基孔肯雅病毒E2糖蛋白的遗传多态性（2014–2023年）及其对免疫力和疫苗设计的潜在影响

《International Journal of Infectious Diseases》：Genetic polymorphisms in the E2 glycoprotein of chikungunya virus (2014–2023) and their potential implications for immunity and vaccine design

寨卡病毒（CHIKV）E2 envelope glycoprotein在巴西及全球流行株中存在显著遗传多态性，导致中和抗体靶点抗原表位保守性下降。研究显示2014-2023年间E2蛋白累计19处非保守突变，其中12处涉及MXRA8受体结合位点和12处靶向中和抗体的表位，且这些突变多集中于A、B二域关键区域。结构分析表明突变位点与免疫识别和受体结合界面高度重叠，可能影响病毒传播及疫苗应答。这些发现强调了持续监测病毒进化及疫苗设计的动态更新需求。

　　### 对巴西地区登革热病毒（CHIKV）E2包膜蛋白遗传变异的系统分析

#### 研究背景与重要性

登革热病毒（Chikungunya virus, CHIKV）是一种属于披被病毒科（Togaviridae）和甲型病毒属（Alphavirus）的病毒，其主要特征是通过蚊媒传播，导致人类出现发热、关节痛和肌肉痛等临床症状。自2013年首次在美洲地区出现以来，CHIKV迅速传播至整个大陆，并在巴西等国家引发了大规模的疫情。在巴西，CHIKV自2014年起被发现，并持续引发严重的流行病，尤其是在2016、2017、2022年等时期，其感染病例数量迅速上升，且出现了许多长期症状，如慢性关节痛。尽管病毒在过去的十年中广泛传播，但关于其在巴西流行株中积累的遗传变异仍缺乏系统的研究，这限制了我们对病毒变异如何影响疫苗设计、流行病学特征以及未来疫情应对能力的理解。

遗传变异在病毒的进化过程中起着至关重要的作用，特别是在病毒适应新宿主、逃避宿主免疫系统以及改变传播能力方面。CHIKV的E2包膜蛋白是其主要的抗原决定簇，同时也是中和抗体的主要靶标。E2蛋白在病毒进入宿主细胞的过程中起到关键作用，它通过与细胞受体（如MXRA8）结合，引导病毒进入细胞，并在病毒复制和致病过程中发挥重要作用。因此，研究E2蛋白的遗传变异对于理解病毒如何适应宿主免疫、如何传播以及如何引发严重疾病具有重要意义。

本研究的目标是系统分析2014年至2023年间巴西及全球范围内CHIKV E2蛋白的遗传变异情况，特别关注这些变异是否影响中和抗体的识别能力、病毒与细胞受体的结合效率以及病毒的致病性。此外，我们还评估了这些变异在病毒蛋白结构中的分布情况，试图揭示其在病毒进化中的潜在作用。

#### 方法概述

本研究采用多方面的分析方法，包括序列比对、免疫表位分析以及结构生物学方法，以全面评估CHIKV E2蛋白的遗传变异情况。

首先，我们从全球共享流感数据倡议（GISAID）和美国国家生物技术信息中心（NCBI）获取了巴西和全球范围内2014年至2023年间CHIKV E2蛋白的基因组序列。这些数据经过筛选和清洗，去除了重复和模糊的序列，并最终形成了一个包含917个巴西序列和来自不同基因型的全球序列的数据库。我们使用UGENE软件将这些核酸序列表示为氨基酸序列，以便进行进一步的分析。

其次，我们从免疫表位数据库（IEDB）中提取了29个经过实验验证的中和抗体靶标表位。这些表位被重新索引，以确保它们与E2蛋白的氨基酸序列对齐。我们使用IEDB的保守性分析工具，评估了这些表位在不同时间点和不同病毒株之间的保守程度，并设定了两个阈值（100%和≥90%）来判断表位是否保持稳定。此外，我们还使用Python脚本和ClustalW在MEGA中进行序列比对，以识别病毒序列中出现的突变。

为了进一步理解这些突变在病毒蛋白结构中的分布情况，我们基于已知的中和抗体靶标和MXRA8受体结合位点，将这些突变映射到CHIKV包膜蛋白的三维结构模型（PDB 3N41）上。这一结构模型展示了病毒在中性pH条件下的未融合状态，包含E1和E2的异二聚体以及E3蛋白。我们特别关注了E2蛋白的三个结构域（A、B和C），并分析了这些域中突变的分布情况，以揭示它们在病毒生物学功能中的潜在影响。

#### 研究结果

通过分析这些数据，我们发现CHIKV E2蛋白的表位在巴西和全球范围内均出现了显著的不保守现象。在2014年至2023年间，29个中和抗体靶标表位中，只有不到20个在所有分析的序列中保持一致。根据100%保守性标准，仅13个表位被保留，而根据≥90%的保守性标准，16个表位被认为具有较高的保守性。然而，当我们分析特定时间段的序列数据时，如仅考虑巴西病毒株，发现保守的表位数量进一步减少，甚至降至11个。此外，当我们将所有全球病毒株纳入分析时，仅剩下3个表位被完全保留。

这些结果表明，CHIKV E2蛋白的中和抗体靶标表位在长期进化过程中逐渐发生变化，这可能与宿主免疫压力有关。病毒在面对宿主免疫系统时，可能会通过突变来逃避中和抗体的识别，从而降低疫苗的有效性。我们还发现，某些突变位点在多个病毒株中反复出现，这表明这些位点可能在病毒适应宿主免疫系统中发挥了重要作用。

在氨基酸突变方面，我们识别了19个非保守性突变，这些突变出现在与中和抗体识别和MXRA8受体结合相关的位点。例如，位点61、106、108、181、200和205在多个病毒株中出现了突变，且这些位点的突变可能对病毒的生物学功能产生重要影响。通过结构生物学分析，我们发现这些突变主要集中在E2蛋白的结构域A和B，这两个区域在病毒与宿主细胞的相互作用中起着关键作用。这些区域不仅涉及中和抗体的识别，还与病毒的受体结合有关，因此它们的突变可能影响病毒的传播能力和致病性。

此外，我们还对突变的保守性和非保守性进行了分类。保守性突变指的是替换的氨基酸属于相同的理化类别，而非保守性突变则涉及不同的理化性质。这种分类有助于理解突变对病毒功能的影响。例如，某些非保守性突变可能导致病毒蛋白的结构发生变化，从而影响其与宿主细胞的结合能力或中和抗体的识别效率。

#### 结构生物学分析

为了更直观地理解这些突变在病毒蛋白结构中的分布情况，我们使用了CHIKV包膜蛋白的三维结构模型（PDB 3N41）进行映射分析。这一模型展示了病毒在中性pH条件下的未融合状态，包含E1和E2的异二聚体以及E3蛋白。在这一结构中，E2蛋白被分为三个结构域：A、B和C。我们发现，突变主要集中在结构域B和A，这两个区域与中和抗体的识别和MXRA8受体的结合密切相关。

在结构域B中，突变出现在181、200和205等位点，这些位点与中和抗体的结合和病毒进入宿主细胞的过程相关。而在结构域A中，突变出现在61、103、106和108等位点，这些位点同样与中和抗体的识别和MXRA8受体的结合有关。此外，结构域C中也出现了一些突变，这些突变可能影响病毒的受体结合能力或传播效率。

通过将这些突变映射到三维结构模型上，我们发现这些突变并非随机分布，而是集中在与中和抗体识别和受体结合相关的区域。这种分布模式表明，病毒在进化过程中可能优先选择这些区域进行突变，以适应宿主免疫系统或改变其传播特性。然而，这些突变的分布并不一定意味着它们对病毒功能有直接的影响，而是反映了病毒在不同时间点和不同地理区域的适应策略。

#### 疫苗设计与流行病学的挑战

本研究的结果对疫苗设计和流行病学监测提出了新的挑战。由于E2蛋白的中和抗体靶标表位在病毒株中发生了显著变化，传统的疫苗设计方法可能无法有效应对当前流行的病毒株。此外，病毒在结构域A和B中积累的突变可能影响中和抗体的识别能力，导致疫苗的保护效果降低。因此，未来的疫苗设计需要考虑这些突变，并可能需要采用多价或镶嵌型的抗原设计，以覆盖更广泛的病毒变异。

此外，这些突变的积累可能对病毒的传播能力和致病性产生影响。例如，某些突变可能增强病毒对特定宿主细胞的亲和力，从而提高其传播效率。而另一些突变可能影响病毒的复制能力或致病性，导致更严重的临床症状。因此，监测这些突变不仅有助于疫苗设计，还对理解病毒的传播模式和致病机制具有重要意义。

#### 未来研究方向

本研究的结果表明，CHIKV E2蛋白的遗传变异在病毒适应宿主免疫系统和改变传播特性方面具有重要作用。为了进一步理解这些变异对病毒生物学的影响，未来的研究需要从多个角度进行深入分析。例如，可以通过体外实验评估这些突变对中和抗体识别能力的影响，或者通过体内实验研究它们对病毒复制和致病性的具体作用。

此外，纵向免疫学监测和实验病毒学研究也是未来的重要方向。通过跟踪这些突变在不同时间点的出现频率和分布情况，可以更好地理解病毒的进化趋势。同时，结合结构生物学和免疫学的方法，可以揭示这些突变如何影响病毒与宿主免疫系统的相互作用，以及它们如何改变病毒的传播模式和致病机制。

#### 结论

本研究揭示了CHIKV E2蛋白在巴西和全球范围内广泛存在的遗传变异，特别是这些变异在与中和抗体识别和MXRA8受体结合相关的区域。这些变异的积累可能影响病毒的传播能力、致病性和疫苗的有效性。因此，持续的基因组监测和疫苗设计的更新对于应对未来的疫情至关重要。通过整合最新的序列数据，研究者可以更准确地评估病毒变异对免疫系统的影响，并开发更有效的疫苗和诊断工具。此外，这些发现也为理解病毒的进化机制提供了新的视角，有助于制定更全面的公共卫生策略，以应对不断变化的病毒威胁。