A型流感病毒致病性及跨种间传播的分子生物学基础

中国动物传染病学报 2010,18(4):76-81

Ch i nese Journal o fA n i m al Infecti ous D iseases

综述

A 型流感病毒致病性及跨种间传播的

分子生物学基础

黄 梦,童光志

(中国农业科学院上海兽医研究所,上海200241)

摘 要:A 型流感病毒在温血动物中广泛存在,也是目前导致人类和各种动物流感疾病的主型。在自然情况下流感病毒感染的宿主范围有一定的特异性,分离自人的流感病毒一般不能在鸡、鸭等禽类体内复制,同样禽流感病毒在灵长类动物体内的复制能力也极差。但近年来不断发生禽流感病毒(包括H5N 1,H 9N 2,H 7N 7亚型病毒)直接传染给人的事件,而2009年爆发的人类的H1N 1流感的病原则是猪源流感病毒重组而来。研究证实,流感病毒的致病性及跨种间传播的深层原因是病毒分子结构差异及其与宿主细胞相互作用。病毒多种结构蛋白和非结构蛋白某些功能位点上氨基酸的差异是病毒致病性及其跨中传播的分子生物学基础。关键词:A 型流感病毒;H 1N 1流感病毒;致病性;跨种传播中图分类号:S852.659.5

文献标识码:A

文章编号:1674-6422(2010)04-0076-06

收稿日期:2010 07 19

作者简介:黄梦,女,硕士研究生,预防兽医学专业通讯作者:童光志,E m ai:l gzt ong @shvr.i ac .cn

M OLECULAR BI OLOGY BA SIS OF PATHOGEN I C ITY AND

INTERS PECIES TRANS M ISSI ON OF INFLUENZA A V I RUS

HUANG M eng ,TONG G uang zhi

(Shangha i V eterinary Research Instit ute ,CAA S ,Shangha i200241,Ch i na)

Abstrac t :Infl uenza A v irus ex i sts i n a l m ost a ll of hom othe r ma l an i m als and is t he pr i m e type l eadi ng to i nfection i n humans and an i m als .U nder na t ura l c ircu m stances ,influenza v irus has certa i n host range .In genera ,l i nfl uenza v irus o f hu m an or i g i n cannot replica te i n birds ,such as ch ickens or ducks .L i kew ise ,av i an influenza v i rus has very lo w rep licati on ab ilit y i n pri m ates .In the past several years ,however ,

there have been many i nc i dents that av ian i n fluenza v irus (i nclud i ng H 5N 1,H 9N 2and H7N 7

subtypes)have trans m itted from av i an to hu m an .T he pandem ics o fH 1N1i n fluenza that occurred in 2009has been confir m ed a recomb i nati on w ith i n fluenza v irus o f s w i ne orig i n .S t udies have demonstra ted that the differences i n v iralm o l ecular structure and the i nte raction bet w een v irus and host ce ll dete r m ine i nfl uenza v irus pathog en i c ity and i nterspecies trans m ission and t he m o l ecular b i o l ogy basis f o r such changes are mu tati ons o f certa i n a m i no acids i n functiona l sites on structura l or nonstructura l prote i ns .K ey word s :Infl uenza A v irus ;H 1N 1influenza v irus ;pa t hog en i c ity ;interspec ies trans m ission

流感是重要的人畜共患疾病,全球每年有数十万人死于季节性流感。人类历史上经历过三次流感的大爆发,分别是1918年的西班牙大流

感,1957年的亚洲流感,1968年的香港流感,每次大流行都给人类带来巨大灾难

[1-4]

。2003年

以来,最初在东南亚散发并蔓延至全球的H 5N1

高致病性禽流感,以其高致病性、高死亡率,不仅导致养禽业遭受巨大损害,并因其对人的感染性和高度的致死率引起社会的广泛关注和重视。2009年4月,最初从墨西哥和美国爆发并在全球范围内广泛流行的甲型H 1N1流感,已在全球208个国家检测到确诊的病例,死亡病例总计达

第18卷第4期 黄梦:A型流感病毒致病性及跨种间传播的分子生物学基础 77

18000人。目前流行趋势虽然减缓,但是世界卫生组织仍然高度重视,没有降低防范级别,各国专家保持对病毒的密切监测,以防病毒产生较大变异,增强毒力和对人的致病性[3-4]。

早期研究证实,血凝素(he m agg l u ti n i n,HA)蛋白和神经氨酸酶(neura m i n i d ase,NA)蛋白某些位点氨基酸的差异会造成病毒致病性及宿主范围的较大变化。近年来,研究人员发现其它蛋白上氨基酸的变异也能引起病毒毒力和宿主范围的变化。本文综合国内外近年发表的重要文献,着重从流感病毒的致病性和跨种间传播的分子机理方向,系统探讨分子结构的差异对流感病毒致病性和宿主范围的影响。

1 流感病毒病原学

流感病毒属正黏病毒科(O rtho m yxov iri d ae),流感病毒属,包括A、B、C三种型。A型流感病毒从包括禽类和哺乳动物在内的多种动物体内分离到,而B型和C型病毒只能感染人。根据病毒HA和NA抗原性的差异,可以将A型流感病毒分为不同的亚型,到目前为止,已鉴定出HA亚型有16种,为H1~H16,NA亚型有9种,为N1 ~N9。

1.1 流感病毒形态结构 流感病毒呈球型或丝状,直径为80~120nm。典型的流感病毒在电镜下呈球形,有囊膜。囊膜表面有许多放射状排列的纤突为跨膜糖蛋白HA和NA,还有称为基质蛋白(m atri x pr o te i n,M)M2的第三种突起,为质子通道,三种突起均插入并以疏水性氨基酸为锚固定在类质膜上。中间层是由基质蛋白M1构成的一个或若干个分子厚的球形蛋白壳。里层是呈螺旋型对称的核衣壳,直径9~15nm,由核蛋白(nuclear prote i n,NP)、三种聚合酶蛋白(PB1、PB2、PA)和病毒单链RNA组成。

1.2 A型流感病毒基因组的结构及其编码的蛋白 A型流感病毒基因组为分节段的单股负链RNA,由8个独立的节段构成。此8个节段至少编码11种功能蛋白,节段1、2、3分别编码3个聚合酶蛋白PB2、PB1和PA,节段2另外还编码一种称为PB1 F2的蛋白;节段4、5、6分别编码HA、NP和NA,节段7编码基质蛋白M1和质子通道M2;节段8编码两种非结构蛋白NS1和NS2。 聚合酶蛋白(PB2,PB1和PA)是分子量最大而含量较少的结构蛋白,在病毒RNA转录的启动和复制过程中发挥重要作用。HA和NA是流感病毒的两种重要表面糖蛋白。HA能结合宿主细胞上的唾液酸受体,使病毒附着于细胞上,帮助病毒穿透宿主细胞膜改变其抗原性,逃脱宿主免疫系统的监视。NA能识别细胞表面流感病毒受体末端的唾液酸残基,使病毒进入宿主细胞。NP蛋白形成病毒的核衣壳,通过RNP来稳定v RNA。基质蛋白M1和NP、HA和NA蛋白的胞浆区共同构成病毒粒子的结构框架,病毒中含量最为丰富,在病毒粒子装配中发挥重要作用。M2蛋白主要起质子通道作用,在病毒感染早期帮助病毒脱衣壳,在随后的病毒组装过程中控制高尔基体内的pH,阻止HA成熟前构象的改变。非结构蛋白NS不存在于成熟的病毒粒子内,但在感染的细胞中含量丰富。NS1蛋白主要存在于细胞核内,有2个核定位信号区,而NS2主要存在于胞浆,二者在病毒复制中起作用。

1.3 流感病毒抗原的变异 流感病毒具有极强的变异能力,每个复制周期中的一个复制位点的变异率就约为10-5,故能产生众多的血清亚型。流感病毒变异方式主要有抗原漂移和抗原转变,在一定的选择压力的下,其变异速度会相应地更快。

由基因组自发的点突变引起小幅度的变异称为抗原漂移。当氨基酸的改变积累到一定程度,改变的氨基酸正好使抗原决定簇发生改变时,就会引起抗原的变异。A型流感病毒的抗原漂移主要是由HA和/或NA基因发生点突变引起的,其中HA基因的变异率相对较高。流感病毒抗原性在人体内的变异频率明显高于在其他动物体内的突变频率。禽流感病毒中测到抗原漂移远远少于人流感病毒,可能是因为禽类生存期比较短,免疫压力小。在抗原漂移的过程中,病毒的致病性和宿主范围常常发生改变,如禽流感病毒HA蛋白上某些功能位点氨基酸的改变,会使得病毒对哺乳动物产生高致病性。

突变幅度较大会导致新的亚型产生,这种变异即为抗原转变。大量实验证明,不同亚型病毒同时感染一个细胞时,病毒基因组可发生节段的交换。理论上,8个RNA片段存在256个不同的组合方式。因此,在同一地区,只要同时流行两