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H7N9禽流感病毒的早期生物学特征及进化趋势 精选

已有 2470 次阅读 2018-12-29 11:05 |个人分类:流感病毒研究综述|系统分类:观点评述


 备注:自2013年初H7N9禽流感病毒在中国长三角地区出现以来,已经历了5个流行周期。在长达6年的流行过程中,病毒的生物学特性已经发生很大变化。

从2017年夏天开始,中国对家禽(主要是鸡)进行大面积的H5/H7双价疫苗接种行动,随后的监测数据表明H7N9在家禽的感染率急剧下降,人感染病例也相应罕见。对于禽流感的防治,疫苗接种能够在一定时间内降低感染率和发病率,但带来的诸多问题也不可回避。因此,未来H7病毒进化仍需密切关注。

本文是笔者在2013年H7N9病毒第一波流行后,对其早期的生物学特性进行的简单综述,对病毒未来的3个进化趋势进行了预测,其中预测之一的高致病性H7N9病毒已经在2016年下半年出现

原文在2014年《江苏预防医学》以“H7N9禽流感病毒的生物学特征及进化趋势”之名发表。新瓶装旧酒,现立此存照。



【摘要】新出现H7N9亚型禽流感病毒对人类健康和公共卫生造成严重的威胁。本文就H7N9禽流感病毒的起源、分子特征、传播力和致病性等研究进展进行评述,并对病毒未来进化趋势作了分析。

【关键词】 流感病毒;H7N9亚型;生物学特征;进化

 

甲型流感病毒(Influenza A Virus)分类上属于正粘病毒科其主要特点是血清型复杂、宿主范围广和变异频繁。血凝素(Hemagglutinin, HA)和神经氨酸酶(Neuraminidase, NA)是病毒粒子两个重要的表面糖蛋白,根据它们的抗原性差异,甲型流感病毒可以分为不同的血清型。作为甲型流感病毒的主要自然储存宿主,在野生水禽中已经发现了16种HA亚型和9种NA亚型。2012年以来,Tong等在拉丁美洲的蝙蝠体内发现了2种新的流感病毒亚型[1],分别命名为H17N10和H18N11,这些工作不仅拓展了人们对甲型流感病毒自然宿主的认识,也对研究流感病毒的起源提供了新的思路。

  除了自然储存宿主,甲型流感病毒还可以感染人和其它多种动物(包括家禽、猪、马、犬、猫、海洋哺乳动物等),引起发病并形成稳定的宿主特异性病毒谱系。比如,感染人类的主要是H1N1、H2N2和H3N2亚型,感染陆生家禽(鸡、鹌鹑、鸽子等)主要是H5N1、H9N2、H5N2和H7N7。传统上认为,由于宿主限制性因素,禽流感病毒一般不容易跨种传播感染人。但自1997年香港H5N1亚型禽流感病毒感染人事件以来,人感染禽流感病毒的病例频繁发生,禽流感成为持续引人注目的重大公共卫生事件。目前有文献记载的可以感染人的禽流感病毒主要有H5、H9、H7和H10等亚型。

2013年春一种新的基因重配H7N9亚型禽流感病毒在中国的长三角地区出现,短时间内引起多人感染并造成严重疾病[2]。目前该病毒已经扩散到华中和华南地区,继续引发新的病例。H7N9亚型禽流感病毒对人类健康和公共卫生造成严重的威胁,相关的研究也成为学界热点。本文就H7N9禽流感病毒的起源、分子特征、传播力和致病性等研究进展进行评述,并对病毒未来进化趋势作了分析。

 

1.H7N9病毒的起源

在有限的禽流感病毒主动监测数据和基因进化分析的基础上,大体揭示了新出现的H7N9病毒的基因起源[3]。与所有甲型流感病毒一样,H7N9病毒的基因组是8个RNA节段,按照长度大小依次为PB2、PB1、PA、HA、NP、NA、M和NS。HA和NA节段是甲型流感病毒血清分型的分子基础,H7N9病毒的这两个节段(H7-HA和N9-NA)起源于禽流感病毒欧亚系;其中H7-HA基因与分离自2010-2013年间华东地区家鸭体内的H7N3病毒的HA基因遗传关系最近,N9-NA基因则与2010-2011年间从香港候鸟中分离的H11N9和H2N9的NA基因遗传关系最近。编码定位于囊膜内蛋白的6个基因节段(PB2、PB1、PA、NP、M和NS)全部来源于多年来流行于中国家禽中H9N2病毒。由于对东亚地区禽类(特别是野鸟和候鸟)中流感病毒进化和生态分布的监测很不完善,从时间和空间看,H7N9病毒HA和NA基因的精确起源和进化历程存在许多盲点。但H7N9病毒的进化轮廓基本上是清晰的,即HA和NA基因的最初起源于东亚候鸟中H7和N9亚型流感病毒,这些祖代病毒由候鸟通过迁徙活动传播给家养水禽(主要是鸭子),在鸭子体内完成几次基因交换后,进一步扩散传播到陆生家禽(鸡、鹌鹑、鸽子等),其中活禽市场在基因进化中扮演了重要角色。据推算,H7N9病毒的上述起源进化过程可能在2008-2012年已经完成[3]。

上世纪90年末以来,H9N2病毒一直是东亚地区禽流感病毒的一种优势亚型,其特点是变异迅速、基因型复杂。基因点突变积累和频繁的基因重配是H9N2病毒基因型复杂的主要内在动力。我们和其他研究者都发现[4],新的H7N9病毒继承了母源病毒H9N2病毒(提供6个内部基因)基因型复杂的特点。我们在对2013年分离的109株H7N9病毒(包括人、环境和家禽分离株)的基因组特征进行了分析,109株H7N9病毒可以分为27个基因型,其中G0和G2.6基因型是优势流行基因型。研究结果也表明H7N9病毒通过基因重配方式,仍然处于动态进化状态中。

2.H7N9病毒的分子特征

甲型流感病毒可以编码10或11蛋白。分子特征分析表明H7N9病毒能够编码11中蛋白,这些蛋白既是病毒粒子的结构成分,也在病毒完成生命复制、跨种传播、致病性和免疫性方面起着重要作用。

HA蛋白裂解位点是否含有多个碱性氨基酸是区分高致病性和低致病性禽流感病毒的一个重要分子指标。 H7N9病毒的HA 裂解位点只含有一个碱基,分子特性上属于低致病性禽流感病毒。HA 蛋白与宿主细胞表面受体的结合是感染发生的关键一步。与HA蛋白结合的细胞受体有两类:α2-3半乳糖苷唾液酸(SAα2-3Gal)和α2-6半乳糖苷唾液酸(SAα2-6Gal)。 禽类消化道主要表达SAα2-3Gal受体,与之适应,禽流感病毒主要结合SAα2-3Gal受体;而人呼吸道上皮细胞主要表达SAα2-6Gal受体。因此禽流感病毒跨物种感染人的首要前提是HA蛋白受体结合特性的转变,即由SAα2-3Gal受体亲嗜性向SAα2-6Gal受体亲嗜性转变。HA蛋白受体结合区的一些关键氨基酸位点在受体亲嗜性转变中起着关键作用,研究发现[3,4],与禽和环境分离的毒株相比,绝大多数H7N9人分离株的HA蛋白受体结合区的Q226L和G186V位点发生突变,理论上增强了对SAα2-6Gal受体的结合能力,这可能也是H7N9能够感染人的一个分子基础。

PB2蛋白是病毒RNA聚合酶复合体的重要成分,大多数人分离株E627K位点发生突变,增强了病毒在人体内复制能力。NA蛋白水解唾液酸,与HA蛋白协调作用,有利于病毒粒子从宿主细胞表面释放。所有的H7N9毒株,NA蛋白69-73位氨基酸缺失,这是禽流感病毒适应陆生家禽的一个分子特征,也从一个侧面反映了鸡作为主要的陆生家禽在H7N9病毒进化中的重要地位。病毒NS1蛋白C末端PDZ结合区氨基酸缺失,这一现象在人和猪流感病毒比较常见,跟病毒的致病性和哺乳动物宿主适应都有一定关系。

目前抗流感病毒药物有两类,分别针对病毒的M2和NA蛋白。所以H7N9病毒离子通道蛋白M2的S31N位点发生突变,表明病毒天然对金刚烷胺类药物有抗性。绝大多数毒株NA没有发生R294K位点突变,对神经氨酸酶抑制剂没有产生耐药性。但临床上发现,病毒存在时间较长的一些危重病人,治疗过程中病毒会在相关位点发生突变而产生耐药性。

对H7N9病毒分子特征的分析和评估,都是基于对其他亚型流感病毒的认识,特别是H5N1和1918年大流行H1N1病毒。这些分子特征对H7N9病毒感染人的机制和致病性的影响,需要进一步的实验验证。与H5N1、H9N2和H7N7禽流感病毒相比,新出现的H7N9病毒跨物种感染人的能力显著增强。事实上,前三种禽流感病毒也具备一些适应人体的关键位点突变,但为何H7N9病毒更容易感染人?问题的背后有两点可能需要关注:一是除了已知的关键位点外,可能还有与跨种传播相关的其它重要未知位点;二是H7N9病毒基因组的特定组合方式可能对其感染性也有作用,但决定这种组合方式的分子机制同样迷雾重重。

3.H7N9病毒的致病性和传播力

根据现有资料[5],大多数患者感染H7N9病毒症状危重,表现为严重肺炎或急性呼吸衰竭综合征,年龄多数为60岁左右的老年人。历史上H9N2和H7亚型(包括H7N2, H7N2和H7N7)禽流感病毒感染人一般不会引起严重疾病,主要表现为轻症或中等程度疾病。相比之下,高致病性H5N1禽流感病毒和1918年西班牙流感H1N1病毒引起重症病例较为常见。与甲型流感病毒致病力相关的一些毒力位点主要在后两种病毒中发现,在分子水平上似乎能够解释其高致病性特点。但这些已经鉴定的毒力位点,在作为低致病性H7N9禽病毒中却并不普遍。可见,H7N9病毒引发严重疾病可能还有其他原因。

宿主因素(如健康状态、免疫状态、遗传背景等)在H7N9病毒感染的发病进程中同样起着重要作用。与季节性流感病毒相似,一些重点人群(如高龄、罹患基础性疾病、孕妇等)感染H7N9病毒引起并发症的风险同样高。病毒急性感染会激发机体天然免疫应答,如果免疫应答过度,如细胞因子和趋化因子失调,产生所谓的“细胞因子风暴”,就会对机体产生严重影响,造成病情危重。与健康人群相比,H7N9感染病人的急性期血清中,LP-10、MIG、MIP-1β、MCP-1、IL-6、IL-8和IFN-α等因子的表达明显上升,这种高细胞因子血症是H7N9病毒感染引起重症一个重要原因[6]。这一现象在H5N1病毒感染的危重病人中也较为常见。越来越多的研究表明,宿主的遗传因素对流感病毒感染引起的疾病严重程度也有重要影响。干扰素诱导的跨膜蛋白3(IFITM3)可以通过阻止内化病毒进入胞浆起到抑制病毒复制的作用,但临床上发现IFITM3基因单碱基突变(rs12252-c/c)个体,感染H7N9病毒后更容易引起重症[7],甲型H1N1(2009)病毒感染也存在这种现象。在机体缺乏中和抗体的情况下,甲型流感病毒特异的CD8+T细胞(CTLs)可以对不同亚型的流感病毒感染提供一定的保护作用。CTLs主要针对病毒NP和M蛋白的一些保守表位。研究发现[8],不同族群人的HLAI抗原对这些表位的递呈能力存在差异,其中北美阿拉斯加和澳洲土著人群的HLAI相关的免疫应答能力弱,感染H7N9病毒更易发生严重疾病。 

H7N9病毒在人群中传播能力常常引发人们对其可能造成流感大流行的担忧。临床上已经发现了几起H7N9病毒有限的人传人事件[4,9],但一般认为,目前病毒还没有发生重大宿主适应性变异,还不具备持续的人传人能力。人呼吸道上皮细胞主要表达SAα2-6Gal受体,肺泡细胞SAα2-6Gal和SAα2-3Gal两种受体都表达。体内试验表明[10],H7N9病毒与两种受体都能很好的结合,但与人季节性流感病毒相比,H7N9病毒更容易结合SAα2-3Gal受体,结合人上呼吸上皮细胞能力有限,这可能是病毒不能通过空气传播的主要原因。同时,H7N9病毒对SAα2-3Gal结合特性,也解释病毒易于在人深部呼吸道增殖的现象。在H7N9病毒HA蛋白Q226L位点突变的基础上,如果 228 也发生突变,病毒对SAα2-6Gal受体的结合力会显著增强,病毒在人际间传播的风险也会相应增加。雪貂是评价人流感病毒致病性和传播力的经典动物模型,研究表明[11],H7N9病毒可以在雪貂的上下呼吸道复制,能够通过直接接触传播,但通过气溶胶传播能力有限,这一结果与人群中流行的情况基本相似,表明病毒目前还不具备持续的人际间传播能力。

 

4.H7N9病毒的进化趋势

2013年初H7N9病毒刚被发现之时,仅限于长三角地区。一年过去,H7N9病毒已经扩散到大半个中国。由于其低致病性特点,感染的禽类不表现临床症状,感染的家禽种类多,加之病毒基因型复杂,内部基因进化活跃,实行病毒根除计划已不可行。针对H7N9禽流感病毒流行的严峻形势和对公共卫生的严重威胁,需要密切关注其进化趋势,及时捕捉有重大意义的病毒变异事件,做到未雨绸缪。 

4.1 H7N9通过基因突变和基因重配方式持续进化,可能产生能在人群中持续传播的新的变异病毒。

点突变和基因重配都可能增强H7N9病毒对人体的适应和传播能力,从而可能产生引起人类新的流感大流行毒株。理论上,禽流感病毒可以通过基因点突变适应人体,这一过程可能也需要一个中间宿主过渡,比如猪。这种产生流感大流行毒株的方式,1918年西班牙流感似乎可以作为佐证。

近百年来,不同来源的流感病毒基因重配是产生人类流感大流行毒株的主要方式。除了1918年西班牙流感(H1N1)外,1957年亚洲流感(H2N2)、1968年香港流感(H3N2)和本世纪甲型H1N1流感(2009)都是由基因重配病毒引发。这些大流行重配病毒有一共同特点是都含有之前人群中流行的流感病毒基因,因此,应高度关注H7N9病毒与人季节性流感病毒的基因重配现象。这种基因重配的发生可能需要一个中间宿主,首选家猪,因为禽流感和人流感病毒都能感染猪;此外,火鸡作为可能的中间宿主似乎也不能忽略,因为火鸡也会感染人和禽流感病毒。需要注意的是,人本身也可以作为病毒基因重配的“混合器”。我们在2013年发现人混合感染禽H7N9和人H3N2病毒现象[12],为人作为流感病毒基因“混合器”提供了直接证据。

4.2 H7N9病毒可能突变为高致病性禽流感病毒。

与低致病性禽流感病毒相比,高致病性禽流感病毒对动物和人类健康的危害更大。一般认为,后者来源于前者的基因突变(主要是在HA蛋白裂解位点引入多个碱性氨基酸)。本世纪初,智利(2002)和加拿大(2004)出现的高致病性H7N3禽流感病毒,是低致病性H7N3病毒在HA裂解位点引入新的氨基酸序列引起的,其分子机制是HA基因和NP或M基因发生了非同源重组。不容置疑的是,如果H7N9病毒突变为高致病性,将会对动物和人类健康造成新的重大威胁。

4.3 H7N9病毒可能通过感染野鸟或候鸟,进一步扩大地理感染范围。

作为自然储存宿主,野鸟(特别是野生水禽)在甲型流感病毒的生态系统中占据重要地位。理论上,家禽中的流感病毒都来源于野鸟;反之,在家禽中适应的流感病毒也可能逆向传播给野鸟,这不仅会丰富了野鸟的流感病毒基因库,也会通过候鸟迁徙扩展病毒的传播范围。2005年青海湖事件后,H5N1禽流感病毒在中亚的扩散就与候鸟活动有很大的关系。感染H7N9病毒的家鸭可能通过污染水源而将病毒逆向传染给野鸟,通过野鸟的活动和季节性迁徙而有可能将病毒扩散到更为广泛的地方。如果发生这种可能,将对世界范围内禽流感防治和公共卫生造成巨大冲击。

 

[参考文献]

1.Tong S, Zhu X, Li Y, Shi M, et al.New world bats harbor diverse influenza A viruses. PLoS Pathog. 2013;9(10):e1003657.

2.Gao R, Cao  B, Hu Y, Feng Z, Wang D, Hu W, Human infection with a novel avian-origin influenza A (H7N9) virus. N Engl J Med. 2013;368:1888–97

 

3. Lam TT, Wang J, Shen Y, et al.The genesis and source of the H7N9 influenza viruses causing human infections in China.Nature. 2013 Oct 10;502(7470):241-4.

4. Cui L, Liu D, Shi W, et al, Dynamic reassortments and genetic heterogeneity of the human-infecting influenza A (H7N9) virus. Nat Commun. 2014 Jan 24;5:3142. doi: 10.1038/ncomms4142

5. Gao HN, Lu HZ, Cao B, Du B, Shang H, Gan JH, Clinical findings in 111 cases of influenza a (H7N9) virus infection. N Engl J Med. 2013;368:2277–85 .

6. Zhou J, Wang D, Gao R, et al.Biological features of novel avian influenza A (H7N9) virus.Nature. 2013 Jul 25;499(7459):500-3

7. Zhongfang Wang, Anli Zhang, Yanmin Wan, et al.  Early hypercytokinemia is associated with interferoninduced transmembrane protein-3 dysfunction andpredictive of fatal H7N9 infection. PNAS, 2014, 111(2):269-774

8. Quiñones-Parra S, Grant E, Loh L, et al. Preexisting CD8+ T-cell immunity to the H7N9 influenza A virus varies across ethnicities. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014, 21;111(3):1049-54.

9. Qi X, Qian YH, Bao CJ,et al.Probable person to person transmission of novel avian influenza A (H7N9) virus in Eastern China, 2013: epidemiological investigation. BMJ. 2013,6;347:f4752

10. Tharakaraman K, Jayaraman A, Raman R, et al. Glycan Receptor Binding of the Influenza A Virus H7N9 Hemagglutinin, cell,153(7),1486–1493

11. Richard M, Schrauwen EJ, de Graaf M, et al.Limited airborne transmission of H7N9 influenza A virus between ferrets.Nature. 2013 Sep 26;501(7468):560-3.

12. Z hu Y, Qi X, Cui L, Zhou M, Wang H.Human co-infection with novel avian influenza A H7N9 and influenza A H3N2 viruses in Jiangsu province, China. Lancet. 2013, 381(9883):2134. 




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