人类肝炎病毒的进化生物学

一、非人类肝炎病毒发现的新时代

过去几十年，由于新测序技术的发展以及人们对人畜共患病病原体的关注，大量非人类肝炎病毒被发现。1978年，在美国土拨鼠中发现了一种遗传性远亲HBV，即土拨鼠肝炎病毒(WHV)。随后，又相继发现了鸭乙型肝炎病毒(DHBV)、猿类中的HBV变种以及毛猴乙型肝炎病毒(WMHBV)等不同的HBV物种。20世纪90年代，人们在猕猴体内检测到一种独特的HAV，并从猪体内提取到HEV。1995年从实验室狨猴中分离出一种与HCV有远亲关系的非人灵长类动物(NHP)病毒，即GBV-B。2013—2015年间，从家猫体内也检测到了HBV相关病毒。最近，在卷尾猴中发现了一种独特的HBV物种，即CMHBV[4]。同时，在爬行动物、鱼类和两栖动物中也检测到与HBV有远亲关系的内源性和外源性肝炎病毒。2012年，在马身上发现了HCV相关病毒，并证实了这种病毒偶尔会由马向狗和驴传播[5]。此后不久，在蝙蝠、牛和黑白疣猴体内也检测到高度多样化的HCV相关病毒。2015—2018年间，在各种哺乳动物物种中发现了大量与HAV相关的病毒，主要包括蝙蝠和啮齿动物，还有树鼩、有袋动物和海豹。最近，在鸭和蛇体内发现类似HDV的病毒，在野猪、骆驼和兔子中发现了人畜共患病的HEV基因型。此外，在蝙蝠、雪貂、啮齿动物、鸟类和鱼类中也发现了不同的HEV相关病毒。总之，所有的人类同源肝炎病毒都陆续被发现存在于不同的动物物种中。相比人类肝炎病毒，我们对这些非人类宿主的肝炎病毒了解很少。

二、肝炎病毒独特的保守性和再生能力

通常，人类肝炎病毒和非人肝炎病毒在基因组核酸结构、开放阅读框(ORF)组成、基因组长度和非编码区存在和类型等主要基因组特性上彼此相似，但是，来自同一病毒科和属的病毒之间也存在显着差异。

(一)动物肝炎病毒的包膜可能不稳定最新研究表明，以前被认为是无包膜病毒的HAV和HEV，在血液中以包膜形式存在，称为准包膜[6]。与包膜病毒相比，在HAV和HEV的准包膜中没有发现病毒编码的蛋白质，一些非灵长类的HAV和HEV相关病毒(hepatoviruses, hepeviruses，以下称甲型肝炎病毒和脊椎动物戊型肝炎病毒)也缺乏参与准包膜进化的关键基因组结构，这就提出了准包膜病毒是如何进入易感细胞的问题。相比之下，HBV相关病毒(hepadnaviruses, 以下称嗜肝DNA病毒)是包膜病毒，但最近发现鱼类是一种无包膜的嗜肝DNA病毒姐妹科Nackednaviridae的宿主，这一发现表明在能够感染哺乳动物并最终感染人类的嗜肝DNA病毒中出现了包膜的再生[7]。HCV感染的一个标志是脂质体病毒颗粒的形成。马丙型肝炎病毒外壳蛋白与细胞内脂质成分有关，这表明HCV与非人类HCV相关病毒(hepaciviruses)的复制相似[8]。因此，在动物肝炎病毒中，包膜和准包膜的存在可能不稳定。

(二)肝炎病毒进化过程中发生重组当一个细胞同时感染了在复制过程中相互作用的两种不同病毒时，病毒之间可能发生重组。所有的人类肝炎病毒都可发生重组。最近发现的大量非人类肝炎病毒使我们怀疑人类肝炎病毒与其动物同源物之间可能发生重组。有证据表明，HAV是许多来自不同顺序宿主的不同源病毒序列的重组，其内部核糖体进入位点的5’基因组末端的变异提示重组可能涉及不同物种的病毒[9]。在灵长类动物和鸟类嗜肝DNA病毒中也发现了不同宿主物种的病毒重组。对于非人类肝炎病毒，尚未证实不同宿主之间可发生重组。然而，类似于HAV，有证据表明来自不同宿主序列的脊椎动物戊肝病毒发生了重组，提示属于不同属的病毒在5’基因组末端可能发现重组[10]。与骆驼科动物相关的HEV基因型7和8中发现了在编码非结构蛋白和结构蛋白的ORF边界处存在重组[10]。总之，重组可能是肝炎病毒谱系中的常见事件。

三、肝炎病毒感染模式的进化稳定

(一)传播途径的稳定性人类肝炎病毒的传播途径各不相同。HAV和HEV主要通过肠道途径传播，HBV和HDV通过血液和其他体液传播，HCV主要通过输血、注射毒品时共用注射器和在医疗过程中重复使用注射器传播。研究发现，HAV和脊椎动物HEV可从非人类肝炎病毒宿主的粪便中排出。对于非灵长类动物宿主，已知嗜肝DNA病毒在啮齿动物和鸟类可有效垂直传播，而蝙蝠或猫嗜肝DNA病毒的传播途径仍然未知。同样，非人类HCV的传播途径尚不清楚。在小型哺乳动物中HCV可能通过交配、咬伤和抓挠传播。在马中已经发现了马丙型肝炎病毒的肠外传播，传播途径可能包括性传播和兽医的操作[11]。总之，人类肠道肝炎病毒及其他动物的肠道病毒的传播途径在进化上似乎是稳定的，与人类肝炎病毒接近，而非人类嗜肝DNA病毒和HCV的传播途径却鲜为人知。

(二)嗜肝性的决定因素尚不清楚对于人类HAV和HEV，目前尚不清楚决定病毒嗜肝性的病毒和宿主因素。近来在蝙蝠的肝脏和脾脏中检测到几乎相同病毒数的HAV，这是由于含有HAV遗传物质的巨噬细胞被隔离引起的[12]，还是由于肝外病毒复制引起的仍有待确定。对于人类HBV和HDV，研究表明,在与肝素-硫酸蛋白聚糖低特异性结合后，它们通过牛磺胆酸钠共转运多肽(人受体为NTCP，动物同源受体为Ntcp)介导进入肝细胞，这些特异性受体可能调控HBV和HDV的嗜肝性。禽类嗜肝DNA病毒没有表现出严格的嗜肝性，这可能是其受体不同于人类HBV[13]。对于HCV，决定其嗜肝性的一个重要因素是它与肝miR-122的相互作用[14]。迄今已知的所有非人类肝炎病毒在其5'-基因组末端含有至少一个miR-122结合位点，这可能有助于这些病毒的明显保守的嗜肝性[15]。总之，嗜肝性是非人类肝炎病毒的一个广泛存在但不完全保守的性质。由于决定人类肝炎病毒嗜肝性的因素尚不完全清楚，因此运用这些新发现的非人类肝炎病毒进行实验感染动物的系统研究有助于研究肝炎病毒的嗜肝性。

(三)肝炎病毒导致肝癌的机制不同慢性肝炎病毒感染可引起肝硬化和肝癌。在人类中，慢性HBV感染导致肝细胞癌占15%～40%，慢性HCV感染约占2.5%。研究发现,在出生时感染了WHV的土拨鼠和感染了遗传相关地松鼠肝炎病毒的地松鼠发生HCC的风险很高。土拨鼠的肿瘤发生主要是通过靶向将嗜肝DNA病毒DNA插入宿主DNA从而激活N-myc基因引起的，而地松鼠的肿瘤发生与c-myc基因的激活有关[16]。对于人类HBV，在病毒复制过程中，HBV DNA片段可以整合到肝细胞基因组中[17]。然而目前在人类HBV中尚未鉴定出与肿瘤发生相关的特异性整合位点。有研究报道，病毒HBx蛋白通过与宿主细胞的复杂相互作用可促进肿瘤发生，如改变宿主原癌基因和抑癌基因的表达，通过激活周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶通路刺激细胞进入细胞周期，阻断细胞凋亡[18]。在嗜肝DNA病毒进化过程中，HBx可在哺乳动物中再生。尽管HBx蛋白在非人类嗜肝DNA病毒感染中的作用尚不清楚，但哺乳动物嗜肝病毒中HBx基因的保守性表明，HBx介导的肿瘤发生可能在多种哺乳动物中存在。与HBV相反，在HCV感染期间不会发生病毒遗传物质整合到宿主基因组中。HCV的核心蛋白和非结构蛋白NS3和NS5a通过改变参与多种致癌途径的宿主基因的表达来促进HCC发展。但是，目前未在任何非人类HCV宿主中观察到HCC发生，可能HCV导致的肿瘤发生是人类HCV感染所特有的，也可能因为研究动物的寿命相对较短。最近，在马和牛身上已经发现了HCV的慢性感染病程，研究这些大型和相对长寿的动物是否会发展为HCC是很有意思的。因此，感染肝炎病毒的动物是否以及如何发展成HCC目前尚不清楚，需要进行长期感染研究和纵向流行病学调查。

四、肝炎病毒的进化起源

(一)非人类肝炎病毒的古老起源肝炎病毒存在于多种脊椎动物类群中，提示了脊椎动物和肝炎病毒之间存在有长期进化联系。脊椎动物的共同祖先可以追溯到奥陶纪，大约450 mya，从那里它们变成鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物。在节肢动物中也存在与HAV、嗜肝DNA病毒、HCV和HEV具有遗传或结构关系的病毒元件[19]。节肢动物是进化上古老的动物，大约进化了500 mya。这些最新研究进一步证实了肝炎病毒的古老的进化起源。

(二)人类肝炎病毒不太可能起源于NHP 由于宿主的遗传亲缘关系会促进病毒的跨物种传播，我们可以假设人类肝炎病毒起源于NHP，类似于猴子和猿的艾滋病毒起源。事实上，在NHP中发现了HAV、HBV和HCV的亲属。但是在灵长类HBV中，来自旧大陆类人猿的多种菌株与人类菌株混杂，这些病毒之间的重组暗示着过去存在跨物种传播[20]。然而，与旧大陆类人猿的病毒相比，人类病毒的遗传多样性相对较大，这暗示了HBV起源于人类干细胞谱系。此外，来自NHP的HCV与人类HCV没有共同的祖先。我们目前对灵长类动物HAV，HBV和HCV多样性的了解不支持人类肝炎病毒起源于NHP这一假设。目前，人类肝炎病毒的进化祖先仍是未知的。据推测，人类及其灵长类祖先的人畜共患病并非最近才在旧大陆发生。在未来几年应该能找到进一步的证据来阐明人类肝炎病毒谱系。

五、结语

在过去的几十年里，人类肝炎病毒的研究取得了重大进展。然而，对肝炎病毒的演变和发病机制的关键方面仍知之甚少。与此同时，之前所确定的肝炎病毒的一些特性也受到了质疑，例如肝炎病毒与人类宿主的唯一关联性、嗜肝性的决定因素以及典型的包膜病毒和非包膜病毒的区别。可以预料，新发现的动物病毒将有助于阐明有关肝炎病毒发病机制的关键问题。尽管肝炎病毒的发现已有40～60年的历史，但它们的进化起源仍然是个谜。最近发现的高度多样化的动物同源物暗示了非人类宿主中所有人类肝炎病毒的进化起源。这些起源可能相当古老，涉及老的脊椎动物谱系，如爬行动物，两栖动物，鸟类和鱼类，甚至可能是节肢动物。肝炎病毒进化结合了长期的病毒-宿主关联和跨物种传播，未来病毒相关的发现将确定肝炎病毒进化中缺失的环节，并可能确定人类肝炎病毒的直接祖先。

世界卫生组织近年提出了消灭乙型和丙型病毒性肝炎的新概念。值得注意的是，人类消灭肝炎病毒的先决条件是缺乏动物宿主。在非人类宿主中发现的肝炎病毒同源物可能意味着在成功根除HBV和停止乙型肝炎疫苗接种后，病毒有可能重新被传播给人类。人类肝炎病毒的多种动物同源物的发现使我们能够概念化新的动物模型，用于对急需治疗的慢性乙型肝炎和丙型肝炎进行临床前检测，并能揭示肝炎病毒发病机制的许多未知之处。