人類肝炎病毒的進(jìn)化生物學(xué)

王榮明 江建寧

全球每年約有130萬人死于病毒性肝炎[1]。這些死亡與乙型肝炎病毒(HBV)和丙型肝炎病毒(HCV)慢性感染引起的肝硬化(LC)和肝細(xì)胞癌(HCC)以及甲型肝炎病毒(HAV)和戊型肝炎病毒(HEV)感染引起的急性肝炎和肝衰竭有關(guān)[1-2]。同時(shí)，全球約有5%的HBV感染者同時(shí)感染了丁型肝炎病毒(HDV)[3]。在過去幾十年中，除靈長類外，在其他動(dòng)物身上還發(fā)現(xiàn)了多種與人類肝炎病毒相關(guān)的非人類肝炎病毒。本文將介紹過去幾十年發(fā)現(xiàn)的多種人類肝炎病毒的動(dòng)物同源物，并基于人類和非人類肝炎病毒的獨(dú)特特性，分析人類肝炎病毒的進(jìn)化。

一、非人類肝炎病毒發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代

過去幾十年，由于新測序技術(shù)的發(fā)展以及人們對人畜共患病病原體的關(guān)注，大量非人類肝炎病毒被發(fā)現(xiàn)。1978年，在美國土撥鼠中發(fā)現(xiàn)了一種遺傳性遠(yuǎn)親HBV，即土撥鼠肝炎病毒(WHV)。隨后，又相繼發(fā)現(xiàn)了鴨乙型肝炎病毒(DHBV)、猿類中的HBV變種以及毛猴乙型肝炎病毒(WMHBV)等不同的HBV物種。20世紀(jì)90年代，人們在獼猴體內(nèi)檢測到一種獨(dú)特的HAV，并從豬體內(nèi)提取到HEV。1995年從實(shí)驗(yàn)室狨猴中分離出一種與HCV有遠(yuǎn)親關(guān)系的非人靈長類動(dòng)物(NHP)病毒，即GBV-B。2013—2015年間，從家貓?bào)w內(nèi)也檢測到了HBV相關(guān)病毒。最近，在卷尾猴中發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的HBV物種，即CMHBV[4]。同時(shí)，在爬行動(dòng)物、魚類和兩棲動(dòng)物中也檢測到與HBV有遠(yuǎn)親關(guān)系的內(nèi)源性和外源性肝炎病毒。2012年，在馬身上發(fā)現(xiàn)了HCV相關(guān)病毒，并證實(shí)了這種病毒偶爾會(huì)由馬向狗和驢傳播[5]。此后不久，在蝙蝠、牛和黑白疣猴體內(nèi)也檢測到高度多樣化的HCV相關(guān)病毒。2015—2018年間，在各種哺乳動(dòng)物物種中發(fā)現(xiàn)了大量與HAV相關(guān)的病毒，主要包括蝙蝠和嚙齒動(dòng)物，還有樹鼩、有袋動(dòng)物和海豹。最近，在鴨和蛇體內(nèi)發(fā)現(xiàn)類似HDV的病毒，在野豬、駱駝和兔子中發(fā)現(xiàn)了人畜共患病的HEV基因型。此外，在蝙蝠、雪貂、嚙齒動(dòng)物、鳥類和魚類中也發(fā)現(xiàn)了不同的HEV相關(guān)病毒?？傊?，所有的人類同源肝炎病毒都陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)存在于不同的動(dòng)物物種中。相比人類肝炎病毒，我們對這些非人類宿主的肝炎病毒了解很少。

二、肝炎病毒獨(dú)特的保守性和再生能力

通常，人類肝炎病毒和非人肝炎病毒在基因組核酸結(jié)構(gòu)、開放閱讀框(ORF)組成、基因組長度和非編碼區(qū)存在和類型等主要基因組特性上彼此相似，但是，來自同一病毒科和屬的病毒之間也存在顯著差異。

(一)動(dòng)物肝炎病毒的包膜可能不穩(wěn)定 最新研究表明，以前被認(rèn)為是無包膜病毒的HAV和HEV，在血液中以包膜形式存在，稱為準(zhǔn)包膜[6]。與包膜病毒相比，在HAV和HEV的準(zhǔn)包膜中沒有發(fā)現(xiàn)病毒編碼的蛋白質(zhì)，一些非靈長類的HAV和HEV相關(guān)病毒(hepatoviruses, hepeviruses，以下稱甲型肝炎病毒和脊椎動(dòng)物戊型肝炎病毒)也缺乏參與準(zhǔn)包膜進(jìn)化的關(guān)鍵基因組結(jié)構(gòu)，這就提出了準(zhǔn)包膜病毒是如何進(jìn)入易感細(xì)胞的問題。相比之下，HBV相關(guān)病毒(hepadnaviruses, 以下稱嗜肝DNA病毒)是包膜病毒，但最近發(fā)現(xiàn)魚類是一種無包膜的嗜肝DNA病毒姐妹科Nackednaviridae的宿主，這一發(fā)現(xiàn)表明在能夠感染哺乳動(dòng)物并最終感染人類的嗜肝DNA病毒中出現(xiàn)了包膜的再生[7]。HCV感染的一個(gè)標(biāo)志是脂質(zhì)體病毒顆粒的形成。馬丙型肝炎病毒外殼蛋白與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)成分有關(guān)，這表明HCV與非人類HCV相關(guān)病毒(hepaciviruses)的復(fù)制相似[8]。因此，在動(dòng)物肝炎病毒中，包膜和準(zhǔn)包膜的存在可能不穩(wěn)定。

(二)肝炎病毒進(jìn)化過程中發(fā)生重組 當(dāng)一個(gè)細(xì)胞同時(shí)感染了在復(fù)制過程中相互作用的兩種不同病毒時(shí)，病毒之間可能發(fā)生重組。所有的人類肝炎病毒都可發(fā)生重組。最近發(fā)現(xiàn)的大量非人類肝炎病毒使我們懷疑人類肝炎病毒與其動(dòng)物同源物之間可能發(fā)生重組。有證據(jù)表明，HAV是許多來自不同順序宿主的不同源病毒序列的重組，其內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)的5’基因組末端的變異提示重組可能涉及不同物種的病毒[9]。在靈長類動(dòng)物和鳥類嗜肝DNA病毒中也發(fā)現(xiàn)了不同宿主物種的病毒重組。對于非人類肝炎病毒，尚未證實(shí)不同宿主之間可發(fā)生重組。然而，類似于HAV，有證據(jù)表明來自不同宿主序列的脊椎動(dòng)物戊肝病毒發(fā)生了重組，提示屬于不同屬的病毒在5’基因組末端可能發(fā)現(xiàn)重組[10]。與駱駝科動(dòng)物相關(guān)的HEV基因型7和8中發(fā)現(xiàn)了在編碼非結(jié)構(gòu)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白的ORF邊界處存在重組[10]?？傊?，重組可能是肝炎病毒譜系中的常見事件。

三、肝炎病毒感染模式的進(jìn)化穩(wěn)定

(一)傳播途徑的穩(wěn)定性 人類肝炎病毒的傳播途徑各不相同。HAV和HEV主要通過腸道途徑傳播，HBV和HDV通過血液和其他體液傳播，HCV主要通過輸血、注射毒品時(shí)共用注射器和在醫(yī)療過程中重復(fù)使用注射器傳播。研究發(fā)現(xiàn)，HAV和脊椎動(dòng)物HEV可從非人類肝炎病毒宿主的糞便中排出。對于非靈長類動(dòng)物宿主，已知嗜肝DNA病毒在嚙齒動(dòng)物和鳥類可有效垂直傳播，而蝙蝠或貓嗜肝DNA病毒的傳播途徑仍然未知。同樣，非人類HCV的傳播途徑尚不清楚。在小型哺乳動(dòng)物中HCV可能通過交配、咬傷和抓撓傳播。在馬中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了馬丙型肝炎病毒的腸外傳播，傳播途徑可能包括性傳播和獸醫(yī)的操作[11]。總之，人類腸道肝炎病毒及其他動(dòng)物的腸道病毒的傳播途徑在進(jìn)化上似乎是穩(wěn)定的，與人類肝炎病毒接近，而非人類嗜肝DNA病毒和HCV的傳播途徑卻鮮為人知。

(二)嗜肝性的決定因素尚不清楚 對于人類HAV和HEV，目前尚不清楚決定病毒嗜肝性的病毒和宿主因素。近來在蝙蝠的肝臟和脾臟中檢測到幾乎相同病毒數(shù)的HAV，這是由于含有HAV遺傳物質(zhì)的巨噬細(xì)胞被隔離引起的[12]，還是由于肝外病毒復(fù)制引起的仍有待確定。對于人類HBV和HDV，研究表明,在與肝素-硫酸蛋白聚糖低特異性結(jié)合后，它們通過?；悄懰徕c共轉(zhuǎn)運(yùn)多肽(人受體為NTCP，動(dòng)物同源受體為Ntcp)介導(dǎo)進(jìn)入肝細(xì)胞，這些特異性受體可能調(diào)控HBV和HDV的嗜肝性。禽類嗜肝DNA病毒沒有表現(xiàn)出嚴(yán)格的嗜肝性，這可能是其受體不同于人類HBV[13]。對于HCV，決定其嗜肝性的一個(gè)重要因素是它與肝miR-122的相互作用[14]。迄今已知的所有非人類肝炎病毒在其5'-基因組末端含有至少一個(gè)miR-122結(jié)合位點(diǎn)，這可能有助于這些病毒的明顯保守的嗜肝性[15]。總之，嗜肝性是非人類肝炎病毒的一個(gè)廣泛存在但不完全保守的性質(zhì)。由于決定人類肝炎病毒嗜肝性的因素尚不完全清楚，因此運(yùn)用這些新發(fā)現(xiàn)的非人類肝炎病毒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)感染動(dòng)物的系統(tǒng)研究有助于研究肝炎病毒的嗜肝性。

(三)肝炎病毒導(dǎo)致肝癌的機(jī)制不同 慢性肝炎病毒感染可引起肝硬化和肝癌。在人類中，慢性HBV感染導(dǎo)致肝細(xì)胞癌占15%～40%，慢性HCV感染約占2.5%。研究發(fā)現(xiàn),在出生時(shí)感染了WHV的土撥鼠和感染了遺傳相關(guān)地松鼠肝炎病毒的地松鼠發(fā)生HCC的風(fēng)險(xiǎn)很高。土撥鼠的腫瘤發(fā)生主要是通過靶向?qū)⑹雀蜠NA病毒DNA插入宿主DNA從而激活N-myc基因引起的，而地松鼠的腫瘤發(fā)生與c-myc基因的激活有關(guān)[16]。對于人類HBV，在病毒復(fù)制過程中，HBV DNA片段可以整合到肝細(xì)胞基因組中[17]。然而目前在人類HBV中尚未鑒定出與腫瘤發(fā)生相關(guān)的特異性整合位點(diǎn)。有研究報(bào)道，病毒HBx蛋白通過與宿主細(xì)胞的復(fù)雜相互作用可促進(jìn)腫瘤發(fā)生，如改變宿主原癌基因和抑癌基因的表達(dá)，通過激活周期蛋白和周期蛋白依賴性激酶通路刺激細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期，阻斷細(xì)胞凋亡[18]。在嗜肝DNA病毒進(jìn)化過程中，HBx可在哺乳動(dòng)物中再生。盡管HBx蛋白在非人類嗜肝DNA病毒感染中的作用尚不清楚，但哺乳動(dòng)物嗜肝病毒中HBx基因的保守性表明，HBx介導(dǎo)的腫瘤發(fā)生可能在多種哺乳動(dòng)物中存在。與HBV相反，在HCV感染期間不會(huì)發(fā)生病毒遺傳物質(zhì)整合到宿主基因組中。HCV的核心蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白NS3和NS5a通過改變參與多種致癌途徑的宿主基因的表達(dá)來促進(jìn)HCC發(fā)展。但是，目前未在任何非人類HCV宿主中觀察到HCC發(fā)生，可能HCV導(dǎo)致的腫瘤發(fā)生是人類HCV感染所特有的，也可能因?yàn)檠芯縿?dòng)物的壽命相對較短。最近，在馬和牛身上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了HCV的慢性感染病程，研究這些大型和相對長壽的動(dòng)物是否會(huì)發(fā)展為HCC是很有意思的。因此，感染肝炎病毒的動(dòng)物是否以及如何發(fā)展成HCC目前尚不清楚，需要進(jìn)行長期感染研究和縱向流行病學(xué)調(diào)查。

四、肝炎病毒的進(jìn)化起源

(一)非人類肝炎病毒的古老起源 肝炎病毒存在于多種脊椎動(dòng)物類群中，提示了脊椎動(dòng)物和肝炎病毒之間存在有長期進(jìn)化聯(lián)系。脊椎動(dòng)物的共同祖先可以追溯到奧陶紀(jì)，大約450 mya，從那里它們變成魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥類和哺乳動(dòng)物。在節(jié)肢動(dòng)物中也存在與HAV、嗜肝DNA病毒、HCV和HEV具有遺傳或結(jié)構(gòu)關(guān)系的病毒元件[19]。節(jié)肢動(dòng)物是進(jìn)化上古老的動(dòng)物，大約進(jìn)化了500 mya。這些最新研究進(jìn)一步證實(shí)了肝炎病毒的古老的進(jìn)化起源。

(二)人類肝炎病毒不太可能起源于NHP 由于宿主的遺傳親緣關(guān)系會(huì)促進(jìn)病毒的跨物種傳播，我們可以假設(shè)人類肝炎病毒起源于NHP，類似于猴子和猿的艾滋病毒起源。事實(shí)上，在NHP中發(fā)現(xiàn)了HAV、HBV和HCV的親屬。但是在靈長類HBV中，來自舊大陸類人猿的多種菌株與人類菌株混雜，這些病毒之間的重組暗示著過去存在跨物種傳播[20]。然而，與舊大陸類人猿的病毒相比，人類病毒的遺傳多樣性相對較大，這暗示了HBV起源于人類干細(xì)胞譜系。此外，來自NHP的HCV與人類HCV沒有共同的祖先。我們目前對靈長類動(dòng)物HAV，HBV和HCV多樣性的了解不支持人類肝炎病毒起源于NHP這一假設(shè)。目前，人類肝炎病毒的進(jìn)化祖先仍是未知的。據(jù)推測，人類及其靈長類祖先的人畜共患病并非最近才在舊大陸發(fā)生。在未來幾年應(yīng)該能找到進(jìn)一步的證據(jù)來闡明人類肝炎病毒譜系。

五、結(jié)語

在過去的幾十年里，人類肝炎病毒的研究取得了重大進(jìn)展。然而，對肝炎病毒的演變和發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵方面仍知之甚少。與此同時(shí)，之前所確定的肝炎病毒的一些特性也受到了質(zhì)疑，例如肝炎病毒與人類宿主的唯一關(guān)聯(lián)性、嗜肝性的決定因素以及典型的包膜病毒和非包膜病毒的區(qū)別?？梢灶A(yù)料，新發(fā)現(xiàn)的動(dòng)物病毒將有助于闡明有關(guān)肝炎病毒發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵問題。盡管肝炎病毒的發(fā)現(xiàn)已有40～60年的歷史，但它們的進(jìn)化起源仍然是個(gè)謎。最近發(fā)現(xiàn)的高度多樣化的動(dòng)物同源物暗示了非人類宿主中所有人類肝炎病毒的進(jìn)化起源。這些起源可能相當(dāng)古老，涉及老的脊椎動(dòng)物譜系，如爬行動(dòng)物，兩棲動(dòng)物，鳥類和魚類，甚至可能是節(jié)肢動(dòng)物。肝炎病毒進(jìn)化結(jié)合了長期的病毒-宿主關(guān)聯(lián)和跨物種傳播，未來病毒相關(guān)的發(fā)現(xiàn)將確定肝炎病毒進(jìn)化中缺失的環(huán)節(jié)，并可能確定人類肝炎病毒的直接祖先。

世界衛(wèi)生組織近年提出了消滅乙型和丙型病毒性肝炎的新概念。值得注意的是，人類消滅肝炎病毒的先決條件是缺乏動(dòng)物宿主。在非人類宿主中發(fā)現(xiàn)的肝炎病毒同源物可能意味著在成功根除HBV和停止乙型肝炎疫苗接種后，病毒有可能重新被傳播給人類。人類肝炎病毒的多種動(dòng)物同源物的發(fā)現(xiàn)使我們能夠概念化新的動(dòng)物模型，用于對急需治療的慢性乙型肝炎和丙型肝炎進(jìn)行臨床前檢測，并能揭示肝炎病毒發(fā)病機(jī)制的許多未知之處。