副痘病毒中A33和A34糖蛋白的独特进化模式及其结构特征

《Microbial Pathogenesis》：Distinct evolutionary patterns and structural insights into A33 and A34 glycoprotein in parapoxvirus

　　

王勇|刘迅毕|向红|陈晓丹|李奥琳|郭旭

中国安徽省合肥市安徽农业大学兽医学院

摘要

痘病毒科（Poxviridae）包含大型双链DNA病毒，对人类和动物健康具有重大影响。其中，副痘病毒属（Parapoxvirus）包含ORF病毒（ORFV）、牛丘疹性口炎病毒（BPSV）和伪牛痘病毒（PCPV），这些病毒具有独特的进化特征。本研究探讨了A33和A34蛋白的变异性、进化驱动因素及其结构特征，这两种蛋白是病毒传播和免疫逃逸的关键糖蛋白。研究发现，与痘病毒科的其他成员相比，副痘病毒属中的A33和A34蛋白在细胞外结构域表现出更高的变异性。密码子使用分析表明，选择压力主要影响了密码子使用偏好（CUB），而选择压力集中在表面暴露区域。突变分析显示，在ORFV、PCPV和BPSV中，G→A和A→G的转换最为常见。系统发育分析证实，副痘病毒属的A33和A34蛋白形成了不同的分支，反映了它们在属内的独立进化。尽管序列存在异质性，但结构模型显示它们具有保守的宏观结构，同时具有可变的环状区域，这可能增强了病毒的适应性和宿主特异性。这种保守的结构框架和已识别的多样性热点使A33和A34成为有前景的亚单位疫苗靶点。本研究加深了我们对副痘病毒属进化的理解，并为制定有效的控制策略奠定了基础。

引言

痘病毒科包含大型双链DNA病毒，能够感染脊椎动物和无脊椎动物[1]。在脊索痘病毒亚科（Chordopoxvirinae）中，正痘病毒属（Orthopoxvirus）的成员对人类和动物健康有显著影响[2]。此外，副痘病毒属的成员，包括ORF病毒（ORFV）、牛丘疹性口炎病毒（BPSV）和伪牛痘病毒（PCPV），能够感染动物并对人类构成人畜共患病风险[3]。

痘病毒科的成员表现出复杂且高度协调的感染过程。痘病毒有两种主要的感染形式：细胞相关包膜病毒（MEV）和细胞外包膜病毒（EEV），它们在病毒生命周期的不同阶段具有不同的功能和传播优势[4]。MEV具有单层包膜，其中包含多种对病毒附着、进入和局部传播至关重要的膜蛋白。相比之下，EEV具有双层包膜，外层包膜有助于免疫逃逸并促进病毒在宿主体内的长距离传播[5]。EEV的外层包膜含有特定蛋白，包括A33、A34、B5和F13。其中，A33和A34是II型膜糖蛋白，其细胞外结构域具有C型凝集素样结构[6]。A33在细胞间传播中起关键作用，促进病毒从感染细胞传播到邻近细胞[7]。A34蛋白与A33协同作用，介导EEV的释放并调节出芽过程[8]。删除A33会导致斑块大小减小和细胞表面肌动蛋白尾形成减少，但EEV的释放量增加三倍。同样，删除或抑制A34R基因会导致斑块变小、无法形成肌动蛋白尾，并在体内严重减弱病毒毒性[6]。

膜糖蛋白在某些痘病毒中表现出保守的表型，具有开发亚单位疫苗的潜在应用[7]。特别是A33，在亚单位疫苗候选蛋白的开发中得到了广泛使用，并在临床前研究中显示出强大的保护作用[9,10]。副痘病毒属的成员基因组中也存在A33和A34的同源基因。因此，研究A33和A34蛋白的进化是必要的。在病毒研究中，密码子使用偏好（CUB）分析被广泛用于推断进化力量、宿主适应机制以及对基因表达和病毒适应性的潜在影响[11]。CUB指的是蛋白质编码基因中同义密码子的使用不均衡。这种现象是由突变压力（如基因组核苷酸组成偏差和复制错误）和自然选择（如翻译效率优化、准确性以及适应宿主tRNA丰度）之间的复杂相互作用引起的[11]。在病毒复制过程中，病毒依赖于宿主的tRNA池进行翻译，因此病毒的CUB可以影响翻译效率[12]。CUB不仅是进化过程的结果，也是生物体适应环境的驱动力。包括痘病毒科在内的病毒表现出不同的密码子使用模式，反映了与病毒适应性和宿主适应性相关的突变压力和选择压力[13]。

最近，我们从ORF病毒中分离并扩增了A33和A34基因的序列，发现它们存在显著异质性；此外，与其他属的A33和A34基因相比，副痘病毒属成员的A33和A34进化表现出独特特征。因此，在本研究中，我们首先全面探讨了痘病毒科中A33和A34蛋白的进化特征、选择压力和结构特征，特别关注副痘病毒属。通过分析这些蛋白的CUB和进化模式，我们旨在揭示可能影响宿主-病毒相互作用和病毒适应性的独特机制。这项研究的意义在于它为未来针对这些病毒糖蛋白的疫苗开发策略提供了依据，有助于减缓人畜共患病痘病毒的传播。此外，了解A33和A34蛋白的进化动态将增强我们对痘病毒生物学的认识，尤其是在跨物种传播和免疫逃逸方面。

章节片段

序列收集与比对

为了研究副痘病毒属成员（包括ORFV、PCPV和BPSV）中A33和A34蛋白的进化特征，我们收集了NCBI数据库中几乎所有完整的A33和A34基因序列。每个序列都经过手动审核以确保准确性，排除了氨基酸位置不明确或注释不一致的序列。此外还收集了痘病毒科其他成员的A33和A34基因序列

副痘病毒属成员的A33和A34蛋白表现出极高的变异性

我们扩增了四种ORFV菌株的A33和A34基因序列。比对后发现，这四种菌株在A33基因上的相似性较低，而在A34基因上的相似性较高，这与之前认为A33蛋白保守的研究结果不一致。我们进一步分析了NCBI数据库中痘病毒科成员的A33和A34蛋白之间的相似性。在副痘病毒属中，不同病毒之间的A33相似性为49.6%-100%，A34为53%-100%。

讨论

痘病毒科成员对人类和动物健康有广泛影响。在基因组中，A33和A34蛋白是两种重要的相互作用糖蛋白[8]。特别是A33蛋白由于其分布在膜表面及其高度保守的性质而被用于疫苗开发[32]。然而，在本研究中，我们发现副痘病毒属成员表现出显著的异质性。因此，我们深入研究了这种现象的存在及其驱动因素

结论

总之，本研究全面分析了副痘病毒属中A33和A34蛋白的进化和结构特征。这些蛋白的高变异性和独特的进化特征突显了它们在病毒适应性和宿主相互作用中的重要性。未来的研究应致力于阐明这些结构变异的功能意义，特别是在宿主免疫反应和跨物种传播的背景下。

资助

不适用。

CRediT作者贡献声明

王勇：概念构思、方法学设计、验证、初稿撰写。刘迅毕：正式分析、软件使用、初稿撰写。向红：验证、可视化。陈晓丹：实验研究。李奥琳：实验研究。郭旭：正式分析、方法学设计、项目管理、初稿撰写及审稿编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。