郗珊珊,張玲艷,賈偉娟,何云江,王學(xué)理
(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 動物科技學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼 028000)
小反芻獸疫(Peste des petits ruminants,PPR)又叫做“羊瘟”,是由小反芻獸疫病毒(Peste des petits ruminants virus,PPRV)引起的一種具有嚴(yán)重危害的高度接觸性傳染病,被世界動物衛(wèi)生組織(OIE)列為A類疫病。1942年Gargadennec等在西非科特迪瓦的綿羊和山羊機(jī)體上發(fā)現(xiàn)了一種類似于牛瘟但又和牛瘟有一定差別的疾病,1962年Gilbertt等從綿羊細(xì)胞中首次分離出PPRV,1979年Gibbs等證實了PPRV為副黏病毒科麻疹病毒屬的成員[1-2]。PPRV同屬的成員還有牛瘟病毒(Rinderpest virus,RPV)、犬瘟熱病毒(Canine distemper vieus,CDV)、海豹瘟病毒(Porpoise distemper virus,PDV)及麻疹病毒(Measles virus,MV)等。近年來,小反芻獸疫不斷出現(xiàn)在阿拉伯半島、中東、南亞等地,并表現(xiàn)出迅速蔓延的趨勢。2007年,該病首次出現(xiàn)在我國西藏的阿里地區(qū),不久后新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地不斷報道該病的發(fā)生[3-4]。PPRV的潛伏期為2~7 d,以高熱、口腔黏膜糜爛、眼部分泌物增加、白細(xì)胞數(shù)量減少、腹瀉和呼吸困難為特征。除了綿羊、山羊等動物可以被感染外,駱駝、水牛和野生反芻動物也可患病,牛和豬不表現(xiàn)相應(yīng)的癥候反應(yīng)。動物在感染PPR后還可能出現(xiàn)巴氏桿菌、大腸埃希菌和支原體等微生物的混合感染。該病通常在出現(xiàn)發(fā)熱癥狀后的4~6 d內(nèi)迅速死亡,高發(fā)病率(可達(dá)100%)和高死亡率(可達(dá)90%)的發(fā)病特點給PPR的臨床預(yù)防、診斷和治療帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在2030年前OIE和FAO已將控制和消除PPR作為一項優(yōu)先處理事項[5-10]。
小反芻獸疫病毒全長15 948 bp,病毒粒子大多數(shù)呈圓形或橢圓形,直徑為130~390 nm,有囊膜包裹;核衣殼呈螺旋對稱,直徑約為18 nm,螺距約為5~6 nm。病毒基因組為單股負(fù)鏈無節(jié)段RNA,從3′端到5′端的基因順序為N-P-M-F-HN-L[11-12],密碼子CTG把HN和L基因分開,密碼子CTT把N、P、M、F基因相互分開,在PPRV基因組中,只有F基因以AGGG開始,其余基因均以AGGA的序列開始[13]。N、P、M、F、HN、L這6個基因分別編碼相應(yīng)的六種結(jié)構(gòu)蛋白和兩種非結(jié)構(gòu)蛋白,其中N蛋白(核衣殼蛋白)、P蛋白(磷蛋白)和L蛋白(大蛋白)為構(gòu)成病毒蛋白的主要結(jié)構(gòu)蛋白,M蛋白(基質(zhì)蛋白)、F蛋白(融合蛋白)、HN蛋白(血凝素蛋白)輔助參與病毒蛋白的構(gòu)成,另外C蛋白和V蛋白在副黏病毒科的所有病毒中均表現(xiàn)得較為保守,并與病毒在宿主體內(nèi)的復(fù)制和致病性有一定的關(guān)系[14]。
PPRV只有一個血清型,可分為 4 個系,Ⅰ系主要分布在西非,Ⅱ系在尼日利亞、喀麥隆北部等地大量分布,Ⅲ系主要分布在非洲東部,Ⅳ系主要在中東和西亞地區(qū)流行[15-16]。Enchery等[17]研究發(fā)現(xiàn)來自一個譜系的毒株可以免受其他譜系毒株的攻擊,并且不同的PPRV毒株之間存在一定的交叉保護(hù)。
核衣殼蛋白(N蛋白)全長1 689 bp,編碼525個氨基酸,含有1個開放閱讀框(Open reading frame,ORF)[18]。N基因有一個poly(A)尾巴,并且在3′端和5′端分別有一個長度為53 bp和43 bp的非編碼序列。N蛋白是小反芻獸疫病毒中的一個結(jié)構(gòu)蛋白,在不分段的負(fù)鏈RNA病毒中尤為常見,它的作用是包裹病毒的核酸使之免受核糖核酸酶的影響,防止破壞其結(jié)構(gòu)和功能。N蛋白雖不能誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生保護(hù)性免疫,但其含量最高,免疫原性最強(qiáng),目前多用于小反芻獸疫病毒的診斷檢測[19]。核衣殼蛋白可以與基質(zhì)蛋白共同作用促進(jìn)病毒的裝配,使RNA基因組殼體化,參與P-L聚合酶復(fù)合物的形成。2019年,Zhu等[20]在研究中首次證實,N蛋白通過干擾素調(diào)節(jié)因子3(IRF 3)抑制Ⅰ型干擾素(IFN)的產(chǎn)生,并抑制各種病毒干擾素刺激基因(Interferon stimulated genes,ISGs)的表達(dá),IRF 3是一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子,是參與先天免疫應(yīng)答基因表達(dá)所必須的物質(zhì),在誘導(dǎo)Ⅰ型IFN合成中發(fā)揮重要作用,并且N蛋白與IRF 3相互作用能抑制TANK結(jié)合激酶1(TBK 1)和IRF 3之間的反應(yīng)進(jìn)而抑制IRF 3的磷酸化。另外,Ⅰ型IFN可通過誘導(dǎo)ISGs表達(dá)觸發(fā)細(xì)胞抗病毒反應(yīng),所以Ⅰ型IFN和ISGs在對抗病毒防御方面都是至關(guān)重要的[21-22]。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)N蛋白與P蛋白是PPRV的兩個新型IFN拮抗因子,可通過阻斷JAK-STAT信號,破壞宿主的抗病毒免疫應(yīng)答起到拮抗劑的作用,顯著抑制IFN-β誘導(dǎo)ISRE及IFN-γ誘導(dǎo)的GAS啟動子的活化,從而削弱下游各種干擾素刺激基因的上調(diào),并防止STAT1核轉(zhuǎn)位,此研究拓寬了對PPRV介導(dǎo)的免疫逃逸的了解,并為小反芻獸疫疫苗的研發(fā)提供了參考[23]。
P基因可以翻譯出一個結(jié)構(gòu)蛋白(磷蛋白)和兩個非結(jié)構(gòu)蛋白(C蛋白和V蛋白),其中磷蛋白(P蛋白)全長1 655 bp,編碼506~509個氨基酸,分子質(zhì)量為54.9 kD,等電點為4.71,含有三個ORF;C蛋白和V蛋白分別包含117和298個氨基酸。P蛋白在所有蛋白中變異程度最高,其中C末端與N末端相比較為保守[24],雖然P蛋白的氨基末端序列保守性較差,但其在基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄中是保守的。翟軍軍等[25]通過RT-PCR方法對PPRV整個P基因進(jìn)行了克隆,并預(yù)測了其三級結(jié)構(gòu),表明P蛋白是由位于中間的α-螺旋及兩側(cè)的N端和C端組成,同時還對P蛋白的同源性進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn)PPRV與MV、CDV、及RPV的P蛋白氨基酸同源性在45.9%~50.6%之間,核苷酸同源性為60.1%~66.6%。P蛋白可以與N蛋白-RNA模板復(fù)合物結(jié)合激活轉(zhuǎn)錄,可與N蛋白和L蛋白結(jié)合成分子伴侶,使N蛋白保持為可溶狀態(tài)與病毒RNA結(jié)合并作為轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中的輔助因子。另外,P蛋白還可與L蛋白結(jié)合形成RNA聚合酶,再與N蛋白-RNA模板共同作用形成核糖核蛋白復(fù)合體,共同參與病毒RNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄,由此可見P蛋白是一種多功能蛋白,在PPRV中發(fā)揮著重要的作用[26-27]。
基質(zhì)蛋白(M蛋白)在小反芻獸疫病毒蛋白中是最保守的,全長1 466 bp,編碼335個氨基酸,分子量為38.1 kD。M蛋白具有三個高度保守的ORF和多個起始密碼子(AUG)及終止密碼子(TAA),在基因的3′端有一個非編碼區(qū),其保守性較差。M蛋白位于病毒囊膜的內(nèi)部,維持著病毒粒子的形態(tài),與N、HN和F蛋白的胞質(zhì)尾端可以相互作用,對病毒具有很好的保護(hù)[28]。Wang等[29]對PPRV-N、M、HN、F這四種結(jié)構(gòu)蛋白進(jìn)行克隆,發(fā)現(xiàn)PPRV-cDNA序列可以在Vero細(xì)胞中表達(dá),導(dǎo)致病毒樣顆粒(Virus like particles,VLPs)的釋放,且其釋放效率與真正的病毒粒子相似,但是在沒有M蛋白的情況下就不能導(dǎo)致VLPs的釋放,因此證明了M蛋白是促進(jìn)VLPs裝配和釋放的必需蛋白。釋放出的VLPs的形態(tài)與真正的病毒顆粒相似,將其分別皮下注射到小鼠和山羊體內(nèi),均能誘導(dǎo)動物產(chǎn)生PPRV特異性抗體,注射的VLPs增加了病毒中和抗體的能力,同時也促進(jìn)了淋巴細(xì)胞的增殖,可以作為檢測和根除PPR的候選疫苗株[30]。Liu等[31]以PPRV Nigeria 75/1基質(zhì)蛋白的mRNA翻譯區(qū)為參考設(shè)計了三種不同的小干擾RNA(Small interfering RNAs,siRNA)(M59、M208、M407),合成后轉(zhuǎn)染到Vero-SLAM細(xì)胞中,并使細(xì)胞感染PPRV,在感染36 h后M59、M407這兩種siRNA能有效地誘導(dǎo)細(xì)胞融合,表明siRNA介導(dǎo)的M蛋白改變了與病毒糖蛋白的作用關(guān)系,從而加劇了細(xì)胞融合,阻礙了病毒釋放,并最終在體外抑制病毒的復(fù)制。
PPRV的融合蛋白(F蛋白)一般包括2 410個核苷酸,編碼546個氨基酸,分子量為59.3 kD,具有高度保守性。F蛋白是I型膜糖蛋白,是PPRV病毒囊膜表面的一種纖突,其中CG的含量較高,5′端有病毒的特異性序列。融合蛋白和血凝素蛋白是病毒囊膜表面的兩種糖蛋白,均可誘發(fā)保護(hù)性免疫應(yīng)答,在pH為7的情況下,F(xiàn)蛋白將促使細(xì)胞膜與病毒囊膜發(fā)生融合[32],NH蛋白負(fù)責(zé)與靶細(xì)胞結(jié)合,當(dāng)細(xì)胞受體與病毒發(fā)生結(jié)合后,才能使病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞[33-36]。Wang等[35]通過構(gòu)建的pET30a/F原核表達(dá)載體進(jìn)行了免疫轉(zhuǎn)印實驗,結(jié)果顯示pET30a/F可被山羊抗PPRV Nigeria 75/1多克隆抗體識別,而不能被空載體pET30a(+)識別,說明F蛋白具有良好的免疫反應(yīng)性,這種特殊的多克隆抗體為進(jìn)一步研究PPRV早期感染的發(fā)病機(jī)制和PPRV-F蛋白的結(jié)構(gòu)與功能特征提供了有價值的工具。PPRV-F蛋白在疫苗的研究中具有重要作用,其中Wang等[36]將PPRV-F基因插入到重組載體pSCA1中研制自殺DNA疫苗,通過免疫熒光和免疫轉(zhuǎn)印技術(shù)鑒定重組質(zhì)粒pSCA1/F的抗原性,發(fā)現(xiàn)宿主的抗原性強(qiáng)弱與血清中腫瘤壞死因子和干擾素等細(xì)胞因子的水平相互對應(yīng),同時PPRV-F可誘導(dǎo)小鼠淋巴細(xì)胞增殖和產(chǎn)生特異性中和抗體,經(jīng)pSCA1/F接種的小鼠在首次免疫24 h后細(xì)胞IL-2(白介素2)和細(xì)胞IL-10水平升高,干擾素和腫瘤壞死因子也從該時開始升高隨后逐漸降低,表明該疫苗可在小鼠體內(nèi)成功誘導(dǎo)細(xì)胞免疫和體液免疫,但僅在小鼠模型中研究疫苗的效果是不夠的,應(yīng)該考慮在天然宿主例如綿羊和山羊體內(nèi)進(jìn)行深入的研究,這可作為一種新型PPR疫苗的研發(fā)方向。Rojas等[37]利用表達(dá)PPRV-F和PPRV-HN蛋白的重組腺病毒疫苗對綿羊進(jìn)行肌內(nèi)接種,發(fā)現(xiàn)這兩種疫苗均可對動物產(chǎn)生12周的保護(hù),并且誘導(dǎo)T細(xì)胞對同一表位產(chǎn)生應(yīng)答,導(dǎo)致記憶T細(xì)胞分化,因此在動物感染PPRV后,重組腺病毒疫苗可促使T細(xì)胞擴(kuò)增,對接種動物起到一定的保護(hù)效果。
PPRV的血凝素蛋白(HN蛋白)長1 852 bp,編碼609個氨基酸,分子量為70 kD。NH蛋白是一種II型膜糖蛋白,是PPRV的兩種糖蛋白之一,以二硫鍵相連的二聚體或四聚體形式存在于病毒囊膜表面[38],負(fù)責(zé)將病毒粒子附著在宿主受體上,通過調(diào)節(jié)病毒的吸附和侵入來決定致病性,釋放新產(chǎn)生的病毒顆粒。NH蛋白其N端位于病毒內(nèi)部,C端位于病毒外部,組成了PPRV囊膜表面的另一種纖突,可以作為配體與受體結(jié)合,使病毒感染宿主細(xì)胞。NH蛋白有血凝素和神經(jīng)氨酸酶的雙重活性,可以將病毒附著在宿主細(xì)胞表面,并裂解宿主糖蛋白的唾液酸殘基。PPRV-HN基因的過表達(dá)可以促進(jìn)病毒的增殖[39]。Liang等[40]第一次在PPRV-HN基因上發(fā)現(xiàn)了一些基因位點,隨后Kimura等[41]報道在亞洲流行的基因型D3、D5、D9和H1中,297株同源病毒的HN基因有8個基因位點。Xue 等[42]對親環(huán)素A(Cyclophilin A, Cyp A)進(jìn)行了研究,首次發(fā)現(xiàn)Cyp A可以通過降低肽基脯氨?;?反異構(gòu)酶的活性來抑制PPRV在山羊細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制,但PPRV-HN蛋白可誘導(dǎo)宿主的溶酶體途徑來降解Cyp A,從而以促進(jìn)病毒進(jìn)行復(fù)制,因此可證明HN蛋白在PPRV的復(fù)制調(diào)控中有著一定的作用。在PPRV中HN蛋白與其他病毒的蛋白相比同源性最低,是最易變異的蛋白,但其抗原性最強(qiáng),能誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生中和性抗體。HN蛋白存在于PPRV粒子囊膜表面,可做為宿主免疫應(yīng)答的主要靶點,不僅能刺激細(xì)胞免疫,而且具有一定的體液免疫作用,是開發(fā)新一代高效基因工程疫苗的良好靶基因。Hashiguchi等[43]對同源病毒MV-HN基因受體復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)MV-HN表面僅露出一小部分區(qū)域用于受體和抗體結(jié)合,并且大部分MV-HN單克隆抗體都被映射到該暴露的受體結(jié)合區(qū)域,表明該區(qū)域可作為表位熱點,該研究揭示了麻疹病毒的部分感染機(jī)制,這些區(qū)域位點在致病性、種間傳播及免疫反應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用。
大蛋白(L蛋白)全長6 643 bp,編碼2 183個氨基酸,預(yù)測分子量為247 kD,是PPRV中最長的多功能催化蛋白。L蛋白由兩個鉸鏈區(qū)分開,形成三個保守區(qū)域,區(qū)域1負(fù)責(zé)與P蛋白結(jié)合、區(qū)域2是RNA聚合酶的功能區(qū)、區(qū)域3是ATP的結(jié)合位點[44]。L蛋白可與P蛋白作用同時發(fā)揮RNA聚合酶活性,負(fù)責(zé)RNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄[45]。Ansari等[46]通過使用洗滌劑破壞甘油梯度來分離純化PPRV得到RNP復(fù)合物,再用純化的RNP復(fù)合物從PPRV mRNA的核苷酸中提取出的三磷酸末端RNA檢測三磷酸酯酶(RNA triphosphatase,RTPase)活性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)PPRV-L蛋白存在于純化病毒的核糖核蛋白復(fù)合體中,以及在昆蟲細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的重組L-P復(fù)合物中,均具RTPase活性。此外L蛋白C末端的極小區(qū)域(aa1640~1840)可在大腸埃希菌中表達(dá),并顯示出RTPase活性,同時還發(fā)現(xiàn)L蛋白RTPase的比活性高于RTPase結(jié)構(gòu)域,這可能是由于L蛋白與RTPase結(jié)構(gòu)域的折疊方式的差異。Baron等[47]通過敲除PPRV中整個RNA聚合酶基因,發(fā)現(xiàn)一個缺少L聚合酶基因的復(fù)制子可以在表達(dá)L蛋白的細(xì)胞系中復(fù)制,并且復(fù)制效率接近于親本病毒,但是由于缺少完整的L基因使這種復(fù)制子不能在其他任何細(xì)胞中復(fù)制,因此L基因的缺失會影響病毒的復(fù)制。
C蛋白是由P基因翻譯而來,包括117個氨基酸,是小反芻獸疫病毒所有蛋白中最小的一種,預(yù)測分子量為20.11 kD,等電點為10.73。對C蛋白進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)PPRV與RPV序列長度相同,比CDV、PDV的蛋白多3個氨基酸。Yang等[48]利用羊的子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞(EECs)進(jìn)行試驗,發(fā)現(xiàn)PPRV可誘導(dǎo)EECs發(fā)生自噬反應(yīng),是由非結(jié)構(gòu)蛋白C和結(jié)構(gòu)蛋白N介導(dǎo)的,并首次表明PPRV誘導(dǎo)的自噬抑制了宿主細(xì)胞的凋亡,從而有助于增強(qiáng)病毒的復(fù)制和成熟。C蛋白可與L蛋白結(jié)合并相互作用,參與病毒RNA的合成和阻斷Ⅰ型干擾素(干擾素α、β)的產(chǎn)生及其信號通路的傳導(dǎo)[49],到目前為止,關(guān)于PPRV-C蛋白的功能特征還不是非常清楚,有必要進(jìn)行更加深入的探索和研究。
在麻疹病毒屬的全體成員中,不相同病毒V蛋白的長短也各有不同,其中小反芻獸疫病毒編碼298個氨基酸,CDV和RPV編碼299個氨基酸,預(yù)測分子量為32.28 kD,等電點為4.37。張海瑞等[14]模擬mRNA的編碼過程,對PPRV-P基因的保守序列(UUAAAAAGGGCACAG)進(jìn)行了定點突變,即在691位點插入一個G堿基,從而獲得PPRV-V基因,與此同時研究人員對V蛋白的三級結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行預(yù)測,認(rèn)為V蛋白由N-端結(jié)構(gòu)域(含3個α-螺旋)、中間結(jié)構(gòu)域(含多個β-轉(zhuǎn)角)和C-端結(jié)構(gòu)域(存在7個半胱氨酸殘基)組成,并預(yù)測PPRV-V蛋白的主要功能是參與該病毒的復(fù)制和致病。嚴(yán)歡等[50]將獲得的V蛋白與真核表達(dá)質(zhì)粒pEGFP-N2連接后轉(zhuǎn)染到Vero細(xì)胞中,通過熒光蛋白對V蛋白進(jìn)行定位,發(fā)現(xiàn)磷蛋白及其編碼的非結(jié)構(gòu)蛋白均位于胞漿內(nèi),是由于RNA病毒不能進(jìn)入細(xì)胞核進(jìn)行復(fù)制,所以非結(jié)構(gòu)蛋白V只能在胞漿內(nèi)進(jìn)行表達(dá)。V蛋白可直接參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子1(STAT 1)和STAT 2相互作用,導(dǎo)致宿主的IFN應(yīng)答受損[23]。Chinnakannan等[51]對PPRV、RPV、CVD、MV四種病毒的V蛋白進(jìn)行研究并提出了多種作用機(jī)制,發(fā)現(xiàn)這四種病毒的V蛋白都是Ⅰ型干擾素基因轉(zhuǎn)錄的有效阻滯劑,且與Ⅱ型干擾素誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄能力不同,由此證明不同病毒阻斷Ⅰ型和Ⅱ型干擾素信號傳導(dǎo)的機(jī)制是不同的,和它們與STAT 1的親和力不同有關(guān),同時還發(fā)現(xiàn)其不但能阻斷Ⅰ型干擾素和Ⅱ型干擾素(IFN-γ)的信號通路,而且能干預(yù)干擾素相關(guān)激酶Tyk 2的磷酸化,起到抵抗干擾素的作用,這項研究表明了麻疹病毒V蛋白靶向干擾素信號通路的多個成分具備控制Ⅰ型和Ⅱ型干擾素作用的能力。
到目前為止,全世界已有49個國家和地區(qū)正在發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生過小反芻獸疫,該病給各國的畜牧業(yè)發(fā)展造成了一定的影響,并且還具有向其他國家蔓延擴(kuò)散的趨勢。基于目前對PPRV的研究,基因突變的發(fā)生頻率也在逐年增加,自2013年至2017年以來研究發(fā)現(xiàn),我國PPRV基因突變位點的數(shù)量與PPRV的流行時間呈正相關(guān),在H基因發(fā)生突變的41個核苷酸位點中有24個導(dǎo)致了氨基酸序列的改變,在P基因的47個核苷酸變異位點中有26個導(dǎo)致了氨基酸序列的改變,表現(xiàn)出H基因的非同義突變率高于P基因的現(xiàn)象,因此持續(xù)實時監(jiān)測PPRV各基因分子變異,對防控該病具有重要意義[38,52]。PPRV-H蛋白的胞外球狀頭部含有抗原表位,可作為重要的抗原蛋白,能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生中和抗體,但對于我國PPRV流行毒株H蛋白氨基酸改變能否導(dǎo)致其抗原性改變,還需進(jìn)一步研究。
對小反芻獸疫的預(yù)防仍然依賴于疫苗的研發(fā),為此要加強(qiáng)對PPRV的免疫調(diào)節(jié)和致病機(jī)制的研究,雖然PPRV傳統(tǒng)疫苗臨床應(yīng)用還存在一定的缺陷,但研發(fā)新型基因工程疫苗和DIVA疫苗仍是未來控制小反芻獸疫新流行的重要手段。