摘 要: 本研究旨在掌握近期湖南省各地區(qū)豬圓環(huán)病毒2型(PCV2)最新的感染和遺傳演化情況。本研究運(yùn)用qPCR方法對(duì)2021—2023年采集自湖南省長(zhǎng)沙市、岳陽(yáng)市、懷化市、常德市、株洲市等14個(gè)地級(jí)市的1 244份肥豬的淋巴結(jié)、拭子、腦組織及血樣通過(guò)qPCR進(jìn)行了病毒核酸檢測(cè),篩選出PCV2陽(yáng)性樣品,再通過(guò)PCR擴(kuò)增及測(cè)序?qū)CV2的ORF2基因序列進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,1 244份樣品中有778份為PCV2陽(yáng)性,總陽(yáng)性率達(dá)62.54%,其中邵陽(yáng)市的PCV2陽(yáng)性率最高,達(dá)92.55%(87/94),郴州市最低,為18.28%(17/93);57株P(guān)CV2 ORF2基因測(cè)序結(jié)果表明,PCV2a、PCV2b和PCV2d占比分別為12.28%、7.02%和80.70%;測(cè)序毒株間的ORF2基因核苷酸、氨基酸序列相似性分別為88.5%~100.0%和86.3%~100.0%,存在45個(gè)氨基酸差異位點(diǎn),PCV2d間存在15個(gè)差異氨基酸位點(diǎn),選擇壓力分析表明,PCV2存在3個(gè)陽(yáng)性選擇位點(diǎn)。研究表明:目前,PCV2的突變速率較快,各毒株之間存在較多的氨基酸位點(diǎn)差異,與既往報(bào)道相同,本研究中PCV2d已成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的流行毒株,PCV2的這些變異可能使現(xiàn)有疫苗保護(hù)效果減弱,應(yīng)予以重視。
關(guān)鍵詞: 豬圓環(huán)病毒2型;分子流行病學(xué)調(diào)查;遺傳變異;ORF2基因;選擇壓力
中圖分類(lèi)號(hào):
S852.659.2"""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A"""" 文章編號(hào): 0366-6964(2025)03-1376-10
收稿日期:2024-05-06
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(32072871);湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2023NK2017);云南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃(202202AE090032)
作者簡(jiǎn)介:范 杰(2000-),男,湖南岳陽(yáng)人,碩士生,主要從事動(dòng)物傳染病流行病學(xué)研究,E-mail:1327502061@qq.com
*通信作者:范仲鑫,主要從事動(dòng)物疫病防控研究,E-mail:fzx225@163.com;葛 猛,主要從事動(dòng)物傳染病診斷及防控研究,E-mail:gmg02@126.com
Investigation of Porcine Circovirus 2 Infection Status and Analysis of Genetic Evolution
in Hunan Province in Recent Years
FAN" Jie1, TAI" Yirun1, ZHU" Yanli1, CHEN" Zhixiong1, HU" Qiaoyun2, CHEN" Zhi3,
LIU" Tiantian1, LI" Xin1, FAN" Zhongxin2*, GE" Meng1*
(1.College of Veterinary Medicine, Hunan Agricultural University, Changsha 410128," China;
2.Hunan Province Animal Disease Prevention and Control Center, Changsha 410014," China;
3.Changsha Animal and Plant Disease Control Center, Changsha 410000," China)
Abstract: This study aims to understand the latest infection and genetic evolution of porcine circovirus type 2 (PCV2) in various regions of Hunan Province. Using qPCR methods established in the laboratory, this study conducted viral nucleic acid detection on 1 244 samples of lymph nodes, swabs, brain tissue, and blood collected from 14 prefecture-level cities in Hunan Province, including Changsha, Yueyang, Huaihua, Changde, and Zhuzhou, from 2021 to 2023. PCV2-positive samples were then screened out, and the ORF2 gene sequences of PCV2 were analyzed through PCR amplification and sequencing. The results showed that 778 of the 1 244 samples were PCV2-positive, with an overall positive rate of 62.54%. Among them, Shaoyang City had the highest PCV2 positive rate of 92.55% (87/94), while Chenzhou City had the lowest positive rate of 18.28% (17/93). Sequencing analysis of the ORF2 gene of 57 PCV2 strains revealed that the proportions of PCV2a, PCV2b, and PCV2d were 12.28%, 7.02%, and 80.70%, respectively. The nucleotide and amino acid sequence homologies of the ORF2 gene among the sequenced strains ranged from 88.5% to 100.0% and 86.3% to 100.0%, respectively. There were 45 amino acid variant sites among 57 PCV2 strains, and 15 variant amino acid sites among PCV2d strains. Selection pressure analysis indicated that there were three positive selection sites in PCV2. This study suggests that PCV2 is currently mutating rapidly, with significant amino acid site differences among various strains. Consistent with previous reports, PCV2d has become the absolutely dominant epidemic strain in this study. These variations of PCV2 may weaken the protective effect of vaccines, which deserves attention.
Keywords: porcine circovirus type 2 (PCV2); molecular epidemiological investigation; genetic variation; ORF2 gene; selection pressure
*Corresponding authors:" FAN Zhongxin, E-mail: fzx225@163.com; GE Meng, E-mail: gmg02@126.com
豬圓環(huán)病毒(porcine circovirus type 2,PCV)是圓環(huán)病毒科圓環(huán)病毒屬的一種病毒,無(wú)囊膜,結(jié)構(gòu)為14~17 nm的二十面體結(jié)構(gòu),是當(dāng)前最小的單鏈DNA病毒[1]。目前,PCV包含四種不同的病毒類(lèi)型,無(wú)致病性的PCV1[2]、具有致病性的PCV2[3],以及從患有皮炎腎病綜合征(PDNS)和繁殖障礙的母豬及其流產(chǎn)胎兒體內(nèi)檢測(cè)到的PCV3[4]和最新檢測(cè)到的PCV4[5]。PCV2會(huì)引起豬圓環(huán)病毒相關(guān)疾病(PCVAD),包括斷奶仔豬多系統(tǒng)衰歇綜合征,豬皮炎和腎病綜合征,豬呼吸道疾病綜合征和仔豬先天性震顫等。其中斷奶仔豬多系統(tǒng)衰竭綜合征的臨床癥狀以多系統(tǒng)進(jìn)行性功能衰弱為特征,包括生長(zhǎng)發(fā)育不良,漸進(jìn)性消瘦,體重減輕,皮膚與可視黏膜蒼白或黃疸,貧血,肌肉萎縮、衰弱無(wú)力,呼吸困難、呼吸過(guò)速等,對(duì)全世界的養(yǎng)殖業(yè)造成了重大經(jīng)濟(jì)損失[6]。
PCV2目前主要有3種基因型,即PCV2a、PCV2b和PCV2d。PCV2a是早期主要流行的基因型,2003年后,PCV2b開(kāi)始逐漸取代了PCV2a,成為優(yōu)勢(shì)流行毒株[7-8],而近年來(lái)PCV2d基因型的檢出逐漸提高,成為我國(guó)PCV2的主導(dǎo)基因型[9]。目前,大多數(shù)市售疫苗是基于PCV2a和PCV2b而研發(fā)[10]。然而,隨著PCV2毒株的不斷變異,特別是PCV2d基因型的出現(xiàn),可能使原有PCV2a和PCV2b基因型疫苗的保護(hù)效果降低,給豬圓環(huán)病毒病的防控造成一定影響[11]。為了更好地了解湖南省PCV2的流行和變異情況,本研究采用已建立的qPCR方法檢測(cè)了湖南省14個(gè)地級(jí)市的1 244份臨床樣本,并通過(guò)PCR擴(kuò)增及測(cè)序?qū)Σ糠諴CV2毒株進(jìn)行了遺傳進(jìn)化分析,以期為湖南省PCV2的防控提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
病料來(lái)自湖南省14個(gè)地級(jí)市的1 244份臨床樣品,包括血清樣品、肛門(mén)拭子樣品、淋巴結(jié)樣品以及腦組織樣品,樣品均來(lái)源于肥豬;病毒核酸提取試劑盒購(gòu)自杭州博日科技有限公司;2×Taq Master Mix購(gòu)自南京諾維贊生物科技股份有限公司;M2000 Marker Ⅱ DNA Ladder購(gòu)自北京索萊寶生物科技有限公司。
1.2 樣品的qPCR檢測(cè)
根據(jù)博日核酸提取試劑盒說(shuō)明書(shū)對(duì)臨床樣品進(jìn)行核酸提取,并使用實(shí)驗(yàn)室已建立的PCV2的qPCR體系[12],進(jìn)行qPCR的檢測(cè),引物探針序列分別為QF1:TGACGGAGACGTCGGGAAAT,QR1:CGGTTTACCCAACCCCATCA,Probe:FAM-GGGCGGGGTTTGCGTGATTT-BHQ1。分別在反應(yīng)管中加入DNA模板5 μL、上游引物(10 μmoL·L-1)0.5 μL、下游引物(10 μmoL·L-1)0.5 μL,Taq探針0.25 μL,Mix 12.5 μL,最后加無(wú)核酸酶水至體積為25 μL。qPCR程序?yàn)?7 ℃2 min;95 ℃30 s,95 ℃10 s,60 ℃30 s,40個(gè)循環(huán);每次延伸完成后進(jìn)行熒光信號(hào)的采集,通過(guò)采集的熒光信號(hào)進(jìn)行曲線(xiàn)繪制及計(jì)算Ct值。
1.3 PCR引物設(shè)計(jì)與合成
根據(jù)GenBank公布的PCV2全基因組基因序列于ORF2基因兩側(cè)保守區(qū)域設(shè)計(jì)一對(duì)特異性引物,引物序列為PCV2-Cap-898-F:CAGTTCGTC-ACCCTTTCCCC,PCV2-Cap-898-R:CACTCTT-CTTGCTGGGCATGTT。PCR引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1.4 PCV2陽(yáng)性樣品的PCR擴(kuò)增及測(cè)序
選取部份qPCR結(jié)果陽(yáng)性的樣品進(jìn)行普通PCR擴(kuò)增,分別在反應(yīng)管中加入DNA模板1 μL、上游引物(10 μmoL·L-1)1 μL、下游引物(10 μmoL·L-1)1 μL,Mix 12.5 μL,最后加無(wú)核酸酶水至體積為25 μL,PCR程序?yàn)?8 ℃5 min;98 ℃15 s,56 ℃15 s,72 ℃15 s,38個(gè)循環(huán);72 ℃5 min。使用1.5%凝膠電泳檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物,并將擴(kuò)增產(chǎn)物送至上海生工生物工程股份有限公司測(cè)序。
1.5 ORF2基因的比對(duì)與分析
對(duì)測(cè)序獲得的序列進(jìn)行拼接,利用MegAlign軟件對(duì)各測(cè)序毒株間及其與GenBank中登錄的PCV2參考毒株ORF2基因序列進(jìn)行同源性比對(duì)分析,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。參考毒株信息見(jiàn)表1。
1.6 ORF2氨基酸選擇壓力分析
將測(cè)序所得序列以及往年湖南省發(fā)布在NCBI上的部分序列使用Datamonkey進(jìn)行選擇壓力分析,使用BUSTED、 MEME和FEL三種方法對(duì)PCV2 Cap蛋白進(jìn)行陽(yáng)性位點(diǎn)篩選,Plt;0.1時(shí),結(jié)果具有顯著性。
2 結(jié) 果
2.1 樣品qPCR檢測(cè)結(jié)果
結(jié)果顯示(表2),所采集的1 244份樣品中,PCV2的陽(yáng)性率為62.54%,其中,淋巴結(jié)樣品總陽(yáng)性率為68.93%(579/840),腦組織樣品總陽(yáng)性率為38.30%(18/47),血樣總陽(yáng)性率為42.95%(64/149),肛門(mén)拭子樣品總陽(yáng)性率為56.25%(117/208)。各地級(jí)市陽(yáng)性率最低為郴州市,為18.28%,最高為邵陽(yáng)市,高達(dá)92.55%。說(shuō)明目前PCV2在湖南省各地區(qū)豬群中仍然廣泛存在。
2.2 ORF2的PCR擴(kuò)增及測(cè)序
從各地級(jí)市樣品中隨即選取了部分qPCR檢測(cè)陽(yáng)性的樣品,對(duì)其中57份進(jìn)行了ORF2的PCR擴(kuò)增及測(cè)序,其中,益陽(yáng)市7份、常德市5份、衡陽(yáng)市2份、岳陽(yáng)市12份、邵陽(yáng)市4份、長(zhǎng)沙市7份、湘西3份、張家界市3份、湘潭市1份、婁底市4份、郴州市1份、永州市2份、株洲市3份、懷化市3份。部分PCR擴(kuò)增結(jié)果如圖1,測(cè)序后截取ORF2基因片段進(jìn)行分析,顯示其長(zhǎng)度為702~705 nt。
2.3 ORF2核苷酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析
將測(cè)序結(jié)果與NCBI上所選取的PCV2參考序列(表1)使用MegAlign進(jìn)行比對(duì),并使用Mega7.0生物軟件構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)(圖2)。
根據(jù)本研究中的57株P(guān)CV2毒株和GenBank中的11株參考毒株的ORF2序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。結(jié)果顯示,57株湖南株分為三個(gè)基因型(PCV2a、PCV2b、PCV2d),其中 PCV2a占比12.28%(7/57),PCV2b占7.02%(4/57),PCV2d占80.70%(46/57)。以上結(jié)果表明湖南省PCV2的流行毒株以PCV2d為主,PCV2a和PCV2b少量存在。
2.4 ORF2氨基酸同源性比較及遺傳變異分析
氨基酸序列分析表明(圖3),57株測(cè)序毒株Cap蛋白存在45處氨基酸差異位點(diǎn),其中Y8F、I53F、R/A59K、K63R、T86S、K88P、K/R89L、R/S90T、I91V、T131P、P151T、S169 G/R、A/S190T、V215I、243K為主要氨基酸差異位點(diǎn),主要位于Cap蛋白已確定的四個(gè)線(xiàn)性表位,分別為CPA、CPB、CPC和CPD,其中 CPA表位氨基酸變異較大,這些區(qū)域的氨基酸變異極有可能對(duì)PCV2抗原性產(chǎn)生較大的影響。而所測(cè)46株P(guān)CV2d的 Cap蛋白氨基酸變異共包含15個(gè)氨基酸變異位點(diǎn),其主要位于NLS區(qū)和CPB、CPC、CPD表位,表明PCV2目前仍處于持續(xù)變異之中。
2.5 ORF2氨基酸選擇壓力分析
通過(guò)FEL法篩選的陽(yáng)性位點(diǎn)為169;BUSTED法篩選的陽(yáng)性位點(diǎn)為59、68、88、131、169、232、234,其中169的陽(yáng)性置信度遠(yuǎn)高于其它可能位點(diǎn);MEME法篩選的陽(yáng)性位點(diǎn)為59、88、130、169。結(jié)合三種計(jì)算方法可得,三種方法均篩選出169號(hào)為陽(yáng)性位點(diǎn),兩種方法將59、88篩選為陽(yáng)性位點(diǎn)。使用Pymol對(duì)測(cè)序所得的一株P(guān)CV2d進(jìn)行同源建模,將所篩選的陽(yáng)性位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注(圖4)。
3 討 論
PCV2自1990年發(fā)現(xiàn)以來(lái),已經(jīng)對(duì)全球養(yǎng)豬業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失,并成為全球重點(diǎn)研究豬病之一。PCV2在全球流行過(guò)程中,有兩大重要的進(jìn)化事件,即從PCV2a到PCV2b的流行優(yōu)勢(shì)毒株的轉(zhuǎn)變以及新的mPCV2b的出現(xiàn)和快速傳播,并且PCV2至今仍在不斷的進(jìn)化[13]。中國(guó)是世界上第一養(yǎng)豬大國(guó),而湖南省是中國(guó)的養(yǎng)豬大省,對(duì)湖南省PCV2分子流行病學(xué)和遺傳進(jìn)化的調(diào)查對(duì)PCV2的監(jiān)測(cè)及防控有著重要意義。
本研究對(duì)來(lái)自湖南省14個(gè)地級(jí)市1 244頭豬的淋巴結(jié)、血清、肛門(mén)拭子和腦組織樣品進(jìn)行qPCR檢測(cè)篩選PCV2陽(yáng)性樣品,并對(duì)部分陽(yáng)性樣品進(jìn)行PCR擴(kuò)增及測(cè)序分析,以了解湖南省PCV2毒株最新感染及變異情況。結(jié)果顯示,在普遍免疫疫苗的背景下,PCV2感染仍普遍存在,并且PCV2d已成為湖南省PCV2的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)毒株。在以往的研究中,Qu等[14]對(duì)湖南省2006—2016年的674份樣品的分子流行病學(xué)調(diào)查表明PCV2總體陽(yáng)性率為62%,在所測(cè)序的53份樣品中PCV2a、PCV2b和PCV2d分別占陽(yáng)性樣本的0%、44.7%和67%,且2008年后,PCV2d的檢出率明顯升高。黃英等[15]對(duì)我國(guó)8省2017—2021年的樣品進(jìn)行PCR檢測(cè)的結(jié)果顯示,2 357份樣品的總體陽(yáng)性率為60.92%,其中50份測(cè)序樣品結(jié)果表明PCV2d 占80%,PCV2a占4%,PCV2b占16%。王翠等[16]對(duì)2020—2022年柳州地區(qū)的1 597份樣品進(jìn)行qPCR檢測(cè),結(jié)果表明柳州地區(qū)PCV2陽(yáng)性率約為50.47%,其中28份樣品測(cè)序結(jié)果中3株屬于PCV2a亞型,6株屬于PCV2b亞型,19株屬于PCV2d亞型。Dei Giudici等[17]對(duì)意大利撒丁島2020—2022年的樣品流調(diào)表明,57株P(guān)CV2中有56株屬于PCV2d,只有1株屬于PCV2b。本研究測(cè)序所得的2021—2023年P(guān)CV2中,PCV2d為主要流行毒株,相較于Qu等[14]對(duì)湖南省PCV2的研究,PCV2d的比例顯著升高,與近幾年研究相符。綜合本研究結(jié)果和各個(gè)報(bào)道表明目前中國(guó)乃至世界的PCV2優(yōu)勢(shì)基因型均已為PCV2d[15,18-20],這可能與目前使用的PCV2疫苗普遍為PCV2a及PCV2b疫苗,疫苗抗體對(duì)PCV2d的免疫效果相對(duì)PCV2a和PCV2b較弱,PCV2d在這個(gè)過(guò)程中占據(jù)了生存優(yōu)勢(shì)有關(guān)[21-22]。
PCV2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其中ORF2所編碼的 Cap蛋白為PCV2的唯一結(jié)構(gòu)蛋白,具有高度變異性,因此被廣泛用于PCV2的系統(tǒng)發(fā)育分析和基因型鑒定[23]。PCV2a、PCV2b、PCV2d為PCV2的三種主要基因型,分別有其特征基序,通過(guò)特征基序可以進(jìn)行PCV2快速簡(jiǎn)便的分型,如PCV2的86TNKISI91,PCV2b的86SNPRSV91,PCV2d的86SNPLTV91,但該分型方法僅能進(jìn)行粗略區(qū)分,具體的分型需要通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)等方法進(jìn)行確定。既往研究表明,Cap蛋白區(qū)域較少的氨基酸變異即可使得PCV2的復(fù)制、感染和致病性出現(xiàn)顯著的改變,如PCV2 Cap蛋白P110A和R191S位點(diǎn)的變異使得PCV2體內(nèi)外復(fù)制能力發(fā)生了顯著改變[24];PCV2b中的151和191的T-P的變異使得PCV2的抗原性發(fā)生了顯著的改變[25]。本次的分子流行病學(xué)調(diào)查測(cè)序結(jié)果顯示,湖南省流行的PCV2毒株間共有45個(gè)氨基酸位點(diǎn)的差異,這些差異位點(diǎn)主要位于53-91 aa、121-136 aa、 169-191 aa以及200-215 aa之間,而PCV2已確定的四個(gè)CP表位分別為位于69-83位的CPA,113~131位氨基酸的CPB,169-180位氨基酸的CPC和193-207位氨基酸的CPD[26],以上四個(gè)主要突變區(qū)域即位于其中。而對(duì)于目前優(yōu)勢(shì)流行毒株P(guān)CV2d所得氨基酸序列的分析表明,在PCV2d間的15個(gè)差異位點(diǎn)中,5個(gè)位于NLS區(qū),1個(gè)位于CPB,2個(gè)位于CPC,3個(gè)位于CPD,CPA、CPB和CPD是PCV2特異性的抗原表位,而CPC在PCV1和PCV2間高度保守,是共有的一個(gè)抗原表位,包裹在病毒衣殼內(nèi)部,基本不會(huì)產(chǎn)生針對(duì)PCV2的保護(hù)性抗體,但是暴露時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的非保護(hù)性抗體[27]。通過(guò)選擇壓力分析,得到了59、88和169三個(gè)陽(yáng)性選擇位點(diǎn),其中置信度最高的169號(hào)位點(diǎn)即為CPC表位的第一個(gè)氨基酸,根據(jù)Pymol軟件同源建模圖(圖4)可見(jiàn),59號(hào)位點(diǎn)位于衣殼表面,該位點(diǎn)的變異可能會(huì)影響病毒衣殼表面結(jié)構(gòu),從而影響到特異性抗體對(duì)PCV2的識(shí)別。而88和169號(hào)位點(diǎn)位于衣殼內(nèi)部,169號(hào)位點(diǎn)的突變可能導(dǎo)致CPC的暴露,從而誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生大量的非保護(hù)性抗體,PCV2極有可能通過(guò)這些位點(diǎn)的變異使得現(xiàn)有疫苗免疫效果減弱。
PCV2在進(jìn)化歷史上展示出了與ssDNA病毒不符的進(jìn)化速度,更接近ssRNA病毒[28]。目前PCV2疫苗使用極為廣泛,且能較好地控制PCVAD的發(fā)病情況,但在豬群中仍可檢測(cè)到如此高的病原陽(yáng)性率,說(shuō)明現(xiàn)有疫苗并不能完全阻斷PCV2的感染,無(wú)法阻止一些PCV2毒株的復(fù)制及排毒[29],而隨著ORF2上氨基酸變異的不斷累加,很可能使得現(xiàn)有疫苗的免疫效果不斷降低。對(duì)PCV2分子流行病學(xué)的調(diào)查和Cap蛋白的氨基酸變異的監(jiān)測(cè),為PCV2的防控和PCV2疫苗更新迭代的原始積累具有重要意義。
4 結(jié) 論
本研究全面的調(diào)查了2021—2023年湖南省PCV2感染及遺傳演化情況,發(fā)現(xiàn)感染率高達(dá)63.55%,表明湖南省各豬場(chǎng)PCV2的感染較為普遍。通過(guò)DNA測(cè)序及序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析發(fā)現(xiàn),PCV2d成為湖南省流行PCV2的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)基因型。氨基酸序列分析表明湖南省PCV2毒株間Cap蛋白有45個(gè)氨基酸位點(diǎn)的差異,其中PCV2d的Cap蛋白氨基酸存在15個(gè)差異位點(diǎn),且主要位于NLS區(qū)和CP表位區(qū),選擇壓力分析表明PCV2有三個(gè)陽(yáng)性選擇位點(diǎn),表明PCV2仍保持著較高水平的突變速度。本研究結(jié)果將為了解PCV2感染、毒株流行、演變和疫苗免疫提供重要參考。
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(編輯 白永平)