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甲型流感病毒的进化及对流感防治的启示(二)

已有 1272 次阅读 2022-2-9 11:14 |个人分类:流感病毒研究综述|系统分类:观点评述

甲型流感病毒的进化及对流感防治的启示(二) 


摘要:本部分主要论及动物流感病毒(主要是禽流感和猪流感病毒)“外溢”跨种感染人,及进化出人际间传播能力的分子机制。

二、甲型流感病毒从动物宿主跨种感染人的进化

种是动物分类的基本单位,甲型流感病毒在不同物种间的跨种传播是其进化的重要方式。甲型流感病毒的跨种传播大致可划分为5个层面:

1)病毒在不同种的野生水禽间的传播;

2)病毒在水禽(野生或家养)和陆生家禽间的传播;

3)病毒在禽类和哺乳动物间传播;

4)病毒在不同种的哺乳动物间的传播;

5)病毒在禽类或哺乳动物与人类间的传播。

相比较而言,从公共卫生角度,我们更关注的是甲型流感病毒由禽类或哺乳动物(主要是猪)外溢(spillover)感染人过程中发生的进化故事。理论上,禽流感或猪流感病毒都有感染人并可能引起人类流感大流行的潜质,这一过程受病毒、动物宿主、人类个体与人群、自然环境和社会环境等综合因素影响。病毒和宿主的生物学特性及相互作用是影响甲型流感病毒跨种传的关键因素。

病毒获得在人群中引起大流行的能力,需要进化出两个基本条件:(1)能够感染人类个体并完成病毒复制;(2)能够在人际间以飞沫方式传播。

本文主要论及禽流感病毒感染人的过程发生的进化难题。

在特定的环境中(如养殖场、活禽市场等),人类个体暴露于禽流感病毒,病毒能够机会性外溢感染人。病毒在人体内需要克服物种限制障碍完成病毒复制;在此过程中,病毒既需要人体一些分子的协助,同时也会受到人体某些分子的限制。

高突变率产生的大量病毒变异体,为流感病毒的适应性进化提供了物质基础。这种适应性突变涉及病毒编码的每个蛋白,特别是参与病毒吸附、vRNP运输和入核、基因组复制以及规避宿主天然免疫应答等过程的一些重要蛋白。

病毒HA蛋白与宿主细胞表面糖链的末端唾液酸(SA)受体吸附,是启动感染的第一步,也是重要的宿主限制屏障。不同物种细胞表面的糖链种类和结构、糖单体连接方式和数量、糖链的修饰以及SA结构等都有差异。禽流感病毒主要结合α2-3半乳糖苷唾液酸(SAα2-3Gal),人流感病毒对α2-6半乳糖苷唾液酸(SAα2-6Gal)有亲和力。人上呼吸道环境的PH偏酸性,上皮细胞含有丰富的SAα2-6Gal受体;下呼吸道环境偏中性,上皮细胞中SAα2-6GalSAα2-3Gal的含量都很丰富。NA蛋白的功能是水解SA,保证子代病毒出芽后释放,同时避免子代病毒聚集。

不同物种的呼吸道上皮细胞糖链和SA的特性也推动了病毒复制过程中HANA的协同进化;此外,HA蛋白受体结合功能和NA蛋白SA水解功能间的平衡,对维持病毒粒子的稳定性和空气传播亦有重要作用。

病毒内化进入细胞后,在细胞分子协助下将vRNP释放到胞浆内。流感病毒在宿主的细胞核内完成基因组转录和复制,这一步也是重要宿主限制障碍。vRNP在胞浆内运输、进入细胞核完成基因组复制过程中,除了病毒编码的蛋白,许多宿主蛋白都参与其中,发挥协助或抑制功能。禽类和人的蛋白结构和功能有差异,提供给RNA聚合酶发挥最佳活性的细胞内环境温度也不同,这些限制性障碍使得禽流感病毒一般很难在人体细胞内完成有效的复制。目前研究较多的宿主蛋白包括MxARIG-IKPNA6HAX1ANP32A/BDDX17等。大量研究表明,三个多聚酶基因(PB2PB1PA)NPNEP的一些适应性突变,能够帮助病毒克服人体蛋白的限制作用,增强病毒RNA多聚酶在人体内的复制能力,特别是PB2蛋白的E627K突变对于禽流感病毒在人体内的适应有重要作用。

此外,不同宿主的天然免疫应答在组织构造和抗病毒机制方面都有差异,这也构成了对病毒跨种感染的一种屏障。禽流感病毒进入人体细胞后,会遭遇人体的天然免疫应答、细胞自噬与凋亡等反应。虽然病毒自身编码一些蛋白(如NS1PB1-F2)有抑制机体天然免疫应答、细胞自噬和凋亡等反应的作用,但病毒仍需要进行适应性突变来寻求与人体细胞相互作用过程中达到新的平衡。

大多数感染人的动物流感病毒不能在人际间有效传播,病毒表现为一种感染终止或“死胡同似”感染(Dead-end infections)。

禽流感病毒在感染患者的体内完成复制后,能否继续在人际间传播受许多因素影响,除了人为医学干预和环境因素外,主要还是与病毒的跨种适应性进化结果有关。

禽流感病毒在人体内完成基因组复制的每个阶段,都面临着人体的选择性瓶颈。产生的大量子代病毒,在通过人呼吸道扩散时,面临着更大的人际间传播瓶颈。禽流感病毒的HA蛋白在人上呼吸道偏酸性(PH约为5.5)的环境中稳定性较差,病毒在穿越上呼吸道粘液时,大部分病毒丧失感染性。此外,HA蛋白在环境中的稳定性是禽流感病毒能够实现空气传播的一个重要条件。禽流感病毒感染人积累适应性突变的过程中,需要付出一定的进化代价,子代病毒大多是适应力差的有害突变体,通过宿主和环境的选择性瓶颈后,多数病毒被选择清除。

基因重配是流感病毒另一种重要进化方式。禽流感病毒通过与人或猪流感病毒重配,有可能克服进化中的所谓穆勒棘轮效应Muller`s ratchet)而获得快速适应人体的病毒;在这一过程中,猪和人都可能成为基因重配的“混合器”。过去100年来,人类4次流感大流行有3次(1957H2N21968H3N22009pdmH1N1)都是人流感病毒与禽或猪流感经基因重配产生的变异株引发。因此,避免禽流感病毒和人与猪流感病毒的混合感染,对于防止出现适应人体的新型流感病毒有重要意义。

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                                 图2. 动物流感病毒克服种属障碍引起人类流感大流行的适应性进化历程。(Long, JS.等2018)



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