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狂犬病毒的进化和宿主转变(野生动物狂犬病对人类的威胁有多大?) 精选

已有 4040 次阅读 2019-5-18 11:07 |个人分类:狂犬病防治|系统分类:科普集锦| 狂犬273401

 野生动物狂犬病对人类的威胁有多大?

 《狂犬病毒的传播和进化:征服新的前沿阵地》 

四、狂犬病毒的进化和宿主转变(shift

在罕见情况下,狂犬病毒(RABV溢出(spillover感染得以在新宿主物种中维持较长的时间。这些事件对公共卫生很重要,因为所产生的新的储存宿主可能感染人类,发生在受威胁或濒危物种中的新的传播循环会危害对野生动物的保护,或增加对这些物种的溢出效应。新发生的传播循环已经在早先已知的RABV宿主,如蝙蝠、臭鼬和狐狸中得到确认。

然而,在非传统宿主中的持续传播的证据强调,有必要进一步认识RABV如何克服入侵新的储存宿主所面临的进化障碍。这些非传统宿主包括猴(marmosets)和熊(kinkajous)(中南美产的灵长类动物)、更大的捻角羚羚羊kudu antelope(偶蹄动物)和 长鼻浣熊(coatis)、 鼬(mongooses)和雪貂- ferret-badgers(食肉动物)。

1RABV需要适应宿主

尽管狂犬病毒明显具有感染任何哺乳动物的能力,很多证据链提示RABV必须有适应性变化才能确立在新的宿主物种中的存在。从流行病学的角度来看,能长期在多种宿主物种中持续存在的RABVs显然并不存在。体内和体外研究表明,这种缺席可能反映了RABV必须从遗传上作精细调节才能适应特定宿主。

表型差异RABV的遗传变种中经常可观察到,并且异源宿主中的感染显示发生了感染模式和发病机制的改变,结果可预期是将限制病毒继续传播。例如,浣熊接种同源RABV后须经过长时间的潜伏期才能表现出急性临床狂犬病,但接种狗或臭鼬来源的病毒时,却只显示轻微的临床症状,如嗜睡,随后可能死亡也可能只是流产感染。

系统发育比较研究提供了另一系列证据,证明存在宿主屏障,必须通过病毒进化来克服。在蝙蝠中,跨物种的传播和既往宿主的转变这两者在密切相关的物种之间都是更频繁地发生,而与那些地理上分布广泛的物种或在生态上相互重叠的物种之间形成鲜明的对比。这表明虽然生态机会是宿主转变出现的先决条件,但与宿主相关的生理的或免疫学的屏障会影响宿主适应成功的可能性。在食肉动物的系统发育中,RABV储存宿主非随机聚类可以反映出在相关宿主中有类似的宿主转变优势,也反映出在食肉动物分支中对RABV易感性存在差别。

2RABV宿主转变的分子进化动力学

鉴于RABV必须进化才能有效感染并在新宿主物种中建立传播,令人惊讶的是,在关于RABV的记述中却很少描述正向选择(positive selection的经典分子进化特征。纯化选择(purifying selection是对RABV基因组的决定性压力,而且直到最近,才仅在糖蛋白的胞外域中的少量氨基酸位置检测到正向选择

RABV基因组的选择可能难以检测,因为可用序列通常仅限于编码核蛋白糖蛋白的基因,并且只复盖病毒进化史的一小部分。

此外,在适应发生之前,可能通过控制措施(例如疫苗接种)驱使潜在的宿主转变以病毒灭绝告终。另一种可能的解释是,大多数研究使用的计算方法假设病毒系统发育的所有分支都是接受普遍的(pervasive选择,这种假设不太可能适用于长期进化相对停滞后经历环境突然变化的病毒。实际上,最近的研究表明在核蛋白、糖蛋白和聚合酶的不同位点上发生了正向选择的脉冲事件(pulsed episodes

在相同的供体和受体物种之间的重复宿主转变已经表明,RABV的适应性进化甚至是可重复的。在亚洲,从家养狗到雪貂獾的独立宿主转变导致编码核蛋白和聚合酶的基因的平行替代。在美国西南部,臭鼬中与蝙蝠相关的RABV的三次独立爆发与病毒基因组中的六个平行变化相关联,但与在雪貂獾中观察到的变化没有重叠。

类似地,在代表供体和受体物种的不同组合的美国蝙蝠之间的30宿主转变中,正向选择的变化的组合在很大程度上对于每次宿主转变都是独特的。因此,每次宿主转变所必需的适应性变化似乎可能是由感染病毒的遗传背景与所涉及的宿主物种的特性之间的相互作用决定的。

病毒遗传背景的重要性意味着对特定宿主的病毒预适应程度可能使一些宿主转变比其他宿主转变更容易发生。例如,糖蛋白242位含有苏氨酸的蝙蝠病毒食肉动物中引起的爆发比其他遗传背景的病毒所引起的更多。深度测序已经揭示,基因组有差异的病毒群体可作为在宿主转变期间供选择的基因组多样性的另一个来源。

例如,在狐狸中爆发之前,在从加利福尼亚州的臭鼬转移到狐狸的一次宿主转变之后,有一个变种在几年的时间里一直以低频率出现,说明确实有变化发生。作为储存宿主日益多样化的一个潜在重要后果,该病毒可能暴露于以前尚未探索过的宿主基因组区域,增加了产生罕见的已预适应的变种的可能性,这些变种可能促进宿主范围的进一步扩展,甚至可能扩展到蝙蝠和食肉动物以外的储存宿主。根据这种雪球效应假设,可预期未来宿主转变的频率会增加

3RABV起源的未解之谜

系统发育研究表明,RABV的进化历史主要由宿主转变(shifts支配,而且主要发生在蝙蝠目和食肉目动物内部,而在哺乳动物的这两个目之间则很少见。由于绝大多数狂犬病毒的多样性体现在东半球的蝙蝠中(图3a),RABV通常被认为是在东半球的蝙蝠中进化,转变宿主到食肉动物然后在全球范围内传播。

然而,从蝙蝠到狗转变的假设受到许多无法解释的观察结果困扰,并使我们对RABV进化史的理解变得复杂化。最值得注意的是东半球蝙蝠携带不同的RABV相关丽沙病毒但不携带RABV,而西半球蝙蝠却只携带丽沙病毒属中唯一的一种RABV(图3a)。

相比之下,食肉动物在东半球和西半球都能维持RABV的存在(图3b)。从其推定的起源(东半球蝙蝠)中缺少RABV引发了一个重要问题即东半球的食肉动物如何获得RABV。可以想象,RABV蝙蝠起源的时间(约6200万年前)即开始进化,随着蝙蝠从非洲或北亚殖民美洲而迁移。然而,这将要求RABV的宿主从蝙蝠转变为食肉动物的祖先或现代食肉动物,随后RABV从东半球蝙蝠中消失,而此时条件又必须变得有利于RABV在西半球蝙蝠中的持久存在。

一个更有争议的替代方案是在来自东半球蝙蝠的非RABV丽沙病毒发生一次宿主转变后,RABV在食肉动物中进化,而在欧洲人对美洲的殖民时期,被感染的狗传播到西半球,并且在近期在西半球从食肉动物跳到蝙蝠中。虽然RABV从食肉动物到蝙蝠的跨物种传播是不大可能的因为患狂犬病的食肉动物在咬体型相对较小的蝙蝠时,多半会直接将蝙蝠杀死,而不是仅仅让蝙蝠感染狂犬病。值得注意的是所有蝙蝠RABV变种都是单系来源的,所以这样的事件可能只需要发生一次。

此外,在斯里兰卡最近在蝙蝠中发现与食肉动物有关的RABV,可能代表了食肉动物与蝙蝠接触导致RABV感染成功的第一个证据,开创了类似传播事件可能发生在蝙蝠中的先例。关于在美洲RABV起源的时间并不长的较少推测性的证据来自下列研究结果:在美国的蝙蝠群落中,RABV并未达到平衡状态,而如果是某种古代病毒则预期应该达到平衡。例如,美国蝙蝠RABV仍在使宿主范围多样化,曾经的储存宿主在地理上孤立的群体中没有狂犬病(要警惕宿主分隔后狂犬病的到来),并且持续的入侵前沿进入历史上无狂犬病区域,类似于观察到的最近狂犬病被引入某些新的地区。这些观察结果与最近对西半球蝙蝠中RABV引进的情况是一致的,但可能因现代监测计划的检测能力提高以及可能改变RABV储存宿主丰度和分布的不断变化的环境条件而有偏差。

历史记录系统发育研究对解决这些进化不确定性几乎没有帮助。东半球的古代记录仅提到狂犬病犬,而未提及蝙蝠。在西半球,没有明显的证据显示土著蝙蝠或狗有狂犬病,第一次确认的蝙蝠狂犬病报告出现在16世纪初,而此时殖民化已开始

直到20世纪50年代才在北美蝙蝠中报告狂犬病。但是,记录可用性的偏差值得注意。玛雅人是哥伦布发现美洲大陆前西半球唯一一个发展了复杂书写方法的文明,但他们的大部分记录在西班牙人定居时都被销毁了。系统发育研究已经阐明了狂犬病毒的生物地理学和进化的某些方面,但仍然存在很多不确定性,特别是对RABV

的分类水平上,最近的一项系统地理学研究否定了预期的丽沙病毒非洲起源说,而支持古北界起源说,包括多种辐射状传播,从而产生不同的系统群。对于RABV,大多数研究将蝙蝠RABV的最近共同祖先置于欧洲殖民化的时间范围内(500年前,与食肉动物向蝙蝠的宿主转变一致)。然而,由于强烈的纯化选择和缺乏来自已灭绝谱系的序列资料,基于同源序列的分子钟方法不太可能用于估计古代宿主转变的真实时间。

有人提出,宿主基因组中内源性病毒元件(EVEs古病毒学(paleo-virological研究可能会澄清RABV起源的时间尺度。尽管在昆虫和植物基因组中存在弹状病毒或弹状病毒样EVE,尽管对哺乳动物基因组进行了广泛筛选,但丽沙病毒相关EVE的缺失使人们对这种解决RABV起源的方法产生了怀疑。新的病毒发现和/或分析方法可能最终揭示RABV的起源。

参考文献:

Christine R. Fisheret al.The spread and evolution of rabies virus: conquering new frontiers狂犬病毒的传播和进化:征服新的前沿阵地)  

NATURE REVIEWS  | MICROBIOLOGY  Published online 26 Feb 2018doi:10.1038/nrmicro.2018.11

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4 孟胜利 黄永义 周洲 张珑

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