微生物免疫學 - 病毒學基礎與複製

病毒學通論

病毒是細胞內寄生生物，其複製高度依賴宿主細胞的機制。

病毒複製週期

• 基本步驟：吸附 (adsorption) → 穿入 (penetration) → 去殼 (uncoating) → 生物合成 (biosynthesis) → 組裝 (assembly) → 釋放 (release)。
• 吸附機制：病毒利用其表面結構（通常是醣蛋白，位於套膜或衣殼表面）與宿主細胞表面特定受體 (receptor) 結合。此結合的特異性決定了病毒的宿主特異性和組織嗜性。
  • 共同受體 (Common Receptors)：某些病毒可能共用相同的宿主細胞受體。
    • 例如，人類腺病毒 (Adenovirus) 和 B型克沙奇病毒 (Coxsackievirus B) 都使用克沙奇腺病毒受器 (Coxsackievirus and Adenovirus Receptor, CAR)。
    • CAR 是一種跨膜蛋白，主要存在於心肌細胞、胰臟細胞和上皮細胞等，這解釋了為何這兩種病毒都可能引起心肌炎或胰臟炎。
  • 病毒共用受體是常見現象，影響病毒的組織嗜性和致病性。
• 穿入機制：
  • 有套膜病毒：多透過與細胞膜融合 (fusion) 入侵細胞 (例如：麻疹病毒；HIV 則透過其表面蛋白 gp120 與宿主細胞表面的 CD4 受體 結合，再與共同受體 CCR5/CXCR4 結合後融合)。
  • 無套膜病毒：多透過受體介導的內吞作用 (receptor-mediated endocytosis) 入侵細胞 (例如：腺病毒)。
• 釋放機制：
  • 有套膜病毒：多透過從宿主細胞膜出芽 (budding) 釋放，過程中獲得套膜，通常不會直接造成細胞溶解。
  • 無套膜病毒：多透過細胞溶解 (lysis) 釋放。
• 生物合成階段：病毒複製的核心，包含病毒基因體複製與病毒蛋白合成。
  • 基因體複製與蛋白合成順序：
    • 病毒先利用宿主細胞機制複製基因體。
    • 合成非結構蛋白 (如複製酶) 協助基因體複製。
    • 隨後合成結構蛋白 (構成新病毒顆粒)。
    • 基因體複製通常在結構蛋白合成之前或同時進行。
  • 基因體複製特性：
    • DNA 病毒：多利用宿主或自帶的 DNA 聚合酶，具校對功能 (proofreading activity)，複製錯誤率較低。
    • RNA 病毒：多利用 RNA 依賴性 RNA 聚合酶 (RdRp)，缺乏校對功能，複製錯誤率較高，易發生突變 (例如：流感病毒)。RdRp 負責複製病毒基因組，因此大多數 RNA 病毒不需宿主細胞的 DNA 或 RNA 聚合酶。然而，病毒蛋白質合成仍需依賴宿主細胞的核糖體、tRNA、胺基酸等。
    • 分段基因組 RNA 病毒 (如流感病毒、輪狀病毒、布尼亞病毒科、沙狀病毒科)：因基因組分段，易發生基因重組 (reassortment)。
  • RNA 合成：所有病毒 (無論 DNA 病毒或 RNA 病毒) 在複製過程中皆需合成 mRNA (信使 RNA) 來指導蛋白質合成。
  • 複製增長模式：呈指數級 (exponential) 增加。
  • 複製位置：
    • DNA 病毒：通常在細胞核中複製。
      • 例外：痘病毒 (Poxvirus) 在細胞質中複製，因其擁有完整複製酶系統 (包含DNA 聚合酶和RNA 聚合酶)，不需依賴宿主細胞核內酶。
    • RNA 病毒：
      • 大多數 (包括正股和負股 RNA 病毒) 在細胞質中複製 (例如：腸病毒、布尼亞病毒科)。
      • 少數 (例如：流感病毒、反轉錄病毒的DNA整合與轉錄階段) 在細胞核中複製。

病毒基因體類型

• 病毒基因體形式多樣，包括 單股DNA、雙股DNA、單股RNA 和 雙股RNA。
• 單股 RNA 病毒：
  • 正股 RNA (Positive-sense RNA)：可直接作為 mRNA 翻譯蛋白質。
  • 負股 RNA (Negative-sense RNA)：需先轉錄成正股 RNA 才能翻譯蛋白質。
  • 雙義 RNA (Ambisense RNA)：同一條 RNA 鏈上，部分區域為正股，部分區域為負股。
    • 需兩種不同轉錄方向才能完整表現所有基因。
    • 見於沙狀病毒科 (Arenaviridae) 和布尼亞病毒科 (Bunyaviridae) 的某些成員。

套膜 (Envelope) 來源

• 許多有套膜病毒的套膜，是從宿主細胞的細胞膜、核膜或內質網膜****出芽 (budding) 獲得。
• 由於套膜為脂質膜，有套膜病毒對環境（如乾燥、清潔劑、胃酸）較為敏感，抗性較低。

隱蝕期 (Eclipse Period)

• 定義：病毒感染細胞後，病毒顆粒失去感染性，無法在細胞外被檢測到的時期。
• 原因：病毒正在細胞內進行去殼、基因體複製和蛋白合成，尚未組裝成完整的、具感染性的新病毒顆粒。
• 臨床意義：在隱蝕期無法測到感染性病毒。

病毒感染的細胞效應 (Cytopathic Effect, CPE)

• 定義：病毒感染細胞後引起的細胞形態學改變，包括細胞形態改變、細胞融合、包涵體形成等。
• 包涵體 (Inclusion Body)：
  • 定義：病毒在細胞內複製時，病毒顆粒或病毒蛋白聚集形成的結構，在光學顯微鏡下可見。其位置和形態對病毒診斷具重要意義。
  • 常見類型：
    • Cowdry type A inclusion body：細胞核內，周圍有透明暈。特徵性見於單純疱疹病毒 (HSV)、水痘帶狀疱疹病毒 (VZV) 等疱疹病毒感染。
    • 腺病毒：形成特徵性的核內包涵體 (intranuclear inclusion bodies)，通常是病毒顆粒和細胞碎片的聚集。
    • Negri body (內格里小體)：細胞質內。特徵性見於狂犬病毒 (Rabies virus) 感染。
• 細胞融合 (Syncytia)：
  • 定義：多個細胞膜融合在一起，形成含有多個細胞核的多核巨細胞 (multinucleated giant cell) 的現象。這通常是許多具有融合蛋白 (fusion protein) 的有套膜病毒 (enveloped virus) 在感染細胞後，促使受感染細胞與周圍未受感染細胞膜融合所致。
  • 相關病毒：
    • 麻疹病毒 (measles virus)
    • 呼吸道融合病毒 (respiratory syncytial virus, RSV)
    • 人類免疫缺陷病毒 (HIV)：其套膜上的融合蛋白 (gp120/gp41) 會導致感染 T 細胞後形成合胞體。
    • 單純疱疹病毒 (herpes simplex virus, HSV)

基因變異與突變

突變類型

• 基因突變 (gene mutation)：指 DNA 序列的改變。
• 點突變 (point mutation)：指 DNA 序列中單一核苷酸的改變。
  • 無意義突變 (nonsense mutation)：點突變導致編碼胺基酸的密碼子 (codon) 變為停止密碼子 (UAA, UAG, UGA)。結果是蛋白質合成提前終止，產生截短且通常無功能的蛋白質。
  • 錯義突變 (missense mutation)：點突變導致密碼子編碼了不同的胺基酸，可能改變蛋白質的功能。
  • 緘默突變 (silent mutation)：點突變導致密碼子改變，但由於密碼子的簡併性 (degeneracy)，仍編碼相同的胺基酸，因此蛋白質序列不變。
  • 無效突變 (null mutation)：通常指導致基因功能完全喪失的突變，不特指某種突變類型，但無意義突變常導致無效突變。

特定病毒介紹

肝炎病毒分類與特性

• 肝炎病毒的分類、傳播途徑、致病機轉和預防方式各異，是國考常考重點。

痘病毒科 (Poxviridae)

• 病毒類型：最大且最複雜的 DNA 病毒之一。
• 複製位置：在細胞質中完成整個複製週期。
• 複製特性：擁有完整複製酶系統 (包含DNA 聚合酶和RNA 聚合酶)，不需依賴宿主細胞核內酶。
• 重要成員與疾病：
  • 天花病毒 (Variola virus)：導致天花，已透過全球疫苗接種計畫成功撲滅。
  • 牛痘病毒 (Vaccinia virus)：用於天花疫苗，是一種與天花病毒相關但致病性較低的痘科病毒。

微小病毒 B19 (Parvovirus B19)

• 病毒類型：唯一已知感染人類的微小病毒。屬於小型、無套膜的DNA病毒。
• 基因組：線型單股 DNA 病毒 (linear single-stranded DNA virus)。是所有已知 DNA 病毒中唯一具有單股 DNA 基因體的病毒家族。
• 細胞趨向性：對正在分裂的紅血球先驅細胞 (erythroid precursor cells) 具高度親和性。
• 複製特性：病毒本身不帶有 DNA 聚合酶，因此必須依賴宿主細胞的 DNA 聚合酶進行複製，這意味著它們只能在正在分裂或生長的細胞中複製。
• 致病機轉：感染並在紅血球先驅細胞中複製，導致細胞溶解，引起紅血球生成停止。
  • 健康人：通常無明顯症狀。
  • 慢性溶血性疾病患者 (如：鐮刀型貧血、地中海貧血等)：可能導致再生障礙性危象 (aplastic crisis)。
  • 免疫功能低下者 (如：愛滋病患者、器官移植患者)：可導致慢性貧血。
• 臨床表現：
  • 兒童：常引起傳染性紅斑 (erythema infectiosum)，俗稱「第五病」。
  • 特徵：臉頰出現「打耳光樣」或「巴掌臉」紅疹。

腺病毒 (Adenovirus)

• 病毒類型：無套膜的雙股DNA病毒。
• 細胞趨向性與感染部位：主要感染上皮細胞，引起呼吸道、眼部、胃腸道等感染。
• 複製位置：在細胞核內進行複製。
• 致病機轉與腫瘤抑制蛋白：
  • E1A和E1B蛋白質會與宿主細胞的腫瘤抑制蛋白 (pRb, p53) 結合，干擾其功能。
  • 注意：E6和E7是人類乳突病毒 (HPV) 的致癌蛋白，與腺病毒不同。

B型肝炎病毒 (Hepatitis B virus, HBV)

• 病毒類型：屬於肝 DNA 病毒科 (Hepadnaviridae)，是一種有套膜的部分雙股 DNA 病毒。
• 複製特性：其複製週期涉及反轉錄酶 (reverse transcriptase) 將 RNA 中間體轉錄回 DNA，是 DNA 病毒中獨特的複製策略。
• 套膜來源：主要來自宿主細胞的內質網膜。

C型肝炎病毒 (Hepatitis C virus, HCV)

• 病毒類型：屬於黃病毒科 (Flaviviridae)，是一種有套膜的正股單鏈 RNA 病毒。

D型肝炎病毒 (Hepatitis D virus, HDV)

• 病毒類型：屬於類病毒科 (Deltaviridae)，是一種有套膜的單鏈 RNA 病毒。
• 缺陷病毒：HDV 是一種缺陷病毒，其複製和組裝需要B 型肝炎病毒 (HBV) 的幫助，特別是需要 HBV 的表面抗原 (HBsAg) 來形成其套膜。

黃熱病毒 (Yellow Fever Virus, YFV)

• 病毒類型：屬於黃病毒科 (Flaviviridae)，是一種有套膜的正股單鏈 RNA 病毒。
• 傳播途徑：主要透過蚊子傳播。

流感病毒 (Influenza Virus)

• 病毒類型：有套膜 RNA 病毒。
• 複製位置：在細胞核中複製。
• 環境耐受性：對環境耐受性較差。
• 變異性：因 RNA 依賴性 RNA 聚合酶 (RdRp) 缺乏校對功能，易發生突變。

布尼亞病毒科 (Bunyaviridae)

• 病毒類型：有套膜 RNA 病毒。
• 基因組：由分段 RNA 組成 (通常三段)。可為負股 RNA 或雙義 RNA。
• 複製位置：在細胞質中複製。
• 傳播途徑：
  • 大多數透過節肢動物 (arthropod) 傳播 (如蚊子、蜱蟲)。
  • 漢他病毒 (Hantavirus)：
    • 屬於布尼亞病毒科。
    • 主要傳播媒介為齧齒類動物 (rodents)，透過吸入帶有病毒的排泄物氣溶膠傳播。
    • 通常不會人傳人。
  • 臨床表現 (漢他病毒)：
    • 漢他病毒出血熱伴腎症候群 (HFRS)。
    • 漢他病毒肺症候群 (HPS)。

沙狀病毒科 (Arenaviridae)

• 病毒類型：有套膜 RNA 病毒。
• 基因組：由分段雙義 RNA 組成 (通常兩段)。
• 傳播途徑：主要透過齧齒類動物傳播。
• 臨床表現：可引起出血熱 (如拉薩熱)。

反轉錄病毒科 (Retroviridae)

• 病毒特性：
  • 有套膜 RNA 病毒。
  • 含有反轉錄酶 (reverse transcriptase)，能將其 RNA 基因組 反轉錄成 DNA。
  • 病毒 DNA 會整合到宿主細胞基因組中。
• 主要亞科：
  • 腫瘤病毒亞科 (Oncovirinae)：引起腫瘤，例如人類T淋巴球病毒 (HTLV-1, HTLV-2)。
  • 慢病毒亞科 (Lentivirinae)：引起慢性、進展性疾病，例如人類免疫缺陷病毒 (HIV-1, HIV-2)。
  • 泡沫病毒亞科 (Spumavirinae)：感染後通常無明顯疾病，但在細胞培養中產生泡沫狀細胞病變效應。

人類免疫缺陷病毒 (HIV)

• 病毒類型：屬於反轉錄病毒科的慢病毒亞科。有套膜 RNA 病毒。
• 基因組結構與功能：
  • gag 基因：編碼病毒的結構蛋白，如p24 (核心蛋白, capsid protein) 和 p17 (基質蛋白, matrix protein)。
  • pol 基因：編碼病毒複製所需的酶，包括反轉錄酶 (reverse transcriptase)、蛋白酶 (protease) 和嵌入酶 (integrase)。
  • env 基因：編碼病毒的包膜糖蛋白，如gp120 (表面糖蛋白) 和gp41 (跨膜糖蛋白)。
• 病毒結構與感染機制：
  • 套膜蛋白：
    • 由前驅蛋白 gp160 裂解而成，共同組成 HIV 的套膜刺突 (envelope spike)。
    • 表面糖蛋白 gp120：負責與宿主細胞表面的 CD4 受體 結合，再與共同受體 (如CCR5或CXCR4) 結合，是病毒進入細胞的第一步。病毒株依據偏好結合的共同受體，可分為嗜T細胞型 (T-tropic) (主要結合CXCR4) 或嗜巨噬細胞型 (M-tropic) (主要結合CCR5)。
    • 跨膜糖蛋白 gp41：介導病毒套膜與宿主細胞膜的融合，使病毒基因組進入細胞。
    • gp21：非主要套膜蛋白。
  • 核心蛋白：
    • p55 為 Gag 前驅蛋白，會被病毒蛋白酶裂解成：
      • p24 (核心蛋白, capsid protein)。
      • p17 (基質蛋白, matrix protein)。
  • 其他蛋白：
    • p66：反轉錄酶 (reverse transcriptase) 的一個亞基。
• 主要感染對象：表達 CD4 受體 的免疫細胞。
  • CD4 T 細胞：最主要目標，導致免疫功能嚴重受損。
  • 巨噬細胞 (macrophage)、樹突細胞 (dendritic cells)：亦為感染對象，在病毒傳播和儲存中扮演重要角色。
  • 嗜中性白血球 (neutrophil)：不表達 CD4 受體，非主要感染對象。
• 複製週期特性：
  • 蛋白酶作用：病毒會先合成大型的多蛋白前驅物 (polyproteins)。這些前驅物必須被病毒蛋白酶 (protease) 切割成較小、具功能的病毒蛋白，才能組裝成成熟的病毒顆粒。
• 抗病毒藥物：
  • 疊氮胸苷 (Azidothymidine, AZT/Zidovudine)：
    • 藥物類型：核苷類反轉錄酶抑制劑 (NRTI)。
    • 作用機制：模擬胸苷 (thymidine)，被病毒的反轉錄酶誤用，摻入到病毒 DNA 鏈中，導致 DNA 鏈合成提前終止，從而抑制病毒複製。
    • 作用靶點：pol 基因產物——反轉錄酶。
  • 拉米夫定 (Lamivudine)：核苷酸類似物 (NRTI)，抑制 HIV 反轉錄酶。
  • 蛋白酶抑制劑：抑制病毒蛋白酶，阻斷病毒成熟，是抗反轉錄病毒藥物 (ART) 的重要策略。

小 RNA 病毒科 (Picornaviridae)

病毒特性

• 基因組：小型、無套膜、正股單鏈 RNA 病毒 (positive-sense single-stranded RNA virus)。
• 殼體：二十面體 (icosahedral capsid)。
• 環境耐受性：高 (因無套膜，能抵抗環境壓力)。

主要成員與臨床意義

• 主要成員：
  • A型肝炎病毒 (Hepatitis A virus, HAV)，屬於肝病毒屬 (Hepatovirus)。
  • 腸病毒 (Enterovirus)：包含：小兒麻痺病毒 (Poliovirus)、伊科病毒 (Echovirus)、克沙奇病毒 (Coxsackievirus)。
  • 鼻病毒 (Rhinovirus)：引起普通感冒的主要病原體。
• 腸病毒 (Enterovirus)：
  • 傳播途徑：主要經由糞口途徑。
  • 臨床表現：多數為輕症或無症狀；少數可引起嚴重疾病，例如：小兒麻痺病毒導致癱瘓。

冠狀病毒 (Coronavirus)

• 病毒類型：屬於冠狀病毒科 (Coronaviridae)。
• 基因組：大型、有套膜、正股單鏈 RNA 病毒。

呼腸病毒科 (Reoviridae)

• 病毒特性：
  • 無套膜。
  • 基因組：分段的雙股 RNA 病毒。
• 主要成員：
  • 輪狀病毒 (Rotavirus)：
    • 基因組：由多段 RNA (通常 11 段) 組成，易發生基因重組 (reassortment)。
    • 殼體：具三層衣殼 (triple-layered capsid)，對腸胃道環境耐受性高，能抵抗胃酸和膽汁。
    • 感染機制：進入腸道後，外層衣殼蛋白會被宿主腸道內的蛋白酶 (如胰蛋白酶) 降解，形成具感染力的中間亞病毒顆粒 (intermediate subviral particle, ISVP)，附著並進入腸道細胞。
  • 環狀病毒亞科 (Orbivirinae)。

JC 病毒 (JC Virus, JCV)

• 病毒類型：多瘤病毒 (Polyomavirus)。
• 在健康人體內通常潛伏感染。
• 在免疫功能低下者會再活化。
• 感染細胞：主要感染少突膠質細胞 (oligodendrocytes) 和星狀膠質細胞 (astrocytes)，這些均為神經膠狀細胞 (glial cells)。
• 致病性相關蛋白：
  • 早期基因產物：大T抗原 (large T antigen) 和小t抗原 (small t antigen)。
  • 大T抗原：
    • 是一種致癌蛋白 (oncoprotein)。
    • 病毒 DNA 複製、轉錄調控和細胞轉化的關鍵蛋白。
    • 結合並抑制宿主細胞的腫瘤抑制蛋白 p53 和 pRB (retinoblastoma protein, p105RB)。
    • 抑制 p53 功能，阻止細胞週期停滯或細胞凋亡 (apoptosis)，反而促進細胞增殖，有利於病毒複製。
  • 小t抗原：功能相對較不重要，通常與細胞生長調控有關。
• 臨床表現：JCV 再活化會導致進行性多灶性白質腦病 (Progressive Multifocal Leukoencephalopathy, PML)，這是一種致命性的脫髓鞘疾病。

病毒特性比較：小 RNA 病毒科 vs. 呼腸病毒科 (輪狀病毒) vs. 布尼亞病毒科

病毒特性比較：流感病毒 vs. 腸病毒

病毒特性比較：小 RNA 病毒科 vs. 冠狀病毒科

病毒分子診斷

聚合酶鏈式反應 (PCR)

• 聚合酶鏈式反應 (PCR)：直接擴增 DNA 序列的分子診斷技術。
• 反轉錄聚合酶鏈式反應 (RT-PCR)：
  • 用於檢測RNA 病毒。
  • 需先透過反轉錄作用將病毒 RNA 轉錄成互補 DNA (cDNA)，再進行 PCR 擴增。
• 直接 PCR 檢測 (不需反轉錄)：適用於DNA 病毒。
  • 範例：腺病毒 (Adenovirus) 因其基因組為雙股 DNA，可直接進行 PCR 檢測。
• RT-PCR 檢測 (需反轉錄)：適用於RNA 病毒。
  • 範例：流感病毒 (Influenza virus)、冠狀病毒 (Coronavirus)、呼吸道融合病毒 (Respiratory Syncytial Virus, RSV)。

普里昂 (Prion)

普里昂蛋白的兩種形式與特性

• 普里昂 (Prion)：由蛋白質構成的感染性顆粒，不含核酸。
• 兩種主要形式：
  • 細胞型普里昂蛋白 (PrPC)：
    • 正常細胞膜蛋白。
    • 結構以 α螺旋 為主。
    • 可溶於水，不易聚集。
  • 致病型普里昂蛋白 (PrPSc)：
    • 異常摺疊的普里昂蛋白。
    • 結構以 β摺疊 為主。
    • 不溶於水，具有高度抵抗性 (對蛋白酶、熱、消毒劑等)。
    • 能誘導 PrPC 轉變為 PrPSc，導致疾病。

普里昂疾病診斷：RT-QuIC

• RT-QuIC (real-time quaking-induced conversion)：
  • 高靈敏度的檢測方法。
  • 原理：利用檢體中的 PrPSc 作為「種子」(seed)。
  • 過程：誘導試管中加入的重組 PrPC 發生錯誤摺疊，並聚集成澱粉樣纖絲 (amyloid fibrils)。
  • 檢測：這些纖絲會結合螢光染料，產生可被即時監測到的螢光信號。
  • 目的：間接檢測出檢體中是否存在極微量的 PrPSc。

抗病毒藥物

雷巴威林 (Ribavirin)

• 藥物類型：廣效抗病毒藥物、核苷類似物 (nucleoside analog)。
• 作用機制：
  • 抑制次黃嘌呤單磷酸脫氫酶 (IMPDH)，減少鳥嘌呤核苷酸 (GTP) 合成。
  • 作為 RNA 聚合酶 底物，導致錯誤核苷酸摻入病毒 RNA 鏈中，引起「致死性誘變」 (lethal mutagenesis)。
• 臨床應用：主要用於治療C 型肝炎病毒 (HCV) 感染。

C 型肝炎病毒 (HCV) 直接作用抗病毒藥物 (DAAs)

• 針對病毒生命週期中的特定蛋白質。
  • 索華迪 (Sofosbuvir)：
    • 藥物類型：核苷酸類似物。
    • 作用機制：抑制 HCV NS5B RNA 聚合酶，阻止病毒 RNA 複製。
  • 波普瑞韋 (Boceprevir)：
    • 藥物類型：蛋白酶抑制劑 (protease inhibitor)。
    • 作用機制：抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶，干擾病毒蛋白質的裂解和成熟。

拉米夫定 (Lamivudine)

• 藥物類型：核苷酸類似物 (NRTI)。
• 作用機制：抑制 B 型肝炎病毒 (HBV) 和 人類免疫缺陷病毒 (HIV) 的反轉錄酶 (reverse transcriptase)。
• 臨床應用：治療 HBV 和 HIV 感染。

聚乙二醇干擾素 (Pegylated interferon)

• 藥物類型：免疫調節劑。
• 作用機制：誘導宿主細胞產生抗病毒蛋白，間接抑制病毒複製。
• 特性：非直接針對病毒聚合酶的抑制劑。