中國南北方禽流感病毒蛋白進化差異的探究

王雨佳

(呼和哈特第二中學 內蒙古 010010)

禽流感病毒(Avian Influenza Virus，AIV)屬甲型流感病毒，是有包膜的一種RNA病毒，其形態為80～120nm的球狀，且其基因由8條單股負鏈RNA組成[1，2]，基因組共編碼10種蛋白質。AIV根據病毒核蛋白(Nucleoprotein，NP)和膜蛋白(Membrane Protein，NP)抗原及其基因特性的不同分為A、B、C三種類型，根據外膜凝血素和神經氨酸酶的不同又可分為16個H亞型和9個N亞型[3]，它們之間可相互構成若干血清亞型。AIV的基因突變率很高，其中突變率最高的是HA基因，其次是NA基因[4]。當AIV與宿主受體結合位點的氨基酸突變積累到一定程度時，突變的氨基酸剛好使病毒抗原決定簇發生改變，引起抗原變異[5]。由于禽流感病毒的血凝素結構等特點，一般感染禽類[6]，當病毒在復制過程中發生基因重組，致使結構發生改變，獲得感染人的能力時，人才有可能被感染禽流感疾病。這不僅造成人類的傷亡，對家禽養殖業也會造成重創，造成無法挽回的巨大損失。同時，AIV對熱較敏感[7]，為適應不同氣候，AIV蛋白可能產生不同的進化，以促進其感染不同的宿主和廣泛傳播，這將會為人類未來對抗禽流感病毒帶來巨大的挑戰。就我國而言，我國氣候豐富多樣，從南到北橫跨熱帶、亞熱帶、溫帶，氣候差距較大，溫度和濕度差距格外大，這可能是不同地區間禽流感病毒為適應不同氣候而產生不同變異的誘因。

禽流感病毒為人類政治、經濟、社會等造成了巨大的損失，其特性亟待被探究，以便在面對不同禽流感時能及時、迅速地采取措施止損。距離上次禽流感病毒大爆發(2013年H7N9流感)已有數年之久。但是，禽流感病毒還未曾消失，依舊潛伏在人們身邊，以各種形式潛藏，伺機卷土重來，在當下多種誘因的催化下，可能在未來產生多種變異，不僅感染雞，甚至在人群中迅速傳播。雖然目前AIV對人的感染較少，但仍在禽類中大面積擴散。我們不應該放松對AIV的警惕，以免在面對未來的未知變異時因沒有做好準備而發生重大事故。此外，我國疆域遼闊，對影響AIV變異的誘因眾多，爆發的禽流感病毒可能會因緯度等差距而產生不同差異，對不同地域治療造成巨大影響。由此，研究禽流感病毒從關注南北方的禽流感病毒蛋白的進化差異切入格外重要。在此背景下，我們關注禽流感蛋白(編碼區)在中國地區的進化差異，探究禽流感蛋白在南北方進化異同。本研究選取我國南北方(以北京、上海、廣州地區為代表)共15株禽流感病毒，通過MEGA(Molecular Evolutionary Genetics Analysis)繪制AIV蛋白進化樹，分析其進化距離。以期能為今后禽流感的緊急處理提供一定的方向參考。

一、材料及方法

(一)樣本選取

通過NCBI (National Center for Biotechnology Information )Influenza Virus Resource選取中國地區A型HA的H7、H5病毒蛋白編碼區數據。選取北京3株2013年份人源AIV病株，上海2株2013年份人源AIV病株，廣東3株2013年份人源AIV病株，廣東2株2017年份人源AIV病株，廣東3株2013年份雞源AIV病株以及廣東2株H5人源AIV病株(2008年、2014年各一株)。共三株北京地區AIV病株，兩株上海地區AIV病株，10株廣東地區(包括廣東、東莞)AIV病株。

表1 本文涉及的病株

(二)數據處理

通過MEGA(Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 10.0.5)軟件對數據進行系統化分析，構建時采用最大似然法(Maximum Likelihood)。構建前先分析病株，將參數設定為Model/Method：Jones-Taylor-Thornton(JTT)model，Rates among Sites：Uniform Rates，Gaps/Missing Data Treatment：Use all sites，ML Heuristic Method：Nearest-Neighbor-Interchange(NN)，Initial Tree for ML：Make intitial tree automatically(Default-NJ/BioNJ)，繪制進化樹。

圖1 本文涉及的病株分布圖

二、結果與分析

在南北方方面，AIV的進化差距相對較小，總體上呈現病株向地域集中。從圖2中可知，在2013年的H7型的AIV病株中，有6株廣東的AIV病株聚集，3株北京的AIV病株聚集，2株上海的AIV病株聚集，以北京、上海、廣州三個地區為中國南北方代表的三個地區的病株，體現了一定的地域分異。總體上2013年份的病株進化差距較小，且呈現地域上的集中。

在時間方面，AIV的進化差距較大，由2株2017年份廣東人源AIV與11株2013年份各地的AIV病株產生較大的進化距離可知：AIV的HA蛋白區段隨時間發生的變異進化程度較大。

寄主方面，雞源病株和人源病株混雜交替排列，并未體現明顯的差距。以廣東的6株H7型2013年份的人源AIV病株及雞源AIV病株為例：該6株AIV病株在圖中未體現明顯的進化距離或表現出不同寄主病株的聚集。這說明，不同寄主AIV的HA病毒蛋白差距較小，具有一定的同源性。

不同亞型方面，AIV的H5和H7片段的進化差距較大。廣東的2株H5禽流感病毒病株明顯與13株來自不同地區，不同年份以及不同寄主的H7禽流感病毒病株產生較大的進化距離，故不同亞型的AIV的同源性相對較小。

總體上，地域(南北方)、時間、寄主、亞型均對AIV的進化變異產生不同程度的影響。其影響程度從大到小分別為：亞型＞時間＞地域＞寄主。在同一亞型中，年份的影響程度最大，進化變異程度相對明顯。

圖2 15株AlV系統發育的進化樹

三、討論

AIV蛋白質的變異可能會引起其實際功能的變化，溫度、濕度等不同，外界環境條件都是其誘因。AIV對家畜養殖業及人類構成巨大的威脅，因此在爆發禽流感時能夠快速找到與爆發的類型同源性最近的AIV病株格外重要。通過進化樹，我們得出各因素對AIV變異的影響程度從大到小分別為：亞型＞時間＞地域＞寄主。因此，在未來的研究中若要分析某一新型AIV，可以參考同年份或相近的年份的AIV已知樣本，此二者的相似性相對較大。年份差距較大的AIV病株樣本則可能與新型病株差距較大。同時，針對這AIV在年份上變化較大這一點，應當要求各地疾控中心密切關注每年的AIV變化，及時記錄盡量多的、有價值的數據，以為AIV的爆發提前做好預防和樣本儲備。

此外，AIV在寄主方面尚未體現較大的進化距離，相對于時間地域等因素，AIV在寄主方面的進化差距最小，故各地在監控AIV時應高度注意并監視禽類的疫情，禽類間爆發AIV可能預示著人類的AIV爆發。同時，人類在接觸禽類后尤其是患病禽類應及時殺菌消毒，以免因禽類AIV病株與人類AIV病株的同源性較大而造成人禽間感染。

本文章僅探索了AIV在中國范圍內的進化差距，并未探究AIV在世界范圍內的的進化差異。中國的氣候固然豐富多樣，在緯度、濕度等范圍上具有一定的代表性，但在某種程度上缺乏某些極端氣候。本文在那些極端氣候地區的AIV未被繪入進化樹，在極端氣候下AIV會產生哪些變異來適應困難的環境條件，這值得研究人員未來進一步分析。中國是北半球國家，所流行的病株可能與南半球的國家不同，這一點可以進一步收集病株繪制進化樹，分析南北半球AIV病株的進化差異，進而得出全球AIV的進化變異走向，為未來全球性禽流感打好預見性的基礎性準備。此外，AIV也感染豬、海豹等不同生物，研究人員可以收集不同生物的AIV樣本，繪制進化樹，比較其與人源AIV病株的同源性，進而得出與人源AIV病株同源性最強的其他源病株。這可以以這種生物為AIV在人群間爆發的預警生物，密切關注該種生物的AIV流行動向，便于對未來AIV爆發的預防和研究。