程功研究组:利用创新性传播循环模型解开寨卡病毒进化之谜

【字体: 时间:2017年05月23日 来源:生物通

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  来自清华大学医学院的程功研究组与美国德克萨斯大学医学部(UTMB)史佩勇(Pei-Yong Shi)教授研究组合作在Nature杂志上发文,指出进化导致了寨卡病毒在埃及伊蚊上感染力增强,由于病毒位点发生突变,引发亚洲系寨卡病毒感染埃及伊蚊的能力增强,为解释近年来寨卡病毒暴发流行提供了科学依据。

  

生物通报道:来自清华大学医学院的程功研究组与美国德克萨斯大学医学部(UTMB)史佩勇(Pei-Yong Shi)教授研究组合作在Nature杂志上发文,指出进化导致了寨卡病毒在埃及伊蚊上感染力增强,由于病毒位点发生突变,引发亚洲系寨卡病毒感染埃及伊蚊的能力增强,为解释近年来寨卡病毒暴发流行提供了科学依据。

清华大学医学院程功研究员及美国德克萨斯大学医学部(UTMB)史佩勇(Pei-Yong Shi)教授为本论文通讯作者,来自程功研究组的博士研究生刘洋、刘建英、杜森焱及史佩勇研究组的博士后单超(Chao Shan)为本文的并列第一作者。清华大学为第一完成单位。来自南方科技大学、军事医学科学院、深圳疾控中心及美国纽约医学院的研究人员是该项研究的合作作者。

蚊媒传染病是通过蚊虫叮咬传播给人类及动物宿主的一大类疾病。近年来,多种新发及再发病毒性蚊媒传染病,包括寨卡病毒(ZIKV)、登革病毒(DENV)和乙型脑炎病毒(JEV)等对人类的健康产生了严重的威胁。寨卡病毒在进化过程中分为两个世系,一个是非洲世系,主要在非洲的丛林中循环传播;另外一个是亚洲世系,主要在东南亚等地区流行。2015年起,由亚洲系寨卡病毒主导的寨卡疫情在南美洲暴发,并迅速扩散到40多个国家,引起胎儿小头畸形和格林巴氏综合症,造成上百万人感染。2016年世界卫生组织宣布寨卡病毒的暴发流行已经是全球紧急公共卫生事件。


图例:寨卡病毒NS1蛋白188位点氨基酸突变导致蚊虫带毒率上升,促使寨卡病毒大范围流行。

在自然界中,蚊媒病毒在“宿主-蚊虫”之间传播循环。蚊虫可以通过吸血从感染宿主的血液中吸取病毒,并获得感染。之前的研究结果表明,登革病毒和乙型脑炎病毒的非结构蛋白NS1可以被大量分泌到感染宿主的血液中。分泌的NS1蛋白会与病毒同时吸食到蚊虫体内,通过抑制蚊虫中肠的免疫系统来辅助病毒感染蚊虫。

在该项研究中,研究者发现寨卡病毒的NS1蛋白同样也具有辅助病毒感染蚊虫的功能。亚洲系寨卡病毒非结构蛋白NS1上的一个氨基酸位点突变,第188位丙氨酸A突变为缬氨酸V(NS1 A188V)导致NS1蛋白的分泌能力增强,使得病毒可以更高效的感染蚊虫并导致蚊虫的病毒感染率大幅上升,可能是造成寨卡病毒的大范围流行的原因。这一研究为解释近年来寨卡病毒暴发流行提供了科学依据。

生物通:能否给我们介绍一下这项研究的研究思路:是如何发现NS1蛋白的这种新功能的呢?另外这项研究主要采用了哪些技术方法呢?

程功研究组:黄病毒非结构蛋白NS1在病毒感染其哺乳动物宿主后,会被大量分泌到宿主的血液循环系统中,与病毒同时在血液中循环存在。如登革病毒感染的病人,血液中的NS1蛋白的量可以达到70-15000 ng/ml。当蚊虫通过吸血获取病毒时,会同时吸入大量的NS1蛋白。因此,我们推测NS1蛋白很可能会在蚊虫从感染的哺乳动物宿主体内获取病毒的过程中发挥重要作用。随后的研究发现,NS1蛋白在进入蚊虫肠道后,会抑制其肠道的抗病毒免疫反应,降低蚊虫肠道的免疫能力,从而帮助病毒在蚊虫肠道细胞中建立稳定的早期感染,进而感染蚊虫全身,使更多蚊虫具有再次传播病毒的能力。具体NS1辅助病毒感染蚊虫的分子机制在我们之前的研究中已经阐明 (Liu et al., 2016, Nature Microbiology, 1, 16087)。

在该研究中,除了使用经典的分子生物学技术方法外,最主要的创新点在使用了模拟自然界中寨卡病毒生命周期的“蚊虫-小鼠-蚊虫”传播循环模型。因为人和高等灵长类动物是寨卡病毒的天然宿主,普通的野生型小鼠是在被寨卡病毒感染时,无法建立起有效的病毒血症,也无法使蚊虫通过吸血获取病毒。在我们的研究中,我们使用I型和II型干扰素受体双敲除的C57BL/6小鼠(AG小鼠)。这种小鼠在寨卡病毒感染时,能产生较高的病毒血症,并让能蚊虫成功获取病毒。寨卡病毒的“蚊虫-小鼠-蚊虫”传播循环模型,是准确评估寨卡病毒不同毒株对蚊虫的感染能力的关键。

生物通:NS1蛋白不仅在寨卡病毒中存在,而且在多种传染性致病病毒,如登革病毒中也存在,是否可以以此为靶标,研发出通用性疫苗或药物呢?

程功研究组:是的,NS1蛋白在多种蚊媒黄病毒中广泛存在,如登革病毒(DENV),乙型脑炎病毒(JEV)和寨卡病毒(ZIKV)。这些病毒的NS1蛋白都会在病毒的哺乳动物宿主感染阶段被大量分泌,并在蚊虫吸血获取病毒的过程中,辅助病毒感染其蚊虫媒介。NS1蛋白作为蚊媒黄病毒生命周期中的重要辅助因子,阻断其功能可以降低自然界中蚊虫的带毒量,从而降低黄病毒暴发流行的几率。NS1蛋白作为一种潜在的传播阻断型疫苗的靶标,已经在动物模型上开展评估。

生物通:此次的寨卡病毒为何没有在亚洲大范围流行,是因为有防御措施,还是病毒有变异?

程功研究组:我们的研究表明,2013年前,在亚洲小规模地方性流行的寨卡病毒在其NS1蛋白188位氨基酸均为丙氨酸(A),在这个阶段的寨卡病毒感染蚊虫的能力较弱,自然界中携带寨卡病毒的蚊虫数量不多,蚊虫传播扩散病毒的能力有限,所以没有造成其在东南亚地区的大规模爆发。在寨卡病毒经南太平洋地区的岛屿(2013-2014),再传播到美洲大陆(2015-现在)的过程中,病毒NS1蛋白的第188位氨基酸发生了从丙氨酸A突变为缬氨酸V(NS1 A188V)的突变,导致NS1蛋白的分泌能力增强,使得病毒可以更高效地感染蚊虫,并导致蚊虫的病毒感染率大幅上升,这可能是造成美洲寨卡病毒大范围流行的原因之一。

当然,从美洲寨卡病毒流行区域重新输入亚洲的突变后的病毒同样具有在亚洲地区大范围流行的潜力。但是由于各国政府疾控部门对此次美洲寨卡疫情的重视,对从美洲疫情高发区回国的人群进行重点监控,有效的防御了寨卡病毒在亚洲暴发的可能。

作者简介:
程功研究员主要致力于蚊媒病毒感染机制与抗病毒免疫研究,从分子层面阐明多种重要蚊媒病毒感染传播的分子机制及宿主免疫保护机制,根据发现的靶点研发新型疫苗干预措施,为重要蚊媒病毒的防治提供生物学基础。

程功研究员研究组近年来在国际著名病原学期刊PLoS Pathogens (公共科学图书馆•病原体) 连续发表一系列研究成果。近期,程功研究员研究组在国际权威综述期刊Trends in Parasitology (研究趋势•寄生虫学) 发表蚊媒抗病毒系统特邀专题综述,说明程功研究员研究组在蚊媒传染病领域的研究得到了国际同行关注和肯定。
在此基础上,程功研究组拓展思路,建立了肠道内生菌群与蚊子天然免疫之间的联系,阐明了肠道内生菌群稳定存在的机制,促进人们对蚊虫肠道内生菌群与病原体易感性之间关系的深入理解,对研发新型虫媒传染病防控策略产生积极的推动作用。程功研究员的研究得到国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、面上项目、科技部蛋白质重大研究计划、英国皇家医学会“牛顿高级学者”项目及盖茨基金会GCE项目的资助。

原文标题:

Evolutionary enhancement of Zika virus infectivity in Aedes aegypti mosquitoes

 

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