小核糖核酸病毒感染与人兽共患病的关系

张敏怡,由芳菲,陈 清

小核糖核酸病毒(Picornavirus)是人类中最常见的感染性病原体之一,通常引起轻度胃肠道或呼吸道感染症状,但偶尔侵犯中枢神经系统导致严重疾病甚至死亡。小核糖核酸病毒科(Picornaviridae)家族成员众多,其中最危害深远的脊髓灰质炎病毒就是该家族成员之一,其引起的小儿麻痹症曾给社会带来极大的疾病负担。虽然成功的疫苗接种计划已基本消除脊髓灰质炎病毒给人类健康造成的危害,但许多现存的以及新发现的小核糖核酸病毒仍持续地威胁着人类与动物健康及其赖以生存的自然环境。本文围绕小核糖核酸病毒的分子生物学特征、分类学、以及与人兽共患病相关的病毒属作简要概述,为进一步防控小核糖核酸病毒感染及其科学研究提供参考。

1 小核糖核酸病毒的分子生物学特征

小核糖核酸病毒是一种二十面体、无包膜的小型颗粒(22～30 nm),其病毒衣壳由4种各含60个拷贝数的结构蛋白组成,包裹着由6700～10100个核苷酸组成的单股正链RNA[1-3]。病毒衣壳赋予小核糖核酸病毒特有的形状和大小,其足够坚韧,可保护遗传物质在宿主体内免受恶劣环境条件的影响,如肠道病毒通过肠粘膜进入宿主,在暴露于胃酸和肠道蛋白酶时仍然存活。小核糖核酸病毒的基因组结构如图1,其通常具有1个主要的开放阅读框(open reading frame,ORF),负责编码结构蛋白P1和非结构蛋白P2、P3。而在部分小核糖核酸病毒科家族成员中,结构蛋白P1之前尚存在1个次要的ORF,负责编码Leader蛋白[4]。位于小核糖核酸病毒两侧末端为5′和3′非翻译区(untranslated regions,UTRs)。其中,高度结构化的5′UTR含有许多重要的复制和翻译元件,包括5种直接参与蛋白质翻译起始的内部核糖体进入位点(internal ribosomal entry sites,IRES)中的一种,且带有共价结合的非衣壳病毒蛋白(VPg);而3′UTR可能包含保守的RNA高级结构,如s2m、“杠铃状”结构或多个重复序列,其末端带有多聚腺苷酸尾巴(poly A)。病毒RNA首先翻译成多聚蛋白体(polyprotein),然后利用病毒编码的蛋白酶将产物切割成具有活性的病毒蛋白亚基。P1结构蛋白可被蛋白酶水解加工成病毒衣壳中的成熟病毒蛋白VP0、VP3和VP1,多数病毒的VP0可进一步水解为VP4和VP2。VP1和VP3位于衣壳的外表面,形成病毒颗粒的二十面体,VP4则分布在颗粒的内表面,可能与病毒基因组接触[5]。此外,小核糖核酸病毒的非结构蛋白在病毒复制过程发挥关键作用,如结构保守的3D区域编码RNA依赖性RNA聚合酶(RNA dependent RNA polymerase,Rd Rp),直接参与病毒基因组的复制[6];3A蛋白在不同种属的小核糖核酸病毒中表现出多样性,并且与致病机理和宿主范围的确定有关[7]。

图1 小核糖核酸病毒的基因组结构Fig.1 Genome organization of picornavirus

2 小核糖核酸病毒科的分类

小核糖核酸病毒科根据病毒的形态学、物理化学和生物学特征、抗原结构、基因组序列及其复制模式分为不同的家族成员。根据国际病毒分类委员会(International Committee on Taxonomy of Viruses,ICTV)和Picornaviridae Study Group报道,截至2021年3月,小核糖核酸病毒科包含68个病毒属共158种病毒。其中,公认和可能的人兽共患病毒属为心病毒属、肠道病毒属、肝病毒属、嵴病毒属、双 埃 可 病 毒 属、Rosavirus病 毒 属、Salivirus病 毒 属和Cosavirus病毒属。随着PCR技术和下一代测序技术的广泛应用,许多新的小核糖核酸病毒科成员被鉴定出来,该病毒家族成员的数量仍在不断更新中。

3 人兽共患的小核糖核酸病毒

小核糖核酸病毒是威胁人类健康最常见的感染性病原体之一,其在基因突变和重组的驱动下表现出高度的遗传变异性,可感染从低等脊椎动物到哺乳动物等多种宿主,并引起人类和动物疾病[8]。当病毒从宿主口腔或鼻腔进入时,可通过感染鼻咽上皮细胞和局部淋巴组织进行复制,导致呼吸道疾病或无症状感染。当病毒感染中枢神经系统时,可通过神经途径传播至骨骼肌和心肌。此外,该病毒可通过接触受污染的手或物品传播至眼睛,并在结膜上皮和角膜中繁殖。根据ICTV最新分类,小核糖核酸病毒在人类样本中被检测出8个病毒属,当中个别病毒均可能同时感染人和动物,被视为公认或可能的人兽共患病原体。

3.1 心病毒属 心病毒属(Cardiovirus)包括6个种,分别为心病毒A—心病毒F。心病毒属的宿主范围广泛,其能同时感染人类和动物的病毒种为心病毒A。心病毒A,也被称为脑心肌炎病毒(encephalomyocarditis virus,EMCV),目前具有EMCV-1、EMCV-2、EMCV-3和EMCV-4共4种型别。1945年,来自迈阿密的学者在一只因肺水肿和心肌炎突然死亡的圈养雄性长臂猿中首次分离到脑心肌炎病毒[9]。随后,学者过滤该长臂猿的肺水肿液,通过静脉内、腹膜内、皮下、颅内注射等方式感染小鼠,观察到小鼠出现瘫痪和心肌炎症状,并在一周后死亡。脑心肌炎病毒也曾在家猪中发现,受感染的仔猪可发生急性心肌炎,临床表现为嗜睡、食欲不振、颤抖、蹒跚、瘫痪、呕吐和呼吸困难,且通常在无任何迹象的情况下死亡;而受感染的母猪可能出现繁殖障碍,包括受孕率低、胚胎吸收、死产、流产等问题。此外,在啮齿动物、兔形动物、鸟类、蚊子和蜱虫等也检测到该病毒[10-13]。在广泛的易感宿主中,由脑心肌炎病毒感染引起的病变部位和严重程度存在较大差异,而有关该病毒的致病机制研究主要围绕啮齿动物、猪和猴子开展[10]。1940年至1950年间,德国和荷兰均报道了在患有脑炎的儿童中分离出几种脑心 肌 炎 病 毒 株(MM、AK、Li32、Ortilb and SVM)[14],但这几种毒株的鉴定源自血清学检测结果,未经分子病毒学确认。更早的一项研究在来自菲律宾的17名发热患者中检测出针对脑心肌炎病毒株的中和抗体,其中3名患者的中和抗体滴度有所升高[15]。1948年,乌干达恩德培黄热病研究所报道了一名研究人员感染脑心肌炎病毒致病事件[16]。该研究人员曾处理从恒河猴、猫鼬和蚊子中分离出的脑心肌炎病毒株,并参与照顾因感染致病的动物,随后该研究人员患上脑炎,并在其血液中分离出该病毒[16]。此外,既往研究也报道了不同人群血清中脑心肌炎病毒抗体的流行情况,结果显示,儿童的抗体阳性率在1.0%至33.9%之间,成人则从3.2%到50.6%不等[17];该研究也表明脑心肌炎病毒感染人类相当普遍,且主要发生在儿童时期。同时,该研究分别检测了糖尿病、疑似脑炎和心肌炎患者中的脑心肌炎病毒中和抗体,未发现其与对照组人群的抗体阳性率存在统计学差异,限制了人类感染脑心肌炎病毒导致这些疾病的关联证据[17]。2013年,Nix等在急性弛缓性麻痹患者中检测出较低基因组拷贝数的脑心肌炎病毒[18]。2019年,一项在秘鲁开展的急性发热性疾病的病因学研究阐述了脑心肌炎病毒感染人类的病例[19]。该研究从2名伴有恶心、头痛和呼吸困难的发热患者中分离出脑心肌炎病毒,该病毒是通过特异性PCR技术检测急性期血清标本而鉴定,为其在人类感染和发热性疾病中的作用提供可靠证据[19]。人类可通过摄入被病毒污染的食物和水引起感染,因其具备强抵抗力,可在恶劣环境中维持感染性数天。尽管人类感染脑心肌炎病毒鲜有严重临床症状,但其广泛的全球分布范围和宿主范围、以及猪心脏等异种移植物的使用,都在暗示其人兽共患的潜力不可忽视,因此公共卫生学领域迫切需要提高警惕和对该病毒的认识。

目前,心病毒属的其余病毒仍缺乏明确的人兽共患证据。2007年,Jones MS等从一名不明原因发热的儿童粪便中首次检测到第一个公认的人类心病毒,并将其命名为Saffold virus(SAFV)[20]。Abed Y等也从一名患有肺炎、发热和中耳炎的儿童鼻咽拭子中分离出该病毒[21]。随后的大量研究表示,在胃肠炎和呼吸道疾病患者中均检测到SAFV[22-27]。2016年,郭文平等[28]从啮齿动物粪便标本中鉴定出心病毒,并扩增了4株病毒的近全基因组序列,系统发育分析显示其中一株Ruian-Rn93-3与SAFV同属于心病毒B,且两者之间具有较近的亲缘关系,提示心病毒有可能跨物种传播至人。因此,包括啮齿动物在内的动物宿主在心病毒的起源与进化过程中发挥重要作用,未来仍需要进一步研究心病毒作为人兽共患病原体的证据。

3.2 肠道病毒属 肠道病毒属(Enterovirus)包含15个种,分别为肠道病毒A—L和鼻病毒A—C。肠道病毒属是一类临床意义深重的人兽共患病病原体[29],感染后可导致脑炎、脊髓炎、脑膜炎、手足口病、呼吸道感染、胸痛、心肌炎、眼结膜炎、胃肠炎、胰腺炎、肝炎和1型糖尿病等疾病[8]。特定的肠道病毒基因型已被确认为相关感染或疾病的原因。在众多的肠道病毒中,首个被发现的是柯萨奇病毒(Coxsackie viruses,CV)[30]。世界范围内广泛流行的手足口病(Hand,foot,and mouse disease,HFMD)主要由肠道病毒A组71型、柯萨奇病毒A组6型和16型等多种病毒引起,其好发于5岁以下婴幼儿,已成为严重危害儿童健康的公共卫生学问题[31-32]。

肠道病毒的基因型众多,具有高度突变和频繁重组等特征,发生跨物种感染的潜力巨大[33]。研究指出,动物种群中自然循环的肠道病毒可能传播至人类,而人肠道病毒也可能常见于其它哺乳动物宿主[34]。真实世界中并不缺乏人类可能感染动物肠道病毒的证据[35-36]。例如,2008年,Gür S等在土耳其的8个宿主物种中调查了牛肠道病毒1型(Bovine enterovirus 1,BEV-1)的血清阳性率,其中包括244名健康成年人[35]。微量中和试验结果显示,牛肠道病毒1型特异性抗体在人类血清中的阳性率为30.3%(74/244)[35]。数年后,Gür等在土耳其某农场收集人类和所有农场动物的血液标本开展研究,进一步揭示牛肠道病毒1型感染对人类健康的潜在风险[36]。类似地,该研究发现牛肠道病毒1型特异性抗体在人群中的血清阳性率为33%(245/751)。作为血清学调查,上述2项研究无法提供活动性感染或传播途径的证据,与受感染的动物或被牛粪污染的物品接触为可能的感染原因[35]。尽管牛肠道病毒1型与人类疾病尚无明确关联,但其对于新生儿和免疫抑制患者的健康可能带来不利影响,因此本文认为牛肠道病毒1型是可能的人兽共患病原体。此外,动物感染人肠道病毒的报道也不在少数[37-39]。Fieldhouse JK等早前对肠道病毒从人类转移到动物的证据已作了系统性总结,提供了许多分子证据支持肠道病毒感染引起人兽共患病的发生,尤其是在非人灵长类动物当中[34]。另有充分证据表明,猪水疱病病毒(Swine vesicular disease virus,SVDV)起源于人类柯萨奇病毒B组5型,在1945至1965年之间转移至猪体内,猪感染后引起的临床症状与口蹄疫疾病难以区分,现被视为一种动物肠道病毒[40-41]。虽然目前缺乏人类感染动物肠道病毒的直接证据,但其仍然具备引起人兽共患病的潜力[34]。

肠道病毒属的分类最初是依据其对人和动物的抗原性与致病性,随着新型肠道病毒的发现,根据特定的临床表现对其进一步分类显得尤为困难,因为仅有少量分子差异的血清型足以改变病毒表型,并导致高度多样化的症状[8]。因此,有关肠道病毒属的分类经历了多次重大改变[42-43]。最近的一次是在2008年,鼻病毒属(Rhinovirus)从小RNA病毒科中移除,并以种的形式重新纳入肠道病毒属;该新分类的合理性在于鼻病毒与肠道病毒在基因组组成或病毒颗粒结构上没有显著差异[44-45]。针对鼻病毒的流行病学调查发现,鼻病毒RNA在婴儿和老年人粪便样本中频繁检出,且病毒载量较高,但其与肠道疾病的关联尚未确定[46]。另外,暂无报道在除人类外其余宿主物种中发现鼻病毒,其引起人兽共患的能力需要进一步明确。

3.3 肝病毒属 肝病毒属(Hepatovirus)包含9个种,分别为肝病毒A—肝病毒I。肝病毒A仅有1个血清型,主要感染人和非人灵长类动物[47]。早在5000年前,我国就报道过个体发生或群体暴发的类似甲型肝炎疾病;1812年,美国弗吉尼亚州诺福克首次暴发甲型肝炎疫情,该疫情发生在内战时期的联邦军队中,报告病例数超过4万人[48]。在第一次和第二次世界大战期间,甲型肝炎继续折磨着双方的军队,波及约1600万名战斗人民和平民,致使病毒性肝炎成为二战期间军队面临的重要问题[48]。2015年,Anthony等在海豹体内发现第一个非灵长类肝病毒(暂时命名为phopivirus)[49]。该研究发现,phopivirus与肝病毒A具有相似的遗传和表型特征,比如整个基因组的系统进化相关性、肝细胞趋向性、以及III型IRES关键功能区域的保守性与肝病毒A一致[49];phopivirus现属于肝病毒B的唯一病毒种。Drexler等对小型哺乳动物中肝病毒A的进化起源研究发现,从人类鉴定的肝病毒A可能来自啮齿动物[50],但由于缺乏肝病毒A导致动物疾病的直接证据,本文认为肝病毒A为可能的人兽共患病原体。此外,肝病毒属的宿主范围广泛,肝病毒C、G、H的宿主为蝙蝠;肝病毒D、E、F的宿主为啮齿动物,肝病毒F的宿主还包括旱獭;肝病毒H的宿主包括刺猬、蝙蝠和树鼩;肝病毒I的宿主为鼩鼱[50-51]。最近,Kawasaki J等利用公共测序数据在山羊中发现了几乎完整的肝病毒基因组,即Goat hepatovirus,可能代表一个新的肝病毒种[52]。

3.4 嵴病毒属 嵴病毒属(Kobuvirus,亦有研究称其为“库布病毒”)包含6个种,分别为Aichivirus A—Aichivirus F。1989年,来自日本爱知县的Yamashita T等于因食用生牡蛎而患肠胃炎的患者粪便样本发现一种可致BSC-1细胞病变的病毒[53]。随后在1998年,该病毒的完整基因组序列面世(Genbank序列号:AB040749),经基因分析确定嵴病毒属作为新成员纳入小核糖核酸病毒科家族[54-55]。近年来,日本[56]、德国[57]、法国[58]和西班牙[59]等全球多地已开展了嵴病毒在人群中的血清学调查,发现高达80%～95%的成年人具有抗嵴病毒抗体,表明嵴病毒在不同人群中普遍循环和感染。嵴病毒主要通过粪口途径传播,也可通过受污染的手或食物实现人传人的可能性;嵴病毒的传播途径与其他小核糖核酸病毒和致肠道疾病病毒类似,且感染后主要表现为腹泻、腹痛、恶心、呕吐和发烧等临床症状,因此,嵴病毒感染被认为是人类急性胃肠炎的原因之一[53,60]。此外,Reuter G等在来自匈牙利的一名具有腹泻和呼吸道症状的3岁儿童中检测到嵴病毒的脱落[61]。

研究指出,嵴病毒属在世界范围内广泛分布,并存在跨物种传播的可能和人兽共患的潜力[62-63]。2018年,Lu L等构建贝叶斯系统发育方法,揭示了嵴病毒进化过程中不同宿主之间传播的证据;该研究发现,嵴病毒实现跨物种传播可从偶蹄目动物(绵羊)到食肉目动物(雪貂)、从蝙蝠到兔子、以及从食肉目动物到鸟类和人类[64]。同时,Kharim P等也记载了嵴病毒的人兽共患以及从牛向猪的种间传播证据[65]。以上研究表明,不同物种之间的密切接触可能增加嵴病毒种间传播的可能性,其确切的进化关系仍需要扩大地理范围和宿主物种开展进一步研究。

3.5 双埃可病毒属 双埃可病毒属(Parechovirus)包含6个种,分别为双埃可病毒A—双埃可病毒F。1956年,Wigand和Sabin从美国俄亥俄州的腹泻患儿中分离出2个双埃可病毒属成员,分别为双埃可病毒A1和A2[66]。随后,分子病毒学的出现为鉴定和深入表征双埃可病毒属的其他成员提供基础工具。在双埃可病毒属的全部成员中,双埃可病毒A(以前也称为human parechovirus,HPe V)是常见的儿童病原体,婴儿感染后可能出现严重的临床表现[67-68]。几项欧洲的研究显示,在因发热而就诊的急诊儿童中双埃可病毒A的检出率为3%～8%[69-70],而在年幼或住院儿童中检出率高达15%～20%[71-72]。欧洲和日本的血清学调查也显示,90%的婴儿在2岁时至少感染过一种双埃可病毒亚型[73]。在19种双埃可病毒A基因型(parechovirus A1—A19)中,大多数亚型感染不会引起症状或症状轻微,如胃肠炎和流感样疾病。然而,双埃可病毒A3型感染通常与更严重的疾病关联,其被视为败血症样疾病和中枢神经系统综合征的主要原因[73]。在2013－2014年春夏季,澳大利亚新南威尔士州首次发现双埃可病毒A3型的流行,随后蔓延至全国[74-75]。在2015－2016年春夏季,同样的流行再次发生于澳大利亚,形成每2年暴发1次的模式。2013年,Nix等在急性弛缓性麻痹患者和猪体内鉴定出相似度极高的双埃可病毒A4型基因片段[18]。2018年,邱旻等在褐家鼠粪便中鉴定出1例双埃可病毒A核酸阳性,检出率为0.53%(1/188),为全球首次揭示褐家鼠有携带双埃可病毒A的可能[76]。但由于受到检测对象的临床数据以及样本量少的限制,双埃可病毒A导致人兽共患病的证据仍然较弱。

相比之下,野生的啮齿动物被认为是双埃可病毒B(以前也称为Ljungan virus,LV)的天然宿主[77-78]。研究指出,双埃可病毒B可能作为人兽共患病原体,可导致包括1型糖尿病、格林巴利综合征和心肌炎等多种疾病,严重情况可发生宫内胎儿死亡[78-80]。1998年,Niklasson等在瑞典的田鼠中首次分离出双埃可病毒B[81]。随后,该研究团队发现捕捉的野生田鼠可能在实验室圈养中患上糖尿病,因而开展研究测试田鼠是否可以患上与双埃可病毒B相关的1型糖尿病,并得出重要结论:1)糖尿病田鼠的自身抗体水平与双埃可病毒B的抗原抗体相关;2)免疫细胞化学检测到糖尿病田鼠的胰岛中存在双埃可病毒B,支持双埃可病毒B与田鼠糖尿病之间存在关联[82]。对于人群,Nilsson AL等在1型糖尿病儿童中观察到双埃可病毒B抗体水平升高,表明过去暴露双埃可病毒B可能与1型糖尿病有关[83-84]。然而,如前所述,儿童通常至少感染过一种双埃可病毒亚型,目前研究不能排除双埃可病毒B与其它病毒存在交叉反应或同时暴露而致病[80]。基于以上证据,本文认为双埃可病毒B与人类1型糖尿病之间可能存在人兽共患关系。

3.6 Rosavirus Rosavirus病毒属包含3个种,分别为Rosavirus A、Rosavirus B与Rosavirus C。目前,Rosavirus A具 有2个 亚 型,rosavirus M-7由Plan TG等研究野生啮齿动物的病毒多样性时,在峡谷鼠(Peromyscuscrinitus)的粪便中发现[85]。Rosavirus在基因组上最接近犬粪便中发现的Dicipivirus,是目前唯一具有第2个IRES的小核糖核酸病毒[86]。Rosavirus A的另外一个亚型为rosavirus 2,由Lim等从冈比亚一名患有腹泻的儿童粪便中发现;rosavirus 2的完整基因组与rosavirus M-7具有71.9%的核苷酸相似性,故认为该亚型来源于啮齿动物[87]。然而,该研究缺乏统计学证据明确rosavirus 2与腹泻病例相关,rosavirus的发病机制、宿主范围以及引起人兽共患病的能力仍有待进一步研究。

3.7Salivirus和CosavirusSalivirus(Sa V)以前称作klassevirus,Sa V-A是迄今唯一病毒种。2009年,3个研究团队应用下一代测序技术在粪便标本中首次发现Sa V[88];同年,Li L等从来自尼日利亚的急性弛缓性麻痹患儿体内也检测到该病毒[89]。众多研究在胃肠道疾病患者的粪便中分离出Sa V,因此该病毒有可能与人类胃肠道疾病有关,特别是儿童[90-91],但其确切的致病作用目前尚未得到证实。在人类中,Sa V分布于全球各地,包括意大利[90]、泰国[91]、德国[92]、印度[93]、巴西[94]等。除人类外,Lan等在黑猩猩粪便标本中鉴定出6株Sa V,并获得1株包含7798个核苷酸的SaV全基因组序列(CH/China/2011,GenBank序列号:JN379039,数据未发表)。由于缺乏黑猩猩的详细疾病信息,尚不能验证Sa V存在跨物种感染现象。

Cosavirus(CosV)病毒属包含6个种,分别为Cos V-A—Cos V-F。2008年,Cos V首次从来自东南亚的急性弛缓性麻痹患儿中发现,基于PCR技术检测患儿粪便中的Cos V,结果显示出高阳性率(49.1%,28/57)[95]。后来,越来越多的研究表明Cos V感染可能与人类胃肠炎有关[90,96],但由于其在胃肠炎患者中的低流行率、低病毒载量以及与其它病毒共感染现象,Cos V对人类的致病能力受到限制[97]。除人类外,研究者在来自玻利维亚、日本和泰国的仔猪中鉴定出Cos V-A基因片段,系统发育分析表明分离自猪的Cos V-A可能与人CosV-A同源[18,98]。

迄今为止,Sa V和Cos V对于人类和动物的病理学证据不足,其检出有可能为一过性感染。因此,相比于上述小核糖核酸病毒,SaV和Cos V作为人兽共患病原体的证据较为薄弱,但本文认为不可排除Sa V和Cos V存在于目前未知的动物宿主的可能性及其引起人兽共患病的潜力。

4 结 语

小核糖核酸病毒可以通过活跃于人类居住环境中的动物或媒介宿主直接或间接地传播给人类。综合现有的研究证据,目前至少有8个属的部分小核糖核酸病毒可能作为人兽共患病原体。据世界卫生组织《2010亚太地区新发疾病战略报告》估计,大约60%的新发人类感染病属于人兽共患病,在这些新发病原体中,超过70%来自野生动物。未来的研究需扩大物种和监测范围,在全球各地和不同宿主中鉴定小核糖核酸病毒,明确此类病毒跨物种传播的潜力与路径,以便科学地应对可能的新发传染病暴发。

利益冲突:无

引用本文格式:张敏怡,由芳菲,陈清.小核糖核酸病毒感染与人兽共患病的关系[J].中国人兽共患病学 报,2022,38(10):921-930.DOI:10.3969/j.issn.1002－2694.2022.00.113