浅谈流感病毒的H A突变与受体识别的关系

浅谈流感病毒的H A突变与受体识别的关系
徐宁;姜楠;孙伟;李翠
【摘要】近年来，经常发生禽流感病毒由禽类传染给人类的事件，但禽流感病毒在人与人之间却未发生传播，其机制可能是由于流感病毒表面的HA糖蛋白与靶细胞表面的唾液酸受体结合具有特异性。

本文主要从A型流感病毒与人类受体结合的特异性、HA氨基酸的突变对禽流感感染人类的影响以及HA突变对流感病毒传播能力的影响等方面初步探讨了流感病毒HA突变与受体识别的关系，以期能为将来人们研究流感病毒的感染和传播机制提供思路。

%Recently there were more and more influenza virus infect human incident, but there was no infection between human, the mechanism is probable because the spec-ificity between the virus surface HA glycoprotein and the sialic acid receptor on the surface of the target cell. In this article the specificity between type A influ-enza virus and human, the influence of the amino acid mutation of HA and the infec-tion ability influence of the influenza virus with HA mutation has been described. Providing a theory on virus infection and transfer mechanism.
【期刊名称】《现代畜牧兽医》
【年(卷),期】2013(000)009
【总页数】5页(P37-41)
【关键词】流感;传播;HA突变;受体
【作者】徐宁;姜楠;孙伟;李翠
【作者单位】辽宁省重大动物疫病应急中心,辽宁沈阳,110161;辽宁省重大动物疫
病应急中心,辽宁沈阳,110161;辽宁辉山乳业集团,辽宁沈阳,113123;辽宁抚顺市新
宾县动物卫生监督管理局,辽宁新宾,113200
【正文语种】中文
【中图分类】S852.65
流感病毒感染宿主主要是由其表面的HA糖蛋白与靶细胞表面的唾液酸受体结合所引起。

常见的流感病毒，包括H5N1、H7和H9N2，都能突破种间屏障传染给人类，但这些病毒在人与人之间并没有发生相互传染的现象，可能是由于人类的病毒结合受体具有特异性。

流感病毒要想在人类中发生相互传染，它们的HA需要能与病毒受体发生特异性结合。

流感是由A型流感病毒所引起一种动物传染病，它感染的范围很广，包括人类、
低级哺乳动物和鸟类[1]。

A型流感病毒是由8个RNA片段编码的囊膜病毒，在囊膜表面存在HA和NA两种糖蛋白。

HA有两个生物学功能：①识别宿主细胞表面的唾液酸受体；②促使流感病毒囊膜与宿主细胞胞内膜的结合，从而使病毒核酸释放到宿主细胞的细胞质中引发感染[2]。

同时，HA也是刺激机体产生特异性保护抗体的主要抗原。

A型流感病毒根据其表面的HA和NA的抗原性不同可以分成不同的亚型。

到目前为止，已经从A型流感病毒自然宿主——水生禽类中发现了 16种 HA（H1～
H16）和 9 种 NA（N1～N9）亚型[3]。

在过去几个世纪里，人们发现H1、H2
和H3以及N1和N2亚型能够感染人类，但是只有H1N1和H3N2两种亚型能
够在人与人之间传播。

禽流感一般不会感染人类，更不会在人类中传播。

然而，在某些特定条件下，一些禽流感亚型（如H5N1、H7和H9N2）却能突破种间屏障，
感染人类[4]。

当一种新型的HA亚型禽流感病毒从禽类传染给对此毫无免疫的人
类时，往往就会造成世界范围内的大流行。

1 流感病毒的HA与宿主受体的关系
目前，有研究发现，少数的H5N1和H7N7可以发生人感染人的现象[5]，但实际上这两种亚型并不容易在人类发生互相传染。

因此，禽流感病毒应该是突破宿主限制，从禽类传染给了人类。

然而，禽流感病毒突破宿主限制的分子机制却不甚明了。

目前人们认为禽流感病毒表面的HA在其突破宿主限制中发挥主要作用，因为它在识别宿主细胞受体中扮演重要角色[6]。

1
1..11 A A型流感病毒与人类受体结合的特异性流感病毒感染宿主的第一步是其
囊膜表面的HA识别并结合宿主上皮细胞表面的唾液酸受体。

人们通过改良的红细胞凝集试验、固相结合试验和聚糖微阵列分析等技术对HA的受体特异性进行研究发现，人类流感病毒的HA能特异地与α-2,6-半乳糖唾液酸受体结合，而禽流感
病毒的HA能特异地与α-2,3-半乳糖唾液酸受体结合[7]。

而人类上呼吸道的上皮
细胞中主要表达α-2,6-半乳糖唾液酸受体，而在禽类中表达的是α-2,3-半乳糖唾
液酸受体[8]。

另外，免疫组化分析表明，流感病毒能特异性结合宿主呼吸道的不
同组织中，包括气管、肺脏等[9]，如人流感病毒易于粘附在人气管的上皮细胞上，而禽流感病毒对人气管上皮细胞的结合性很差。

因此，人们认为，人类上呼吸道中由于缺乏α-2,3-半乳糖受体而限制了禽流感病毒在此的复制。

禽流感病毒能够传
染给人类的一个关键性原因可能是因为它的HA基因发生了变异，从易于结合α-2,3-半乳糖唾液酸受体变成易于结合α-2,6-半乳糖唾液酸受体。

实际上，世界范
围内的流感大爆发，如1918年的H1N1、1957年的H2N2、1968年的H3N2
以及2009年的H1N1，其表面的HA均来源于非人类物种，人类感染后机体不能对其产生有效的免疫应答，从而造成大范围流行，严重影响人类健康[10]。

α-2,3-半乳糖唾液酸受体和α-2,6-半乳糖唾液酸受体这两种流感病毒受体在禽类中可能存在着多重复合的现象。

在水生禽类中，包括鸭子和鹅，它们的气管上皮细胞中主要是存在着禽型受体（α-2,3-半乳糖唾液酸受体）[11]；而在陆生禽类中，包括鸡、火鸡和鹌鹑，在它们气管的上皮细胞中既存在着禽型受体（α-2,3-半乳糖唾液酸受体），也存在着人型受体（α-2,6-半乳糖唾液酸受体）[12]。

说明禽流感病毒和人流感病毒均能感染陆生禽类，陆生禽类扮演了宿主转换器的角色。

更值得注意的是，从陆生禽类中分离的H9N2病毒对禽型受体的特异性识别并不明显，却能明显识别人型受体[13]。

另外，最近有人发现，从鹌鹑中分离的一株鸭流感病毒丧失了感染鸭的能力，却能在人呼吸道上皮细胞中发生复制[12]。

这些结果均表明，陆生禽类可能是禽流感病毒传染给人类的中间宿主。

人们通常认为，由于猪既能感染禽流感又能感染人流感，而且这两种流感病毒能在猪身上发生重组，因此猪是这两种流感病毒的混合器[14]。

的确，最初人们是从猪气管的上皮细胞中发现了α-2,3-半乳糖唾液酸受体和α-2,6-半乳糖唾液酸受体，但在以后的研究中慢慢发现，其实猪气管上皮细胞中的人型受体要远远多于禽型[15]。

更多的研究也表明，猪呼吸道上皮细胞中主要存在的是α-2,6-半乳糖唾液酸受体。

因此，猪呼吸道上皮细胞中的流感病毒受体其实跟人类的是相似的，不太可能是这两种流感病毒的混合器。

1.2 HA HA中氨基酸的突变使禽流感病毒能够识别人型受体 HA的构象分析和结合位点分析表明了HA受体的大小和形状，而不是受体的特异性结合模式，决定着人类对A型流感病毒的易感程度。

尽管人类上呼吸道上皮细胞表面的寡糖类唾液酸受体的结构和分布并不很明确，但人们认为在这些细胞表面存在大量的具有不同分枝和长度的寡糖。

HA能结合具有特殊结构或长度的寡糖类唾液酸受体可能与流感病毒在人类中发生感染和传播有密切的关系。

图1 HA受体的结合位点Fig1.Binding site of HA receptor
HA的受体结合位点是由其顶部的190螺旋区和顶部边缘的220环形区以及130
环形区组成（图1）。

受体结合位点附近的氨基酸突变能明显地改变流感病毒对受体的识别。

对于H2和H3亚型流感病毒来说，如果其第226位的谷氨酰胺突变成亮氨酸（Q226L）或第228位的甘氨酸突变成丝氨酸（G228S），就会导致其由
α-2,3-半乳糖受体特异性结合转换成α-2,6-半乳糖受体特异性结合。

对于H1亚型流感病毒来说，第190位的谷氨酸突变成天冬氨酸（E190D）或第225位的天冬氨酸突变成甘氨酸（D225G），也会导致其由α-2,3-半乳糖受体特异性识别变成
α-2,6-半乳糖受体特异性识别，而在人类中分离的H5N1型禽流感病毒中并没有
发现这些位点的氨基酸的突变（E190D、D225G、Q226L和G228S）。

人们通
过试验发现，在人型流感病毒HA中的226位和228位氨基酸同时发生突变的情
况下，HA与α-2,6-半乳糖受体的结合特异性就会变得很强；而226位、190位
和225位氨基酸单独发生突变时，对受体的特异性结合却没有明显的增强作用。

研究发现，一部分从人身上分离的H5N1病毒之所以对人型受体的特异性结合能
力增强，是因为其表面的HA有几个氨基酸发生突变，包括第125位丝氨酸突变
成天冬酰胺（S125N）、第133位亮氨酸突变成缬氨酸/第138位甘氨酸突变成
缬氨酸（L133V/A138V）、第133位氨基酸缺失/第155位亮氨酸突变成苏氨酸（133缺失/I155T）、第143位甘氨酸突变成精氨酸（G143R）、第159位丝氨酸突变成天冬酰胺（S159N）、第186位天冬酰胺突变成赖氨酸（N186K）、第193位赖氨酸突变成精氨酸（K193R）、第196位谷氨酰胺突变成精氨酸
（Q196R）、第196位谷氨酰胺突变成组氨酸（Q196H）、第197位天冬酰胺
突变成赖氨酸（N197K）、第214位缬氨酸突变成亮氨酸（V214I）、第227位
丝氨酸突变成天冬酰胺（S227N）以及第239位丝氨酸突变成脯氨酸（S239P），但是这些氨基酸突变的HA仍然具有与α-2,3-半乳糖受体特异性结合的能力。

由
此可见，HA的氨基酸突变对其与受体发生特异性结合有着明显的影响。

最近有报道称，从北美人身上分离的H7N2型禽流感病毒既能结合α-2,3-半乳糖受体，又能结合α-2,6-半乳糖受体。

这些H7N2型病毒的明显特征是在受体结合位点的220环形区中缺失了8个氨基酸。

虽然人们还没有证实H7亚型流感病毒HA的氨基酸突变能增加其对人类的感染性，但220环形区氨基酸的缺失却能增强HA对α-2,6-半乳糖受体的结合能力。

目前，在东南亚等国家流行的H9N2型禽流感能够传染给人和猪。

最近分离到的大量的H9N2型流感病毒的HA在第226位氨基酸（如226L）上似乎跟人型的相似，并且更易于同α-2,6-半乳糖受体结合[13]。

更重要的是，人们发现HA上第226位氨基酸为亮氨酸的H9N2流感病毒很容易在空气中进行传播，并且更易感染人类。

人们对H5N1、H7N2和H9N2病毒进行研究后发现，220环形区中的氨基酸的改变对禽流感的HA能特异性识别人型受体起着关键作用。

晶体结构分析表明，H5型禽流感的HA的220环形区与人型的130环形区比较相似，表明H3型人流感的HA受体结合口要比H5型禽流感的宽泛，从而能与较大的α-2,6-半乳糖受体结合。

220环形区的突变可能改变其在HA中的位置，从而优化它和人型受体之间的相互关系，增加对α-2,6-半乳糖受体的亲和性。

2 HA突变与流感病毒毒力的关系
季节性流感和流行性感冒的主要特征是传染性强和发病率高。

雪貂经常被用于研究H5、H7和H9等禽流感亚型的传播，甚至包括1918年的H1N1和1957年的H2N2流感病毒。

雪貂很容易感染人流感病毒，并且和人感染流感病毒的症状几乎相似。

更重要的是，雪貂的呼吸道上皮细胞与人类的相似，主要存在的流感病毒受体为人型的α-2,6-半乳糖受体。

2.1 HA HA突变对A A型禽流感病毒传播能力的影响原发性流行的H2N2的HA 第226位谷氨酰胺突变成亮氨酸后（Q226L）仍能识别人型受体，而且更易通过
飞沫感染雪貂。

1918年H1N1的HA的2个氨基酸的突变（D190E和G225D）使其对人型受体的识别转变成对禽型受体的识别，却失去了通过飞沫在雪貂中进行传播的能力。

这些研究表明，HA的这2个氨基酸的突变对流感病毒特异性识别人型受体是必须的，这可能也是禽流感病毒发生跨种传播和感染人类的一个重要条件。

尽管从人类身上分离了一株既能识别人型受体又能识别禽型受体的H5N1流感病毒，这株病毒在雪貂中却不能通过飞沫进行传播。

另外，HA的受体结合位点有3个或5个氨基酸发生突变的H5N1型流感病毒，虽然能识别人型受体，但也不能
通过飞沫在雪貂中进行传播。

同样的，在北美人中流行的H7型病毒，它的α-
2,6-半乳糖受体结合性增强，而α-2,3-半乳糖受体结合性减弱，也不能通过飞沫
在雪貂中传播。

另外，易于与α-2,6-半乳糖受体结合的H9N2病毒也不能在雪貂
中通过飞沫传播。

总之，这些研究表明，禽流感病毒在雪貂中通过飞沫传播的必备条件是能够识别人型受体，但是能识别人型受体的禽流感病毒却不一定能在雪貂中通过飞沫进行传播。

2.2 HA HA突变对禽流感病毒跨种传播的影响禽流感病毒之所以能跨种传播，其主要原因可能由于基因突变或重组。

实际上，1957年和1968年的流感大爆发都
是由于禽流感病毒发生突变引起的，突变使流感病毒由特异性结合禽型受体转变为人型受体。

但是，最近有一篇研究表明，NA来源人H3N2的H5N1病毒重组株
的HA能特异性结合人型受体，能够在雪貂中通过飞沫传播，在相互接触的一两只动物的洗鼻剂中发现有病毒排出。

而与6株人H3N2病毒发生基因重组的H9N2
病毒虽然易于与α-2,6-半乳糖受体结合，却不能在雪貂中通过飞沫传播。

但是，
这些重组毒株在经过几代连续培养后，却获得了在雪貂中通过飞沫进行传播的能力。

他们也发现，在2009年H1N1大流行中分离的禽-人重组病毒的HA和NA均来自禽流感病毒H9N2，它能不用先期适应就能在雪貂中通过飞沫快速传播。

总之，这些研究表明，尽管禽流感病毒在雪貂中进行传播需要HA能特异性地结合人型或
禽型受体，其他的因素对病毒的传播也起着重要作用。

比如，PB2蛋白中氨基酸
的改变与哺乳动物能否感染病毒、病毒在雪貂中能否通过飞沫快速传播和病毒在人上皮细胞中的复制有着密切关系。

在出芽期，NA蛋白能够降解受体细胞表面的唾液酸，从而使受感染细胞的病毒更容易释放出来。

病毒若要进行有效复制，就需要HA和NA这两种蛋白共同发挥作用。

3 研究展望
在印度尼西亚、越南、埃及和其他地方禽类中仍然存在高致病性A型禽流感病毒，并且能够感染人类。

有很大一部分从欧洲、中东和非洲等地分离出的H5N1流感
病毒在一定程度上能识别人型受体。

另外，禽流感病毒H9N2在亚洲和中东一些
国家呈本土流行，而且大部分H9N2病毒能特异性结合人型受体。

因此研究者认
为下一次流感大爆发可能会由已适应人类的H5N1或H9N2病毒引起。

我们应高
度重视H9N2亚型的发生和危害，因为H9N2亚型不仅全世界流行，还可以感染
人类。

但是，影响A型流感病毒发生传播的所有因素，特别是能在雪貂中传播的
禽-人重组病毒是否会在人类中发生传播，仍不得而知。

因此，我们需要探索新的
研究方法来确定A型流感病毒的宿主范围限制和跨种传播的分子机制。

[参考文献]
[1]Laver WG,Webster RG.Ecology ofinfluenza viruses in lower mammals
and birds[J].Br Med Bull,1979,35:29-33.
[2]Skehel JJ,Wiley DC.Receptor binding and membrane fusion in virus entry:the influenza hemagglutinin[J].Annu Rev Biochem,2000,69:531-569. [3]Fouchier RA,Munster V,Wallensten A,et al.Charac⁃terization of a novelinfluenza A virus hemagglutinin subtype(H16)obtained from black-headed gulls[J].J Virol,2005,79:2814-2822.
[4]Claas EC,Osterhaus AD,van Beek R,etal.Human in⁃fluenza A H5N1 virus
related to a highly pathogenic avian influenza virus[J].Lancet,1998,351:472-477.
[5]Kandun IN,Wibisono H,Sedyaningsih ER,et al.Three Indonesian clusters of H5N1 virus infection in 2005[J].N Engl J Med,2006,355:2186-2194. [6]Glaser L,Stevens J,Zamarin D,et al.A single amino acid substitution in 1918 influenza virus hemaggluti⁃nin changes receptor binding specificity[J].J Virol,2005,79:11533-11536.
[7]Rogers GN,Paulson JC.Receptor determinants of hu⁃man and animalinfluenza virus isolates:differences in receptor specificity of the H3 hemagglutinin based on species oforigin[J].Virology,1983,127:361-373. [8]Ito T,Couceiro JN,Kelm S,et al.Molecular basis for the generation in pigs ofinfluenza A viruses with pan⁃demic potential[J].JVirol,1998,72:7367-7373.
[9]ChutinimitkulS,van RielD,Munster VJ,etal.In vitro assessment of attachment pattern and replication effi⁃ciency of H5N1 influenza A viruses with altered recep⁃torspecificity[J].JVirol,2010,84:6825-6833.
[10]Childs RA,Palma AS,Wharton S,et al.Receptorbinding specificity of pandemic influenza A(H1N1)2009 virus determined by carbohydrate microarray[J].NatBiotechnol,2009,27:797-799.
[11]Kimble B,Nieto GR,Perez DR.Characterization ofinfluenza virus sialic acid receptors in minor poultry species[J].VirolJ,2010,7:365.
[12]Yamada S,Shinya K,Takada A,etal.Adaptation ofa duck influenza A virus in quail[J].J Virol,2012,86:1411-1420.
[13]刘金，汉丽梅.甲型流感病毒研究进展[J].现代畜牧兽医，2012，（11）：62-64.
[14]马福健，兰德松，孟潇，等.生物信息学方法在探究新出现流感病毒来源上的应用[J].现代畜牧兽医，2012，（7）：71-73.
[15]王凤强，姜北宇，刘明泽，等.抗H9N2亚型禽流感病毒单克隆抗体的制备及初步鉴定[J].现代畜牧兽医，2005，（8）：43-45.。