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        非洲豬瘟病毒特征及致病機(jī)理研究

        2021-12-05 15:36:20何順宇
        畜禽業(yè) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:衣殼宿主豬瘟

        何順宇

        (湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410128)

        0 引言

        非洲豬瘟(African swine fever,ASF)是一種烈性的、具有高度接觸傳染性、死亡率高且傳染速度極快的動物傳染疾病[1-2]。其病情傳播不受時間、地點的限制,能夠感染各種類及各生長階段的豬群,致死率可達(dá)到100%。AFS是由非洲豬瘟病毒(African swine fever virus,ASFV)引起的傳染病。該病在臨床上主要表示為最急性型、急性型、亞急性型和慢性型4種類型。一般特征為高熱和全身性皮下出血,死亡率高;有時會出現(xiàn)神經(jīng)癥狀、呼吸困難以共濟(jì)失調(diào)[3]。一旦暴發(fā)非洲豬瘟,會對養(yǎng)豬業(yè)造成巨大危害[4]。1921年首次在肯尼亞發(fā)現(xiàn)非洲豬瘟。1957年在葡萄牙發(fā)現(xiàn)非洲豬瘟,蔓延趨勢不斷擴(kuò)大至歐洲其他國家[5]。1971年傳入南美。2017年傳入俄羅斯并擴(kuò)散。2018年非洲豬瘟秘密傳入中國[6]。被世界動物衛(wèi)生組織(OIE)列為A類疫病,目前無有效疫苗預(yù)防[7]。

        ASFV是二十一面體雙鏈DNA病毒,其具有雙層囊膜結(jié)構(gòu),基因組大小為170~190 kb[8],并具有反轉(zhuǎn)重復(fù)區(qū)和末端交聯(lián)[9]。ASFV能夠編碼68種結(jié)構(gòu)蛋白和100多種非結(jié)構(gòu)蛋白,其中50多種為病毒結(jié)構(gòu)蛋白[10-11]。整個基因組有151~167個開放閱讀框(ORF),可以編碼150~200個蛋白質(zhì),而一半以上的功能未知[12]。ASFV編碼的蛋白質(zhì)與病毒的結(jié)構(gòu)、復(fù)制以及調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和先天免疫等細(xì)胞有關(guān)[13]。本文主要從病毒編碼結(jié)構(gòu)蛋白及致病機(jī)理的最新研究進(jìn)行綜述。

        1 非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)蛋白

        1.1 核殼蛋白

        在非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)體系中,ASFV的核衣殼部分,位于病毒的內(nèi)膜下方,具有保護(hù)支持的功能,將病毒DNA和核蛋白包裹濃縮形成類核結(jié)構(gòu)。在已知的110個ASFV高度保守的ORFs中,ORF CP2475L編碼多聚蛋白前體pp220[11]。核殼蛋白可以被蛋白酶水解成成熟的病毒蛋白,具有一定的生理生化功能,最后組裝到含DNA的擬核區(qū)域的核芯殼中。pp220位于病毒結(jié)構(gòu)外層核殼區(qū)域,進(jìn)行相應(yīng)的功能表達(dá)及基因編輯。核殼蛋白在ASFV病毒組成體系中,起著至關(guān)重要的作用。

        多聚結(jié)構(gòu)蛋白pp220是一個N-豆蔻?;那疤岫嚯模踩舛构邗;糠志哂心ゅ^定信號,能接收信號并將其表達(dá)。它可以將發(fā)育中的核芯殼,通過其介質(zhì)聯(lián)合到病毒粒子的內(nèi)部囊膜區(qū)域;是連接內(nèi)部核質(zhì)體和核外層之間的蛋白質(zhì)支架,起支持作用,能夠誘導(dǎo)分配空核體。因此,pp220是核芯組裝過程的必需成分[15]。pp220容易被蛋白酶水解,經(jīng)過SUMO1樣蛋白酶水解加工后,水解產(chǎn)生了p150、p37、p34、p14和p5等主要結(jié)構(gòu)蛋白[10]。多聚蛋白的加工過程與病毒組裝同時發(fā)生,pp220依賴于主要衣殼蛋白p72的表達(dá)。先進(jìn)行pp220前體的誘導(dǎo)表達(dá),才能再進(jìn)行pp62的加工處理,研究表明這2種多聚蛋白前體彼此之間相互作用,能夠促進(jìn)核殼樣病毒結(jié)構(gòu)域的形成[16]。

        1.2 囊膜蛋白

        ASFV主要由內(nèi)囊膜層、衣殼層、外囊膜層以及被核殼蛋白包圍的病毒DNA基因組構(gòu)成。其中囊膜蛋白位于成熟病毒粒子的內(nèi)外囊膜結(jié)構(gòu)區(qū)域,是ASFV所編碼的主要結(jié)構(gòu)蛋白。在病毒感染宿主細(xì)胞的過程中,由于其具有良好的抗原性,與病毒的致病性及細(xì)胞的免疫功能密切相關(guān)。p54等囊膜蛋白的功能及其結(jié)構(gòu)已知。

        ASFV侵染宿主細(xì)胞后,早起表達(dá)的膜蛋白主要包括p54,由ORF E183L 基因編碼。研究表明,p54囊膜蛋白存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)衍生的內(nèi)膜前體處,對于病毒侵入宿主細(xì)胞及吸附細(xì)胞表面具有極其重要的作用[18-19]。p54過度表達(dá)能促講細(xì)胞凋亡。由于p54能與胞質(zhì)動力蛋白輕鏈LC8發(fā)生特異性相互作用,使病毒在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行位置轉(zhuǎn)移并復(fù)制生長。兩者發(fā)生作用的區(qū)域中有一段含有13個氨基酸殘基的序列片段,該序列片段能夠消除Bcl-2對細(xì)胞凋亡的抑制作用,從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡程序的運(yùn)行[20]。在ASFV編碼的結(jié)構(gòu)蛋白中,p54是一種被證實能促進(jìn)細(xì)胞凋亡的囊膜蛋白,具有重大突破。由于p54具有良好的抗原性,被應(yīng)用于ASFV血清檢測研究,且檢測具有極高的特異性,準(zhǔn)確性高,應(yīng)用前景廣[21]。

        1.3 衣殼蛋白

        病毒衣殼具有保護(hù)病毒核酸的功能,避免其受到環(huán)境中存在的核酸酶或其他理化因素影響而被破壞,且衣殼層部位在病毒感染宿主細(xì)胞過程中具有顯著功能。由于病毒在感染宿主時需要破壞宿主細(xì)胞內(nèi)的免疫機(jī)制,而衣殼部分具有相應(yīng)的免疫原性,可以對宿主體內(nèi)的免疫系統(tǒng)進(jìn)行誘導(dǎo),影響其免疫過程,不僅使宿主細(xì)胞體內(nèi)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生防御物質(zhì),還產(chǎn)生對應(yīng)的免疫損傷,進(jìn)而使得病毒能在細(xì)胞內(nèi)快速復(fù)制表達(dá)。研究顯示,ASFV編碼的衣殼蛋白有p72等。

        在ASFV感染宿主晚期,有一類由ORF E102R基因編碼的衣殼蛋白p72,其蛋白組成來自于病毒工廠。研究表明,在病毒二十一面體結(jié)構(gòu)中,衣殼蛋白p72是病毒的主要組成部分,能夠促進(jìn)病毒衣殼層的形成及作用表達(dá)。在病毒各部分的組裝過程中,宿主細(xì)胞核內(nèi)組裝的中間體被運(yùn)輸至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)一步包裝,此時p72衣殼蛋白被運(yùn)輸至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)膜上,進(jìn)行衣殼層的組裝。其作用機(jī)理主要是在感染細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)的原生內(nèi)環(huán)境中,p72與相對應(yīng)的病毒分子CAP80相互影響并發(fā)生作用[22]。病毒在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)一步發(fā)育至成熟階段,p72的抗氧化功能也進(jìn)一步增強(qiáng),為成熟病毒粒子的擴(kuò)散埋下基礎(chǔ)。在血清檢測試驗中,p72衣殼蛋白的基因序列高度保守,且在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出較好的抗原性[23],因而可以被用來血清病毒檢測,作為開發(fā)非洲豬瘟抗體檢測試劑盒的抗原。

        1.4 DNA結(jié)合蛋白

        在ASFV編碼的結(jié)構(gòu)蛋白中,DNA結(jié)合蛋白部分包被非洲豬瘟病毒的基因組,從而組成ASFV的類核區(qū)域。其DNA結(jié)合蛋白包括p10和pA104R,都位于成熟病毒粒子的類核外層,能夠促進(jìn)病毒類核的組裝以及加快病毒粒子成熟的進(jìn)度,對病毒粒子結(jié)構(gòu)具有顯著影響。研究表明,結(jié)合蛋白還參與病毒DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄翻譯等過程,在ASFV作用機(jī)制里具有不可替換的作用。當(dāng)前蛋白質(zhì)組學(xué)研究已經(jīng)證實ASFV蛋白質(zhì)組具有復(fù)雜性和靈活性[24]。

        ASFV編碼一種類組織蛋白pA104R和參與基因組復(fù)制及包裝的細(xì)菌蛋白具有高度序列同源性。位于pA104R DNA結(jié)合區(qū)域69位的精氨酸被發(fā)現(xiàn)與高效的DNA結(jié)合位點活性相關(guān)。siRNA敲除實驗表明,pA104R在病毒DNA復(fù)制和基因表達(dá)時發(fā)揮著關(guān)鍵作用,轉(zhuǎn)染細(xì)胞顯示更低的病毒子代(最多-82.0%)、更低的病毒基因組拷貝數(shù)(-78.3%)和更低的晚期病毒基因轉(zhuǎn)錄(-47.6%)[22]。

        pA104R與細(xì)菌HU/IHF家族成員在序列和功能上具有相似性,是病毒復(fù)制所必需的。Apo-pA104R形成同源二聚體,并折疊成保存在細(xì)菌熱不穩(wěn)定核蛋白/整合宿主因子(HUS/IHFs)中的結(jié)構(gòu)。而pA104R-DNA復(fù)合體結(jié)構(gòu)揭示了pA104R具有與其細(xì)菌同源物不同的DNA結(jié)合模式[25]。

        pA104R與參與基因組復(fù)制和包裝的細(xì)菌蛋白具有廣泛的序列同源性。通過定點誘變,發(fā)現(xiàn)位于pA104R DNA結(jié)合區(qū)域69位的精氨酸與高效的DNA結(jié)合活性相關(guān)。研究表明,pA104R參與了病毒DNA拓?fù)涞恼{(diào)控,可能參與了病毒DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和包裝。pA104R在感染后期表達(dá),并在病毒DNA復(fù)制位點積累。這些結(jié)果表明pA104R參與了病毒DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基因組包裝的調(diào)控,提示A104R缺失突變體可能是一種很好的AFS疫苗開發(fā)對象[22]。

        2 致病機(jī)理

        2.1 ASFV與宿主細(xì)胞

        ASFV侵入宿主體內(nèi)后,其復(fù)制主要在家豬和野豬的巨噬細(xì)胞內(nèi)完成。前期階段,ASFV首先跟體內(nèi)紅細(xì)胞粘合,再經(jīng)過血液運(yùn)輸至巨噬細(xì)胞,由細(xì)胞骨架微管轉(zhuǎn)移至巨噬細(xì)胞核殼處,再侵入細(xì)胞核內(nèi)核酸處,開始進(jìn)行復(fù)制表達(dá),從而制造大量的ASFV并運(yùn)輸至身體各部分的組織中。這個過程首先進(jìn)行mRNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯,提供合成DNA病毒所需的原材料,隨后在細(xì)胞核內(nèi)開始復(fù)制,產(chǎn)生中間體后轉(zhuǎn)移至核外繼續(xù)包裝;后期階段,病毒DNA、膜組分、結(jié)構(gòu)蛋白、某些宿主蛋白被波形蛋白和線粒體包裹,與此同時病毒RNA也轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核的周圍,進(jìn)行大量高效的病毒復(fù)制,最終包裝完整的病毒粒子沿微管被運(yùn)送至細(xì)胞膜并釋放到細(xì)胞外[26]。當(dāng)前蛋白質(zhì)組學(xué)研究已經(jīng)證實,ASFV蛋白質(zhì)組具有復(fù)雜性和靈活性,具有病毒復(fù)制、吸附、侵入宿主細(xì)胞、復(fù)制與裝配、逃避免疫防御系統(tǒng)等功能。ASFV的復(fù)制表達(dá)與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)聯(lián),感染細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的DNA復(fù)制開始后,病毒轉(zhuǎn)錄發(fā)生轉(zhuǎn)變,使得ASFV 的復(fù)制具有相對自主性,其基因表達(dá)可以精確調(diào)控。

        單核-巨噬細(xì)胞是最先被感染的地方,其次是樹突細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、巨核細(xì)胞、血小板、中性粒細(xì)胞和肝細(xì)胞[27,28]。ASFV結(jié)構(gòu)最外層的核殼部分,上面存在與目的細(xì)胞表層結(jié)合位點相識別的信息物質(zhì),細(xì)胞表層物質(zhì)有利于病毒的侵染及加快病毒在細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散,在病毒防治上具有研究意義[29]。

        2.2 ASFV與宿主動物

        非洲豬瘟主要在家豬和野豬中傳染,因而是ASFV入侵的主要宿主生物。ASFV侵入宿主細(xì)胞后進(jìn)行復(fù)制表達(dá),在胞內(nèi)快速繁殖,入侵宿主體內(nèi)的各系統(tǒng)。研究表明,病毒主要入侵宿主的呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng),病毒首先在扁桃體內(nèi)增殖,然后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),引起呼吸及免疫系統(tǒng)損傷等表現(xiàn)[30]。隨后病毒在骨髓、肺臟及肝臟處進(jìn)行復(fù)制表達(dá)。

        ASFV在不同宿主間作用跟病毒的致病性密切相關(guān)。對于家豬而言,不同毒株對家豬的致病力表現(xiàn)不同,機(jī)體感染病毒后出現(xiàn)亞臨床感染到急性死亡等不同的癥狀;對于野豬而言,其與家豬表現(xiàn)出不同的特征,野豬感染ASFV后常表現(xiàn)為無明顯癥狀且僅伴有低病毒血癥,

        3 展望

        非洲豬瘟在我國的流行,對我國養(yǎng)豬業(yè)造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。面對嚴(yán)峻形勢,除了加強(qiáng)生物安全宣傳外,加快疫苗研制是目前最佳的防控手段。哈爾濱獸醫(yī)研究所研制了某株 ASFV復(fù)制基因片段缺失的弱毒性病毒,該疫苗病毒敲除了控制ASFV復(fù)制表達(dá)的基因片段,保留其病毒蛋白的良好抗原性。臨床試驗表明,接種該疫苗的豬群生長狀況良好,無明顯感染非洲豬瘟癥狀。其作用機(jī)理是影響病毒在宿主細(xì)胞體內(nèi)的復(fù)制擴(kuò)散,可以有效抵抗同源病毒株系的侵染,以及保護(hù)非同源株系病毒的感染。但弱毒性病毒在豬體內(nèi)是否會發(fā)生病毒基因重組以及出現(xiàn)毒力返強(qiáng)現(xiàn)象,敲除控制復(fù)制的基因片段是否會導(dǎo)致原保護(hù)作用的丟失,以及疫苗病毒的生物安全性等都需要更進(jìn)一步的研究;亞單位疫苗的制備主要是利用ASFV編碼某些蛋白具有誘導(dǎo)保護(hù)性免疫的機(jī)理,其疫苗本身不含核酸,但能誘導(dǎo)受體產(chǎn)生相對應(yīng)株系的抗體。相較于弱毒性疫苗,不會出現(xiàn)基因重組誘導(dǎo)毒力返強(qiáng)現(xiàn)象,但未證實某種編碼蛋白只提供免疫保護(hù)。此外,研究表明缺乏pA104R基因的ASFV可以作為開發(fā)ASF疫苗的一種策略。

        AsfvAP采用了一種不同于其他APs的新型DNA結(jié)合模式。AsfvAP擁有許多獨特的結(jié)構(gòu)特點,包括一個窄nucleotide-binding口袋活性部位,C16~C20的二硫鍵包含區(qū)域等。根據(jù)實驗可知,這些特性對AsfvAP適應(yīng)酸性和氧化環(huán)境很重要,可以作為設(shè)計小分子抑制劑的靶標(biāo),從而破壞修復(fù)ASFV基因組的過程以對抗該病毒[31]。

        目前在弱毒性疫苗研制上取得了重大突破,且技術(shù)相對成熟。出于對弱毒性疫苗生物安全性的考慮,需要優(yōu)化敲除控制ASFV復(fù)制的基因片段組合。一方面需要確保弱毒性疫苗的免疫原性在宿主體內(nèi)正常表達(dá);另一方面要確保其在宿主內(nèi)不發(fā)生基因重組,使毒性返強(qiáng)。因而,生物安全性是制約弱毒性疫苗大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。

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