今天介绍的是正痘病毒(Orthopoxvirus)的经典毒株——痘苗病毒(Vaccinia Virus/VACV/VV)。

简介

         痘苗病毒（Vaccinia Virus、VACV或VV）是一种大型复杂的包膜病毒，属于核质大DNA病毒(Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Virus)家族的正痘病毒(Orthopoxvirus)。它有一个线性双链DNA基因组，长度为194711个碱基对(WR株)，可编码约250个基因，末端重复序列(Terminal Repeat)的末端形成了末端环(Terminal Loop)。病毒体的尺寸约为360×270×250 nm，质量约为5–10fg(1fg=10^-15g=10^-18kg)。

       由于十八世纪英国医师和科学家爱德华·詹纳（Edward Jenner）使用牛痘病毒进行的开创性工作，天花是通过疫苗广泛预防的第一种疾病。痘苗病毒是根除天花的疫苗的活性成分，天花病毒是第一种被根除的病毒。这项工作是由世界卫生组织根除天花计划进行的。根除天花后，科学家继续研究痘苗病毒，将其用作将基因传递到生物组织中的工具（基因治疗和基因工程），并且作为同生物恐怖主义斗争的最终手段。

痘苗病毒感染

        除了初次接种疫苗，通过抓伤将感染转移到其他部位以及接种疫苗后脑炎的发病率之外，接种疫苗的其他并发症还可以分为以下几种类型：

1.广泛性痘苗疹

2.疫苗湿疹

3.渐进性痘疹(坏疽型，坏死型)

4.玫瑰色痘疹

起源

        痘苗病毒与引起牛痘的牛痘病毒密切相关。 从历史上看，这两个经常被认为是相同的。由于缺乏记录保存，痘苗病毒的确切来源是未知的，因为该病毒在研究实验室中经过数十年的反复培养和传播。最常见的观念是痘苗病毒，痘苗病毒和天花病毒（天花的病原体）均源自常见的始祖病毒。 也有人猜测牛痘病毒最初是从马匹中分离出来的，对早期（1902年）天花疫苗样本中的DNA的分析表明，它与马痘病毒的比例为99.7％。

病毒学特征

痘苗病毒的特征

        以痘苗病毒为代表的痘病毒(Poxvirus)形状非常特别，为特殊的砖状(Brick Shape)，长360纳米，宽270纳米，高250纳米。病毒dsDNA被核衣壳包裹成丝状，丝状核心被核壁包裹成砖状体。砖状体中央有两个中央体(Latent Body)，这使得病毒中央形成两个突起。

         有少数痘病毒的形状为卵形(Oval Shape)。例如以口疮病毒/奥尔夫病毒(Orf Virus)为代表的副痘病毒(Parapoxvirus)，口疮病毒长300纳米，宽220纳米，高170纳米，形状与其说是卵形，不如说是三轴椭球体。

痘苗病毒生活史

        痘苗病毒的宿主细胞与天花病毒一样——辅助T细胞、调节T细胞、杀手T细胞、B细胞、单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞。但是与天花病毒不同，痘苗病毒感染症状轻微。

       这是以痘苗病毒为代表的痘病毒复制过程：

1.病毒蛋白与宿主糖胺聚糖(GAG)的连接介导病毒向宿主细胞内吞。除此以外，病毒也可以通过模拟凋亡入侵细胞。

2.与细胞膜融合以将核心释放到宿主细胞质中。

3.早期阶段：病毒RNA聚合酶将早期基因转录到细胞质中。 早期表达在感染后30分钟开始。

4.随着早期表达的结束，核心完全没有被覆，病毒基因组现在在细胞质中自由。

5.中间阶段：表达中间基因，在感染后大约100分钟触发基因组DNA复制。

6.晚期：感染后140分钟至48小时表达晚期基因，产生所有结构蛋白。

7.子代病毒体的组装始于细胞质病毒工厂，产生球形的未成熟颗粒。 该病毒颗粒成熟，成为砖状的细胞内成熟病毒体(IMV)。

8.IMV病毒体可以在细胞裂解后释放，或者可以从高尔基体出芽，获得第二个膜，作为外部包膜病毒体(EEV)。

       痘病毒在DNA病毒中是独特的，因为它们仅在宿主细胞的细胞质中复制，而不是在细胞核内。因此，需要大基因组来编码参与病毒DNA复制和基因转录的各种酶和蛋白质。在其复制周期中，VV产生四种感染形式，它们的外膜不同：细胞内成熟病毒体(IMV)，细胞内包膜病毒体(IEV)，细胞相关包膜病毒体(CEV)和细胞外包膜病毒体(EEV)。 尽管问题仍然存在争议，但普遍的观点是IMV由单个脂蛋白膜组成，而CEV和EEV都被两个膜层包围，而IEV具有三个包膜。 IMV是最丰富的感染形式，被认为是造成宿主之间传播的原因。另一方面，据信CEV在细胞间传播中发挥作用，而EEV被认为对于宿主生物体内的远距离传播很重要。

       单层膜病毒通过细胞裂解释放，双层膜病毒通过出芽释放。

痘病毒的DNA

         以痘苗病毒为主的痘病毒，拥有奇特的DNA复制方式。由于痘苗病毒DNA两个末端各有一个末端环，因此痘苗病毒DNA复制主要围绕DNA末端环进行。

1.内切酶在其中一个末端环末端制造一个切口

2.DNA聚合酶利用切口延伸DNA

3.解旋酶打开DNA双链，末端环重新形成，作为DNA复制的引物

4.以末端环为引物，合成新的DNA

5.新DNA中央末端环受拓扑异构酶的影响，形成一个泡泡(Bulge),泡泡成为形成Holliday交叉的关键步骤

6.泡泡形成十字结构Holliday交叉

7.Holliday交叉，被内切酶剪切

8.连接酶将DNA连接，形成两个子代DNA

多重激活

        痘苗病毒能够经历多重激活(MR)。MR是一个过程，通过这个过程，两个或多个不完整的病毒基因组在感染的细胞内相互作用，形成了完整的病毒基因组。Abel发现，当单个病毒颗粒感染宿主鸡胚细胞时，暴露于足以阻止子代形成的紫外线剂量的痘苗病毒下，当宿主细胞被两种或更多种灭活病毒感染时仍能产生存活的子代病毒。也就是说病毒在宿主细胞内可能会发生MR。Kim和Sharp证明了用紫外线、氮芥、X射线或伽马射线灭活后的痘苗病毒MR。Michod等人回顾了许多不同病毒中MR的例子，并提出MR是病毒相互作用的一种常见形式，它提供了重组修复基因组损伤的优势。

宿主抵抗

        痘苗病毒在其基因组中包含几种蛋白质的基因，这些蛋白质赋予病毒对干扰素的抗性：

        K3L是一种与蛋白质真核起始因子2(eIF-2alpha)具有同源性的蛋白质。 K3L蛋白可抑制干扰素激活剂PKR的作用。

       E3L是痘苗病毒编码的另一种蛋白质。 E3L也抑制PKR激活； 并且还能够结合双链RNA。

疫苗应用

        痘苗病毒感染发病通常非常轻微，尽管可能引起皮疹和发烧，但通常不会对健康个体造成症状。痘苗病毒感染产生的免疫反应可以保护人免受致命的天花感染。由于这个原因，牛痘病毒过去一直被用作抗天花的活病毒疫苗。与使用弱化形式的疫苗进行疫苗接种的疫苗不同，痘苗病毒疫苗不会引起天花感染，因为它不含天花病毒。但是，偶尔会出现某些并发症或疫苗不良反应。免疫功能低下的人会大大增加这种情况的发生。大约每百万个人中就有一个会对疫苗产生致命的反应。

        当前，仅向具有感染天花病毒高风险的医护人员或研究人员以及美国的军事人员施用疫苗。由于天花病毒生物恐怖主义的威胁，将来可能必须再次广泛接种这种疫苗。因此，科学家目前正在开发针对天花的新型疫苗策略，该策略在生物恐怖事件中更安全，部署速度更快。

        2007年9月1日，美国食品药品监督管理局(FDA)批准了一种针对天花病毒的新型疫苗ACAM2000，可以根据需要快速生产。美国疾病控制与预防中心由赛诺菲·巴斯德(Sanofi Pasteur)制造，库存了1亿9250万剂新疫苗。

        Imvanex是新研发的天花疫苗，它基于牛痘的改良株——改良的安卡拉痘苗病毒，于2013年获得欧洲药品管理局的批准。

        痘苗病毒也用于重组疫苗，作为在宿主内表达外源基因的载体，以产生免疫反应。其他痘病毒也被用作活重组疫苗。

历史

        天花病毒的最初疫苗和疫苗接种思想的起源是爱德华·詹纳(Edward Jenner)在1798年描述的牛痘。牛痘的拉丁词是Variolae vaccinae，该词被詹纳翻译成“牛天花病毒”。这个词的名字代表了整个疫苗接种的念头。当意识到天花疫苗中使用的病毒与牛痘病毒不再相同或不再相同时，天花疫苗中的病毒名称为“痘苗”。 在冷藏运输方法发明之前，疫苗的效力和功效是不可靠的。该疫苗会因高温和日光而变得无能为力，并且用干燥的方法将样品干燥并运送到需要的国家通常会导致疫苗失活。使用的另一种方法是“手臂到手臂”方法。这涉及给一个人接种疫苗，然后在感染性脓疱形成后立即将其转移到另一个，然后转移到另一个，等等。这种方法被用作疫苗的活体运输形式，通常使用孤儿作为携带者。但是，由于可能传播其他血液疾病，例如肝炎和梅毒，这种方法存在问题。与1861年的情况一样，当时有41名意大利儿童通过“手臂到手臂”方法接种疫苗后感染了梅毒。

        1913年，E.Steinhardt，C.Israel和R. A. Lambert在猪角膜组织培养的片段中生长了痘苗病毒。

         Willian Bulloch的学生Fredrick W. Twort在1915年发表的论文被认为是现代噬菌体研究的开始。当他注意到许多污染微球菌的菌落长大并出现粘液样，水状或玻璃状时，他正尝试在没有活细胞的情况下在琼脂培养基上生长痘苗病毒，并且可以通过接种新鲜菌落在其他菌落中诱导这种转化。来自水殖民地的材料。他使用显微镜观察到细菌已退化为小颗粒，并被Giensa染色染成红色。他总结说：“……[它的转化因子]几乎可以被认为是微球菌的急性传染病。” 

         1939年，艾伦·瓦特·唐尼(Allan Watt Downie)表明，在20世纪使用的天花疫苗与痘苗病毒并不相同，但具有免疫学相关性。

最近的案例

        2007年3月，一个2岁的印第安纳州男孩和他的母亲从男孩的父亲那里感染了危及生命的痘苗病毒感染。这个男孩与父亲密切接触后，在其身上80％的身上出现了皮疹。父亲在父亲被天花疫苗接种后，被美国陆军部署到海外。美国军队于2002年恢复了天花疫苗接种。该儿童因湿疹而获得了感染，这是已知的痘苗病毒感染危险因素。该男孩接受了静脉注射免疫球蛋白、西多福韦和Tecovirimat(ST-246)的治疗，后者是由SIGA Technologies开发的一种实验药物。2007年4月19日，他被送回家，除了可能造成皮肤疤痕外，没有任何后遗症。

       2010年，疾病控制与预防中心（CDC）报告说，华盛顿的一名妇女与男友进行了****接触后感染了痘苗病毒，男友是一名军人，她最近因天花病毒而接受了疫苗接种。该妇女有儿童湿疹病史，但成年后没有症状。疾病预防控制中心表示，在与最近的一种军用疫苗发生性接触后，在过去的12个月中有4例类似的痘苗病毒感染病例。2012年，发生了更多病例，也有湿疹病史。

常见菌株

        这是一些用于研究和疫苗接种的特性良好的牛痘菌株的列表。

李斯特(Lister，Elstree)：莱斯利·科利尔(Leslie Collier)使用的英国疫苗株，用于开发粉末状的热稳定疫苗。在根除天花运动(Smallpox Eradication Campaign，SEC)中用作疫苗生产的基础

Dryvax(也称为“惠氏”)：惠氏在美国先前使用的疫苗株。在根除天花运动(SEC)中使用，2008年被Acambis生产的ACAM2000取代。它是作为小牛淋巴液的制剂生产的，将其冷冻干燥并用抗生素处理。

EM63：SEC中使用的俄罗斯毒株。

ACAM2000：Acambis生产的当前在美国使用的菌株。 ACAM2000通过噬菌斑纯化来自Dryvax病毒的克隆。它是在Vero细胞培养物中产生的。

改良安卡拉痘苗病毒(MVA)：一种高度减毒菌株，是通过在鸡胚成纤维细胞中传代牛痘病毒数百次而产生的。与某些其他痘苗病毒株不同，它不会使免疫缺陷小鼠生病，因此，由于年龄或感染HIV等原因，免疫系统较弱的人接种安卡拉株可能更安全。

LC16m8：日本开发并目前使用的减毒株

CV-1：在美国开发并在1960年代末至1970年代末在美国使用的减毒株

Western Reserve(WR，标准株)

Copenhagen(哥本哈根)

Connaught实验室（加拿大）

附带一提

        痘苗病毒是唯一一个可以在生物安全等级2级(BSL-2)实验室操纵的痘病毒。而其他的痘病毒生物安全等级至少为3级(BSL-3)，天花病毒(VARV，代表毒株为India-1967/Ind3，DNA长度为185578个碱基对)为4级(BSL-4)。

生物工程

        由于痘苗病毒的基因组很大，非必需基因占总基因数的比例很大，因此痘苗病毒可以被生物工程改造成基因载体。但是，基因重组成功率不高，再加上痘病毒复制时会导致细胞裂解，因此痘苗病毒载体应用率不高。

        杜鹃：下期介绍的病毒是另一种痘病毒——口疮病毒(Orf Virus)。