳其及英國。1796英國醫生琴納（Jenner），才得出了結論，牛痘可能使人預防天花，并在英國及歐洲大陸普遍應用，挽救了千百萬人的生命。

 

　　除了文字記載外，考古學的發現也說明早就存在某些人類病毒病。在古埃及石刻浮雕中一個主要人像就帶有患過引起跛足的脊髓灰質炎的標記。

 

　　古埃及石刻浮雕

 

　　在家畜的病毒病中，狂犬病可能是最早有記載的。此病毒病一般與瘋狗有關。阿里斯多德（Aristotle）在公元前四世紀就記述了病犬的瘋狂和暴怒，通過咬嚙還能將病魔傳給其他的動物，此病也能傳染給人（人畜共患疾病），在人體上這種病常被稱作恐水病。法國人巴斯德（Pasteur）在1884年發明了狂犬疫苗。

 

　　巴斯德(1822-1895)法國著名科學家發明巴氏消毒法、1884年研制成功狂犬疫苗

 

　　昆蟲病毒病可能同高等動、植物的病毒病一樣歷史悠久。十二世紀中葉我國《農書》（1149年出版）中，已有關于家蠶"高節"、"腳腫"等病癥的記載。這就是我們現在所知

 

　　家蠶核型多角體病毒。而國外直到十九世紀中葉，Cornelia和Maestri才記述了家蠶的黃疸病或多角體病的癥狀。

 

　　第一個記載的植物病毒病的是郁金香碎色病，因為至今荷蘭阿姆斯特丹的Rijks博物館還保存著一張1619年荷蘭畫師的一幅得病的郁金香靜物畫。據記載一個得病郁金香球莖竟能換來牛、豬、羊甚至成噸的谷物或上千磅的奶酪。在1634-1637年的荷蘭，這種嗜好達到了可稱做"郁金香熱"的高潮。使我們知道在十七世紀就存在一種植物病毒病----郁金香碎色病。

 

　　郁金香靜物畫

 

　　二、病毒的發現與發現者

 

　　AdolfMayer被煙草的一種病態吸引住了，其癥狀是感染葉子上出現深、淺相間的綠色區域，故麥爾在1886年稱為煙草花葉病。通過對葉子和土壤的分析麥爾指出不能把此病歸于無機物平衡失調。這可能是一個細菌病。

 

　　1892年從事煙草病工作的年青的俄國科學家伊萬諾夫斯基(Ivanovski)發現感受花葉病的葉汁，即使經過Chamberland氏燭形濾器的過濾也仍具有傳染的性質。這項觀察提示了存在一種比以前所知的任何一種都小的病原，他認為該病是由產生毒素的細菌引起的。

 

　　1898年，荷蘭科學家貝杰林克(Beijerinck)重復了伊萬諾夫的實驗，他從患花葉病的煙草葉中擠出汁液，并使之通過Chamberland氏濾器。表明濾液仍有侵染性。貝杰林克相信他的濾器阻擋住了細菌。將汁液置于瓊脂凝膠塊的表面時，發現侵染性物質在凝膠中以適當的速度擴散，而細菌仍滯留于瓊脂的表面。因此認為這種侵染性物質要比通常的細菌小。貝杰林克用"病毒(Virus)"來命名這種史無前例的小病原體。不難看出真正發現病毒存在的是貝杰林克。

 

　　Chamberland氏濾器

 

　　伊萬諾夫斯基和貝杰林克通過他們創造性工作發現了煙草花葉病毒，從而開創了病毒學獨立發展的歷程。

 

　　伊凡諾夫斯基，俄羅斯著名科學家1892年發現煙草花葉病病源的濾過性貝杰林克（1851-1931）荷蘭著名科學家，1898年發現病毒

 

　　三、病毒學的發展歷程

 

　　病毒病害的病原研究階段；病毒化學和結構研究階段。

 

　　（一）病毒病害的病原研究階段

 

　　自病毒發現直到上個世紀30年代初，病毒學研究主要集中在：分離和鑒定引起各種病毒性疾病的病毒；病毒對疾體所引起的特異性病理效應；病毒的傳播方式和感染宿主范圍；各種理化因子對病毒感染的影響等方面。

 

　　在病毒發現的那一年,1898年德國細菌學家勒夫勒和弗施（Loeffler和Frosch）證實了口蹄疫病毒(Foot-and-mouthdiseasevirus)的存在。1911年,勞斯(Rous)發現了引起雞的惡性腫瘤的勞斯肉瘤病毒（Roussarcomavirus，RSV）。1915-1917年,托特和德愛萊爾（Twort和d′Herelle）分別發現了噬菌體。人們通過過濾性試驗，相繼發現了近百種病毒病害，包括流感、骨髓灰質炎、幾種腦炎、狂犬病、兔的粘液瘤、馬鈴薯花葉病、卷葉病、和條斑病、黃瓜花葉病、小麥花葉病等。而且人們從解決病害觀點出發，在機體水平上研究了病毒感染的癥狀、傳播途徑、傳播介體以及病毒的繁殖特征。1899年古巴流行黃熱病，細菌學家里德（Reed）證明罪犯確實是伊蚊。接著日本人高見（Takami）證明一種葉蟬會傳水稻矮花病，蚜蟲會傳馬鈴薯退化病。300多年前（1619年）就知道的郁金香碎色病直到1929年才證明是蚜蟲傳的。這時期還發現了一些非常有趣的病毒生物學現象，如一種病毒通過變異，產生致病力強弱不等毒株。而且同一種病毒的不同毒株彼此間有拮抗，稱干擾現象。還有人發現把病植株的汁液注入到動物體內后，動物的血清和病汁液起特異的反應。這些研究成果都對當時防治病毒病起了重要作用。

 

　　在這一階段，人們對病毒本質的認識還很膚淺，認為病毒是一種與細菌類似的病原體，所不同的僅在于病毒必須在生活的細胞內才能繁殖，再就是體積十分微小，以致在顯微鏡下不能見到，能夠通過細菌濾器。這也正是在那一時期把病毒稱之為"超顯微的濾過性病毒"的原因。

 

　　（二）病毒的化學和結構研究階段

 

　　1935年，美國生化學家斯坦利（Stanley）發現煙草花葉病毒的侵染性能被胃蛋白酶破壞，在這一現象的啟示下，他幾乎磨了上噸重的感染花葉病的煙葉，企圖用提酶的方法把病毒提純出來。他得到了一小匙在顯微鏡下看來是針狀結晶的東西，把結晶物放在少量水中，水就出現乳光了，用手指沾一點這溶液，在健康煙葉上磨擦幾下，一星期以后這棵煙草也得了同樣類型的花葉病。可見提純的東西的確是有侵染性的煙草花葉病毒。今天在美國加州大學的原來斯坦利實驗室里，仍然保留著一個標注著"Tob.Mos."字樣的瓶子，其中就盛著當年第一次提純的煙草花葉病毒（簡稱TMV）。

 

　　根據各種試驗結果，證明這種結晶物質是蛋白質，初步的滲透壓和擴散測定表明，這種蛋白質的分子量高達幾百萬。其結晶制品的侵染性依賴于蛋白質的完整性，侵染性被認為是病毒蛋白質的一種性質。Stanley的研究論文1953年發表在Science雜志上，他在論文中寫道："煙草花葉病毒是一種具有自我催化能力的蛋白質，它的增殖需要活體細胞的存在"。在獲得TMV結晶之后的將近20年時間里，許多其他病毒也相繼被結晶出來，1955年，Scaffer和Schwerdt成功地結晶了脊髓灰質炎病毒，它是第一個被結晶出來的動物病毒。然而，Stanley在他的結晶工作中，并未注意到病毒的含磷組分，1936年Bawden和Pirie等在純化的TMV中發現了含磷和糖類的組分，它們以核糖核酸的形式存在，通過熱變化，這種核酸可以從病毒粒子中釋放出來，這一發現也被Stanley不久證實，Stanley及其同事證實幾種不同植物病毒的核酸也能從核蛋白的形式中被分離出來。

 

　　魯斯（1879-1970）美國著名病毒學家，證明動物的癌癥由病毒引起，1996年獲諾貝爾生理學醫學獎斯坦利（1904-1971）美國著名化學家，1935年提純了煙草花葉病毒，1946年獲得諾貝爾獎

 

　　TMV的結晶及其化學本質的發現是對醫學和生物科學的巨大貢獻，它不僅引導人們從分子水平去認識生命的本質，而且為分子病毒學和分子生物學的誕生奠定了基礎。鑒于Stanley在TMV研究中的突出貢獻，1946年他被授予諾貝爾獎，這是病毒學領域第一個獲此殊榮的科學家。

 

　　2、電子顯微鏡的應用

 

　　最初從電子顯微鏡照片上看到的病毒是一些幾乎類似的微粒，1939年，G.A.Kansche在電鏡下直接觀察到了TMV，指出TMV是一種直徑為1.5nm，長為300nm的長桿狀的顆粒，而番茄黃化花葉病毒（Tomatoyellowmosaicvirus,TYMV）顆粒為球形，直徑為25nm。

 

　　電子顯微鏡

 

　　早期電鏡學家獲得的最令人振奮的發現之一是細菌病毒----噬菌體，d′Herelle的噬菌體最初的電鏡照片曾引起很大的轟動。噬菌體雖然非常微小，僅為10nm，但它們具有高度整齊而復雜的結構，它們有圓的頭和起初被認為是尾巴的附屬物，像個小蝌蚪。在爭論多年以后，確定了噬菌體的附屬物沒有運動的功能，但它對噬菌體吸附于細胞表面和注射傳染性核酸進入到細胞中卻起了重要的作用。

 

　　病毒學研究的化學時期，還有一些比較重要的進展，1934年M.Schlesinger獲得了純化的噬菌體，1938年W.J.Elford測定了各種病毒顆粒大小等。但總的說來，這一階段，病毒學工作者主要采用敏感動物（如小白鼠）或動物胚胎（如雞胚）來研究病毒，分離鑒定了近百種病毒。同時在機體水平上研究了病毒的繁殖、發病機理和免疫反應等。只是微生物學的一個分支。同時，對病毒化學本質的了解也較為膚淺，對病毒的概念這一時期，病毒學雖有很大的進展，但尚未形成獨立學科，它還尚有很大爭論，眾說紛紜。

 

　　小鼠

 

　　雞胚

 

　　（三）病毒研究的細胞水平時期

 

　　這一時期，包括本世紀40年代至60年代。在此期間，病毒學不論是在理論上還是在實踐上都有很大的發展，逐步形成了一門獨立的學科。由于這個時期對病毒的化學本質有了更清晰的認識，因而也有了較為統一的、明確的病毒概念。

 

　　1、利用大腸桿菌研究噬菌體的感染過程取得了迅速發展。以M.Delbruck和A.D.Hershey等領導的"噬菌體小組"圍繞噬菌體與感染細菌細胞的相互關系進行了大量而深入的研究。這一時期的突出貢獻在于：1940年M.Delbruck闡明了噬菌體的復制周期；1950年A.Lwoff揭示了溶原性噬菌體誘導的原理；1952年A.D.Hershey證明了噬菌體DNA的感染性；1952年N.D.Zinder發現了噬菌體的轉導現象；1952年E.Wollman發現了溶原性噬菌體。

 

　　2、組織培養技術開始應用于動物病毒的研究。我國學者黃禎祥早在1943年就利用雞胚組織塊在試管內進行病毒傳代、定量滴定及中和試驗。我國已故微生物學和病毒學的奠基人高尚蔭院士，1958年在國際病毒學研討會上宣讀了《培養膿細胞的組織培養方法研究》論文，從此揭開了中國昆蟲病毒學研究的新篇章。許多學者采用這一新技術，相繼分離了上百種過去對動物不敏感的新病毒，如腺病毒、副流感病毒、鼻病毒、呼吸道合胞病毒、Echo病毒和柯薩奇病毒，大大拓寬了病毒學的研究范圍。組織培養技術不僅發展了臨床病毒學，而且還可用于研究病毒的復制和遺傳，使人們對病毒本質有了進一步的認識。

 

　　1949年J.J.Enders利用單層細胞培養繁殖脊髓灰質炎病毒取得成功，并且由于他對脊髓灰質炎病毒的開創性研究，而于1954年獲得諾貝爾獎。1952年Dulbecco利用細胞單層培養進行了蝕斑試驗，1953年Salk用細胞培養的脊髓灰質炎病毒制備出滅活疫苗，1957年Stewart用細胞培養技術還分離出多瘤病毒。目前組織培養技術已廣泛應用于未知傳染因子的分離，病毒病診斷，疫苗生產，以及病毒感染和復制的基礎研究。

 

　　組織培養技術對動物病毒研究所作的貢獻主要包括：病毒轉錄新途徑和翻譯新途徑的發現；病毒對宿主范圍的選擇；某些腫瘤病毒引起的細胞轉化；某些病毒侵染引起的細胞融合；發現有的病毒核酸由若干片段組成；有的病毒核酸具有極性的不同，如小RNA病毒為正鏈RNA病毒，正粘病毒為負鏈RNA病毒。

 

　　3、植物病毒不斷有重要的發現，如1952年J.I.Harris揭示了TMV外殼蛋白的化學性質，1955年H.Fraenkel-Conrat成功地將TMV的核酸及其蛋白亞基重建出感染的TMV，1956年H.Fraenkel-Conrat還證明TMV-RNA分子具有感染性，1956年F.A.Anderer闡明了TMV外殼蛋白變性的可逆性；1960年A.Tsugita測定了TMV外殼蛋白的氨基酸序列。中國農業大學裘維蕃院士對北京大白菜三大病害和華北小麥叢矮病等進行了深入研究。

 

　　（四）分子病毒學的研究時期

 

　　自從1953年DNA雙螺旋結構理論建立以來，由于分子生物學的迅速發展，新技術和新方法的應用，使得病毒學的研究步入了分子病毒學的發展時期。50年代至60年代是分子生物學的奠基時代，而病毒特別是噬菌體和植物病毒為此做出了巨大的貢獻,因此分子病毒學也正是分子生物學的發展過程中應運而生。

 

　　分子病毒學的發展是各相關學科如分子生物學、細胞生物學、遺傳學、免疫學與病毒學理論和技術相互滲透的結果。尤其是分子生物學新技術的發明極大剌激了分子病毒學的發展。分子病毒學的發展經歷了如下過程：

 

　　1953年，Watson和Crick建立了DNA雙螺旋結構理論，它使人們開始從分子水平上去認識遺傳物質--DNA的結構基礎和復制特性，理解基因表達與性狀的關系，從而為分子生物學和分子病毒學的創立奠定了基礎。

 

　　1962年，D.L.D.Casfar闡明了許多病毒的二十面體結構，明確了病毒核衣殼二十面體的構成規律，這是對病毒超微結構認識的重大突破。

 

　　1962年，D.Nathans成功地進行了噬菌體RNA的體外翻譯；1965年，S.Spiegelman成功地在體外復制出Qβ噬菌體RNA；1967年M.Goulian成功地體外復制ΦX174噬菌體。這些工作對以后闡明DNA病毒和RNA病毒的繁殖機制起了重要作用。

 

　　1967年，T.O.Diener發現了類病毒，他在試圖分離馬鈴薯紡錘形塊莖病的病毒時，發現其病原不是病毒，而是一種不含有蛋白質，分子量為105左右的裸露RNA。這樣小的RNA分子不編碼任何蛋白質。根據其特殊的性質，Diener把這類致病因子稱為"類病毒（Viroids）"。隨后的研究表明，類病毒RNA還有特殊的復制機制。類病毒的發現在分子病毒學史上是一個重要事件，它不僅揭示了自然界存在著比病毒更簡單的生物，而且也使人們加深了對生命起源的認識。

 

　　在類病毒報道之后，有人在澳大利亞又發現了類似于類病毒的環狀RNA分子還能與病毒基因組RNA共同包被于RNA病毒粒子中，引起絨毛菸、苜菪和地三葉草產生病害，其中類似于類病毒的RNA稱為"擬病毒（virusoid）"。羊瘙癢病(scrapie)最初也認為是類病毒引起的，Prusiner于1982年證實瘙癢因子不是類病毒，而是一種分子量只有3.0×104的蛋白質，稱為"蛋白侵染因子"或"朊病毒"（prion）。根據類病毒的發現，Lavoff（1981）首先提出把病毒分為真病毒（envirus）和類病毒的概念。隨著擬病毒和朊病毒的相繼發現，1983年在意大利召開的"植物和動物的亞病毒病原：類病毒和朊病毒"國際學術討論會上，把類病毒、擬病毒和朊病毒列入亞病毒（subvirus）。

 

　　1968年，P.H.Duesberg發現流感病毒的多節段RNA基因組，隨后在其他一些病毒中如呼腸孤病毒、大麥條紋花葉病毒中也發現了病毒基因組分節現象的存在。

 

　　1970年，P.H.Duelerg發現Rous肉瘤病毒含有癌基因v-src，而且在正常雞以及其他脊椎動物和無脊椎動物的DNA中，也發現有癌基因v-src的同源序列存在，推測病毒癌基因是來自于細胞正常基因。隨著其他腫瘤病毒致癌基因的發現，腫瘤病毒的細胞培養系統建立，以及腫瘤病毒對細胞轉化誘導作用的確定，使人們對腫瘤發生的機制有了更深刻的了解。

 

　　1970年，H.M.Temin和D.Baltimor分別發現了病毒的逆轉錄酶。逆轉錄酶基因組RNA在逆轉錄酶的作用

 

　　下，首先合成原病毒DNA，然后原病毒可整合到宿主染色體DNA上。除了病毒癌基因外，原病毒在宿主DNA上的插入、整合，也可以引起細胞癌基因的激活和細胞轉化，逆轉錄酶和逆轉錄過程的發現，是對Crick1958年提出的遺傳學中心法則的重要補充和發展，說明遺傳信息不僅可以從DNARNA，也可由RNADNA。

 

　　1971年，限制性內切酶技術的發現為DNA序列分析和病毒基因的定位創造了條件，利用這一技術曾經成功地為乳頭瘤病毒、多瘤病毒、腺病毒、皰疹病毒構建了酶切圖譜。另一些新技術如基因轉移方法、Southenblot的相繼誕生，也加快了病毒特異性基因，尤其是轉化基因的定位和病毒核酸序列分析的進程。

 

　　除此以外，70年代出現的DNA重組技術，使一些病毒基因組能在原核細胞的質粒載體上克隆，并在細菌中能夠得到大量復制和表達產物，因而有利于探尋病毒的基因組結構和功能。

 

　　1977年，英國劍橋大學的Sanger完成了ΦX174-DNA全部序列的測定,為此Sanger第二次獲得諾貝爾獎。根據ΦX174-DNA全部序列的分析結果，Sanger意想不到地發現了基因重疊現象。隨后，在DNA噬菌體如R17、MS2、F2、Qβ中也證實了基因重疊現象的存在，這是病毒利用有限的遺傳信息執行更多的功能，提高自身在進化過程中適應能力的一種表現。

 

　　1977年，L．T．Chow闡明了腺病毒轉錄過程中的mRNA拼接現象，隨后在SV40、多瘤病毒中也相繼發現了mRNA轉錄后的拼接過程，從而證實了真核基因的不連續性，明確了內含子（intron）和外顯子（exon）的概念。

 

　　1978年，W．Fiers和V.B.Reddy測定了SV40-DNA的一級結構由5224個堿基對組成。SV40是第一個全部核苷酸序列被搞清楚的真核病毒，它含有結構基因VP1、VP2、VP3以及轉化基因T和t，整個基因組有12.5%非編碼區或非翻譯區，在這些區域中包含啟動子、增強子序列和其他調節序列，可對病毒基因組復制、轉錄、翻譯進行調控。由于SV40既是研究真核基因結構和表達的良好模型，又是研究癌變機制的理想材料，因此，SV40-DNA一級結構的測定具有重要意義。

 

　　在70年代，Miller和Barbara研究ΦX174-DNA轉錄時還發現了ΦX174-DNA僅有一條鏈被轉錄，他們利用ΦX174噬菌體感染大腸桿菌，并在培養基中加入32P-磷酸鹽以制備放射性的噬菌體mRNA，然后再將標記的mRNA分離出來，讓其與分開來的RF-DNA正負鏈雜交，結果觀察到僅有RF-DNA的負鏈與標記mRNA形成雜交體。因而讓實在活體內ΦX174的RFDNA中僅一條鏈是轉錄的模板。與此相類似，T7噬菌體DNA在活體中也只有一條單鏈被轉錄。但在T4或λ噬菌體中情形較為復雜,其基因組中的某些部分是以一條鏈作為模板，而在另一區域，則是以另一條鏈為模板。大腸桿菌基因組的轉錄也同樣存在一組基因與另一組基因的模板鏈不同。

 

　　1979年，T．Taniguchi用載體成功地表達了人干擾素基因。這是基因工程的一項大突破。

 

　　進入八十年代后，分子病毒學的研究無論是在深度和廣度都有了很大的發展。這里只舉一些重要進展。

 

　　1981年，D.K.Kleid等利用重組DNA技術制備出口蹄疫病毒疫苗；

 

　　1982年，J.Summers等發現乙型肝炎病毒DNA復制中有逆轉錄過程；

 

　　1982年，B.Moss和E.Paoletti用痘苗病毒作為載體表達外源基因；

 

　　1983年，Montagnier和R.C.Gallo分別分離到與AIDS相關的人類逆轉錄病毒（HIV）；

 

　　1985年，H.VonderPatten等在3A下闡明了鼻病毒的晶體結構;

 

　　1988年，Chuo和Yamaya用弱病毒全長cDNA導入產生抗病毒的轉化植株；

 

　　1990年以來，PCR技術在分子病毒學領域得到了廣泛應用，目前PCR已成為病毒性疾病診斷和研究的重要手段。1993年，美國科學家K.Mullis由于發明了PCR儀而與第一個設計基因定點突變的Smith共享諾貝爾化學獎。

 

　　1991年，Han等將Moloney鼠白血病毒的反義表達序列導入小鼠受精卵中，從而培育成功對該病毒有抗性的轉基因小鼠。

 

　　1992年，Desrosiers等利用SIVmac239/nef缺失突變株制備出減毒活疫苗，取得了抗SIV感染成功，也給HIV疫苗的研究賦予了許多啟示。

 

　　1995年，HIV天冬氨酰蛋白酶三維結構的鑒定，使得一些針對病毒蛋白酶活性位點的抑制劑先后問世。1996年，DavidHo利用逆轉錄酶抑制劑與蛋白酶抑制劑配成的"雞尾酒"式藥，成功地抵抗了HIV感染，因而1996年稱為AIDS希望年。

 

　　1997年，美國加利福尼亞大學的神經病學和病毒學教授S.Prusiner由于發現了羊瘙癢病的致病因子是朊病毒（prion），以及提出了瘋牛病、Creutz-feldt-Jakob氏病、Kuru病等腦退化性疾病是由朊病毒引起的理論，而獲得了諾貝爾醫學獎。然而朊病毒究竟是一種傳染性因子，還是由正常基因突變形成的結構異常的蛋白質，至今仍處于爭論之中。

 

　　病毒學經過上述四個時期的發展，逐漸形成和成熟起來，隨著病毒基因組復制、基因表達調控原理、病毒與宿主細胞的相互作用規律，病毒感染和致病的分子機制的揭示，以及分子病毒學在技術上的革新和進步，它將為人類克服和