摘 要:貓泛白細(xì)胞減少癥病毒(feline panleukopenia virus,F(xiàn)PV)是一種對貓危害嚴(yán)重的病原。近年來,一種VP291位氨基酸殘基由A突變?yōu)镾的FPV變異株(FPV A91S變異株)已經(jīng)在國內(nèi)廣泛流行,但目前還未見該變異株對貓致病性的報道,本試驗的目的是旨在探究FPV A91S變異株對貓的感染特性及其分子特征。利用F81細(xì)胞分離FPV A91S變異株,并研究其血凝特性、對貓的致病性及其基因組特征。成功分離到一株FPV A91S變異株,純化后病毒滴度為104.6TCID50·mL-1;該毒株能在pH6.0~6.5、4和37℃條件下有效凝集豬紅細(xì)胞;分離株經(jīng)口服成功感染幼貓,引起嘔吐、腹瀉、白細(xì)胞急劇降低、眼瞼膿性分泌物等癥狀,并在5d內(nèi)導(dǎo)致貓死亡;大體和組織病理變化發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腸道和肺出血。獲得該毒株近乎全長的基因組序列,其VP2蛋白的關(guān)鍵位點氨基酸符合典型FPV特征。除了VP2A91S的突變外,其NS1蛋白也有3個獨特的氨基酸突變(D23N、I443V和H596Q),這些特征導(dǎo)致FPV A91S毒株在進化樹中單獨聚為一支,具有獨特的遺傳進化趨勢。本研究首次探究了FPV A91S變異株的血凝性和對貓的致病性,為進一步了解FPV的生物學(xué)特性和遺傳變異提供參考。
關(guān)鍵詞:貓泛白細(xì)胞減少癥病毒;FPV VP2A91 S變異體;血凝性;致病性;遺傳進化
中圖分類號:S852.659.2
文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:0366-6964(2024)06-2560-09
收稿日期:2023-10-13
基金項目:西南民族大學(xué)中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助(ZYN2023040); 人才類(自科)-引進人才科研啟動金資助項目(RQD2023035)
作者簡介:周 寧(1999-),男,四川自貢人,碩士生,主要從事小動物疾病研究,E-mail:1443230028@qq.com
*通信作者:陳 曦,主要從事動物病原生物學(xué)研究,E-mail:cx15591859198@163.com
Pathogenicity and Genomic Characteristics of Feline Panleukopenia
Virus A91S Variant in Cats
ZHOUNing,TANGCheng,XUJia,YUEHua,CHENXi*
(College of Animal Husbandry and Veterinary Medicine,Southwest University for
Nationalities,Chengdu610041,China)
Abstract:Feline panleukopenia virus(FPV)is ahighly pathogenic threat to cats.In recent years,an FPV variant harboring an amino acid mutation at the VP291site(A to S)has emerged prominently in China,however,information regarding on its pathogenicity is lacking.The aim of this study was to investigate the infection and molecular characteristics of the FPV A91S variant.F81cells were used to isolate the FPV A91S variant,and the hemagglutination properties,pathogenicity and genomic characteristics were determined.An FPV A91S variant was successfully isolated,with avirus titer of104.6TCID50·mL-1after viral purification.This isolate could effectively agglutinate porcine erythrocytes at pH6.0-6.5and temperatures of4℃and37℃.When orally administered to kittens,the isolate caused aspectrum of clinical manifestations including vomiting,diarrhea,severe leukopenia,purulent discharge from the eyes,and cat death within5days.Gross and histopathological examinations unveiled severe hemorrhaging in the intestines and lungs.The nearly full genome sequence of this isolate was obtained,and the key amino acid residues were consistent with those of the typical FPV.In addition to the A91S mutation in VP2,three distinctive amino acid mutations(D23N,I443V and H596Q)were observed in the NS1protein.These amino acid mutations caused the FPV A91S strains to form adiscrete branch on all the evolutionary trees.This study,for the first time,investigated the hemagglutination properties and pathogenicity of the FPV A91S variant,which contribute valuable insights into the biological characteristics and genetic variations of FPV.
Key words:feline panleukopenia virus; VP2A91 S variant; hemagglutination; pathogenicity; genetic evolution
*Corresponding author:CHEN Xi,E-mail:cx15591859198@163.com
貓泛白細(xì)胞減少癥病毒(FPV)屬于細(xì)小病毒科,細(xì)小病毒屬成員,是世界流行的一種對貓危害嚴(yán)重的病原,具有傳染性強和致死率高的特點,臨床上常引起高熱、厭食、嘔吐、腹瀉、白細(xì)胞數(shù)降低等主要癥狀和指標(biāo)變化[1]。FPV具有血凝活性(HA),僅能在4℃、pH6.8以下才能凝集豬紅細(xì)胞[2-4]。FPV基因組全長約為5.2kb,包含兩個開放閱讀框(ORFs):靠近3′端的ORF編碼非結(jié)構(gòu)蛋白NS1和NS2,其中NS1是最重要的病毒增殖相關(guān)蛋白[5];靠近5′端的ORF編碼結(jié)構(gòu)蛋白VP1和VP2,其中VP2是衣殼蛋白的主要成分,約占病毒粒子的90%,主要負(fù)責(zé)與宿主受體的相互作用,決定病毒的宿主范圍、組織嗜性、免疫原性和血凝性等功能[3,6-7]。
細(xì)小病毒是DNA病毒中遺傳進化較快的病毒,但相較于犬細(xì)小病毒(CPV-2),F(xiàn)PV一直被認(rèn)為是相對保守的[8-9]。本團隊前期對GenBank中586條FPV完整VP2序列分析發(fā)現(xiàn),自1928年首次發(fā)現(xiàn)FPV以來[10],直到1985年左右才出現(xiàn)了一種VP2I101T的FPV變異株,隨后便取代了FPV101I原型毒株,成為在世界廣泛流行的毒株;2005年左右在中國又出現(xiàn)了一種VP2A91S進一步突變的FPV變異株,于2017年逐漸在中國流行開來,并于2019年呈現(xiàn)出超過經(jīng)典FPV的流行趨勢[11]。但目前仍未見有關(guān)FPV A91S變異株對貓致病性的報道,因此有必要進一步了解FPV A91S的生物學(xué)特性和分子特征。
1 材料與方法
1.1 主要試劑
F81細(xì)胞由西南民族大學(xué)實驗室保存;DNA提取試劑盒購自O(shè)MEGA BIO-TEK公司;兔源FPV多抗由實驗室制備并保存;PCR Premis Taq酶購自南京諾唯贊有限公司;胎牛血清購自武漢普諾賽生物;FITC標(biāo)記的山羊抗兔IgG購自ABCAM公司;感受態(tài)細(xì)胞E.coli DH5α、pMDTM19-T克隆載體購于TaKaRa公司;膠回收試劑盒Gel Extraction Kit購于Omega Bio-Tek公司。
1.2 樣本來源
2023年3月,一只4月齡已接種2針妙三多疫苗的寵物貓發(fā)生嚴(yán)重腹瀉、嘔吐并伴有眼瞼膿性分泌物等癥狀,血常規(guī)檢測發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞降低,PCR檢測為FPV陽性,測序證實為FPV VP2A91S變異株。采集該寵物貓腹瀉糞便樣本,置于3mL含有1%雙抗的PBS中,低溫運輸至實驗室迅速進行病料的處理,該病料經(jīng)渦旋震蕩混勻后,4℃、7000r·min-1離心10min,吸取上清液置于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3 病毒的分離及純化
取復(fù)蘇后的F81細(xì)胞傳代,三代后將細(xì)胞以1×105的細(xì)胞量接種入六孔板中。取200μL樣本上清液用0.22μm濾器處理后同步接種到上述F81細(xì)胞的六孔板中,同時設(shè)置陰性對照。每天觀察細(xì)胞病變(CPE),待出現(xiàn)明顯CPE后穩(wěn)定傳代三次,再利用有限稀釋法對病毒進行純化,并測定病毒液的TCID50。
1.4 病毒的鑒定
1.4.1 PCR鑒定
取病毒培養(yǎng)液200μL,利用DNA提取試劑盒提取病毒DNA,根據(jù)實驗室前期設(shè)計的針對FPV VP2(71~339位氨基酸)的檢測方法進行檢測[11],經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測,將預(yù)期片段的PCR產(chǎn)物送至北京擎科生物進行測序。
1.4.2 電鏡觀察
將純化后的病毒液按照1MOI接種到F81細(xì)胞瓶中,待出現(xiàn)80%CPE時-80℃冰箱反復(fù)凍融3次,收毒,置于10000r·min-1離心5min,取上清送往成都里來生物有限公司進行透射電鏡,觀察病毒形態(tài)及拍照。
1.5 血凝(HA)試驗
為了探究FPV A91S變異株的HA活性,本研究分別在pH5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0,溫度在4℃或37℃條件下對該變異株的HA活性進行研究。HA試驗過程簡述如下,首先在血凝板中加入25μL PBS,在第一孔加25μL病毒液,混勻后吸取25μL至第二孔,依次倍比稀釋至第11孔,棄去25μL稀釋液,第12孔為空白對照,做三行重復(fù)。然后向每孔加入25μL1%的豬紅細(xì)胞,能夠凝集紅細(xì)胞最大稀釋度即為病毒血凝效價。
1.6 對貓的致病性試驗
6只未接種疫苗2月齡中華田園貓,經(jīng)檢測為FPV、貓冠狀病毒、貓杯狀病毒、貓皰疹病毒1型、貓星狀病毒、貓庫布病毒陰性。將6只幼貓隨機分為攻毒組(3只)和對照組(3只),攻毒組灌服5×104.6TCID50病毒液,對照組灌服等體積的1640細(xì)胞培養(yǎng)液,不同組的貓隔離飼養(yǎng)。攻毒后每天觀察貓的臨床表現(xiàn),傍晚測定直腸溫度;每天采集貓糞便并利用熒光定量PCR方法[12]檢測排毒情況;在攻毒后的第1、3、5天采血,檢查血常規(guī)。對發(fā)病死亡的貓立即進行剖檢觀察大體和組織病理變化;并利用FPV的熒光定量PCR方法檢測病毒的組織分布[12]。
1.7 基因組擴增及遺傳進化分析
以病毒DNA為模板,采用Cheng等[13]擴增FPV全基因組的方法進行基因組擴增。將目的片段使用膠回收試劑盒進行回收,連接至pMD19-T載體后轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細(xì)胞,篩選出陽性單菌落送至擎科生物有限公司進行測序,最后使用SeqMan軟件對測序獲得的多個目的片段進行序列拼接獲得分離株的基因組序列。選取GenBank上登錄的全部71條貓源FPV基因組序列和8條CPV-2(2條CPV-2原型毒株、2條CPV-2a、2條CPV-2b、2條CPV-2c)參考毒株基因組序列分別與本研究獲得的FPV A91S基因組序列進行遺傳進化分析,MegAlign軟件用于同源性分析,利用MEGA7.0軟件中的Maximum-Likelihood法分別構(gòu)建基因組的核苷酸以及VP2和NS1氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.8 VP2蛋白構(gòu)象預(yù)測
分別選擇經(jīng)典FPV(GenBank號:MK266798)與本研究的FPV A91S毒株的VP2序列輸入SWISS-MODEL(https:∥www.swissmodel.expasy.org/interactive)軟件進行蛋白構(gòu)象的預(yù)測,參考模型為FPV VP2(PDB:1p5w.1.B),并利用UCSF CHIMERA對預(yù)測出的兩種模型進行比較分析。
2 結(jié) 果
2.1 成功分離到FPV A91S變異株
將樣本接種F81細(xì)胞,盲傳3代均產(chǎn)生穩(wěn)定的以細(xì)胞脫落,拉網(wǎng)為特征的FPV典型病變(圖1A和1B),純化后的病毒滴度為104.6TCID50·mL-1。經(jīng)PCR測序鑒定為FPV VP2A91S變異株;電鏡觀察到無囊膜、近似球形、直徑約為20nm的病毒粒子(圖1C)。因此,本研究成功分離到FPV A91S變異株,命名為FPV-SWUN/2023/China。
2.2 FPV A91S變異株的HA活性
HA試驗結(jié)果表明該FPV A91S變異株在4℃和37℃條件下、pH5.0~7.5之間均具有凝集豬紅細(xì)胞的能力(三次重復(fù)試驗結(jié)果一致),但在pH6.0~6.5之間凝集豬紅細(xì)胞的能力最強,可以達到27~28(圖2),但相比于前期報道的經(jīng)典FPV僅能在4℃、pH6.8以下才具有凝集活性[2-4],F(xiàn)PV A91S變異株表現(xiàn)出具有更強的HA熱穩(wěn)定性。
2.3 對貓的致病性
2.3.1 臨床癥狀
FPV-SWUN/2023/China經(jīng)口服感染幼貓第3天,3只貓均出現(xiàn)精神萎靡、食欲下降,1只貓出現(xiàn)排黃綠色稀便、嘔吐等癥狀;第4天,3只貓陸續(xù)出現(xiàn)嘔吐、排水樣稀便,同時還伴有眼睛分泌膿性分泌物、睜眼困難等癥狀,血常規(guī)檢測發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞總數(shù)、淋巴細(xì)胞和中性粒細(xì)胞數(shù)明顯降低(圖3A);第5天,3只貓體形消瘦,食欲廢絕,白細(xì)胞總數(shù)、淋巴細(xì)胞和中性粒細(xì)胞數(shù)明顯降低急劇降低,并陸續(xù)發(fā)生死亡(圖3A)。
期間3只貓攻毒期間體溫在38.5~39.5℃正常范圍內(nèi)波動,但瀕死前體溫急劇降低至35℃(圖3B),對照組在攻毒期間一切正常。糞便排毒監(jiān)測發(fā)現(xiàn),攻毒后第1天即可檢出病毒,第2天病毒量降低,之后逐漸升高,第5天達到高峰(圖3C)。綜上,F(xiàn)PV-SWUN/2023/China攻毒后可成功感染幼貓,并引起幼貓的發(fā)病和死亡,為強毒株。
2.3.2 病理變化
剖檢可見,3只幼貓的肺、十二指腸、空腸、回腸、盲腸均有明顯出血;肝脂肪變性、壞死。組織病理變化顯示、肺泡腔出血、肺泡上皮細(xì)胞脫落(圖4A);肝組織見肝細(xì)胞脂肪變性和肝竇充血擴張(圖4B);十二指腸組織見上皮細(xì)胞脫落、腸腺擴張及腸腺變性壞死(圖4C);空腸組織見腸絨毛斷裂、腸腺擴張、腸腺變性壞死及固有層炎性細(xì)胞浸潤(圖4D);回腸組織見上皮細(xì)胞脫落、腸絨毛斷裂、腸腺擴張、腸腺變性壞死、固有層炎性細(xì)胞浸潤及黏膜下層水腫(圖4E);部分盲腸杯狀細(xì)胞減少、腸腺擴張、壞死(圖4F)。結(jié)果表明,F(xiàn)PV-SWUN/2023/China可引起較強的致組織病變能力。
2.3.3 病毒的組織分布
攻毒后,在3只貓的胸腺、肺、肝、十二指腸、空腸、回腸、盲腸、結(jié)腸、直腸均檢測到FPV,表明該毒株感染幼貓后能在多種組織臟器中增殖,表現(xiàn)為廣泛的組織嗜性。此外,本研究從病毒載量較高的肺和盲腸組織重新回收到病毒,經(jīng)PCR證實為FPV A91S變異株,再次證明該變異株成功感染了實驗動物,為幼貓發(fā)病和死亡的病因。
2.4 FPV-SWUN/2023/China分離株基因組特征
獲得的分離株基因組序列長度為5123bp,包含272bp的3′UTR和582bp的5′UTR區(qū)域,以及4269bp的中間序列。序列分析發(fā)現(xiàn),該毒株與GenBank中包含完整ORF的71條貓源FPV基因組序列具有99.03%~99.99%相似性。遺傳進化分析顯示,本研究分離的毒株與其它全部18條FPV A91S變異株在進化樹中單獨聚為一大支(圖5),表明FPV A91S毒株基因組具有獨特的遺傳進化特征。
2.5 FPV-SWUN/2023/China分離株VP2特征
分離株的VP2全基因序列長度為1755bp,編碼584個氨基酸。與全部71條貓源FPV VP2全基因序列相似性為99.07%~100%,編碼氨基酸相似性為99.13%~100%。遺傳進化分析顯示,分離株與其它全部18條FPV A91S變異株單獨聚為一支,明顯區(qū)別于其它FPV和CPV-2代表毒株(圖6A);分子特征分析發(fā)現(xiàn),這些毒株在VP2關(guān)鍵位點氨基酸殘基(80K、93K、103V、323 D、564 N、568A)完全符合典型FPV特征,僅其91位氨基酸殘基由A突變?yōu)镾。
2.6 A91 S突變改變了FPV VP2的蛋白構(gòu)象
與已經(jīng)報道的FPV的VP2蛋白構(gòu)象一致,預(yù)測的模型是由8段反向平行的β折疊組成,表面有4個突出的Loop環(huán)相互連接。91位氨基酸殘基位于Loop1的尖端突起處,91位點A→S突變使91和92位氨基酸由α螺旋變?yōu)闊o規(guī)則卷曲,表明FPV VP2A91S突變顯著改變了VP2蛋白構(gòu)象(圖7)。
2.7 FPV-SWUN/2023/China分離株NS1特征
分離株的NS1全基因序列長度為2007bp,編碼668個氨基酸。與71條貓源FPV NS1全基因序列相似性為98.96%~99.99%,編碼氨基酸相似性為98.19%~100%。遺傳進化分析顯示,分離株與全部18條FPV A91S變異株單獨聚為一支,表明除VP2的A91S獨特進化特征外,其NS1也具有獨特的遺傳進化特征(圖6B)。分析這些FPV A91S變異株的NS1氨基酸序列發(fā)現(xiàn),其第23位點由D突變?yōu)镹、443位點由V突變?yōu)镮、596位點由H突變?yōu)镼。
3 討 論
本團隊前期在對2019-2021年采自我國西南地區(qū)貓腹瀉樣本中的細(xì)小病毒的流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),F(xiàn)PV A91S總陽性率為39.3%,2019年為22.22%,2020年為56.52%,以及2021年為77.78%,表現(xiàn)出逐年上升并成為優(yōu)勢流行毒株的趨勢[11];進一步對GenBank中(截至2021年11月)586條FPV完整VP2序列進行了分析,共發(fā)現(xiàn)96條FPV A91S變異株,F(xiàn)PV A91S最早2005年左右出現(xiàn)于中國,此后2007-2008年有15條序列被發(fā)現(xiàn)于阿根廷、匈牙利、意大利和韓國等地,其余毒株均分布于中國的各個地區(qū),并且于2017年開始在中國流行(8.33%),于2019年呈現(xiàn)出超過經(jīng)典FPV的流行趨勢(62.16%)[11],但有關(guān)該變異毒株的生物學(xué)特性還未見報道。本研究成功分離到一株FPV A91S變異株,該毒株經(jīng)口服感染幼貓后引起明顯的嘔吐、腹瀉癥狀和白細(xì)胞數(shù)急劇降低、并在5d內(nèi)導(dǎo)致貓死亡等典型的貓瘟癥狀。值得注意的是,感染組貓的體溫在38.5~39.5℃正常范圍內(nèi)波動,未引起發(fā)熱的現(xiàn)象;FPV A91S分離株感染貓后還可引起貓眼睛出現(xiàn)膿性分泌物和肺的嚴(yán)重出血,熒光定量PCR檢測發(fā)現(xiàn)FPV A91S在肺中的病毒載量較高,并從肺部成功分離到FPV A91S毒株,表明該毒株能夠在肺組織中大量增殖,肺部的出血可能和A91S毒株的大量增殖有關(guān),這些臨床表現(xiàn)與經(jīng)典FPV的報道有所不同[1]。此外,前期的研究表明FPV經(jīng)典毒株僅能在pH6.0~6.8、4℃條件下有效凝集豬紅細(xì)胞[2-4],然而本研究分離的FPV A91S變異株能在pH6.0~6.5,無論是4℃還是37℃條件下均能有效凝集豬紅細(xì)胞,表現(xiàn)為更強熱穩(wěn)定性的HA特征,表明該變異株可能與豬紅細(xì)胞表面受體的結(jié)合能力增強,但需要進一步的試驗驗證。本研究為深入了解FPV A91S變異株的生物學(xué)特征提供了參考。
本研究獲得了FPV A91S變異株基因組序列,與GenBank中包含完整ORFs的全部71條貓源FPV基因組序列比對發(fā)現(xiàn),該分離株在VP2關(guān)鍵位點氨基酸殘基(80K、93K、103V、323D、564N、568A)完全符合典型FPV特征,因此在生物學(xué)特性方面仍與其它FPV的特性相似;然而該分離株與其它全部18條FPV A91S變異株在VP2蛋白91位點和NS1蛋白23、443和596位點發(fā)生相同的氨基酸突變,使得A91S變異株在基因組和VP2及NS1蛋白的進化樹中均單獨聚為一支,顯示出獨特的遺傳進化趨勢。已知,F(xiàn)PV的VP2主要負(fù)責(zé)與宿主受體的相互作用,決定病毒的宿主范圍、組織嗜性、免疫原性和血凝性等功能[3,6-7]。蛋白3D結(jié)構(gòu)模型預(yù)測顯示A91S突變導(dǎo)致VP2蛋白構(gòu)象的改變,該區(qū)域處于VP2蛋白Loop1區(qū)域,是已知的受體結(jié)合部位[3,14-16],因此,A91S突變可能通過改變VP2蛋白的構(gòu)象影響病毒與宿主受體的結(jié)合能力,從而可能改變A91S變異株的部分生物學(xué)特性,但需進一步的試驗驗證。NS1蛋白是FPV最重要的復(fù)制相關(guān)蛋白[5],F(xiàn)PV A91S變異株在NS1蛋白發(fā)生了N23 D和I443V、V596 L共性突變,由于沒有同源關(guān)系相近的NS1蛋白構(gòu)象,因此無法準(zhǔn)確推測上述三個位點突變對蛋白構(gòu)象的影響。有研究將CPV-2c NS1蛋白上598和601氨基酸殘基人為突變?yōu)門后,顯著改變了病毒的復(fù)制能力和致病性[17]。因此,F(xiàn)PV A91S變異株NS1的突變對貓致病性的影響值得進一步研究。
現(xiàn)有的商用FPV疫苗是利用FPV原型毒株制備的滅活疫苗(碩騰公司妙三多疫苗),自廣泛使用以來,在貓瘟防控上盡管取得了一定的成效,但FPV仍是在世界各地廣泛流行、嚴(yán)重威脅貓科動物健康的重要病原之一,并且也有很多貓接種疫苗后仍感染FPV的報道[1,18-19]。本研究從一例已接種2次妙三多疫苗、但仍感染貓瘟的4月齡貓體內(nèi)分離到FPV A91S變異株?,F(xiàn)有的在世界廣泛流行的經(jīng)典毒株以及中國的FPV A91S優(yōu)勢毒株與疫苗株相比,在VP2蛋白發(fā)生了I101T和A91S的突變,而這兩個位點均位于VP2蛋白的loop1區(qū)域,該區(qū)域也是重要的抗原表位,其中93位點的突變已經(jīng)證實可以改變病毒的抗原性[3,14-16]。因此,有必要進一步研究現(xiàn)有FPV疫苗對國內(nèi)FPV流行毒株的保護力,為FPV的防控提供科學(xué)依據(jù)。
4 結(jié) 論
本研究分離到一株FPV A91S的變異株,該毒株具有更穩(wěn)定的HA活性,經(jīng)口服能成功感染貓引起發(fā)病和死亡,是一種對貓危害嚴(yán)重的強毒株;基因組特征分析顯示,該分離株與其它FPV A91S變異株一致,其VP2蛋白關(guān)鍵位點氨基酸完全符合典型FPV特征,但在基因組、VP2和NS1蛋白又表現(xiàn)出獨特的進化趨勢。這是首次研究FPV A91S變異株的生物學(xué)活性,有助于進一步了解FPV毒株的生物學(xué)特性和遺傳變異。
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(編輯 白永平)