病毒結構的研究是結構生物學與病毒學交集的核心領域，現代 cryo-EM 與 cryo-ET（cryo-electron tomography）的革命性進步讓我們得以在近原子解析度理解病毒 assembly、入侵、成熟的動態。此領域的進展直接驅動了 antiviral drug、中和抗體、mRNA 與次單位疫苗的設計。
一、Capsid 架構的幾何理論
1956 年 Watson 與 Crick、Caspar 與 Klug 提出「quasi-equivalence 原則」：大量相同 subunit 可透過近似對稱形成封閉殼體（Caspar & Klug, 1962, CSH Symp Quant Biol）。Triangulation number T = h² + hk + k² 描述 icosahedral capsid 的複雜度，T=1（最簡，如 STMV）到 T=25（腺病毒）到 T=169（HSV-1）到 Mimivirus T=972 以上。Reovirus 為 T=13 與 T=1 雙層結構。Quasi-equivalence 也解釋了 why nature 選擇 icosahedron（對稱性最大，基因最省——只需少量獨特蛋白編碼）。
二、病毒進入的分子機制
- Class I fusion proteins（influenza HA, HIV gp41, SARS-CoV-2 S2, paramyxovirus F）：prefusion trimer → 受體結合/低 pH → fusion peptide 暴露 → 6-helix bundle 形成，推動膜融合。Bloom 組與 Kim 組對 HA stem 的經典研究揭示了 spring-loaded 機制（Bullough et al., 1994, Nature）。
- Class II（flavivirus E, alphavirus E1）：dimer → trimer 重排，pH trigger。
- Class III（VSV G, HSV gB）：混合特徵，reversible 折疊。
- Non-enveloped entry：picornavirus 135S particle 釋放 VP4，形成 pore；adenovirus 在 endosome 以 protein VI 膜破壞。
- Receptor-mediated events：poliovirus-CD155、rhinovirus-ICAM-1 的 canyon hypothesis（Rossmann, 1989）解釋深溝保存中和表位之外的 binding site。
三、Cryo-EM 革命與原子解析度
2012 年 direct electron detector（Falcon、K2）與 motion correction 演算法（MotionCor2）使得 single-particle cryo-EM 達到 <3 Å，2017 年 Dubochet、Frank、Henderson 獲諾貝爾化學獎。近期成果：
- SARS-CoV-2 spike：Wrapp et al. (2020, Science) 2P-stabilized prefusion trimer 3.5 Å，直接指導 Moderna、Pfizer mRNA 疫苗抗原設計
- Full HIV env trimer：Pancera et al. (2014, Nature) SOSIP.664 3.5 Å，支撐 bNAb 疫苗策略
- Influenza HA stem + bNAb：揭示 universal flu vaccine 的 conserved epitope
- Cryo-ET of virions in situ：直接觀察細胞內組裝、出芽、entry 中間態
四、Baltimore 分類的分子基礎
Baltimore (1971, Bacteriol Rev) 建立以 mRNA 為中心的分類：所有病毒的共同終點是 (+)mRNA 生產。此框架解釋了為何 (−)ssRNA 病毒必須攜帶 RNA-dependent RNA polymerase（RdRp）入細胞（宿主無此酶），而 (+)ssRNA 病毒的 genome 即可直接翻譯。RT 存在於 class VI（Retroviridae）與 class VII（Hepadnaviridae），但 replication 機制完全不同（HIV: RNA→DNA→ integration；HBV: pgRNA → DNA→ episome）。
五、病毒包裝與成熟
- Genome packaging：DNA phage 使用 ATP-driven terminase 泵入基因組至 capsid，壓力可達 60 atm（Smith et al., 2001, Nature）。
- Retrovirus maturation：HIV Gag polyprotein 組裝為 immature particle → protease 剪切 → CA 蛋白重排為 cone-shaped mature core（Briggs & Kräusslich, 2011, J Mol Biol）。protease inhibitor（saquinavir、lopinavir、darunavir）阻斷此過程。
- Influenza 八節段 packaging：以 bundle signal 精確納入每個節段一份，錯誤包裝會產生 defective interfering particles（Noda et al., 2012, Nat Commun）。
六、巨病毒與病毒定義挑戰
Mimivirus（2003, La Scola et al., Science）、Pithovirus（1.5 μm）、Pandoravirus、Mollivirus、Medusavirus 重新定義病毒尺寸上限，基因組可達 2.5 Mb，編碼部分 tRNA synthetase 與翻譯因子，挑戰「病毒無翻譯機」的經典認知。這類病毒被提議為第四域（TRUC hypothesis, Raoult）或反映古 cellular 退化論，目前演化起源仍有爭議。
七、朊病毒與亞病毒因子
Prion（Prusiner, 1982, Science; 1997 諾貝爾獎）為 PrPᶜ → PrPˢᶜ 構象變異傳染因子，無核酸。Viroids（circular naked RNA，感染植物）、satellite RNAs（delta agent 輔助 HBV）、defective interfering particles 共同拓寬了「infectious entity」的光譜。
八、結構導向的藥物與疫苗設計
- Prefusion stabilization：RSV F 2P/DS-Cav1（McLellan et al., 2013, Science）、SARS-CoV-2 S-2P（Hsieh et al., 2020, Science）成為現代 viral subunit vaccine 黃金範式。
- Computational epitope grafting：HIV bNAb 誘導用 engineered immunogens（eOD-GT8）已進入臨床試驗。
- Broad-spectrum capsid inhibitors：lenacapavir（HIV CA 抑制劑，2022 FDA 批准長效 HIV 治療），以 cryo-EM 結構指導開發。
- Nanoparticle 疫苗：ferritin、I53-50 等 self-assembling scaffolds 展示病毒抗原，proximate HA、S、env trimers，誘發 broad neutralization。
九、未解問題
- 病毒起源：ancient virus-world、reduction hypothesis、escape hypothesis 三派仍無共識
- 巨病毒的 evolutionary niche 與 NCLDV clade 的系統發育
- 封裝機制的通用性（是否存在跨 Baltimore 類別的 common assembly principle）
- In situ dynamics：單一活細胞內病毒組裝的時空動力學仍在解析早期