「比特派钱包下载」《自然》:基因组数据揭示猴痘疫情演化轨迹,病毒或加速适应人体

作者: 佚名 分类: 区块链钱包 发布时间: 2022-06-25 09:25
猴痘疫情暴发不到两个月,全球累计确诊病例超3500例,疫情波及到44国,其中多为此前从未发现过猴痘病例的国家。作为痘病毒家族的属员,猴痘病毒毒株出现了怎样的演化,使其能够跳出非洲大陆,在非传统流行地如此广泛蔓延? 毒株的传播率为何又会持续上升? 6月24日,来自葡萄牙里斯本国家卫生研究所的若昂.保罗.戈麦斯(João Paulo Gomes)博士及其团队在《自然-医学》(nature-medicine)上发表了相关论文,研究者通过重建本轮猴痘病毒基因组的序列,揭示了此次猴痘疫情的演化轨迹。 
6月24日凌晨,在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时,若昂.保罗.戈麦斯博士表示,“我们在研究中发现,2022年暴发的猴痘病毒基因组与2018—2019年的近缘病毒基因组相比,相差了约50个单核苷酸变异多样性位点(SNPs)。基因组超出预期的突变率,显示出猴痘病毒可能正变得更加适应人体。”
“目前这只是一个假说,”戈麦斯博士说,“但我们观察发现,本轮猴痘病毒的很多突变基因,靶向是与免疫系统相互作用的病毒蛋白质。这可能是对该假说的印证。”
猴痘是一种人畜共患的罕见传染病,其病原体为正痘病毒属(该属也包括天花病毒)的猴痘病毒(MPXV)。人类猴痘的潜伏期为5至21天,通常始于发烧、肌痛、疲劳和头痛,随后往往在原发感染部位出现斑丘疹,可扩散到身体的其它部位。尽管猴痘病毒的天然宿主仍然未知,但啮齿动物和非人类灵长类动物等动物可能携带该病毒,导致此前偶尔对人类的溢出事件。
通过对本轮疫情中15份猴痘病毒样本进行基因组测序,并将数据与历史样本比对,戈麦斯博士及其团队还发现,2022年5月发现的猴痘疫情的相关病毒毒株,是2018-2019年地方性流行国家暴发的猴痘病毒的一个特征明确的进化支; 当前传播的猴痘疫情很可能始于同一起源。研究者认为,猴痘病毒基因组的进化支或许表示病毒的演化仍在加速进行。 
此外,研究者还在此次猴痘疫情的人际传播中发现了病毒持续微进化的迹象——在本轮病毒基因组样本之间,出现了15个单核苷酸多态性位点(SNPs)、次变异以及基因删除的情况。 
这些结果为进一步研究猴痘病毒演化的潜在机制、以及病毒适应人体的可能基因靶点提供了相关数据。 
截至6月23日,根据美国疾病预防与控制中心的统计数据,全球累计确诊猴痘病例达到3504例,44个国家报告了确诊病例。世界卫生组织和多国卫生部门正采取若干措施以遏制疫情扩散,包括对猴痘患者的特定密切接触者(暴露后)和有职业性猴痘暴露风险的群体(暴露前)使用疫苗。
疫情起因——单一源头的病毒在多个场景中被引入
此前,猴痘多在西非或中非地区发生,这些地区以外的罕见猴痘病例报告都与从这些流行国家的病毒输出相关。
猴痘病毒能够通过密切接触病变体、体液、呼吸道飞沫和受污染物质在人与人之间传播,但目前的流行病学对猴痘病毒传播动态和暴发幅度的研究,仍然存在诸多不确定。
此次全球猴痘疫情暴发后,为了及时获得有关2022年暴发的猴痘病毒基因在病毒进化树上的定位信息,并初步了解病毒进化趋势,戈麦斯博士及其团队重点分析了15份猴痘病毒基因组样本,其中包括2022年5月20日公开发布的第一份葡萄牙猴痘病毒基因组样本,以及2022年5月27日之前发布的其它病毒样本基因组序列,15份样本中大多数来自葡萄牙病例。
通过将基因组序列快速整合到全球猴痘基因进化树中,研究者证实了2022年爆发的猴痘病毒属于猴痘病毒的第3分支——即此前定义的“西非”分支,在“西非”分支中还包括分支2。第2、3分支的猴痘病毒此前最常见的报告地区是非洲喀麦隆西部和塞拉利昂,病毒的病死率(CFR)通常小于1%,而第1分支的病毒——此前称为“中非”或“刚果盆地”分支,病死率(CFR )通常大于10%。到目前为止,所有测序的猴痘暴发病毒株都紧密聚集在一起,这表明本轮猴痘暴发具有单一的起源。
研究发现,2022年猴痘病毒集群(谱系B.1),形成了2018—2019年从猴痘流行国家(尼日利亚)向英国、以色列和新加坡输出的猴痘病毒分支(谱系A.1)的后代,并与2017-2018年尼日利亚发生的大规模猴痘疫情有遗传联系。鉴于这些发现和猴痘流行病学历史分析,研究者认为,2022年猴痘疫情的出现很可能源自病毒从猴痘流行国家的输出,疫情中出现的病毒,极有可能是由2017-2018年尼日利亚疫情中的猴痘病毒的持续传播和演变而来。   
而最新发布的一份2021年的病毒基因组序列(USA_2021_MD,ON676708),来自从尼日利亚到美国旅行的病例,其在基因进化树上的位置处于2018 —2019年和2022年的序列之间,这一定程度也证实了该假设的成立。
不过研究者表示,不能排除在猴痘非流行国家,病毒在人类或动物中长期隐性传播的可能。“例如病毒在2018-2019年从流行国家输出之后,便开始了隐匿传播。”研究者说,“但考虑到猴痘病例个体的已知疾病特征——通常涉及局部或全身性皮肤病变,由于诊断不足等原因导致的无症状人际传播,似乎不太可能发生。另一种假设,是病毒在非流行国家的动物宿主中进行隐性传播,然后导致最近的溢出事件,但这种情况竟然从未被报道过,也会让人惊讶。”
因此,研究者认为,已有猴痘病毒基因组数据指向表明,当前猴痘疫情暴发的原因,更有可能是单一源头的病毒在多个场景中被引入,超级传播者事件(例如发生性接触的桑拿活动)和出国旅行可能引发了病毒在全球的快速传播。
但要确定与病毒引入相关的具体指示性病例可能具有挑战性,这是因为猴痘预期的潜伏期为5-21天,目前研究取得的基因组样本有限。此前假设首例确诊病例是猴痘疫情发生的指标(2022年5月3-4日,病例从尼日利亚前往英国),但其后的流行病学研究显示,实际上,葡萄牙和英国的病例最早症状发作的时间出现在4月下旬。
病毒进化加速——免疫原性蛋白出现氨基酸变化
研究者称,2022年的猴痘病毒株基因组中远超于研究者预期的突变率,可能代表着猴痘病毒进化的加速。通常而言,正痘病毒基因组中,每年每个核苷酸位点仅会出现1-2次替换。
特别要指出的是,在此次发生变异的46个单核苷酸多样性位点(SNPs)(24个非同义突变,18个同义突变,4个基因间核苷酸替代)中,猴痘病毒免疫原性表面糖蛋白B21(与2018年的英国样本MPXV-UK_P2-182比对)出现了3个氨基酸的变化(D209N,P722S,M1741I)。此前的血清学研究表明,猴痘病毒B21蛋白可能是一个具有几种关键免疫优势表位的重要抗体靶点。
与此同时,研究者通过对这 46 个 SNPs的检查,进一步揭示了这些突变具有强烈的偏好性,即出现了26个GA>AA(14个非同义突变,10个同义突变,2个基因间核苷酸替代)和15个(9个非同义突变,16个同义突变)TC>TT(G、A、T、C分别代表脱氧核苷酸中的鸟嘌呤,腺嘌呤,胸腺嘧啶,胞嘧啶)。 这种突变偏好性显示,突变可能是宿主体内的APOBEC3脱氨酶在病毒基因组中编辑造成。
据戈麦斯博士向澎湃新闻记者介绍,猴痘基因异常突变由人体APOBEC3蛋白酶编辑机制导致的假说,最早由英国爱丁堡大学的演化生物学家安德鲁·兰博特(Andrew Rambaut)提出。APOBEC3蛋白酶在人和一些哺乳动物体内存在,能起到防御病毒的作用。其主要的抗病毒机制是它能够在病毒单链DNA的复制过程中,使胞嘧啶碱基(C)脱去氨基,变成尿嘧啶碱基(U),当另一条链合成时,尿嘧啶碱基与腺嘌呤碱基(A)配对,从而产生对病毒致死的G→A高突变现象。
此外,猴痘病毒中A/T核苷酸含量本身就很高,这种偏好性的突变会导致A /T在基因组中的占比更加不成比例,这进一步表明,突变极有可能是非随机突变因素例如APOBEC3的作用。事实上,APOBEC3蛋白酶能够因为细胞受到病毒感染而增加,通过脱氨编辑机制引入突变来抑制病毒。但在某些情况下,例如较低的脱氨水平,APOBEC3蛋白酶编辑造成的突变可能不会完全破坏病毒,从而增加了病毒产生超级变异的可能性,同时改变其特性。例如研究已发现,人体APOBEC3蛋白酶会造成艾滋病毒(HIV)产生免疫逃逸变异。
APOBEC3脱氨酶水平取决于宿主物种和组织的不同,不同宿主的APOBEC3蛋白酶对要突变的核苷酸或碱基序列(如二核苷酸或四核苷酸)会表现出不同的偏好。
戈麦斯博士向澎湃新闻记者表示,现在无法断言,2022年猴痘病毒基因组的变异就是人类宿主、而非动物宿主的APOBEC3蛋白质酶编辑的直接后果,但这种可能性很大。因为,“在 2022 年暴发的猴痘病毒突变中观察到的 GA>AA 和 TC>TT 这种模式的核苷酸替代,此前被发现是在对 HPV1a 足底疣和 HPV16 宫颈癌前活检中检测到的人乳头瘤病毒基因(HPV)进行编辑时,人类APOBEC3A脱氨酶(在角质细胞和皮肤中表达)首选的突变模式。”戈麦斯博士说。
微进化迹象——猴痘病毒可能变得更适应人际传播
进一步的病毒基因组进化分析,也揭示了猴痘病毒在人与人之间传播过程中已经出现了微进化的最初迹象。
在分析的15个病毒基因组序列之间,研究者检测到15个单核苷酸多样性位点(SNPs)的出现(8个非同义突变,4个同义突变,2个基因间核苷酸替代,1个终止密码子)。值得注意的是,所有SNPs也遵循相同的偏好性突变规律,包括8个GA>AA(6个非同义,2个同义)和7个TC>TT(2个非同义,2个同义,1个终止密码子,2个基因间核苷酸替代)。这进一步表明APOBEC3蛋白酶编辑机制在猴痘病毒演化过程中的连续作用。
在2022年猴痘暴发菌株的基因组序列中,研究者还确定了两个基因组序列——PT0005和PT0008,这两个序列跟2018年的序列MPXV-UK_P2-010相比较,共享了913bp长度的移码缺失。尽管对于正痘病毒来说,基因丢失事件并不让人十分意外,但这些事件此前是在中非地方性猴痘疫情的背景下观察到的,研究者推测,这种新的情况,也与病毒在人际间的传播相关。
此外,数据还揭示了有关正在发生的病毒进化、并不断适应人类的其它线索。来自葡萄牙样本序列中的大多数新出现的SNPs, 在病毒中并非100%固定,在单个人体内,病毒也存在不同的单碱基突变(SNV),这表明病毒在单个人体内也在不断地进化适应。
值得注意的是,研究者确定了一些已知与宿主免疫系统相互作用的病毒编码蛋白质,例如MHC II类抗原呈递抑制剂,IFN-α/β 受体糖蛋白 29 和 IL-1/TLR 信号转导抑制剂。而这些病毒靶向蛋白质和其它蛋白质,可能构成未来猴痘病毒蛋白质功能研究的优先目标,研究者希望未来能够评估它们在人际传播适应中的潜在作用。
“但病毒蛋白质功能的研究并非我们的研究领域,在接下来的研究中,我们的团队会专注于使用基因组序列来更好地理解猴痘疫情复杂的传播网络,以及猴痘病毒在持续传播期间的演化趋势。“戈麦斯博士告诉澎湃新闻记者说。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41591-022-01907-y
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