猪瘟病毒的分子生物学及其猪瘟的分子发病机理

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• 硫酸乙酰肝素(heparn sulfate, HS)是CSFV的一种受体, CSFV的E.0与HS相结合而进入细胞。HS是迄今唯一得 到证实的CSFV受体。
• CSFV另一种可能的受体是低密度脂蛋白受体(lowdensity lipoprotein, LDL), 因为已证实黄病毒科的许多不 同种类的成员如:HCV、BVDV、GBV和HGV均可通过 LDL受体的介导以细胞内吞作用的方式进入到细胞中。
(三) CSFV的非结构蛋白
• NS3具有蛋白消化酶(催化从NS3 到 NS5B 各个蛋白的切 割)、解链酶和NTPase酶活性,与病毒基因组的复制有 关。但在一些瘟病毒生物型中,NS2-3并不发生裂解, 而是以融合形式存在。如:在非细胞病变型BVDV中, 主要以NS2-3融合蛋白形式存在,而在细胞病变型 BVDV感染的细胞中,却有高水平的NS3存在,并且与 病毒RNA在细胞中的增多相关,这说明细胞内NS3浓度 与病毒的复制能力相关。而细胞病变型BVDV的NS2-3 能得到有效切割,NS3的多种功能均能充分得以发挥, 而病毒复制能力,能大量生成病毒粒子而导致细胞病变。 在CSFV中, NS2、NS3以什么形式存在还有待研究。 除有缺损颗粒的病毒外,CSFV均不能产生细胞病变。 这是否与非细胞病变形式BVDV一样,感染细胞中只有 NS2-3融合蛋白,病毒的繁殖能力不强所致还有待研究。
猪瘟病毒的分子生物学及 猪瘟的分子发病机理
一、病 原
• 猪瘟病毒(CSFV)属于黄病毒科瘟病毒属。 • 与同属的牛病毒性腹泻病毒(BVDV)、羊边
界病毒(BDV)之间,基因组序列有高度同源性, 抗原关系密切,存在交叉反应。与同科的乙脑、 登革、丙肝等病毒基因组结构相似。 • 野毒株毒力差异很大
一、CSFV
CSFV的遗传变异
分子流行病毒学研究即测定病毒基因组某 一特定的区域的序列,然后绘制病毒的基因进 化树,以研究病毒的起源、遗传变异和分析各 毒株间的同源关系
CSFV各基因亚型的遗传差异及地理与年代分布
CSF 全球分布(阴影部分)
我,分子流行病学 调查是一非常有用的工具,事实证明它优于 血清学方法。它在以下几个方面的工作中发 挥着重要作用:① 研究CSFV的变异;② 研 究病毒在家猪与野猪之间的传播;③ 追踪
• CSFV的Npro蛋白能与dsRNA结合进而抑制其功能,并 能对IFN-α/β启动子起抑制作用。Npro蛋白的这种作用使 感染细胞能抵抗dsRNA分子诱导的凋亡而导致了CSFV 非强毒株持续性感染的产生。
• 单核/巨噬细胞是动物机体内CSFV增殖的主要细胞、另外 CSFV也可在血管内皮细胞和DC细胞内增殖。CSFV并不感
三 猪瘟病毒感染和致病的分子机制
• 动物机体对病毒感染的最初反应是先天性的细胞反应, 主要包括炎性因子与抗病毒细胞因子的分泌和通过凋亡 机制使感染细胞死亡2个方面,通过这种细胞反应动物可 成功抵抗一些病毒的入侵,或是为动物机体特异性免疫 反应的建立并最终清除病毒赢得缓冲时间。
• 如果炎性反应过强,则可能导致一系列的病理反应。
• E2是CSFV的主要的保护性抗原。E2是CSFV研究的主要 对象,既是人们研究CSFV新型疫苗的主要靶基因,也是 建立CSFV血清学检测方法的首选抗原。
CSFV的非结构蛋白
• 非结构蛋白:包括Npro、p7、NS2、NS3、NS4A、 NS4B、NS5A和NS5B 8种蛋白
• Npro,为一自身蛋白酶,是CSFV多聚蛋白最先翻译 出的蛋白质。在翻译过程中,Npro在自身酶活性作用 于从正在翻译的PPro上裂解下来。Npro蛋白参与 CSFV抗宿主免疫反应,Npro可抑制感染CSFV的细胞 产生干扰素,其原因是Npro可通过抑制干扰素调节因 子3 (IRF3)的表达。对于病毒的繁殖来说,Npro并不 是必需的,敲除了该基因后,病毒的生长没有影响, 但病毒被致弱,并能诱导动物产生免疫保护反应, 并且失去抑制干扰素表达的能力。
病毒在不同国家边境线上的传播;④确定一 些特殊的变异株在局部地区的长期存在,特 别是在野猪中的存在;⑤研究CSFV的流行 毒株与疫苗株的差异。
二、CSFV基因组结构和功能蛋白的特性
1、 5'UTR
与复制有关
与翻译有关
1、 5'UTR
• 各瘟病毒3个成员基因组的一级结构有一定的变异性, 但变异发生在构成环的部分,形成茎的碱基却高度保 守,因而3者的二级结构相同。
染淋巴细胞,淋巴细胞的减少并不是病毒直接感染的结果。 强毒株Bresia经口腔接种敏感猪,结果接种后第一天 循环血 液中的T、B淋巴细胞即开始减少,而在血浆和淋巴细胞中却 要接种后3天才能检测到病毒。在观察的一周内,只有不到 3%的白细胞和非淋巴细胞感染了病毒,因此,CSFV导致的
淋巴细胞的凋亡,并非是病毒直接感染细胞的结果,而是病 毒感染激活了细胞的程序性死亡机制。
(三) CSFV的非结构蛋白
NS5B具有RNA依赖依赖的RNA多聚酶活性(RdRp),可与3‘ UTR 结合,负责病毒基因组的复制。突变分析表明NS5B按从N末端至C末 端的序列划分为4个功能区域(N1-N4)。4个区域中保守性的碱性氨基 酸Lys和Arg对RdRp的活性有着重要作用。 • 敲除N1区域的Lys和Arg,NS5B保留有延伸RNA合成的能力,但失去 了重新合成RNA的功能; • 替换掉N2中的保守性的Lys和Arg,RdRp的活性全部丧失; • 替换N3区中保守的Arg,RdRp的活性严重受损,而将其该区保守性的 Lys全部替换,RdRp的活性却增强,并且突变的NS5B可以利用任何 RNA为模板合成RNA分子。 • 替换N4区域保守的Arg可减弱RNA的延伸能力,但失去了重新合成 RNA的能力。
• CSFV的基因组本身作为mRNA翻译出多聚蛋白,但其 5‘末端没有帽子结构,因而翻译起始机制与一般真核 生物mRNA分子的不同。在CSFV基因组5’UTR内、有 一称为核糖体内部进入位点(internal ribosome entry site, IRES)的结构元件
• HCV的5′UTR与CSFV的相似,Reuskent等以反向遗传 技术构建两者的嵌合5′UTR。结果发现当将DomainⅡ 互换时,亚基因组的翻译功能受影响很小、但复制功 能消失;当将Domain Ⅲ互换时,亚基因组的翻译效率 受到严重影响,但仍保持着复制功能。这说明5′UTR不 仅与翻译有关,还与病毒基因组的复制有关
(二)、CSFV的结构蛋白
• CSFV有4种结构蛋白,即C、Erns(E0)、E1和E2。这4种蛋 白是在多聚蛋白翻译过程中依靠细胞内信号肽的切割而裂 解为成熟蛋白的。C为CSFV的核衣壳蛋白,E0、E1、和 E2为CSFV的囊膜糖蛋白。
• 在CSFV病毒粒子上,E0和E2暴露在外,是保护性抗原蛋 白,在抗CSFV的免疫应答中,可诱发抗CSFV的中和反应, 而E1隐藏在E2的内面,不能诱发抗CSFV的中和反应。
(一)、CSFV的细胞受体
• 瘟病毒通过E0和E2蛋白与细胞表面的相互作用而进入到 细胞。抑制试验表明猪瘟病毒最初结合到细胞膜上是E0 蛋白介导。CSFV和BVDV可与同一细胞受体结合而介 导细胞感染,因为,CSFV的E0蛋白既可抑制BVDV感 染猪的细胞,又能抑制其感染牛的细胞。CSFV的E0糖 蛋白可抑制猪源BVDV的感染,但对牛源的BVDV没有 作用,这同时也说明病毒的宿主嗜性与E0有关。
• C蛋白除构成病毒的核衣壳外,在病毒的繁殖过程中还有 着重要的作用[。体外重组的C蛋白具有转录调节因子的作 用。在C蛋白内有引导蛋白质进入到细胞核内的核内化信 号序列(NLS:KKKGKV),该序列高度保守,在CSFV不 同的毒株中均存在
(二)、CSFV的结构蛋白
• E0具有Rnase酶活性。这种RNA酶活性在CSFV的复制过 程中起重要作用,并且可能与病毒在自然宿主中的持续 存在、CSFV的宿主和细胞嗜性以及CSF的发病机理等方 面,E0均起着重要的甚至是决定性的作用有关。E0还具 有神经毒害作用和免疫抑制作用。同时,E0蛋白在体外 细胞培养中可诱导猪、人、牛、山羊等多种动物的淋巴 细胞的凋亡。在感染动物体内,相当数量的E0被分泌细 胞外并进入到血液中。
(四) CSFV的3'UTR
• CSFV的3 ' UTR长度为215nt~239nt。在瘟病毒中3 ' UTR是高度保守的。3 ' UTR在病毒的复制繁殖过程中 起着重要作用,它参与病毒粒子的装配,基因组的复制 和多聚蛋白的翻译。所有瘟病毒的3 ' UTR均存在着一 个保守区(3′C)和一个可变区(3′V)。虽然在不同瘟病毒之 间,3′V区的同源较低,但其二级结构在所有瘟病毒中 却保持一致:均有二个不稳定的茎环结构: SLstop和 SLⅡ、一个中度保守的12nt的序列。
• 这一机制的诱因是CSFV感染后大量细胞因子的产生。单核/ 巨噬细胞在感染CSFV后首先是TNF-α(为主要的调节因素), 接着是IL-6、IL-1α和补体成分C1q的分泌增多。在病毒感染 的早期血液中IFN-α水平显著提高(IFN可引起细胞的凋亡), 并且这种提高与T、B淋巴细胞大量减少在时相上是一致的。
• 但多种病毒在长期进化中获得了抑制炎症反应和避免细 胞凋亡的抗宿主的能力,从而获得在动物机体内生存的 机会,并在一定的条件下引发疾病的发生。
• 病毒入侵机体后的命运、是否导致疾病及疾病的严重程 度等均与先天性的细胞反应、特异性免疫应答和病毒抗 宿主反应三方面有关,是这三者发生、发展及它们互相 制约、互相平衡的结果。
(三) CSFV的非结构蛋白
• NS2:Moser等以CSFV Alfort/187株的感染cDNA为基础, 在不影响多聚蛋白开放阅读框的前提下构建了一系列缺 失结构蛋白和非结构蛋白的cDNA分子,体外转录后以 电转移方法转染SK-6细胞。结果发现Npro、C、Erns、 E1、E2、p7和NS2等蛋白的编码区对于病毒基因组的复 制来说均是非必需的。NS2-NS3完整的RNA复制子能持 续存在于细胞中并连续进行复制,但不引起细胞病变, 而缺失NS2的复制子其复制效率更高,并可引起细胞病 变。这说明NS2对病毒基因组的复制起负调控作用。
(三) CSFV致病机理与抗宿主免疫机制
CSFV的急性致病主要有两方面: • 淋巴细胞减少而引起的免疫抑制。 • 血液系统的紊乱导致的出血现象。 • 慢性和持续性感染是CSFV致病性的一个
重要方面。
免疫抑制
• RNA病毒基因组在复制过程中能形成双链RNA (dsRNA) 的复制型中间体,而dsRNA可诱导感染细胞的凋亡和诱 导IFN的产生,从而对病毒的增殖起抑制作用,这是宿 主抗RNA病毒感染的重要的天然防线。同时,dsRNA 还能激活DC细胞,从而促进特异性免疫应答的产生。
猪瘟病毒粒子形态
CSFV粒子呈球形、直径约40-50nm, 外被一层主 要由脂质组成的囊膜、囊膜内是呈二十面体对 称的核衣壳,核衣壳内为基因组RNA分子。
一、CSFV
CSFV的基因组结构
基因组为单链线性RNA分子、大小约12.3kb、含有一个大的 ORF。该ORF首先翻译出一多聚蛋白(polyprotein、PPro),然 后该PPro在细胞内和病毒特异的蛋白酶作用下裂解成各种成 熟结构蛋白(S)和非结构蛋白 (NS)。编码12种蛋白质,其中结 构蛋白4种:C、Erns 、 E1 、E2。Ppro编码区两端分别是5’端 非翻译区(untranslated region, UTR)和3’端UTR
(二)、CSFV毒力相关基因
• CSFV基因组上与毒力有关的基因有Npro、E0、 E1和E2等4个基因。CSFV强毒株基因组上的这4 个基因中任一基因的某些核苷酸被突变后,或 是强毒株的这些基因被弱毒株相应的基因取代 后,CSFV的致病力均可能明显下降。这4个基 因的表达产物,除Erns蛋白具有淋巴细胞毒性, 其它3个蛋白单独并不表现出什么毒性,它们只 是在维系病毒的整体致病力方面起作用。
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