甲型流感病毒重要亚型的进化研究

流感病毒是一种严重威胁人类健康的病原体,能感染广泛宿主,每年季节性的流行造成全球约6亿人感染,并导致250,000～500,000人死亡,其中造成主要感染和死亡是甲型流感病毒。更具威胁的是,甲型流感病毒偶然的大流行更会造成灾难性的后果。在过去的100多年里,全球共暴发四次甲型流感病毒大流行,1918西班牙H1N1大流感,1957亚洲H2N2大流感以及1968香港H3N2大流行,每一次都造成了上百万人的死亡。在2009年,一种新的猪源H1N1流感病毒在数周之内传遍全球,尽管死亡率不高,但其极强的传播能力,给全球造成巨大恐慌。这几次大流行都是由于动物源性的流感病毒跨越宿主屏障感染人所导致。除大流行外,动物源性流感,尤其是禽流感,不断的跨越宿主限制,持续造成散发的,小规模的人感染疫情,如H5N1,H7N7,H7N9,H9N2等。尽管还未造成大流行,但这些流感与将来可能不断出现的新型流感已经对人类健康形成严重威胁。流感能跨过宿主范围限制与其快速的进化变异密切相关。甲型流感病毒进化主要由两方面驱动,第一是突变,流感病毒较高的复制错误率使其可以通过不断积累突变来躲避宿主免疫,也可以逐渐产生适应宿主的变异。第二是“重配”,流感病毒具有分节段的基因组,因而不同流感病毒混合感染时可能形成包含不同病毒基因片段的新型流感病毒。这两种机制共同帮助流感跨越宿主屏障。因而研究甲型流感病毒进化对于揭示流感病毒跨宿主传播机制有重要意义。当前日益增加和完善的流感病毒资源数据库与不断发展成熟的分子进化理论让我们能够更全面,以新的角度,更深入的认识流感病毒宿主适应性变异规律,“重配”规律,以及新流感的产生等规律。这些规律的把握将有助于我们更好的预防流感疫情以及做好流感的防控。在本研究论文中,我们利用公开的流感病毒基因组数据,流行病学信息,以及表型信息等,通过系统发生与分子进化研究方法,探索流感病毒进化相关规律,尤其关注新流感的起源形成,病毒的跨宿主传播,重配,以及地理传播等规律。在本论文的第一部分工作中,我们首先利用全基因组序列构建了甲型流感病毒进化全景图,进化全景图使我们能够全面还原流感病毒的进化历史与模式。我们的进化全景图能真实反映流感病毒在进化过程中的重配与跨宿主传播现象,如1957年H2N2,1968年H3N2的人流感与禽流感重配,2009 H1N1的多重重配等。借助进化全景图与其它系统发生与“溯祖”方法,我们重新审视了H3N2流感的起源。虽然目前已有的研究证实H3N2型人流感病毒是由先前在人群中流行的H2N2与禽流感病毒重配产生,并从禽流感中获得了HA和PB1基因片段,但很多细节的科学问题并不清楚。在回答与H3N2起源相关问题外,我们还通过祖先序列的重建与比较,分析了H3N2产生初期适应人宿主发生的相关进化变异。在本论文的第二部分工作中,我们详细分析了H3N2在人群中流行之后的变异规律,快速进化变异的甲型H3N2流感自产生后常年持续在人群中流行,每年季节性的暴发造成全球大量的感染与死亡。由于其表面糖蛋白血凝素HA受到强烈的免疫选择,之前众多研究集中探讨与HA“抗原漂变”相关的进化规律,很少有研究关注其它几个病毒蛋白的适应性进化,并且流感病毒蛋白内或者不同蛋白间受正选择位点之间的进化关系也不清楚。在本部分中,我们旨在分析H3N2所有蛋白正选择位点的变异及其之间联系,通过正选择检测和互信息计算,我们发现流感病毒蛋白正选择位点的突变是关联以及协同进化的,进一步分析表明,这种联系是由于单一蛋白自身功能和结构的限制,或者不同蛋白之间的相互作用与功能合作。所有这些发现提示流感病毒蛋白的进化是高度有联系,且互相约束和协同的。我们的这些发现帮助揭示了与流感病毒重配限制和跨宿主感染相关的进化规律。在第三部分中,我们对中国新发的禽流感H7N9展开溯源分析,2013年,一种新型的H7N9禽流感病毒在中国暴发,疫情造成了超过数百人感染。在本部分中,我们对这次新发的H7N9流感进行了全面的溯源,通过系统发生分析和全面完整的基因组序列比较,我们发现本次新发的H7N9是通过多次不断“重配”产生,其中长三角一带的禽流感H9N2基因池为新H7N9的产生提供了内部基因节段。进一步的“溯祖”分析表明H7N9在感染人前已经存在一段时间,并且与H9N2基因池“重配”形成多样H7N9的过程仍然持续。这些结果提示应该采取有效措施,如活禽市场的关闭等,来切断H7N9与H9N2的持续重配,这些措施对于疫情的防控以及防止新流感的产生至关重要。在最后一章里,我们详细研究了H7N9产生的平台中国禽流感H9N2的地理扩散与传播。目前,越来越多的证据,如H7N9的形成,表明禽流感H9N2可能是产生新流感的一个平台。H9N2在中国具有广泛的分布,偶尔的跨宿主以及与其它亚型流感病毒的重配给公共卫生安全带来巨大威胁。尽管中国禽流感H9N2的抗原性、谱系发展等进化规律得到广泛的研究,然而有关其在中国的地理扩散与传播过程却知之甚少。了解H9N2的地理传播与迁移规律将帮助我们更好的对疫情、甚至流感暴发做好防控。在本研究中,通过最新发展的贝叶斯系统发生地理学方法,本研究确定了中国禽流感H9N2的起源,迁移模式,以及此过程中的种群变化动态。结果提示,野鸟的迁徙,禽类的贸易和运输对H9N2在中国的扩散起重要作用;此外,由于H9N2持续的迁移和进化是人类健康的重要威胁,建议应提高中国禽类贸易的生物安全标准与规范,并建立起广泛的对迁徙野鸟中甲型流感病毒的监测体系。