中國南北方禽流感病毒蛋白進(jìn)化差異的探究

王雨佳

(呼和哈特第二中學(xué) 內(nèi)蒙古 010010)

禽流感病毒(Avian Influenza Virus，AIV)屬甲型流感病毒，是有包膜的一種RNA病毒，其形態(tài)為80～120nm的球狀，且其基因由8條單股負(fù)鏈RNA組成[1，2]，基因組共編碼10種蛋白質(zhì)。AIV根據(jù)病毒核蛋白(Nucleoprotein，NP)和膜蛋白(Membrane Protein，NP)抗原及其基因特性的不同分為A、B、C三種類型，根據(jù)外膜凝血素和神經(jīng)氨酸酶的不同又可分為16個H亞型和9個N亞型[3]，它們之間可相互構(gòu)成若干血清亞型。AIV的基因突變率很高，其中突變率最高的是HA基因，其次是NA基因[4]。當(dāng)AIV與宿主受體結(jié)合位點的氨基酸突變積累到一定程度時，突變的氨基酸剛好使病毒抗原決定簇發(fā)生改變，引起抗原變異[5]。由于禽流感病毒的血凝素結(jié)構(gòu)等特點，一般感染禽類[6]，當(dāng)病毒在復(fù)制過程中發(fā)生基因重組，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，獲得感染人的能力時，人才有可能被感染禽流感疾病。這不僅造成人類的傷亡，對家禽養(yǎng)殖業(yè)也會造成重創(chuàng)，造成無法挽回的巨大損失。同時，AIV對熱較敏感[7]，為適應(yīng)不同氣候，AIV蛋白可能產(chǎn)生不同的進(jìn)化，以促進(jìn)其感染不同的宿主和廣泛傳播，這將會為人類未來對抗禽流感病毒帶來巨大的挑戰(zhàn)。就我國而言，我國氣候豐富多樣，從南到北橫跨熱帶、亞熱帶、溫帶，氣候差距較大，溫度和濕度差距格外大，這可能是不同地區(qū)間禽流感病毒為適應(yīng)不同氣候而產(chǎn)生不同變異的誘因。

禽流感病毒為人類政治、經(jīng)濟(jì)、社會等造成了巨大的損失，其特性亟待被探究，以便在面對不同禽流感時能及時、迅速地采取措施止損。距離上次禽流感病毒大爆發(fā)(2013年H7N9流感)已有數(shù)年之久。但是，禽流感病毒還未曾消失，依舊潛伏在人們身邊，以各種形式潛藏，伺機卷土重來，在當(dāng)下多種誘因的催化下，可能在未來產(chǎn)生多種變異，不僅感染雞，甚至在人群中迅速傳播。雖然目前AIV對人的感染較少，但仍在禽類中大面積擴(kuò)散。我們不應(yīng)該放松對AIV的警惕，以免在面對未來的未知變異時因沒有做好準(zhǔn)備而發(fā)生重大事故。此外，我國疆域遼闊，對影響AIV變異的誘因眾多，爆發(fā)的禽流感病毒可能會因緯度等差距而產(chǎn)生不同差異，對不同地域治療造成巨大影響。由此，研究禽流感病毒從關(guān)注南北方的禽流感病毒蛋白的進(jìn)化差異切入格外重要。在此背景下，我們關(guān)注禽流感蛋白(編碼區(qū))在中國地區(qū)的進(jìn)化差異，探究禽流感蛋白在南北方進(jìn)化異同。本研究選取我國南北方(以北京、上海、廣州地區(qū)為代表)共15株禽流感病毒，通過MEGA(Molecular Evolutionary Genetics Analysis)繪制AIV蛋白進(jìn)化樹，分析其進(jìn)化距離。以期能為今后禽流感的緊急處理提供一定的方向參考。

一、材料及方法

(一)樣本選取

通過NCBI (National Center for Biotechnology Information )Influenza Virus Resource選取中國地區(qū)A型HA的H7、H5病毒蛋白編碼區(qū)數(shù)據(jù)。選取北京3株2013年份人源AIV病株，上海2株2013年份人源AIV病株，廣東3株2013年份人源AIV病株，廣東2株2017年份人源AIV病株，廣東3株2013年份雞源AIV病株以及廣東2株H5人源AIV病株(2008年、2014年各一株)。共三株北京地區(qū)AIV病株，兩株上海地區(qū)AIV病株，10株廣東地區(qū)(包括廣東、東莞)AIV病株。

表1 本文涉及的病株

(二)數(shù)據(jù)處理

通過MEGA(Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 10.0.5)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析，構(gòu)建時采用最大似然法(Maximum Likelihood)。構(gòu)建前先分析病株，將參數(shù)設(shè)定為Model/Method：Jones-Taylor-Thornton(JTT)model，Rates among Sites：Uniform Rates，Gaps/Missing Data Treatment：Use all sites，ML Heuristic Method：Nearest-Neighbor-Interchange(NN)，Initial Tree for ML：Make intitial tree automatically(Default-NJ/BioNJ)，繪制進(jìn)化樹。

圖1 本文涉及的病株分布圖

二、結(jié)果與分析

在南北方方面，AIV的進(jìn)化差距相對較小，總體上呈現(xiàn)病株向地域集中。從圖2中可知，在2013年的H7型的AIV病株中，有6株廣東的AIV病株聚集，3株北京的AIV病株聚集，2株上海的AIV病株聚集，以北京、上海、廣州三個地區(qū)為中國南北方代表的三個地區(qū)的病株，體現(xiàn)了一定的地域分異。總體上2013年份的病株進(jìn)化差距較小，且呈現(xiàn)地域上的集中。

在時間方面，AIV的進(jìn)化差距較大，由2株2017年份廣東人源AIV與11株2013年份各地的AIV病株產(chǎn)生較大的進(jìn)化距離可知：AIV的HA蛋白區(qū)段隨時間發(fā)生的變異進(jìn)化程度較大。

寄主方面，雞源病株和人源病株混雜交替排列，并未體現(xiàn)明顯的差距。以廣東的6株H7型2013年份的人源AIV病株及雞源AIV病株為例：該6株AIV病株在圖中未體現(xiàn)明顯的進(jìn)化距離或表現(xiàn)出不同寄主病株的聚集。這說明，不同寄主AIV的HA病毒蛋白差距較小，具有一定的同源性。

不同亞型方面，AIV的H5和H7片段的進(jìn)化差距較大。廣東的2株H5禽流感病毒病株明顯與13株來自不同地區(qū)，不同年份以及不同寄主的H7禽流感病毒病株產(chǎn)生較大的進(jìn)化距離，故不同亞型的AIV的同源性相對較小。

總體上，地域(南北方)、時間、寄主、亞型均對AIV的進(jìn)化變異產(chǎn)生不同程度的影響。其影響程度從大到小分別為：亞型＞時間＞地域＞寄主。在同一亞型中，年份的影響程度最大，進(jìn)化變異程度相對明顯。

圖2 15株AlV系統(tǒng)發(fā)育的進(jìn)化樹

三、討論

AIV蛋白質(zhì)的變異可能會引起其實際功能的變化，溫度、濕度等不同，外界環(huán)境條件都是其誘因。AIV對家畜養(yǎng)殖業(yè)及人類構(gòu)成巨大的威脅，因此在爆發(fā)禽流感時能夠快速找到與爆發(fā)的類型同源性最近的AIV病株格外重要。通過進(jìn)化樹，我們得出各因素對AIV變異的影響程度從大到小分別為：亞型＞時間＞地域＞寄主。因此，在未來的研究中若要分析某一新型AIV，可以參考同年份或相近的年份的AIV已知樣本，此二者的相似性相對較大。年份差距較大的AIV病株樣本則可能與新型病株差距較大。同時，針對這AIV在年份上變化較大這一點，應(yīng)當(dāng)要求各地疾控中心密切關(guān)注每年的AIV變化，及時記錄盡量多的、有價值的數(shù)據(jù)，以為AIV的爆發(fā)提前做好預(yù)防和樣本儲備。

此外，AIV在寄主方面尚未體現(xiàn)較大的進(jìn)化距離，相對于時間地域等因素，AIV在寄主方面的進(jìn)化差距最小，故各地在監(jiān)控AIV時應(yīng)高度注意并監(jiān)視禽類的疫情，禽類間爆發(fā)AIV可能預(yù)示著人類的AIV爆發(fā)。同時，人類在接觸禽類后尤其是患病禽類應(yīng)及時殺菌消毒，以免因禽類AIV病株與人類AIV病株的同源性較大而造成人禽間感染。

本文章僅探索了AIV在中國范圍內(nèi)的進(jìn)化差距，并未探究AIV在世界范圍內(nèi)的的進(jìn)化差異。中國的氣候固然豐富多樣，在緯度、濕度等范圍上具有一定的代表性，但在某種程度上缺乏某些極端氣候。本文在那些極端氣候地區(qū)的AIV未被繪入進(jìn)化樹，在極端氣候下AIV會產(chǎn)生哪些變異來適應(yīng)困難的環(huán)境條件，這值得研究人員未來進(jìn)一步分析。中國是北半球國家，所流行的病株可能與南半球的國家不同，這一點可以進(jìn)一步收集病株繪制進(jìn)化樹，分析南北半球AIV病株的進(jìn)化差異，進(jìn)而得出全球AIV的進(jìn)化變異走向，為未來全球性禽流感打好預(yù)見性的基礎(chǔ)性準(zhǔn)備。此外，AIV也感染豬、海豹等不同生物，研究人員可以收集不同生物的AIV樣本，繪制進(jìn)化樹，比較其與人源AIV病株的同源性，進(jìn)而得出與人源AIV病株同源性最強的其他源病株。這可以以這種生物為AIV在人群間爆發(fā)的預(yù)警生物，密切關(guān)注該種生物的AIV流行動向，便于對未來AIV爆發(fā)的預(yù)防和研究。