
与致病性相关的流感/禽流感病毒的分子基础研究 |
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一、流感病毒分类及结构
流感病毒是引起流行性感冒的病原体,属于正粘病毒科(Orthomyxoviridae),该病毒具有包膜和8个节段的单链负RNA。根据病毒颗粒的核蛋白(NP)和基质蛋白(MP)抗原特性和基因特征的不同,流感病毒分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三型。甲型流感病毒膜表面具有神经氨酸酶和血凝素,而C型流感病毒只有HE糖蛋白没有神经氨酸酶。
流感病毒示意图
甲型流感病毒的内部基因是由8个节段的RNA组成,并由HA蛋白、NA蛋白和M2蛋白组成包膜状的病毒结构。根据血凝素(Hemagglutinin,HA)和神经氨酸酶(Neuraminidase,NA)抗原性的不同,HA可以分为16个亚型,NA分为9个亚型。
图中显示的是根据DNA序列绘制的HA(图A)和NA(图B)的进化树,标尺长度代表相邻亚型间10%的核苷酸差异。
甲1型流感病毒,是由H1和N1组合的亚型;禽流感病毒H5N1是由HA的H5亚型和NA的N1亚型所组成。

上图所示,流感病毒A/PR/8/34的基因组,从图中可以看出,PB2基因主要可以编码PB2蛋白,PB2蛋白的作用是在流感病毒复制过程中,识别一个帽状结构,有利于病毒的复制,并和PB1、PA组成多聚酶,是参与流感病毒复制过程的一个主要的酶。HA基因主要编码的是血凝素蛋白,血凝素蛋白是病毒膜表面的一种糖蛋白,具有与受体结合后,再与人上皮细胞结合的功能。另外,它也是流感病毒主要的抗原决定基因。NP基因编码的是NP蛋白,NP蛋白在流感病毒复制过程中,主要是和RNA结合,形成RNP复合物帮助RNA进入核内。NA基因编码NA蛋白,在病毒复制初期和复制后期释放过程中起作用。M基因编码两个蛋白M1和M2,M1蛋白是决定病毒形态的一种糖蛋白, M2蛋白的主要功能相当于离子通道,主要与病毒的抗药性有关。NS节段也编码两个蛋白,NS1蛋白和NS2蛋白。
二、与致病性相关的流感病毒的分子基础
流感病毒的繁殖过程:
(1)入侵:流感病毒通过HA与宿主细胞膜表面多糖受体末端的唾液酸结合并附着于细胞表面,随后细胞膜内陷并逐步包裹病毒颗粒,通过胞饮作用将病毒吞入。
(2)融合:在低pH值时,HA发生结构改变,病毒双层类脂膜与细胞膜融合。
(3)脱壳:病毒释放出病毒RNA及核糖核蛋白复合体(RNP)从细胞质转移至细胞核,RNA开始转录复制。
(4)复制:mRNA在核内合成后转移到胞浆,合成病毒的各种结构和非结构蛋白。
(5)组装与释放:病毒蛋白组装后以出芽方式释放子代病毒颗粒,进而侵入周边细胞,从而导致宿主感染发病。
(一)流感病毒血凝素蛋白在致病中的作用
(1)流感病毒的HA是位于病毒膜上的三个相同单体构成的三聚体,单体为一多肽称为HA0,其由HA1和HA2通过双硫键构成。
(2)HA被宿主蛋白裂解酶切割分为HA1和HA2,才具有感染性。HA切割位点的特性和宿主切割酶与病毒的致病性直接关联。
(3)在入侵时其受体结合特性也与病毒的致病性密切相关。
1.HA切割位点与致病性
由于切割位点的不同,流感病毒的致病性也是不同的,现代研究表明,高致病性流感病毒的HA切割位点的上游均含有多个碱性氨基酸插入物,其最小序列为-R-K-K-R-或-R-E-R-R-R-K-K-R-,这样的结构可被包括人在内的哺乳动物体内广泛存在的碱性蛋白酶所识别和切割,因此增加了病毒的组织嗜性,使得病毒得以在全身多脏器繁殖,导致严重的除呼吸道外的多脏器感染,同时也扩大了宿主范围。例如H5和H7亚型。
低致病性流感病毒HA的切割位点上游为-X-R-,即只有一个碱性氨基酸-精氨酸,仅被呼吸道和肠道的表面存在的蛋白酶分解,因此这样的流感病毒仅在该部位繁殖、感染。例如H1、H2和H3亚型。
HA三聚体 HA单体 HA切割后
2.HA受体与致病性
HA与唾液酸多聚糖末端半乳糖受体的结合是病毒侵入宿主的第一步。HA的受体结合部位与宿主受体的精确结合决定了种族结合的特点,人流感病毒和受体唾液酸的半乳糖α2-6结合,而禽流感病毒与唾液酸的半乳糖α2-3结合,人与禽流感病毒受体的这种差异与HA蛋白第226位氨基酸密切相关,人流感病毒受体结合部位的226氨基酸为Leu,而禽或马的为Gln,因此,认为流感病毒HA与唾液酸的半乳糖α2-3或者是α2-6结合的变化可能是突破种族屏障和适应新宿主的关键。有证据表明,香港活禽市场分离的H9N2病毒与人H3N2病毒有着相似的受体特性,此特性增强了病毒感染人的能力。
宿主细胞HA受体末端唾液酸与半乳糖的连接方式
引起人感染的H5亚型病毒,其受体特点没有变化,仍与唾液酸的半乳糖α2-3结合,那么,为什么它能感染人呢?最近的研究表明:在人的鼻腔粘膜、鼻凹、气管上皮细胞表面唾液酸末端存在着大量的α2-6半乳糖,也分布有少量的α2-3半乳糖,人下呼吸道细支气管与肺泡细胞表面唾液酸末端存在着α2-3半乳糖。因此,人可能直接感染H5,出现散发病例,而不发生流行。
(二)流感病毒PB2在致病中的作用
流感病毒的PB2识别、结合、切割由宿主细胞多聚酶Ⅱ转录的帽子结构接到病毒特异的mRNA的5'末端上,与PB1、PA组成病毒多聚酶复合体。对1997年人分离的H5N1病毒的PB2的研究表明:将鼠低致病性H5N1毒株的PB2位于627的氨基酸(E)置换为鼠高致病性H5N1毒株的氨基酸(K),表现出致病性增强;反之,将鼠高致病性的H5N1毒株的PB2的627位氨基酸(K)变为鼠低致病性的H5N1毒株的氨基酸(E),对老鼠致病性减弱,因此PB2也是流感病毒致病性起决定的分子因素。同样,2004年越南人分离株也证明了此位点K氨基酸结构以及随后研究也证明1918引起世界大流行毒株和2003年因感染H7N7死亡兽医分离的毒株也具有同样的结构,而其他感染者分离株为E氨基酸。我国人禽流感病例分离株此位点E/K两种氨基酸都存在。
(三)流感病毒PB1在致病中的作用
近年研究PB1-F2是在2001年发现的甲型流感病毒的第11个蛋白,由PB1片段的第二个读码框编码,一般为87-90个氨基酸。在一些高致病性的流感毒株中,该蛋白具有完整的结构而且能够高效表达,该蛋白的主要作用是诱导宿主免疫细胞的凋亡,从而使宿主免疫功能受损,免疫抵抗力降低诱发细菌性感染。据最新的研究发现,在1918年的流感大流行中,PB1-F2大大增加了流感的致病性。
(四)流感病毒NS1在致病中的作用
病毒侵入机体后为了有效地繁殖和避免机体免疫的抵抗,病毒也会采用各种方式与机体斗争。就流感病毒而言,NS1蛋白即是起这种作用的分子基础。
NS1蛋白是流感病毒第8节段编码的非结构蛋白,仅在感染细胞内发现。在感染细胞中,NS1的主要功能是抑制IFN-β的产生从而抑制其抗病毒作用,其抑制作用主要通过抑制OAS/PKR的活化和抑制IFN的转录因子IFR-3、IFR-7及NK-kB的活化,从而使流感病毒繁殖效果增强。尽管研究表明1997年人分离株的NS1与2003年以后人分离株有所不同,但NS1蛋白是决定流感病毒致病性的重要的分子是显而易见的。
可见,流感病毒的致病性是病毒和宿主相互作用的结果。从病毒方面来看,HA受体结合位点、HA酶切位点序列、RNA多聚酶的影响、PB1-F2的促凋亡作用以及NS1的影响都与致病性有关;宿主方面,HA受体末端半乳糖类型、HA受体在体内的分布、个体免疫的差异、流感疫苗抗体水平等方面决定了流感病毒的致病性。
三、流感病毒致病机理研究的展望
1.大流行毒株产生的两种方式
(1)重配:禽流感病毒和人流感病毒发生重配,产生一个新的毒株,这个毒株具有感染人的能力,进而引起大流行。
(2)突变:流感病毒自身发生变异,产生一个新的具有高强度的毒株。
无论以上哪种形式产生的大流行毒株,都必须具备与人体相关受体结合,并引起传播的能力,才可能会引起大流行。
2.流感病毒与宿主细胞相互作用的研究应深入
禽流感病毒如果能在人群中稳定存在并流行,须获得与人呼吸道上皮细胞受体结合的良好的亲和力,因此,深入进行病毒受体变异机制的研究很有必要。可以利用反向遗传技术,解析病毒表面糖蛋白与人呼吸道受体结合特性的研究。
开展流感、禽流感病毒HA的分子生物学研究,密切监(检)测流感病毒的HA变异,发现其变异趋势,以此作为防控流感大流行的预警预测指标之一是非常有意义的。
3.流感病毒与宿主免疫反应的研究
应进一步对禽流感病毒在人感染中高免疫反应的研究,有利于了解其致病机理;对禽流感在体内传播机制的研究,以解明其致病机制;人感染H5N1的宿主因素的研究等,也有利于其致病机制的解明。










