甲型流感病毒重要亞型的進(jìn)化研究.pdf

1、流感病毒是一種嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的病原體，能感染廣泛宿主，每年季節(jié)性的流行造成全球約6億人感染，并導(dǎo)致250，000～500，000人死亡，其中造成主要感染和死亡是甲型流感病毒。更具威脅的是，甲型流感病毒偶然的大流行更會(huì)造成災(zāi)難性的后果。在過(guò)去的100多年里，全球共暴發(fā)四次甲型流感病毒大流行，1918西班牙H1N1大流感，1957亞洲H2N2大流感以及1968香港H3N2大流行，每一次都造成了上百萬(wàn)人的死亡。在2009年，一種新的豬源H1

2、N1流感病毒在數(shù)周之內(nèi)傳遍全球，盡管死亡率不高，但其極強(qiáng)的傳播能力，給全球造成巨大恐慌。這幾次大流行都是由于動(dòng)物源性的流感病毒跨越宿主屏障感染人所導(dǎo)致。除大流行外，動(dòng)物源性流感，尤其是禽流感，不斷的跨越宿主限制，持續(xù)造成散發(fā)的，小規(guī)模的人感染疫情，如H5N1，H7N7，H7N9，H9N2等。盡管還未造成大流行，但這些流感與將來(lái)可能不斷出現(xiàn)的新型流感已經(jīng)對(duì)人類(lèi)健康形成嚴(yán)重威脅。
　　流感能跨過(guò)宿主范圍限制與其快速的進(jìn)化變異密切相關(guān)。

3、甲型流感病毒進(jìn)化主要由兩方面驅(qū)動(dòng)，第一是突變，流感病毒較高的復(fù)制錯(cuò)誤率使其可以通過(guò)不斷積累突變來(lái)躲避宿主免疫，也可以逐漸產(chǎn)生適應(yīng)宿主的變異。第二是“重配”，流感病毒具有分節(jié)段的基因組，因而不同流感病毒混合感染時(shí)可能形成包含不同病毒基因片段的新型流感病毒。這兩種機(jī)制共同幫助流感跨越宿主屏障。因而研究甲型流感病毒進(jìn)化對(duì)于揭示流感病毒跨宿主傳播機(jī)制有重要意義。當(dāng)前日益增加和完善的流感病毒資源數(shù)據(jù)庫(kù)與不斷發(fā)展成熟的分子進(jìn)化理論讓我們能夠更全面，

4、以新的角度，更深入的認(rèn)識(shí)流感病毒宿主適應(yīng)性變異規(guī)律，“重配”規(guī)律，以及新流感的產(chǎn)生等規(guī)律。這些規(guī)律的把握將有助于我們更好的預(yù)防流感疫情以及做好流感的防控。在本研究論文中，我們利用公開(kāi)的流感病毒基因組數(shù)據(jù)，流行病學(xué)信息，以及表型信息等，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)生與分子進(jìn)化研究方法，探索流感病毒進(jìn)化相關(guān)規(guī)律，尤其關(guān)注新流感的起源形成，病毒的跨宿主傳播，重配，以及地理傳播等規(guī)律。
　　在本論文的第一部分工作中，我們首先利用全基因組序列構(gòu)建了甲型流感病

5、毒進(jìn)化全景圖，進(jìn)化全景圖使我們能夠全面還原流感病毒的進(jìn)化歷史與模式。我們的進(jìn)化全景圖能真實(shí)反映流感病毒在進(jìn)化過(guò)程中的重配與跨宿主傳播現(xiàn)象，如1957年H2N2，1968年H3N2的人流感與禽流感重配，2009 H1N1的多重重配等。借助進(jìn)化全景圖與其它系統(tǒng)發(fā)生與“溯祖”方法，我們重新審視了H3N2流感的起源。雖然目前已有的研究證實(shí)H3N2型人流感病毒是由先前在人群中流行的H2N2與禽流感病毒重配產(chǎn)生，并從禽流感中獲得了HA和PB1基因片

6、段，但很多細(xì)節(jié)的科學(xué)問(wèn)題并不清楚。在回答與H3N2起源相關(guān)問(wèn)題外，我們還通過(guò)祖先序列的重建與比較，分析了H3N2產(chǎn)生初期適應(yīng)人宿主發(fā)生的相關(guān)進(jìn)化變異。
　　在本論文的第二部分工作中，我們?cè)敿?xì)分析了H3N2在人群中流行之后的變異規(guī)律，快速進(jìn)化變異的甲型H3N2流感自產(chǎn)生后常年持續(xù)在人群中流行，每年季節(jié)性的暴發(fā)造成全球大量的感染與死亡。由于其表面糖蛋白血凝素HA受到強(qiáng)烈的免疫選擇，之前眾多研究集中探討與HA“抗原漂變”相關(guān)的進(jìn)化規(guī)律，

7、很少有研究關(guān)注其它幾個(gè)病毒蛋白的適應(yīng)性進(jìn)化，并且流感病毒蛋白內(nèi)或者不同蛋白間受正選擇位點(diǎn)之間的進(jìn)化關(guān)系也不清楚。在本部分中，我們旨在分析H3N2所有蛋白正選擇位點(diǎn)的變異及其之間聯(lián)系，通過(guò)正選擇檢測(cè)和互信息計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)流感病毒蛋白正選擇位點(diǎn)的突變是關(guān)聯(lián)以及協(xié)同進(jìn)化的，進(jìn)一步分析表明，這種聯(lián)系是由于單一蛋白自身功能和結(jié)構(gòu)的限制，或者不同蛋白之間的相互作用與功能合作。所有這些發(fā)現(xiàn)提示流感病毒蛋白的進(jìn)化是高度有聯(lián)系，且互相約束和協(xié)同的。我們的

8、這些發(fā)現(xiàn)幫助揭示了與流感病毒重配限制和跨宿主感染相關(guān)的進(jìn)化規(guī)律。
　　在第三部分中，我們對(duì)中國(guó)新發(fā)的禽流感H7N9展開(kāi)溯源分析，2013年，一種新型的H7N9禽流感病毒在中國(guó)暴發(fā)，疫情造成了超過(guò)數(shù)百人感染。在本部分中，我們對(duì)這次新發(fā)的H7N9流感進(jìn)行了全面的溯源，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)生分析和全面完整的基因組序列比較，我們發(fā)現(xiàn)本次新發(fā)的H7N9是通過(guò)多次不斷“重配”產(chǎn)生，其中長(zhǎng)三角一帶的禽流感H9N2基因池為新H7N9的產(chǎn)生提供了內(nèi)部基因節(jié)段

9、。進(jìn)一步的“溯祖”分析表明H7N9在感染人前已經(jīng)存在一段時(shí)間，并且與H9N2基因池“重配”形成多樣H7N9的過(guò)程仍然持續(xù)。這些結(jié)果提示應(yīng)該采取有效措施，如活禽市場(chǎng)的關(guān)閉等，來(lái)切斷H7N9與H9N2的持續(xù)重配，這些措施對(duì)于疫情的防控以及防止新流感的產(chǎn)生至關(guān)重要。
　　在最后一章里，我們?cè)敿?xì)研究了H7N9產(chǎn)生的平臺(tái)中國(guó)禽流感H9N2的地理擴(kuò)散與傳播。目前，越來(lái)越多的證據(jù)，如H7N9的形成，表明禽流感H9N2可能是產(chǎn)生新流感的一個(gè)平臺(tái)。

10、H9N2在中國(guó)具有廣泛的分布，偶爾的跨宿主以及與其它亞型流感病毒的重配給公共衛(wèi)生安全帶來(lái)巨大威脅。盡管中國(guó)禽流感H9N2的抗原性、譜系發(fā)展等進(jìn)化規(guī)律得到廣泛的研究，然而有關(guān)其在中國(guó)的地理擴(kuò)散與傳播過(guò)程卻知之甚少。了解H9N2的地理傳播與遷移規(guī)律將幫助我們更好的對(duì)疫情、甚至流感暴發(fā)做好防控。在本研究中，通過(guò)最新發(fā)展的貝葉斯系統(tǒng)發(fā)生地理學(xué)方法，本研究確定了中國(guó)禽流感H9N2的起源，遷移模式，以及此過(guò)程中的種群變化動(dòng)態(tài)。結(jié)果提示，野鳥(niǎo)的遷徙，