義守大學 生物科技系 王瑜琦 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 1. 義守大學 生物科技系 王瑜琦 單元三 認識病毒 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 2.

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1 義守大學 生物科技系 王瑜琦 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 1

2 義守大學 生物科技系 王瑜琦 單元三 認識病毒 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 2

3 內容 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 發現病毒 病毒的分類與命名 病毒的大小與構造 病毒的生活史 病毒的培養 病毒與人類的關係 3

4 一、發現病毒 ~1 1883 年德國科學家梅耶 (Mayer) 研究菸草鑲 嵌病的病原體 煙草鑲嵌病 Tobacco mosaic disease – 阻礙植物的生長 – 葉子上出現斑點 會藉植物汁液傳染 顯微鏡下未發現病原 ~ 可能是很小的細菌 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 4 (Photo Credit: Wikimedia Commons) 發現病毒

5 發現病毒 ~2 1892 俄國伊凡諾夫斯基 Ivanowsky – 此致病原可通過陶瓷過濾器 – 認為是細菌毒素 – 「濾過性病毒」 ( 現今簡稱 病毒 ) – 被稱為病毒學之父 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 5 發現病毒 (Photo Credit: Wikimedia Commons)

6 發現病毒 ~3 1897 荷蘭貝傑林克 Beijerinck – 重複伊凡諾夫斯基實驗 – 發現是新的感染性物質 – 會複製（不是細菌毒素） – 只能在活細胞中增殖 1935 美國史坦利 stanley – 製得菸草鑲嵌病毒 (TMV) 的結晶 (Photo Credit: Wikimedia Commons) 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 6 發現病毒

7 甚麼是病毒 (virus)? 病毒是可過濾的微生物 病毒是細胞內絕對寄生物 病毒的基因組可能是 DNA 或 RNA 病毒的成分是組裝而來而非經分裂生長而來 病毒介於生物於非生物之間 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 7 發現病毒

8 牛刀小試 (1) ~ 發現病毒 最早被發現的病毒是哪一種病毒？ 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 8

9 二、病毒的分類與命名 結構：大小、型態、核酸 小 RNA 病毒 picornaviruses 冠狀病毒 疾病：疱疹病毒、肝炎病毒 宿主細胞：動物、植物、細菌 傳染途徑：呼腸孤病毒、蟲媒病毒 組織或器官：腺病毒、腸病毒 地名：西尼羅病毒、漢他病毒、伊波拉病毒 複製方式：反轉錄病毒 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 9 病毒的分類命名 (Photo Credit: CDC/Dr. Fred Murphy)

10 病毒多以奈米為測量單位，約介於 20~300nm http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%2013/size.html 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 10 三、病毒的大小與構造 大腸桿菌 紅血球 天花病毒 菸草鑲嵌病毒 噬菌體 脊髓灰質炎病毒 病毒的大小與構造

11 病毒的構造 核心 viral genomes – 由核酸組成（ DNA 或 RNA ） 單股 DNA(ssDNA) 、雙股 DNA(dsDNA) 單股 RNA(ssRNA) 、雙股 RNA(dsRNA) 外殼 capsid – 由蛋白質殼粒構成 外套膜 envelope 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 11 外殼 核心 外殼 核心 外套膜外套膜 有些動物病毒還具有 一種輔助構造「病毒 外套膜」。這個套膜 由磷脂質＋蛋白質＋ 病毒的醣蛋白所組成。 www.51.fosu.edu.cn 病毒的大小與構造

12 資料來源： Campbell, N. A. 1993. Biology. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., p. 346. 12 螺旋狀 二十面體 複合型

13 病毒的核心區 ( 基因組 ) 病毒均含有核酸 (DNA 或 RNA) 核酸為單股或雙股 核酸型態為直鏈或環狀 直鏈的核酸數量為一條或兩條或多條 含有製造病毒複製所需蛋白質的基因 也含有修改宿主細胞以利病毒複製所需酵素 的基因 為病毒的分類 重要依據 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 13 病毒的大小與構造

14 DNA 病毒 具外套膜裸露蛋白殼 皰疹病毒 多瘤性病毒 乳頭瘤病毒 腺病毒 痘病毒 肝 DNA 病毒 細小病毒 巨細胞病毒 腺病毒 雙股 DNA 單股 DNA 病毒的大小與構造

15 RNA 病毒 小 RNA 病毒 杯狀病毒 諾克病毒 披膜病毒 黃病毒 冠狀病毒 彈狀病毒 正黏液病毒 副黏液病毒 布尼亞病毒 沙狀病毒 呼腸病毒 反轉錄病毒 +RNA -RNA +\- RNA +RNA via DNA E E 雙蛋白殼 NE 單股 雙股單股 裸殼 具套膜 流行性感冒病毒 : 正黏液病毒科 麻疹病毒 : 副黏液病毒科 漢他病毒 : 布尼亞病毒科 腸病毒、小兒麻痺病毒 : 小 RNA 病毒科 AIDS 病毒 : 反轉錄病毒科 狂犬病病毒 : 彈狀病毒科 日本腦炎 、登革熱病毒 : 黃病毒科 SARS 病毒 : 冠狀病毒科 病毒的大小與構造

16 ssRNA

17 RNA 病毒 流氓和阿西牽愛犬小笨狗登山得 SARS 。流 （流行性感冒病毒）氓（麻疹病毒）和（漢 他病毒）阿（ A 型肝炎病毒）西（ C 型肝炎 病毒）牽（腸病毒）愛（ AIDS 病毒）犬（狂 犬病病毒）小（小兒麻痺病毒）笨（日本腦 炎病毒）狗（口蹄疫病毒）登（登革熱病毒） 山（腮腺炎病毒）得 SARS （ SARS ） 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 17 http://www.mingdao.edu.tw/biological/jeffery/virus.pdf 病毒的大小與構造

18 牛刀小試 (2) ~ 病毒命名、大小與構造 病毒的分類依據有那些？ 圖中病毒各構造的名稱分別是甚麼 ? 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 18

19 四、病毒的生活史 病毒具有特定的寄主 – 每種病毒各有其一定的寄主範圍 – 每種病毒只能寄生在某些特定的細胞 – 病毒須與寄主細胞上的特定受器結合才能造成感染 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 19 （圖片來源： USA NIHAID ） 病毒的生活史

20 四、病毒的生活史五階段 附著：首先要附著在宿主細胞表面。。 穿透：動物病毒藉胞飲作用侵入宿主細胞；植物病毒 藉傷口侵入植物體內。噬菌體直接將核酸注入細菌體 內，蛋白質外殼則留在細菌表面。 合成：利用宿主細胞的成分與酵素，開始依照病毒的 遺傳訊息合成病毒本身的核酸及蛋白質。 組合：病毒的核酸與蛋白質外殼組合成完整的新病毒。 釋放：大多數病毒增殖後會分解宿主的細胞膜，少數 具有被膜的病毒藉出芽方式離開宿主細胞。 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 20 病毒的生活史

21 噬菌體的生活史 資料來源： Solomon, E. P. and L. R. Berg. 1995. The World of Biology. Saunders College Publishing, p. 379. 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 21 病毒的生活史

22 22 病毒的生活史 http://highered.mcgr aw- hill.com/sites/00725 56781/student_view 0/chapter17/animati on_quiz_1.html http://highered.mcgr aw- hill.com/sites/00725 56781/student_view 0/chapter17/animati on_quiz_1.html From MacGrawHill

23 動物病毒的生活史 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 23 http://www.pnas.org/content/102/27/9469/F1.expansion.html 病毒的生活史

24 24 病毒的生活史 http://highered.mcgra w- hill.com/sites/0072556 781/student_view0/ch apter18/animation_qui z_1.htmlhttp://highered.mcgra w- hill.com/sites/0072556 781/student_view0/ch apter18/animation_qui z_1.html From McGrawHill

25 病毒的增殖曲線 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 25 隱蔽期就像日蝕 一樣，在病毒組 合後會有新的病 毒微粒出現。 潛伏期則是指細 胞外感染性病毒 未被檢驗出的期 間，包括隱蔽期 和最終病毒的釋 出。 病毒的生活史

26 牛刀小試 (3) ~ 病毒生活史 病毒生活史的五個階段是甚麼 ? 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 26

27 五、病毒的培養 病毒是絕對寄生，要研究病毒，就必須提 供宿主細胞，使病毒進行感染、複製，才 能培養出病毒進行研究。 噬菌體：培養於長滿細菌的固體培養基上 動物病毒 – 動物接種法：直接感染於實驗動物 – 雞胚培養法 受精 11~12 天的雞胚作為活細胞來源 – 細胞培養法 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 27 病毒的培養

28 噬菌體會將長在培養基上的細菌溶解形成 溶菌斑 (plaque) 溶菌斑的數量以 pfu/ml 表示 (pfu: plaque forming unit) 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 28 噬菌體的培養 噬菌體液稀釋 100000 倍, 取 0.1ml 與細菌培養一與培養基 混和後，到入培養皿進行培養, 之後形成 32 個溶菌斑  原噬菌體液的濃度相當於  32x10X100000= 3.2 X 10 7 cfu/ml 溶菌斑分析影片 : http://www.youtube.com/watch?v=UU6dkmIEYrs http://www.youtube.com/watch?v=UU6dkmIEYrs 病毒的培養 (Photo Credit: Wikimedia Commons)

29 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 29 以雞胚蛋培養流感疫苗影片 : http://www.youtube.com/watch?v=vnPC4IigMxYhttp://www.youtube.com/watch?v=vnPC4IigMxY 以細胞培養生產流感疫苗動畫 : http://www.youtube.com/watch?v=XeG2C1o2mVg&NR=1 http://www.youtube.com/watch?v=XeG2C1o2mVg&NR=1 動物病毒 ~ 雞胚培養法 病毒的培養

30 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 30 尿囊腔接種（ allantoic cavity inoculation ） 卵黃囊接種法（ yolk-sac inoculation ） http://openinfo.npust.edu.tw/agriculture/npus12/ bb/ch11/agr2ch11b.pdf 雞胚培養法

31 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 31 病毒的培養法 — 細胞培養法 http://www.medscape.com/content/2004/00/47/13/471342/art-eid471342.fig1.gif 細胞培養分析流感病毒數量影片 (7:47) http://www.youtube.com/watch?v=QThpXUHjcZM http://www.youtube.com/watch?v=QThpXUHjcZM 動物細胞株 正常細胞株及遭受病毒感染之後產生的細胞病理現象 CPE 病毒的培養

32 牛刀小試 (4) ~ 病毒的培養 甚麼是溶菌斑 ? 動物病毒有哪些培養方式 ? 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 32

33 六、病毒與人類的關係  病毒感染人類細胞  造成疾病  病毒的致病機制 1. 抑制寄主細胞生理 2. 耗盡寄主細胞成分 3. 改變細胞膜結構 4. 破壞溶體酵素 5. 造成寄主細胞死亡 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 33 病毒與人類的關係

34 六、病毒與人類的關係  病毒與癌症  引起癌症的病毒稱為「腫瘤病毒」 (Tumor virus)  反轉錄病毒 retrovirus  第一型人類 T 細胞白血病病毒（ HTLV-1 ）  成人急性 T 細胞淋 巴性白血病（ ATLL ）  疱疹病毒 herpesvirus  EB 病毒 (EBV)  鼻咽癌  乳突狀多瘤空泡病毒 papovavirus  人類乳突病毒 (HPV)  子宮頸癌  肝 DNA 病毒 Hepadnavirus  B 型肝炎病毒 (HBV)  肝癌  病毒藉由病毒核酸嵌入寄主細胞 DNA 使正常細胞 轉型為癌細胞 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 34 病毒與人類的關係

35  歷史上的病毒瘟疫 ~1 1350 BC Egyptian-Hittite War www.touregypt.net/ featurestories/hittite3.jpg 埃及俘虜將天花傳 給西台人  西台王國消失 Ramses V (1150-1145-B.C.) 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 35 病毒與人類的關係

36  歷史上的病毒瘟疫 ~2 430 B.C. 雅典 (500 萬人死亡 ) ( 傷寒, 天花 ?) 165 羅馬安東大瘟疫 (500 萬人死亡 ) 1520 西班牙征服南美 (1700 多萬人死亡 )  – 天花、麻疹 + 傷寒 1556 歐洲 (2500 多萬人死亡 )  流感 1775 北美洲 (3 多萬人死亡 )  天花 1918 全球 ( 西班牙流感 ) (2500 萬人死亡 ) 1957 全球 ( 亞洲流感 ) (100 萬人死亡 ) 1968 全球 ( 香港流感 ) (75 萬人死亡 ) 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 36 病毒與人類的關係

37  歷史上的病毒瘟疫 ~3 1981~ : 全球 愛滋病 (>6400 萬人感染 ) – 20 世紀黑死病 1976~: 伊波拉出血熱 – 致死率高 2004~: 亞洲禽流感 2003: 全球 SARS 779 人死亡 2009: new H1N1 flu 14142 人死亡 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 37 Pandemic Influenza: The Inside Story. Nicholls H, PLoS Biology Vol. 4/2/2006, e50 http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0040050http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0040050 流感期間 Camp Funston 的緊急軍事醫院。 病毒與人類的關係

38  皇帝與天花 英國女皇瑪莉二世 (1662-1694 A.D.) 32 歲 法王路易十五 (1715-1774 A.D.) 59 歲 俄國沙皇彼德二世 (1772-1814 A.D.) 42 歲 清世祖順治 (1638-1661 A.D.) 24 歲 清聖祖康熙 ( 孝莊皇太后認為他得過天花有免疫， 所以立他為帝？ ) 清穆宗同治 (1856-1875 A.D.) 19 歲 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 38 病毒與人類的關係

39  病毒的應用 ~1 昆蟲桿狀病毒  病蟲害防 治利器 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 39 桿狀病毒的應用 http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_I NDEX/Journal/EJ0001/9811/9811- 04.pdf http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_I NDEX/Journal/EJ0001/9811/9811- 04.pdf 病毒與人類的關係

40 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 40  病毒的應用 ~2 用腺病毒載體 進行基因治療。 使用腺病毒的 新基因插入細 胞。如果治療 是成功的，新 的基因，將產 生功能性蛋白 來治療疾病。 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Gene_therapy.jpg 病毒與人類的關係

41 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 41  病毒的應用 ~3 噬菌體用於治療細菌性疾病  噬菌體活體治療：使用純化後的噬菌體，以注射 或直接塗抹的方式進行治療。 1919 年  治療菌血症 1934 年  噬菌體療法抗腸球菌感染的成功率可達 80%  治療金黃色葡萄菌、綠膿桿菌、肺炎桿菌及 大腸桿菌的成功率可達 90%  噬菌體溶素治療：噬菌體離開細菌時，會製造出 溶素 (lysin) 來分解細菌細胞壁，分離這種酵素並注 入細菌，會使細胞壁穿孔並造成細菌立即死亡 病毒與人類的關係

42 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 42  病毒的應用 ~4 噬菌體用於蛋白質展示  成為研究蛋白質之間、蛋白質與胜肽之間以及蛋 白質與 DNA 之間交互作用的方法  將目標蛋白或任意胜肽連接於噬菌體的外套蛋白 (coat protein) 上，使得此外源蛋白質得以融合蛋 白方式呈現於噬菌體表面  現還可被用來進行單株抗體的生產，使噬菌體呈 現抗體變異區，大量生產只具抗原結合區的抗體。 病毒與人類的關係

43 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 43 篩選與特定目標物有高親和性且表現於噬菌體的蛋白之方法 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Phage_display_protocol.png

44  病毒人類學 利用病毒探索人類的遷移史 – 以世界各地所採得的 HPV16 病毒基因序列研究， 發現了與人類宿主相同的遷徙過程，顯示當初 人類祖先遠離非洲時即帶著 HPV 而散佈各地 – JC 病毒 基因序列分型 五種亞型 —( 歐洲、北非、西亞、非洲、亞洲 ) 利用病毒基因研究南島人種起源 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 44 病毒與人類的關係

45 牛刀小試 (5) ~ 病毒與人類的關係 那些病毒與癌症有關係？ 病毒的應用有哪些？ 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 45

46 認識病毒 微生物與人類的戰爭 ~ 義守大學王瑜琦 46 總結

47 延伸閱讀 病毒與人 --- 從 SARS 的流行談起 病毒與人 --- 從 SARS 的流行談起 戰勝變化多端的病毒

48 影片觀賞 -1 The Influenza Virus (2:08) 流感病毒 http://www.youtube.com/watch?v=01qwLckBLSM http://www.youtube.com/watch?v=01qwLckBLSM Beauty of Nature – Viruses (2:33) 自然的美麗 病毒 http://www.youtube.com/watch?v=A409yO-G1Mk&NR=1 http://www.youtube.com/watch?v=A409yO-G1Mk&NR=1 Virus (1:04) 病毒 http://www.youtube.com/watch?v=7iVm1uEIyP0&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=7iVm1uEIyP0&feature=related How Flu Viruses Attack National Geographic (3:48) 流感病毒 如何攻擊 ( 國家地理雜誌 ) http://www.youtube.com/watch?v=TVLo2CtB3GA&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=TVLo2CtB3GA&feature=related Virus Crisis (3:49) 病毒危機 http://www.youtube.com/watch?v=91b3MCAlYSI&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=91b3MCAlYSI&feature=related

49 影片觀賞 -2 Phage life cycle (2:17) 噬菌體生活史 http://www.youtube.com/watch?v=gU8XeqI7yts http://www.youtube.com/watch?v=gU8XeqI7yts VIRUS causing diseases (9:10) 病毒引起疾病 http://www.youtube.com/watch?v=e9YclUmsSWM http://www.youtube.com/watch?v=e9YclUmsSWM Smallpox-what do you know? (4:22) 天花病毒 http://www.youtube.com/watch?v=fEQFnhM6SRA http://www.youtube.com/watch?v=fEQFnhM6SRA embryo culture (5:09) 利用胚胎培養病毒 http://www.youtube.com/watch?v=asnwl4tQq9M http://www.youtube.com/watch?v=asnwl4tQq9M Cytopathic Effect: Herpes simplex virus 1 infected cells (0:10) 細胞病理變化 : 單純疱疹病毒感染細胞 http://www.youtube.com/watch?v=lwRX53Y6pAg http://www.youtube.com/watch?v=lwRX53Y6pAg A flu virus infection animation 流感病毒感染動畫 http://clearlyexplained.com/culture/health/infections/viruses/anim.html http://clearlyexplained.com/culture/health/infections/viruses/anim.html Antivirus (3:20) 抗病毒研究 http://www.xvivo.net/zirus- antivirotics-condensed/ http://www.xvivo.net/zirus- antivirotics-condensed/