病毒进化与新病毒的出现_赵卫
微生物学免疫学进展2005年第33卷第4期 P rog inM icrob i o l I mmuno lN ov . 2005, V o. l 33N o . 4
49
病毒进化与新病毒的出现
赵卫, 曹虹综述; 龙北国, 张文炳审校
(南方医科大学公共卫生与热带医学学院微生物学教研室, 广州 510515)
摘 要:目前新现病毒进化的核心机制尚未阐明。病毒在新宿主中面临巨大的选择压力, RNA 病毒突变率高, 适应能力强, 因此引发新传染病的几乎都是RNA 病毒, 但基因组较小又使它们存在很大的进化局限性。如能理解这些限制的机制, 特别是多效性和上位性的作用细节, 可能解释为什么某些RNA 病毒比其它病毒更容易跨过种属界限。
关键词:新现病毒; 进化; 错误极限
中图分类号:R 373. 9 文献标识码:A 文章编号:1005-5673(2005) 04-0049-03
自从19世纪80年代首次发现艾滋病(A I D S) 以来, 陆续又有多种新现病毒性疾病的的报道。虽然科学家们努力研究防治对策, 人类和野生动物中新现病毒的感染却仍不断出现。在发现人类免疫缺陷病毒(HI V ) 后又鉴定了许多 新 病毒, 如丙型肝炎(HCV ) 、辛诺柏(S i n No m bre) 、尼帕(N ipah ) 、亨德拉(H endra ) 病毒和最近流行的SARS 冠状病毒
1
(SARS-Co V ) 。另外, 西尼罗和登革病毒等许多 老 病毒的全球流行范围进一步扩大。对新现病毒研究的终极目标 预测将来可能出现何种病毒流行的工作却进展缓慢。1 新现病毒的特点
目前一般将新现病毒定义为新出现或新近扩大流行规模和/或分布区域的病毒。这类病毒有一些重要的共同特点:首先, 虽然RNA 病毒通常比DNA 病毒更温和, 但几乎所有新现病毒的基因组均为RNA 而非DNA, 出现这种情况的原因在于这两种类型致病因子的进化速率不同。其次, 几乎所有的新现病毒都有一个动物储存库, 其出现的过程往往被归因于跨种属传播, 例如, H I V 1型(H I V -1) 是A I DS 的主要病原, 它的起源与在黑猩猩中发现的猴免疫缺陷病毒(SI V ) 有关, 尽管果子狸还未被确定为人SARS-Co V 的来源物种, 但已知它与SARS -Co V 关系密切
3
2
问题, 当然也有例外, 如H C V 虽于1989年才被发现, 但很可能已有很长的人群传播流行史了。研究者对多种动物类群进行了调查, 然而H CV 的储存宿主至今还是一个谜, 这应归因于选择的调查动物类群失误, 或储存病毒已经变异的太厉害了, 以致于无法判断其基因序列与H C V 的同源性, 当然也可能根
4
本就不存在动物储存库。
在许多流行事件中, 对于病毒为什么会从动物向人类转移, 通常归因于生态因素, 即与土地用途改变或森林砍伐有关。多种多样的生态因素可归纳为两种类型:一是供体和受体种群的亲近度改变, 从而增加了人类与动物病原接触的机会; 二是受体和供体的数量和密度改变, 增加的病毒一旦进入新的物种, 就有可能形成持续传递的网络。很明显, 人类生态环境已经和正在发生改变, 例如, 农业发展和城市化进程加快, 增大了各种感染性疾病的威胁。除了生态因素, 遗传因素可能对疾病出现的进程也很重要, 这包括宿主或病毒两个方面, 其中病毒变异的可能性更大一些。到目前为止, 遗传因素的研究还刚刚起步。
2 病毒出现的进化遗传学原则
揭示宿主和病原体之间在进化上的相互作用是理解病毒出现机制的基础。在宿主方面, 不同物种或同一物种的不同个体, 对某一特定病毒的敏感性可能不同。在某一时期, 宿主的进化更有利于病毒获得跨过种属界限的能力。在某一特定病毒种属范围内的不同病毒或毒株识别新宿主细胞受体的能力不同, 或者在新宿主不同个体间传播的能力不同(不成功的传递将导致 流产 感染) 。因此为了适, 。因此, 跨种属传播是病毒新现的核心
收稿日期:2005-05-19; 修回日期:2005-06-16
基金项目:广东省自然科学基金(32833) 广东省医学科学技术
研究基金(B2003091) 、广州市科技计划项目(2004Z2-E 0214)
作者简介:赵卫(1970-), 男, 博士, 副教授, 主要从事微生物学
50
微生物学免疫学进展2005年第33卷第4期 P rog i n M icrobio l I mm uno l N ov . 2005, V o. l 33N o . 4
基因变异, 以最终能跨过种属界限, 在新的宿主细胞中产生感染。RNA 病毒更易于出现这种情况, 因为
RNA 病毒的突变率比同类DNA 病毒高出多个数量级(尽管一些DNA 病毒也高度变异, 但还需要更高的变异率) 。RNA 多聚酶平均每个复制循环产生一个错误, 因此当病毒数量巨大时, 将产生大量有利于适应的基因突变。DNA 病毒在宿主中产生持续性感染, 而RNA 病毒(逆转录病毒除外) 倾向于产生急性感染, 这对于新病毒的出现具有决定性的意义, 因为短期感染有利于RNA 病毒以跨种传递的方式实现感染新的宿主, 而不是通过长期的共物种进化, 长期的共物种进化往往与持续性感染有关。
RNA 病毒的高突变率明显有利于增强它们的适应性, 一个更引人关注的问题是是否所有的RNA 病毒都同等的具备这种特性? 即如果机会均等, 是否所有的RNA 病毒都同样的可跨越种属界限? 这个问题是理解病毒出现的进化遗传学机理的核心问题。尽管还要进行更深入的研究才能给出完整的答案, 但已有越来越多的证据表明, 一些特异性的进化障碍使某些RNA 病毒比其它病毒更容易改变。病毒能否越过宿主可能有一个共同的系统发生原则, 即宿主物种间的系统发生关系距离越远, 病毒在它们之间转移的可能性越小。例如, 大多数人类病毒的储存物种是其它的哺乳动物, 另外人类可能经常吃到受病毒感染的植物, 却不会感染这些病毒。对人类免疫缺陷病毒(H I V ) 和猴免疫缺陷病毒(SI V ) 的研究表明, 病毒跨越物种的能力在某种程度上反
6
映了宿主的系统发生关系, H I V -2从黑白眉猴转移到人类中可能是个例外。这样的系统发生趋势与一个简单的进化原则相一致, 在某种环境中物种越适应(这里的 环境 指的是一个特殊的宿主物种), 他们能够适应新环境的可能性越小。实验研究发现, RNA 病毒快速进化能力使其能迅速适应新的宿主, 建立新的宿主特异性。探讨系统发生距离与越过宿主能力的关系应当是未来病毒出现研究的主要领域。
3 RNA 病毒的错误极限
表面上看, 获得超强适应能力的突变RNA 病毒应该能解决每一个适应过程中的问题。但实际上, RNA 病毒难以逾越的适应障碍可能正是高突变率作用的结果, 因为这限制了病毒基因组大小, 增大了拓展复杂性的难度。在突变率和基因组大小之间的因果关系可以借用 错误极限 (E rr o r t h reshold) 的g 7
5
的关键因素并第一次提出这一理论已被认为可扩展至所有的生命系统。简单地说, 这一理论认为一个特定大小的基因组有一个可以耐受的最大错误率。当大多数突变需要被去除时, 与那些在极限长度以内的基因组相比, 较长的基因组承受着更大的去除突变的负担, 导致大多数适应突变损失, 最终灭绝。由于RNA 多聚酶固有的高错误率, RNA 病毒具有高突变率, 其基因组必然较小, 才能减少致死性缺失突变的数量积累。
目前已发现许多RNA 病毒进化中具有错误极限的证据。首先, RNA 病毒基因组大小范围很窄, 中等大小的仅为9kb , 最大的为32kb(主要是一些冠状病毒), 这与DNA 病毒形成鲜明的对比, DNA 病毒基因组大小的范围从仅几千个碱基到400kb , 表明基因组大小的上限不是病毒自身因素所致, 如衣壳或包膜大小的限制。其次, 在某些实验中, 加入到RNA 病毒培养液中的诱变剂导致突变率增加(作为抗病毒治疗的方法尝试), 但适应性却急速下降, 由此可说明产生的突变率已达到极限
8
。最后, 尽管
RNA 病毒基因的替换率(如果大多数突变是中性的, 它可作为背景突变率的标志) 下降非常低, 但在错误极限模型下进行精确预测, 发现替换率与基因组大小之间呈显著负相关。基因组大小与突变率之间的关系对如SARS-Co V 等特别重要, 因为它们的基因组相当大, 其突变率相应比较低, 目前中国SARS 分子流行病学协作组(The Chinese SARS M o -lecular Epide m io l o gy Consorti u m ) 的研究已证实了这
10
一点。
高突变率限制了基因组的大小, 从而限制了RNA 病毒的进化速率。特别是基因组较小意味着同一序列区段有时不得不编码多种功能的蛋白, 从而使突变可能导致非常复杂的适应能力变化
11
9
。
简单地说, 多效性(Ple i o tropy) 和上位性(Epistasis) 在RNA 病毒的进化中起着主要作用。尽管这一理论还需更广泛的实验研究的证实, 但序列分析已经提供了基因组大小对RNA 病毒进化限制性的证据(其中的一些证据在小的DNA 病毒中同样存在), 如许多RNA 病毒使用重叠的开放读框, 从而增加小基因组携带的遗传信息。同时基因组较小意味着只有相对较少的核酸位点可自由变异。趋同进化, 即针对不同的情况采取相同方式解决, 在RNA 病毒中表现得相当普遍。越来越多的证据表明复杂适应行为在RNA 病毒进化过程中起到重要作用, 如脊椎动
微生物学免疫学进展2005年第33卷第4期 P rog inM icrob i o l I mmuno lN ov . 2005, V o. l 33N o . 4
51
的宿主中增殖, 从前面的讨论中不难想象, 要实现感染不同特性的宿主细胞是非常困难的。选择压力和替换率分析发现虫媒病毒面对的负选择压力很弱, 提示它们的确已完成了复杂的适应变异
9, 12
以检测到的病毒, 并且确定它们能否在人类细胞中生长也很重要, 如能发现这样的病毒, 持续监测它们的分布, 尝试在储存宿主中免疫是可行的策略。尽管这些技术研究还刚刚起步, 但是属于长期的基础研究项目, 很可能成为一种监测自然界中潜在人类病原体的工具。参考文献:
1 D rosten C , Gunther S, PreiserW, et a. l Identification of a novel
coronavirus in patien t s w ith s evere ac u te res p iratory s yndro m e J . N E ngl J M ed 2003, 348(20):1995-2005.
2 C l eaveland S, Lau renson M K , Tayl or L H. D i seases of humans and
their do m esticm a mm al s :pathogen characteri s tics , host range and the ri sk of e m ergence J . Ph il os T rans R Soc Lond B B i o l S ci 2001, 356(1411):991-999.
3 Guan Y, Zheng B J , H e YQ, et a. l Is olati on and characteri zation
of v i ru s es rel ated t o t he SARS coronav i ru s from an i m als in sou t hern C h i na J . S ci ence 2003, 302(5643):276-278.
4 Locasci u lliA, TestaM, Pon tisso P , et a. l H epati ti s C virus geno -typ es and li ver disease i n patients undergoi ng all ogeneic b onem ar -row tran s p l an tati on J . Bone M arrow T ransp l an t 1997, 19(3):237-240.
5 H ol m es EC. The phylogeography of hum an viruses J . M ol Eco l
2004, 13(4):745-756.
6 C harleston M A, Robertson DL . P ref eren tial host s w i tch i ng by pr-i
m ate lenti viruses can accoun t f or phy l ogeneti c s i m ilari ty w i th the pri m ate phy l ogeny J . Syst B i ol 2002, 51(3):528-535. 7 E i gen M. Ne w concepts f or deali ng w i th t he evol u ti on of nu cl eic
aci ds J . Col d S pri ngH arb Sy m p Qu ant B i ol 1987, 52:307-320. 8 C rotty S, Ca m eron CE, And i no R. RNA virus error catastrophe :
d i rectm olecu lar t est by us i ng ri b aviri n J . Proc Natl A cad S ci USA 2001, 98(12):6895-6900.
9 Jenk i n s G M , Ra m bautA, Pybus OG, et a. l Rates ofm olecu l ar e -voluti on i n RNA viruses :a quan titati ve phyl ogen eti c an al ysis J . J M olE vol 2002, 54(2):156-165.
10 The Ch i nes e SARS M olecu l ar Ep i d e m iol ogy C onsorti um. M olecu -l ar evol uti on of the SARS coronavirus du ri ng t h e cou rse of the SARS ep i de m i c i n Ch i na J . S ci en ce 2004, 303(5664):1666-1669.
11 H ol m es EC. E rror t h res holds and the con strai n ts t o RNA v i ru s e -voluti on J . TrendsM icrobiol 2003, 11(12):543-546.
12 W oel k CH, H o l m es EC. Reduced positive selecti on i n vect or -bor n e RNA viruses J . M ol B i ol Evo l 2002, 19(12):2333-2336.
13 M arra M A , Jones SJ , Astell CR . Th e Gen o m e sequen ce of the
SARS -associ ated coronavi ru s J . S ci en ce 2003, 300(5624):1399-1404.
14 Cu lley A I , Lang AS, Su ttle CA. H i gh d ivers i ty of unkno w n p-i
corna -li k e viruses i n the s ea J . Nat u re 2003, 424(6952):1054-1057.
。这一
点在登革病毒中得到证实, 序列变异分析表明其曾
面对非常强的进化选择压力, 如果现有的氨基酸改变有利于登革病毒在灵长类动物中复制, 则在蚊虫中生活力较差, 反之亦然。RNA 病毒基因组大小的上限决定了它们几乎不可能存在基因副本和辅助基因转移的过程(从宿主或其它病毒), 而这一点在真核细胞、细菌和大DNA 病毒的进化过程中非常普遍。有趣的是冠状病毒是RNA 病毒中少有的存在侧基因转移的病毒之一, 它似乎从丙型流感病毒获得血凝素酯酶基因
13
, 在基因组较大的冠状病毒产
生过程中侧基因转移能否起到更重要的作用还有待于观察。
总之, 病毒进化的局限性将影响其感染新物种的能力。因此, 尽管所有的RNA 病毒似乎都变异得很快, 却并不是总能够获得在新物种中复制和传递的能力, 病毒面对的是错综复杂、相互影响、多种多样的环境, 所产生的突变相对简单, 但有利于感染新宿主的突变往往要降低它在其它方面的适应能力。如上所述, 阐明病毒在进化中多效性和上位作用的细节很可能是理解病毒新现的关键环节。结 语
病毒性疾病已对人类健康构成了严重威胁。当前人口持续增加, 人员流动日益频繁, 导致出现了多种新现病毒, 如SARS -Co V 等。尽管新现病毒的出现大多是由生态改变造成的, 但就SARS 这一事件来看, 很明显某些病毒跨种属屏障传播同样可造就新病毒。病毒进化遗传学的研究有助于理解新病毒出现的分子机制。通过对可能寄生新现病毒的动物类群进行调查, 遗传学在预测未来哪种疾病可能出现将发挥重要作用, 以此可建立预测何种动物最可能携带传播给人群新病毒的简单方法。与人类生活在一起、有较大和/或密集种群的物种最可能携带传播潜力和毒性最强的病原体, 如啮齿类、蝙蝠和鸟类, 特别是那些栖息地与人类接近并且关系密切的物种。目前最重要的进展来自于现代分子生物学, 可能发展一种针对RNA 病毒家族保守基因的PCR 引物, 用来检测动物种群或特殊环境中的新病毒, 这一方法已于海水中发现了一种多样性的未知RNA 病毒
14
。除了简单地调查生物多样性, 分离所有可