李智麗,黃淑堅(jiān),馬靜云,畢英佐
(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528000;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642)
2011—2015年我國南方地區(qū)PEDV分子流行病學(xué)調(diào)查及S基因遺傳變異分析
李智麗1,黃淑堅(jiān)1,馬靜云2,畢英佐2
(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528000;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510642)
應(yīng)用RT-PCR方法對南方地區(qū)五?。◤V東、廣西、福建、四川、江蘇)18個豬場7日齡以內(nèi)發(fā)病仔豬的小腸組織和糞便樣本進(jìn)行豬流行性腹瀉病毒(PEDV)檢測,對9個豬場進(jìn)行為期5年的動態(tài)監(jiān)控,并對2011—2015年期間分離的35個PEDV流行株的S基因進(jìn)行測序,與GenBank中的PEDV參考序列進(jìn)行比較,并繪制了系統(tǒng)進(jìn)化樹。結(jié)果顯示,上述地區(qū)五省存在Group1和 Group 2兩種類型毒株。Group1與美國、韓國毒株較為接近,可分為G1-1、G1-2、G1-3 和G1-4等4個亞群,Group 2與2004年國內(nèi)分離毒株較為接近,可分為G2-1、G2-2兩個亞群。25個中國南方地區(qū)毒株集中于 G1-2 和 G1-3,而另外8株與2004年國內(nèi)毒株(JS-2004-2)同屬G2-2亞群。不同類型的毒株引發(fā)的PEDV臨床表現(xiàn)及死亡率不同,G2-2亞群的毒株引發(fā)的PED相對緩和,死亡率較低且病程較短,而位于G1-2和G1-3亞群(尤其是G1-3)的毒株則引起大規(guī)模急性暴發(fā),病程較長,死亡率較高。
豬流行性腹瀉病毒;動態(tài)監(jiān)控;S基因;遺傳變異
豬流行性腹瀉(porcine epidemic diarrhea,PED)是由豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)引起的以腹瀉、嘔吐、脫水及哺乳仔豬高致死率為主要特征的一種高度接觸性腸道傳染?。?]。PED 于1971年首次報(bào)道,并于1978年從患病豬的病料中分離出該病病原[2-3]。該病主要發(fā)生于歐洲養(yǎng)豬國家和東南亞養(yǎng)豬國家[4-5]。2008年有報(bào)道PEDV 在我國免疫豬群中流行[6]。2010年10月我國暴發(fā)PED疫情,發(fā)病范圍廣,呈急性發(fā)生,發(fā)病率為80%~100%,死亡率在50%以上[7-9]。截至目前,PEDV在中國、韓國、美國、越南、泰國、匈牙利、臺灣、加拿大、法國、美國等多個國家和地區(qū)均有報(bào)道[10-17],PEDV給全球養(yǎng)豬業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
PEDV屬于尼多病毒目(Nidovirales)冠狀病毒科(Coronviridae)冠狀病毒屬(Coronavims)成員。該病毒呈多形性,病毒顆粒直徑約95~190 nm,平均直徑(包括纖突)約為130 nm,表面有囊膜,囊膜上有花瓣?duì)罾w突,長約18~23 nm[18-19]。PEDV是有囊膜、不分節(jié)段的單股正鏈RNA病毒,其基因組大小約為28 kb,5'端為含有帽子結(jié)構(gòu)的非翻譯區(qū)(untranslated region,UTR),3'端為含有多聚腺苷酸尾巴(poly A)的非翻譯區(qū),全基因組編碼至少7個開放閱讀框(open reading frames,ORFs),相鄰基因之間存在間隔序列[19-21]。S基因、E基因、M基因和N基因分別編碼病毒的結(jié)構(gòu)蛋白[20-21]。其中,S 基因編碼S(spike)蛋白,由1 383個氨基酸組成,分子質(zhì)量為180~220 ku,是位于病毒粒子表面的纖突糖蛋白,在病毒粒子與細(xì)胞表面受體結(jié)合后通過膜融合侵入宿主細(xì)胞,在感染宿主體內(nèi)介導(dǎo)中和抗體產(chǎn)生的過程中發(fā)揮重要生物學(xué)作用[22-24]。研究表明,S基因在分析PEDV流行性毒株的遺傳變異中發(fā)揮重要作用,是序列比對中所用的重要基因[5,25]。PEDV S基因的1 495~1 914 bp含有主要的中和介導(dǎo)抗原決定部位,稱為COE片段,而COE片段存在大量抗原決定簇,是作為重組載體較為重要的基因,核苷酸全長為420 bp,編碼140個氨基酸,在這個序列區(qū)內(nèi)所發(fā)生的點(diǎn)突變可能會使相關(guān)的單克隆抗體失效[26-28]。
本研究對我國南方地區(qū)五?。◤V東、廣西、福建、四川、江蘇)18個豬場7日齡以內(nèi)發(fā)病仔豬的小腸組織和糞便樣本進(jìn)行PEDV檢測,對9 個暴發(fā)PEDV的豬場感染情況進(jìn)行深入調(diào)查,積累了大量的流行病學(xué)材料。對此次疫情的暴發(fā)特征、病毒排毒規(guī)律及不同豬群發(fā)病規(guī)律進(jìn)行分析,并對2011—2015年期間分離的35個PEDV流行株的S基因進(jìn)行測序,同時對COE片段進(jìn)行生物信息學(xué)分析,構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹將S基因與GenBank中的PEDV參考序列進(jìn)行分析比較,為探討當(dāng)前我國PED發(fā)生規(guī)律以及制定有效防控措施提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 病料采集與處理
采集我國南方地區(qū)五?。◤V東、廣西、福建、四川、江蘇)18個豬場7日齡以內(nèi)發(fā)病仔豬的小腸組織和糞便樣本,并挑選9個規(guī)?;i場進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控,記錄2011年1月—2015年6月的發(fā)病率、死亡率及臨床癥狀。取腸道組織或糞便組織置于預(yù)冷的無菌研磨器中,加入3 mL DMEM(含400 U/mL青霉素、200 μg/mL鏈霉素),反復(fù)研磨至糊狀,然后置于-80℃冰箱中迅速冷凍,再迅速置于37℃溫水中融化,如此反復(fù)凍融3次,10 000 g離心20 min,上清液用孔徑0.22 μm的濾器過濾除菌,糞便樣品加入1 mL DMEM直接震蕩5 min,10 000 g離心5 min,取上清液用于RT-PCR檢測。
1.2 主要試劑
RNA提取試劑、PrimeScript One Step RTPCR Kit Ver.2、Trizol Reagent、Ex Taq、dNTP Mixture、pMD19-T Vector、dNTPs(2.5 mmol/L)、DL2000? DNA Marker和6×Loading Buffer均購自廣州瑞真生物技術(shù)有限公司(TaKaRa公司)。DH5α大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞自制。
1.3 引物設(shè)計(jì)及合成
參照GenBank中的PEDV毒株CV777株和Brl/87株基因序列的S基因序列,針對基因保守區(qū)利用Oligo 7.0設(shè)計(jì)引物(表1),引物由上海生工生物工程有限公司合成,擴(kuò)增的目的片段大小約4 200 bp。
表1 引物名稱、序列及長度
1.4 S基因擴(kuò)增
病毒RNA提取按照實(shí)驗(yàn)室分子生物學(xué)常規(guī)操作進(jìn)行。然后參照PrimeScript? One Step RTPCR Kit Ver.2產(chǎn)品說明書配制RT-PCR反應(yīng)液,反應(yīng)程序如下:50℃反轉(zhuǎn)錄30 min;94℃ 預(yù)變性5 min;94℃變性30 s、55℃退火30 s、72℃延伸90 s,30個循環(huán),RT-PCR產(chǎn)物直接用于1%瓊脂糖凝膠電泳檢測和回收。參照Omega公司的膠純化試劑盒說明書對RT-PCR產(chǎn)物進(jìn)行回收與純化;將回收產(chǎn)物按照10 μL連接反應(yīng)體系于4℃下連接過夜,將連接產(chǎn)物5 μL轉(zhuǎn)化感受態(tài)細(xì)胞50 μL,于37℃下培養(yǎng)過夜。對平板中的陽性菌落進(jìn)行篩選、鑒定,選擇經(jīng)PCR鑒定為陽性的重組質(zhì)粒,送北京奧科鼎盛生物科技有限公司進(jìn)行序列測定。
1.5 S基因的生物信息學(xué)分析
應(yīng)用DNAStar、CLUSTALX v1.83比對,采用MegAlign software(MEGA,version5.0)基因序列軟件的 Clustal W計(jì)算方法進(jìn)行序列分析,采用常用的臨位相接法(Neighbor-joining法)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建并以Bootstrap驗(yàn)證進(jìn)化樹的可信度,分別對35株流行毒株S基因進(jìn)行測定,并與GenBank中調(diào)出的參考序列(表2)進(jìn)行比對,分析彼此間的相似性、遺傳進(jìn)化關(guān)系及變異程度,并繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹。通過網(wǎng)站 http://tools.immuneepitope.org 對S蛋白中的COE片段進(jìn)行抗原位點(diǎn)預(yù)測;通過網(wǎng)站 http://www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc/ 對COE片段進(jìn)行糖基化位點(diǎn)預(yù)測。
2.1 PEDV感染豬場的臨床表現(xiàn)
對9個豬場的監(jiān)控結(jié)果可知,PEDV全年均有發(fā)生(圖1),但仔豬的死亡率有所差異,2011—2012年死亡率為50%~100% ,2013年的死亡率最低,2014—2015年則有增加趨勢,死亡率為0~30%,死亡率最高發(fā)生在2011年2月,9個豬場仔豬死亡數(shù)量達(dá)到12 000頭。PEDV對懷孕母豬的影響較大而對育肥豬的影響最小,其中,懷孕母豬、哺乳母豬、保育豬和育肥豬的發(fā)病率為20%~80%,臨床表現(xiàn)為沮喪、食欲不振、腹瀉等,死亡率較低甚至沒有死亡(圖2)。
圖1 2011—2015年9個規(guī)?;i場仔豬死亡情況
表 2 本研究所用序列及參考序列信息
圖2 2011年9個規(guī)?;i場懷孕母豬、哺乳母豬、保育豬和育肥豬的發(fā)病情況
2.2 S基因變異分析
將35株臨床分離的PEDV的S基因測序結(jié)果上傳至GenBank,其S基因序列長度為4 152~4 161 bp,編碼 1 384~1 387個氨基酸,其中有4個毒株(CH-SHT-12- 2011、CH-STC-12-2012、CH-HKC-08-2011、CHGMB-02-2013)與疫苗株CV777相比有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征,在163位有1個氨基酸(N)插入,并有 58 個氨基酸變異,變異率為 4.18%;而另外的31株流行株在59~62位有4個氨基酸(QGVN),在140位有1個氨基酸(N)插入,96個氨基酸變異,變異率為6.92%。這些變異情況與美國毒株(PC21A、IA1、MEX-104-2013和USA-Colorado30-2013)和臺灣毒株(TWChiayi-32)一致,并且與韓國在2011年分離的流行株(CNU-091222-01 和 CNU-091222-02)的變異情況一致。
與經(jīng)典毒株CV777(疫苗株)相比,流行株的COE片段核苷酸變化最大的位置位于1 586~1 617 bp和1 802~1 874 bp(氨基酸位置分別是527~539和600~625)。在PEDV流行毒株的COE片段序列中存在4個B細(xì)胞抗原表位區(qū),分別為其推導(dǎo)氨基酸序列中第4~10位的PSFNDHS,第55~69位的NVTNSYGYVSKSQDS,第76~83位的QSVNDYLS以及第129~134位的GTPKP(圖3)。COE片段氨基酸序列的糖基化位點(diǎn)預(yù)測位于COE推導(dǎo)氨基酸序列的第13位與第55位,即S蛋白中的第511位與第533位中均存在兩個高度保守的糖基化位點(diǎn),分別為NIT與NVT(圖4)。
圖3 COE片段B細(xì)胞抗原表位預(yù)測
圖4 S基因COE片段糖基化位點(diǎn)的預(yù)測
2.3 S基因遺傳進(jìn)化分析
構(gòu)建S基因遺傳進(jìn)化樹,結(jié)果(圖5)表明,PEDV存在兩種類型毒株,分別為Group1和Group 2。Group1與美國、韓國毒株較為接近,可分為4個亞群G1-1、G1-2、G1-3 和G1-4;G1-1亞群包含7個美國流行毒株、5個臺灣流行毒株和2個中國南方地區(qū)毒株,G1-2亞群包括15個南方地區(qū)毒株,4個國內(nèi)毒株及兩個美國毒株,G1-3亞群包括10個南方地區(qū)毒株和2個國內(nèi)毒株,G1-4亞群包括1個韓國毒株和1個中國毒株??梢?,G1-2亞群包含的毒株大部分是2012—2015年分離的,而G1-3 亞群則主要包含了2011年國內(nèi)分離的毒株。Group 2與2004年分離的毒株較為接近,可分為G2-1、G2-2兩個亞群。其中G2-1亞群主要包含早期毒株及疫苗株,而G2-2亞群則包含了2004年國內(nèi)毒株(JS-2004-2)和8株南方地區(qū)流行株。
圖5 35株中國南方地區(qū)PEDV毒株及參考序列的S基因遺傳進(jìn)化樹
2.4 S基因同源性分析
35株臨床分離的PEDV的S基因之間同源性為93.0%~100%,與參考序列的同源性為92.4%~99.0%; Group1的序列之間同源性為97.5%~100%,與Group2相比同源性為93.7%~95.9%;G2-2亞群中的8個毒株與2004年國內(nèi)毒株(JS-2004-2)同源性較高,而與其余27個南方地區(qū)毒株(位于G1-2和G1-3亞群)相比同源性較低、為94.8%~95.7%;G1-2和G1-2亞群的序列同源性為97.9%~98.7%。
值得關(guān)注的是,不同類型的毒株引發(fā)的PEDV臨床表現(xiàn)及死亡率不同,G2-2亞群的毒株引發(fā)的PED相對緩和,死亡率較低且病程較短,而位于G1-2和G1-3亞群(尤其是G1-3)的毒株則引起大規(guī)模急性暴發(fā),病程較長,死亡率較高。
本研究對南方五省18個豬場7日齡以內(nèi)發(fā)病仔豬的小腸和糞便樣本進(jìn)行了PEDV檢測,對其中9個豬場進(jìn)行為期5年的動態(tài)監(jiān)控。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PED全年均有發(fā)生,有一定規(guī)律性,但仍不明顯。 2011—2012年死亡率為50%~100%,而2014—2015年死亡率為0~30%,2013年的死亡率最低,而2014—2015年有增加趨勢。PEDV對懷孕母豬的影響較大而對育肥豬的影響最小,建議開展各階段尤其是懷孕母豬體內(nèi)的PEDV抗體監(jiān)控,進(jìn)而為PEDV的防控提供科學(xué)指導(dǎo)。國外學(xué)者也認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)措施合理管理懷孕母豬以便減少仔豬的發(fā)病率和死亡率[20]。
本研究對2011—2015年期間分離的35個PEDV流行株的S基因進(jìn)行測序,其中有4個毒株(CH-SHT-12- 2011、CH-STC-12-2012、CH-HKC-08-2011 和 CH-GMB-02-2013)與疫苗株CV777相比有獨(dú)特的特征,變異率為4.18%,而另外的31株流行株變異率為6.92%,且這些變異情況與美國毒株(PC21A、IA1、MEX-104-2013 和USA-Colorado30-2013)、臺灣毒株(TW-Chiayi-32)及韓國在2011年分離的流行株(CNU-091222-01 和CNU-091222-02)一致[5,11,15,17,29-30]。
通過構(gòu)建S基因遺傳進(jìn)化樹發(fā)現(xiàn),PEDV存在兩種類型毒株,分別為Group1和 Group 2,其中31株流行株歸于Group1,與美國、韓國毒株同源關(guān)系較為接近,具有同源性意義;CH-SHT-12-2011、CH-STC-12-2012、CHHKC-08-2011和 CH-GMB-02-2013歸于Group 2,與2004年分離毒株同源關(guān)系較為接近。且兩種類型的毒株引發(fā)的PEDV臨床病死率不同,Group1的毒株引起的PEDV呈大規(guī)模急性暴發(fā),病程較長,死亡率較高;Group 2的毒株引發(fā)的PEDV呈緩和型暴發(fā),死亡率相對較低且病程較短??梢姳狙芯恐?1株毒株為世界范圍內(nèi)流行株,而其余4個毒株呈地方性流行,與早期分離毒株較為接近。
我國南方地區(qū)PEDV流行毒株S蛋白中的第511位與533位中均存在兩個高度保守的糖基化位點(diǎn),分別為NIT與NVT,與文獻(xiàn)報(bào)道一致[31]。糖基化是影響抗原的免疫原性、誘導(dǎo)動物機(jī)體產(chǎn)生保護(hù)性免疫反應(yīng)的一個重要原因。對我國南方地區(qū)PEDV流行毒株COE片段B細(xì)胞抗原表位預(yù)測發(fā)現(xiàn),與Chinju99株存在差異,南方地區(qū)毒株的COE片段僅有4個B細(xì)胞抗原表位區(qū),有別于Chinju99的6個B細(xì)胞抗原表位區(qū)[26,32]。這些突變位點(diǎn)是否能引起毒株毒力改變?nèi)孕枰M(jìn)一步研究。
本研究結(jié)果揭示我國主要流行的PEDV野毒株不同于疫苗株(DRl3、CV777),可逃避目前國內(nèi)外傳統(tǒng)的常規(guī)疫苗免疫,但我國同時又存在經(jīng)典毒株,使得我國PEDV野毒株遺傳變異的復(fù)雜性更大[8-9,22-23],加劇了臨床防控的難度。因此對PEDV的長期監(jiān)控及抗體檢測需加強(qiáng),并從發(fā)病原因、病原變異規(guī)律、免疫方式上進(jìn)一步深入研究。
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(責(zé)任編輯 崔建勛)
Molecular epidemiological investigation of PEDV and analysis of genetic variation of S gene in South China during 2011-2015
LI Zhi-li1,HUANG Shu-jian1,MA Jing-yun2,BI Ying-zuo2
(1.School of Life Science and Engineering,F(xiàn)oshan Umiversity,F(xiàn)oshan 528231,China;2.College of Animal Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
The study conducted a large scale molecular epidemiological investigation and five years monitoring of nine swine herds with the outbreak of diarrhea located in geographically separate regions of south China by RT-PCR. Porcine intestinal and fecal samples were collected from 18 swine farms in five provinces (Guangdong province,Guangxi province,F(xiàn)ujian province,Sichuan province,Jiangsu province) in south China with the piglets younger than 7 days old that showed watery diarrhea and dehydration. 35 spike (S) genes were determined to analyze the genetic diversity and epidemiological features during 2011-2015. The results showed that all PEDV strains could be divided into two groups,Group1 and Group 2. Group1 had a close relationship with the United States strains and Taiwan strains,and had four subgroups,G1-1,G1-2,G1-3 and G1-4. Group 2 felled into the same branch with the previous Chinese isolates from 2004 that had two subgroups,G2-1 and G2-2. The subgroup G1-2 and G1-3 comprised most of the strains isolated in south China while the subgroup G2-2 comprised thestrain isolated in 2004 (JS-2004-2) and eight else isolated in south China in our study. It is remarkably that clinical morbidity caused by two types of PEDV strains were quite different,strains in G2-2 caused relatively minor mild clinical manifestations,presenting a smaller mortality and shorter onset period,while strains in G1-2 and G1-3 is caused an outbreak of acute infectious diseases,showing a larger mortality and longer period especially PEDV strains in G1-3.
porcine epidemic diarrhea virus;dynamic investigation;Spike gene;genetic variation
S855.3
A
1004-874X(2016)11-0127-09
2016-07-24
國家自然科學(xué)基金(31502071)
李智麗(1983-),女,博士,講師,E-mail: pinganzhili@163.com
畢英佐(1944-),男,研究員,E-mail: yzbi@scau.edu.cn
李智麗,黃淑堅(jiān),馬靜云,等. 2011—2015年我國南方地區(qū)PEDV分子流行病學(xué)調(diào)查及S基因遺傳變異分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,43(11):127-135.