禽流感病毒致病机制研究进展_杨生海

江西农业学报　2009,21(5):114～117ActaAgriculturaeJiangxi

禽流感病毒致病机制研究进展

杨生海

1,2

,殷宏,刘永生,陈豪泰,马丽娜,马艳平,丁耀忠,张杰

2.中农威特生物科技股份有限公司,甘肃兰州730046)

11111113

(1.中国农业科学院兰州兽医研究所家畜疫病病原生物学国家重点实验室、农业部畜禽病毒学重点开放实验室,甘肃兰州730046;

摘　要:禽流感病毒(AIV)属于正粘病毒科,它的致病性与毒株和宿主均有很大关系,根据毒力强弱将AIV划分为高致病性和低致病性毒株。高致病性AIV由于其传染性极强,可引起家禽全身性感染,造成多个组织器官严重病理损伤,致死率达

100%,给世界养禽业造成重大损失。对禽流感病毒的分子结构及其致病机制方面的研究现状进行了综述。

关键词:禽流感;病毒;分子结构;致病机制;研究进展

中图分类号:S855.3　文献标识码:A　文章编号:1001-8581(2009)05-0114-04

ResearchProgressinPathogenicMechanismofAvianInfluenzaVirus

YANGSheng-hai,YINHong,LIUYong-sheng,CHENHao-tai,

11113

MALi-na,MAYan-ping,DINGYao-zhong,ZHANGJie

(1.KeyLaboratoryofAnimalVirology,MinistryofAgriculture,StateKeyoryofBiology,LanzhouVeterinaryResearchInstitute,ChineseAcademyofAgricultural2.VeterinarianBiologyScienceandTechnologyCo.Ltd.,Lanzhou730046,China)

Abstract:AvianInfluenzaVirus(AIV)belongstoObeoouspesonthebasisofan2tigenicdifferencesbetweenthetwosurface:he.AsaconsequencethisvirushasinflictedgreateconomicdamagetosuprogressinthemolecularstructureandpathogenicmechanismofAIKeystructure;Pathogenicmechanism

1,2

1

1

1

1　前言

禽流感(AvianInfluenza,AI)是由正粘病毒科A型流感病毒引起的禽类急性传染病,被世界动物卫生组织和我国《家畜家禽防疫条例》列为A类烈性传染病。禽流感病毒根据其核蛋白(NP)和基质蛋白(M1)抗原性及其基因特性的不同可划分为A、B、C型。其中A型流感病毒感染范围最广、危害最大,常以流行性的形式出现,并能引起世界性人流感的大流行。A型流感病毒也可以从各种动物体中分离到,例如人、猪、马、海洋哺乳动物、猫、狗和鸟类等

[1]

组成,每一条RNA都以不同的核糖核酸蛋白复合体形式存在。8个基因片段编码10种蛋白,各片段长短不一,分别以片段1、2、…、8来命名,依次编码病毒的聚合酶复合体中PB1、PB2、PA、血凝素(HA)、病毒核衣壳蛋白

(NP)、神经氨酸酶(NA)、基质蛋白(M1、M2)、非结构蛋

白(NS1、NS2)。其中基因片段1和片段2最大,约2340

bp;片段8最小,约890bp。除了片段4和片段6外,不

同毒株的基因物理图谱都相同。禽流感病毒的基因组共编码10种蛋白质,其中8种为病毒结构蛋白,包括PB1、

PB2、PA、HA、NA、NP、M1和M2;另外2种为非结构蛋

。A型流感病毒的致病性与毒株和宿

主均有很大的关系,不同毒株对同一宿主或同一毒株对不同宿主的致病性差异很大,根据毒力强弱将AIV划分为高致病性、非致病性和低致病性毒株。高致病性AIV由于其传染性极强,可引起家禽全身性感染,造成多个组织器官严重病理损伤,致死率达100%,其感染禽类达88种,主要是鸡、鸭、鹅,除此之外,还可感染猪、猫、狗、老虎等哺乳动物和人类,是一种人畜共患病,对各国的公共卫生构成严重的危害

[2]

白,即NS1和NS2。结构蛋白包括糖基化和非糖基化蛋白,其中糖基化的结构蛋白包括HA和NA,其他均为非糖基化结构蛋白

[3]

。

血凝素(Hemagglutinin,HA)是构成AIV囊膜纤突的主要成分之一,是AIV基因表达产物中最大而典型的I型糖蛋白,其羧基端在囊膜内,氨基端在囊膜外。HA的一级结构含有4个结构域,分别为信号肽、胞浆域、跨膜和胞外域。信号肽位于HA的氨基端,由16个疏水氨基酸组成;其后是HA1部分,由300多个氨基酸残基构成;羧基端是HA2部分,由200个氨基酸残基构成。在HA1和HA2之间有一精氨酸,但在加工过程中被切除

[4]

。

2　禽流感病毒的主要分子结构

禽流感病毒(AIV)的基因组由8条单股负链RNA

。

收稿日期:2009-02-22

作者简介:杨生海(1978-),男,甘肃庆阳人,助理研究员,硕士研究生,主要从事病毒分子生物学研究。3通讯作者:张杰。

　5期　　　　　　　　　　　　　　　杨生海等:禽流感病毒致病机制研究进展115

神经氨酸酶(Neuraminidase,NA)是AIV的另一个主要表面抗原,也可构成病毒囊膜的纤突,但数量比HA少,其成熟的形式是具有催化活性的同源四聚体,呈蘑菇状,包括一个盒子状的头部和一个细茎部。神经氨酸酶是Ⅱ型糖蛋白,即氨基端在囊膜内而羧基端在囊膜外,由片段6编码,其核苷酸长度为1443～1465个核苷酸,非编码区约有20～30个核苷酸,共编码470个左右的氨基酸。NA的一级结构包括4个区域,分别为氨基端胞浆尾、非极性跨膜区、颈部和头部序列,神经氨酸酶的氨基端胞浆尾包括6氨基酸残基,它们是MNPNQK。根据目前所检测的不同的NA序列,发现氨基端胞浆尾非常保守,在所有的A型流感病毒中都相同

[5]

3　禽流感病毒的致病机制

3.1　血凝素与致病性关系　A型流感病毒的HA蛋白

的主要功能是与细胞表面受体结合,介导病毒与细胞内体膜融合,致使病毒RNP释放入细胞质中。在介导融合之前,HA会被裂解成2个以二硫键相连的亚单位,即

HA1和HA2。由于膜融合时需要HA2的N末端介导,

因此HA的裂解是感染的必要条件

[9]

。H1、H2和H3亚

型流感病毒在裂解位点处均只包含1个碱性氨基酸

(Arg),这样的HA只能被一些特定细胞分泌的胞外胰蛋

白酶样蛋白酶所识别并裂解(如呼吸道细胞)。与之相反,高致病性禽流感病毒,如H5N1和H7N7的HA基因裂解位点处则含有多个碱性氨基酸,这种由多个碱性氨基酸组成的裂解位点则能被多种胞内蛋白酶包括碱性氨基酸蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶样的蛋白所识别,导致含有这种多个碱性氨基酸组成的裂解位点HA蛋白可以在多种细胞内被裂解,而缺少这种裂解位点的重组H5N1HA裂解位点处]

。

核蛋白(Nucleoprotein,NP)是构成病毒核衣壳的主要蛋白成分,它是一种单体磷酸化的多肽,分子量约60

kDa,具有型特异性,参与构成选择特异性宿主的因素。

核蛋白分子由vRNA片段5编码,由498个氨基酸残基组成,富含精氨酸(Arg),各亚型之间及亚型内各毒株间的氨基酸序列很保守,是流感病毒分子进化和分类的基础。

基质蛋白(Matrixproteins,M)是由基因组片段码,片段7有2个ORF,出一种蛋白,成,,除了作为结构蛋白外,胞核与胞浆间的物质转运

[6]

亚型流感病毒致

,有一些在H5亚型流感病毒对对一株H5N2亚型流感病毒进行重组时,发现其侧链上的糖类影响了蛋白酶与裂解位点的接近,从而致使其HA0不能被裂解,从而导致其致病性降低。有的H1亚型流感病毒虽然在HA裂解位点处只有1个碱性氨基酸,但却对小鼠表现出高致病性,如造成1918年流感大流行的H1N1流感病毒,虽然在HA裂解位点处只有1个碱性氨基酸,但却对小鼠表现出高致病性。当用1918年流感病毒的HA基因替换为无致病性流感病毒的HA基因时,重组流感病毒仍对小鼠表现出高致病性,到目前为止,还无法解释其原因。

3.2　神经氨酸酶NA蛋白与流感病毒致病性的关系　NA蛋白是禽流感病毒的另一种表面糖蛋白,在流感病

。

非结构蛋白(Nonstructuralproteins,NS)由片段8编码。片段8也有2个读码框,可编码2种蛋白质,即NS1和NS2,两者的分子量分别为25000和12000Da。这两种蛋白质大量存在于感染的细胞中,NS1主要在核内,

NS2主要在胞浆内,在病毒粒子内不存在这两种蛋白

成分。

聚合酶(Polymerase,P)由3种成分组成,它们是

PB1、PB2、PA。流感病毒3个最大的vRNA片段l、片段2、片段3编码的蛋白质分别为PB2、PB2、PA。它们在A

毒的复制循环中起重要作用。一方面,NA是一种唾液酸酶,在病毒感染靶细胞时,可以识别细胞表面流感病毒受体末端的唾液酸残基,使病毒能够进入细胞;另一方面,NA是一种受体破坏酶,可以催化去除连接病毒与宿主细胞的唾液酸。因而在流感病毒出芽过程中,NA蛋白促进了子代病毒粒子的成熟和释放

[11]

和B型病毒中有类似的结构和功能。在感染后的复制过程中,聚合酶蛋白质合成的数量虽然很少,但它们对病毒的基因表达和复制来说是必需的。聚合酶蛋白包括合成后移入核内的核质序列

[7]

。每个病毒粒子大致包括。

30～50套的聚合酶蛋白。聚合酶蛋白与vRNA和NP一研究发现NA蛋白和HA蛋白之间的平衡与流感病毒的致病性有关,这也为并非所有的HA亚型和NA亚型的组合在自然界都可以分离到提供了理论依据。在实验室条件下,由于HA和NA不匹配,也很难获得稳定而高滴度的重组毒株。Matrosovich等发现IV在适应新的宿主时改变HA受体结合特性的同时,伴随着NA序列的变化,这证明了HA蛋白与NA蛋白结构的平衡对流感病毒的感染与复制至关重要

[12]

起连接形成非共价键的复合体,PB1和PB2是碱性蛋白,而PA为酸性蛋白。病毒的聚合酶蛋白质不直接启动

RNA表达,而是要用宿主的mRNA作为启动子。PB2识

别帽状RNA后开始内部核酸酶的活动。PB1不仅负责

cRNA和vRNA的合成,而且与mRNA延伸有关。PA的

功能还不太清楚,可能扮演蛋白质激酶或螺旋-解螺旋的角色。聚合酶含有相对比较保守的苯甲氨基酸序列

[8]

。

。NA基因与流感病毒的致病性有关。例如,NA与

116江　西　农　业　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　21卷

AIV的致病性密切相关,1993年,Castrucci等人发现了NA基因茎部0～52个氨基酸变化对于流感病毒的致病

Asn,是毒株能够跨越种属障碍感染小鼠的重要决定因

素,PB2基因还决定禽流感病毒的冷适应性生物学特性。

PascaleM等研究发,现禽源流感病毒的PB2基因在哺乳

性有关。

NA基因上某些氨基酸的变异与流感病毒对神经酸

动物细胞上具有冷敏感性,而人源流感病毒的聚合酶复合体没有这一特性。并且证明PB2的627位是冷适应性的决定因素。由于宿主范围与冷适应性都与PB2基因的627位氨基酸有密切的关系,有人推测这是PB2分子与细胞蛋白相互作用的结果,但确切的原因还需进一步的研究证实

[18]

酶抑制剂类药物的耐药性有关。研究发现,流感病毒NA基因的E119V﹑R152K﹑H275Y﹑R293K和N295S氨基酸的变异与N1亚型流感病毒对神经氨酸酶抑制剂类药物的耐药性毒株出现有关

[13]

。

3.3　聚合酶复合体与流感病毒的致病性关系　流感病

。

毒的聚合酶分为PB2、PB1和PA三个亚基,其中PB1亚基具有聚合酶活性,参与mRNA的转录和vRNA的复制,同时连接另外2个亚基。PB2亚基具有识别宿主mRNA切割其5′帽子结构的内切活性,并具有3′-5′的核酸内切活性,负责校对功能。到目前为止,PA的功能尚不清楚,可能参与vRNA的复制

[14]

3.4　核蛋白与流感病毒致病性的关系　NP蛋白是流感

病毒粒子中主要的结构蛋白,在病毒感染中发挥多种功能。NP是一种富含Arg的碱性蛋白,在体外,NP可与

RNA进行非特异结合;在病毒粒子中,NP只与cRNA和vRNA结合分别形成cRNP和vRNP,而不与mRNA结

。合。NP蛋白上有亲核信号,使得它能向细胞核定向移动,并与聚合酶蛋白共同作用将脱衣壳后的vRNA转移到细胞核中。Avalos等还发现NP蛋白相互作用此外,NP[19]

研究证明PB2基因决定流感病毒的宿主范围,例如禽源流感病毒PB2的627位总是谷氨酸,而人体分离到的流感病毒在该位置却总是赖氨酸。1993年,Subbarao等人对分离到的1株禽流感病毒的PB2基因和人流感病毒的其它7个基因重组获得1株重组病毒,生物学特性分析发现,禽源的PB2毒的宿主范围。,P在A[]

。

vRNA的复制过

程在转换时起关键的作用,这一转换机制目前有3种假说:①NP蛋白是一种抗终止因子,它可解开vRNA模板上的茎环结构,从而使聚合酶跨过多聚U结构,合成

cRNA;②NP蛋白与新合成的cRNA和vRNA结合,这种

。2001年,

Hatta,对1997年香港流感事

件中分离的A/HongKong/483/97(对小鼠有致病力)和

A/HongKong/486/97(HK486对小鼠不致病)的2株H5N1亚型高致病力禽流感病毒进行研究,结果表明:PB2基因是导致这2株H5N1亚型病毒对小鼠致病力差

结合在某种程度上起到抗终止作用,使聚合酶跨过多聚

U结构产生cRNA;③游离的NP蛋白与聚合酶复合体直

接相互作用来调节聚合酶从转录模式向复制模式转变。究竟上述哪种假说更加合理,还有待进一步研究。此外,

NP蛋白还可能与vRNP向核外转移有关。

3.5　细胞因子在流感致病机制中的作用　尽管关于流

异的关键因素,而且进一步通过定点突变发现,PB2基因的Glu627Lys氨基酸突变导致HK486对小鼠的致病力增加。Hatta发现1株来自越南人源的H5N1AIV对雪貂具有致死性毒力,序列分析发现该毒株PB2蛋白的627位是Lys

[16]

感的临床和病理方面的描述很多,但我们对疾病的发生、发展机制的理解依然不全面。越来越多的证据表明,一种被称为“早期”细胞因子引起了许多临床症状。早期细胞因子产生于感染部位的细胞,与感染部位的损伤有

关,同时与一些全身性反应有关。IFN-α、TNF-α和ILα/β理论上占据着这些早期细胞因子的主要成分,这-1

些细胞因子是随着IL-6及其它一些细胞趋化因子而快速产生的,如IL-8、MIPs和单核细胞趋化蛋白(MCPs)[20]。IFN-α、TNF-α、IL-1和IL-6是典型的具有多功能活性细胞因子,并与发热、嗜睡及食欲不振有关。已经熟知TNF-α、IL-1具有刺激嗜中性粒细胞及巨噬细胞的功能,这两种细胞因子强烈地上调白细胞粘附分子在脉管上皮的表达,因此也介导了必要的嗜中性粒细胞及巨噬细胞的呼吸道的产生。然后真正的化学增活素赋予了中性粘细胞及巨噬细胞向组织的迁徙。许多细胞因子的这些早期效应是重叠且协同的,并且可以降

。Amonsin等人从泰国动物园中的老虎身上

分离到6株H5N1亚型AIV,其PB2蛋白627位均为

Lys。在对HK/97其他人体分离株进行比较时发现,即

使PB2的627位都为Glu的毒株,其对小鼠的致病性也不尽相同,这使人们想到除PB2的627位氨基酸以外,

PB2上其他氨基酸可能在决定宿主范围中也起着非常重

要的作用。YaoY等人利用反向遗传操作系统对2株

H7禽流感病毒进行重组比较,发现将PB2上362与581

位的氨基酸进行替换,可使重组病毒更易感染哺乳动物细胞,这证明该区域含有促进病毒在哺乳动物细胞上的复制;此外,还推测PB2上647、701以及482位的氨基酸也起着决定宿主范围的作用

[17]

。A/HongKong/156/97

H5N1亚型禽流感病毒经过鸡胚传代后,PB2分子中701

位Asn突变使其对小鼠的致病力减弱。李泽君等在

2005年证实了PB2基因的701位氨基酸由Asp变为

　5期　　　　　　　　　　　　　　　杨生海等:禽流感病毒致病机制研究进展117

低本身及其它细胞因子的产生。举个例子说,TNF-α和IL-1可以刺激IL-6及其它细胞因子的释放,而细胞因子的产生及功能也严密地依靠其产物背景,相关的研究都集中在细胞因子在急性流感及它们可能产生的致病机制的特点上

[21]

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。

4　结语

目前,禽流感已给世界养禽业造成了巨大的经济损失,更重要的是它对人类健康也构成了极大威胁,所以

AI的防治工作已经提升到前所未有的公共卫生学高度。AI是一种古老的禽类传染病,对于人类又是一个新的课

题。要高度警惕禽流感病毒可能发生抗原变异,所以首先要搞清楚禽流感病毒的致病机制,对于禽流感的危害,我们必须要有全面、正确、科学的认识。参考文献:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fnnm.html