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犬狂犬病毒的起源和家谱(分子钟证据)

已有 15930 次阅读 2012-6-18 16:09 |个人分类:狂犬病防治|系统分类:科普集锦|关键词:犬,狂犬病毒,食肉目,翼手目,蝙蝠,起源,进化,家谱,祖先,绝灭,变种,分子钟| 起源, 蝙蝠, 狂犬病毒, 食肉目, 翼手目

当前世界各地广泛分布的犬(食肉目动物)狂犬病毒都属于基因1型狂犬病毒,有很多变种,但这些变种都有共同的祖先,这个共同的祖先可追溯到大约 500年之前。这个时间正好与人类在过去5个世纪中大规模的迁徙相一致。

历史记载中犬和人的狂犬病有非常悠久的历史。在4000年前的美索不达米亚(在今伊拉克境内)文明中就有关于食肉目动物狂犬病的描述。但是,引起美索不达米亚狂犬病的病毒型别是未知的,而该种病毒极有可能早已绝灭。

犬狂犬病毒都来源于蝙蝠狂犬病毒。狂犬病毒在蝙蝠(翼手目)中的进化远远早于食肉目动物中狂犬病毒的出现,后者很可能是源于从蝙蝠中溢出(spillover)的病毒。狂犬病毒从翼手目到食肉目动物的宿主转换发生在8881459年之前。换句话说,现存的犬狂犬病毒与蝙蝠狂犬病毒在大约1千多年前有共同的祖先。

如果考虑所有基因型的狂犬病毒,它们最近的共同祖先出现在708011631年之前,而且首先以食虫蝙蝠作为传播媒介。

 

近十余年来,随着分子生物学和生物信息学(bioinformatics)的迅速发展,核酸、蛋白质检测和计算机分析等先进技术也开始广泛应用于狂犬病毒的研究。这些先进技术有助于解决狂犬病流行病学中的诸多理论和实际问题,例如如何对该病毒在基因序列水平进行病毒分型,如何理解该病毒的起源、进化和在不同宿主中转换的机制,分析该病毒的遗传变异与其在自然界传播和分布的关系,确定狂犬病局部流行可能的传染源、传播途径和流行趋势等。十余年来,狂犬病毒的分子流行病学(molecular epidemiology)系统进化史(phylogenetic history)研究进展很快,已形成狂犬病研究的重要学科分支和研究热点。

  充分理解病毒的系统进化规律是正确制定控制病毒性疾病策略的最重要的前提条件之一。目前对狂犬病毒的分子生物学和生物信息学研究所获得的资料己能初步勾勒出狂犬病毒的系统进化史。

狂犬病毒的分子钟和系统进化史

分子钟(molecular clock假说认为,氨基酸或核苷酸替代速率在进化过程中是近似地保持恒定的,尽管替代速率的观察值受随机误差的影响。将不同生物谱系按分子钟假说构建一棵树就可能估计不同谱系对之间或不同序列对之间粗略的分化时间。按此途径构建的树称为线性树(Linearized Tree)假定分子钟在某个生物类群中存在,可借助相关的计算机程序评估生物类群之间的进化关系,特别是可用于评估在进化过程中不同生物类群之间的分歧时间。不同作者将分子钟假说应用于狂犬病毒的自然进化史研究,得到了一些有价值的推论。

Badrane等系统研究了源于36种食肉目和17种翼手目的狂犬病毒属毒株,这些毒株代表了狂犬病毒属的主要基因型和变种[43]。作者比较了编码表面糖蛋白的基因。糖蛋白负责受体识别和膜融合,是主要的保护性抗原,并决定病毒的毒力。已有资料显示,在所有的单负链RNA病毒目病毒的复制过程中都不存在遗传重组。对狂犬病毒的研究也证明,点突变(而非重组)和纯化选择是狂犬病毒进化的主要力量。中和试验表明狂犬病毒可归类于中性进化模式,而全球分离的毒株中同义替代(dS )对非同义替代(dN)的高比率(>7)也支持这一点。相对比率(dS /dN)试验提示,所有狂犬病毒世系的进化速率都相似。由于不存在重组,而且进化速率相似,所以基于系统进化分析的结论是可靠的。系统进化树的构建有力地支持以下假说:在狂犬病毒历史上曾发生过宿主转换(host switching)。有证据表明,狂犬病毒在翼手目中的进化远远早于食肉目动物中狂犬病毒的出现,后者很可能是源于从蝙蝠中溢出(spillover)的病毒。狂犬病毒从蝙蝠溢出进入食肉目动物并非罕见,在当代就曾报导在非洲的埃塞俄比亚和美国的加州分别发生过这样的事件。狂犬病毒的系统进化分析提示,在历史上至少发生过两次这样的溢出事件,都发生在基因1型之内。根据部分G基因的序列分析资料,第一次溢出推测是发生在北美,结果导致美国东部的浣熊,可能还有密切相关的美国中部的臭鼬中狂犬病毒世系的出现。第二次的溢出发生的地区未知,来源的宿主也属未知,但结果是导致狂犬病毒在世界范围的多种食肉目动物中的广泛传播。这种狂犬病毒每年造成数万死亡病例,构成了一次历史性的溢出,使狂犬病成为一个公共卫生问题。狂犬病毒从翼手目向其他动物,主要是食肉目动物溢出,在历史上可能重复发生,并仍然在发生。然而,尚不知道为什么仅有罕见的若干次溢出能成功地长时间维持,而其他的都灭絕了。有可靠证据证明,当前存在于食肉目动物中的狂犬病毒确实是若干次源于蝙蝠的病毒成功的宿主转换的结果。

狂犬病毒属的进化率粗略地估计是3.1 x 10-4 ~5.5 x 10-4 dS(同义替代)/位点/年。由此可推算出当前世界上广泛分布的狂犬病毒变种的分化发生在285504年之前。这个时间正好与人类在过去5个世纪中大规模的迁徙相一致。与dN(非同义替代)相比,dS通常是中性的而且对进化时间更敏感。然而,如果进化间期很长,则dS更快达到饱和。因此,为了评估较早的分化,采用 dN进行计算。由dS 推算出dN的平均值为1.85 x 10-5 /位点/年,这个变异率较HIV或人甲型流感病毒低,但与估计的单负链RNA病毒目的另一个成员Ebora病毒G基因的变异率相似。假定存在生物钟,采用PHYLIP系统发生推导软件包可以构建一个系统进化树(采用非同义校正距离),由此可以推算出,狂犬病毒从翼手目到食肉目动物的宿主转换发生在8881459年之前。

上述估计似乎有疑问,因为4000年前的美索不达米亚(在今伊拉克境内)文明中就有关于食肉目动物狂犬病的描述[45]但是,引起美索不达米亚狂犬病的病毒型别是未知的,而该种病毒极有可能早已绝灭,其背后的根源可能是因某些历史或环境的因素,甚至可能仅仅由于该病毒的毒力太强,致死率太高,以至受感染的宿主群体的数量或密度不足以维持该病毒的生存。如果尝试将食肉目狂犬病毒出现的时间定在4000年以前,那么狂犬病毒的进化就应当极慢(4.1 x 10-6 ~6.7 x 10-6 dN/位点/) [43],而这显然与事实不符。因此,美索不达米亚狂犬病毒早已絕灭是最合理的假说,因为进化的中性模式即随机的遗传漂移完全可能导致病毒絕灭和多型性的丧失。

食虫蝙蝠是狂犬病毒6种基因型(GT)的传播媒介,有3GT的狂犬病毒只在食虫蝙蝠中被发现。可推测狂犬病毒起源于某种昆虫弹状病毒,食虫蝙蝠从昆虫获取了该病毒。若干证据支持这种推测。大多数弹状病毒是从昆虫分离得到的。特别是有三种目前尚未分类、但被建议归类到狂犬病毒属的病毒(kotonkan, Obodhiang Rochambeau病毒),迄今都仅能从昆虫分离到。而且,MOKV 也是从一种捕食昆虫的动物(鼩鼱)中分离得到的,该病毒可在接种的蚊虫中繁殖。如果蝙蝠确实是从昆虫获取了弹状病毒并导致狂犬病毒的出现,则可推算出狂犬病毒最近的共同祖先出现在708011631年之前,而且首先以食虫蝙蝠作为传播媒介

糖蛋白片段积累了较dS更多的dN,在食肉目和翼手目狂犬病毒中都可明确地检测到这样的结果。较高的非同义替代(dN)可能有助于该病毒适应于分属两个目的不同哺乳动物。在食肉目狂犬病毒中,dN与主要的抗原位点IIIII相重迭,而在翼手目的狂犬病毒中,dN位于功能未知的区域。

Holmes通过分子进化分析调查狂犬病毒在自然界的适应性进化(adaptive evolution) 遗传制约(genetic constraint之间关系[46],选择压力的最大似然分析(maximum likehood analysis)的结果表明,自然界狂犬病毒的NPGP基因与在实验室传代病毒中所观察到的高度非同义进化(nonsynonymous evolution)相比是高度受制约的。自然界狂犬病毒的低水平非同义进化可能是由于病毒在宿主体内需要在多种类型的细胞内复制(这反过来又会促进病毒跨物种的传播),或者是由于病毒蛋白不是免疫选择的目标。利用欧洲狂犬病毒流行病学史中已知的毒株分离时间,推算狂犬病毒核苷酸总体替换率,结果与在其它RNA病毒中观察到的替换率相似。假定平均同义突变发生率在毒种间没有显著差异,估计在狂犬病毒基因1型内目前可观察到的遗传差异产生于刚刚过去的500年之间,这与前述Badrane等的结论基本一致。

参考文献:

唐青 严家新:第六章 狂犬病病毒的分子流行病学和系统进化史,《狂犬病和狂犬病疫苗》(俞永新主编,2009年版)

 



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1 白桦

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