高中生物學中有關病毒知識的整合

陳國

病毒因其結構的特殊性，生物學家在分類上將它單獨列為病毒界。在高中生物學教材中，有關病毒的知識在不同模塊和章節中均有零散的表述，而高考試題也經常涉及相關知識的考查。將零散的知識進行整合與歸納，建構新的知識網絡，是高三復習的有效策略。下面結合教學實踐，以病毒為“錨”，來歸納高中生物學中有關病毒的應用價值。

1運載目的基因

運載體是基因工程的重要工具。在基因工程操作過程中使用運載體有2個目的：

①用來做運載工具，把目的基因送到受體細胞中；

②利用它在受體細胞內對目的基因進行大量復制(克隆)。

目前使用的運載體有以下2類：一類是細菌的質粒，它是一種相對分子質量較小、獨立于染色體DNA之外的環狀的DNA(一般在1～200kb左右)；另一類是噬菌體或病毒。隨著病毒分子生物學研究的日益深入，人們對病毒的結構與功能也有了越來越深刻的認識，并能運用DNA的體外操縱技術，把病毒改造成不同外源基因的優良載體，通過它們，可以把動物、植物或微生物的目的基因導入到合適的受體系統中，從而獲得具有新性狀的“工程細胞”或“工程菌”。

這里還要說明的是：最常用的噬菌體載體是大腸桿菌的λ噬菌體。λ噬菌體的遺傳物質是雙鏈DNA，大小在50kb左右。λ噬菌體作為基因工程載體時具有很多優點，如載有外源基因的重組λ噬菌體可整合到宿主核基因組上，進而同步復制。λ噬菌體感染率幾乎達100％，且宿主范圍窄，使用安全。如果將λDNA上的cos基因接λpBR322質粒的抗氨芐青霉素基因上，就會形成一種新的載體，把這種載體叫做，裝配型質粒，它的優點是能夠容納極大的外源DNA(可以達到35～40kb)。還有一種運載體需要提及的是噬菌體M13，因為它是單鏈比較適合于單鏈DNA的運載，如果進行單鏈DNA的克隆，就必須使用噬菌體M13。噬菌體M13在Sanger法測定DNA序列中被廣泛應用。

2促進動物細胞的融合

在動物細胞工程中一項重要的技術手段是動物細胞的融合技術。目前誘導細胞融合的方法有：物理的、化學的和生物的方法。物理的方法主要是利用震動、離心、電刺激等手段來處理細胞；化學方法是利用聚乙二醇(PEG)等化學物質來誘導細胞融合；而生物的方法是指利用滅活的病毒來促使細胞融合。那么病毒為什么能起到促融作用，目前的解釋是：病毒表面含有的糖蛋白和一些酶能夠與細胞膜表面的糖蛋白發生作用，使得細胞之間相互凝集，使細胞膜上的蛋白質分子和脂質分子重新排列，細胞膜打開，細胞發生融合。使用活的病毒是不行的，必須是滅活的病毒，這種病毒是用物理或者化學的方法將病毒殺死，但又不損害其有用的抗原。滅活的病毒既保留了誘導細胞融合的能力又不感染細胞，對于細胞是安全的。世界上最早的滅活病毒是從日本的仙臺一實驗室分離出來的，因此往往叫做“滅活的仙臺病毒”。但是應用這項技術還有很多實際問題，比如細胞的感染率比較低、細胞融合的速度緩慢、反應條件要求高、融合體的去病毒困難等，還有待進一步地探索和研究。目前細胞融合技術主要是采用聚乙二醇(PEG)和電刺激等技術。

3誘發細胞癌變

細胞癌變的原因十分復雜，致癌因素很多，歸納起來主要有物理、化學、病毒三類致癌因子，可見，部分病毒能誘發細胞癌變。研究表明，病毒的致癌性主要是因為它們含有病毒癌基因以及與致癌有關的核酸系列。它們通過感染人體細胞后，將其基因組整合進入人的基因組中，從而誘發人體的細胞癌變，如Rous肉瘤病毒等。據英國流行病學家對癌癥誘因的統計分析，病毒感染約占10％～15％。

4承當抗原

抗原的基本性質是：異物性、大分子性和特異性。異物性是指進入機體組織內的抗原物質，它必須與該機體組織細胞的成分不同。

抗原的基本含義有4點：

①大都是指進入機體內的外來物質，如細菌、病毒、花粉等；

②抗原也可以是不同物種間的物質，如馬的血清進入兔子體內，馬血清中某些蛋白質就成為兔子的抗原；

③同種異體間的物質也可以成為抗原，比如血型、免疫移植等；

④自體內的某些隔絕成分也可以成為抗原，如眼睛的晶體蛋白、精子、甲狀腺球蛋白等。

但一般意義上的抗原指的是病菌、病毒一類的病原微生物，因此病毒可以做為抗原的一種。由于病毒都是營寄生生活。所以在病毒的感染過程中，人體往往是先通過體液免疫的作用來阻止病毒通過血液循環而擴散，再通過細胞免疫的作用來裂解靶細胞，使病毒沒有藏身之所而被抗體消滅。

5作為疫苗

疫苗是將病原微生物(如細菌、立克次氏體、病毒等)及其代謝產物，經過人工減毒、滅活或利用基因工程等方法制成的，用于預防傳染病的自動免疫制劑。疫苗保留了病原菌刺激動物體免疫系統的特性。當動物體接觸到這種不具傷害力的病原菌后，免疫系統便會產生一定的保護物質，如免疫激素、活性生理物質、特殊抗體等；當動物再次接觸到這種病原菌時，動物體的免疫系統便會依循其原有的記憶，制造更多的保護物質來阻止病原菌的傷害。

有的人會擔心病毒在人體內會繁殖，這是不可能的。因為選用免疫原性好的細菌、病毒、立克次體等，經人工培養，再用物理或化學的方法將其殺死后才能制成疫苗。因此這種疫苗已經失去繁殖力，但仍然保留其免疫原性。死疫苗進入人體后不能生長繁殖，對機體刺激時間較短，但要獲得持久免疫力還需多次重復接種。當然在接種的疫苗中也有活的，它們是用人工定向變異的方法，或從自然界篩選出毒力較弱或基本無毒的活微生物制成活疫苗或減毒活疫苗。常用的活疫苗有卡介苗、麻疹疫苗、脊髓灰質炎疫苗等。接種后在體內有生長繁殖能力，接近于自然感染，可以激發機體對病原體的持久免疫力。活疫苗用量較小，免疫持續時間長，其免疫效果優于死疫苗。

6研究遺傳物質的模型

1944年艾弗里及其同事的研究證實了DNA是遺傳物質，但是仍然有人提出疑議，因為艾弗里的實驗中提取的DNA純度并沒有達到100％，就是說還有一定數量的蛋白質與DNA捆綁在一起。因此有的科學家就設想：能不能把DNA和蛋白質分開，直接地、單獨地去觀察DNA和蛋白質的作用。1952年美國的生物學家赫爾希、蔡斯及其合作者運用了放射性元素示蹤法，對“什么物質管遺傳”這個問題進行了深入細致的研究。他們把放射性³²P和放射性³⁵S分別標記在噬菌體的雙鏈DNA分子和蛋白質分子上，來測定噬菌體侵染細菌的情況。赫爾希發現，只有噬菌體的DNA分子能夠進入細菌而蛋白質分子卻留在外面。當DNA分子進入細菌細胞以后，細菌細胞里就產生了成百上千的小的噬菌體。關于噬菌體的研究再次證明了DNA帶有全部的遺傳信息。由于赫爾希和德爾布魯克由于對遺傳學的突出貢獻，被當時的科學界稱為“信息學派”的代表人物，而他們利用的遺傳物質的模型恰恰是噬菌體。

7影響生物的進化

病毒作為一種特殊的存在形式，在進化上具有獨特的地位和作用。病毒營寄生生活，現代研究表明：已知大多數病毒能利用細胞的復制系統將病毒基因組永久地移植在宿主中，從而為宿主后代加入病毒的基因，進而發展成為宿主物種基因組中的重要組成部分，這在生物進化中起著舉足輕重的作用。病毒的數量巨大，加之極大的繁殖能力和極快的突變速度，因而使它成為基因進化的主要源泉。同時又由于病毒的感染能力和傳播范圍，這將有助于它們進入其他生物體，從而影響生物的進化。