猪轮状病毒是如何跨种间传播的

摘要

轮状病毒(Rotavirus, RV) 可以感染猪、牛、犬猫等多种幼龄哺乳动物，引起腹泻，也可导致5岁以下儿童和婴幼儿感染急性胃肠炎，是一种重要的人畜共患病原体。但目前对不同宿主源轮状病毒相关研究较少，本研究以此为出发点，阐述当前轮状病毒在跨种属之间的传播途径，以及轮状病毒感染宿主基因重组过程。

1、引言

1973年，世人公认引起婴幼儿急性胃肠道炎的主要原因是感染RV。在此之前，已有研究显示在腹泻的小鼠、猴子和牛中发现RVS。后在猫、犬、蝙蝠和鸟类[1]等许多动物中均发现RV。儿童患病时如果病情处理不当，可能会导致严重脱水，最终引起死亡；动物感染轮状病毒会引起腹泻，影响生产率乃至经济发展。在过去的40余年中，已经积累了大量有关RV结构、复制周期、发病机理及其免疫应答的基础研究。随着现代诊断技术的进步，RV的分子流行病学得到广泛研究。迄今为止，RV已经从人类以及许多非人类的哺乳动物和鸟类中分离。

2、轮状病毒特性

2.1 RVA分子生物学特性

RVA基因组的大小约为18500 bp，11个基因片段的长度在667bp和3302bp之间。RV进入宿主细胞是一个复杂的多步骤过程，其表面蛋白的不同结构域与不同的细胞表面分子相互作用。外部衣壳蛋白VP4和VP7在病毒复制和诱导保护性免疫中具有重要作用，诱导产生中和抗体，且在复制早期调节附着和渗透活动[2]。RV由胰蛋白酶切割VP4蛋白为VP5和VP8蛋白质而激活，与细胞膜上相应受体结合，可直接穿过细胞膜或被囊泡包裹进入细胞质。在穿膜期间或之后，外部衣壳蛋白去除，内壳的RdRp受刺激合成病毒mRNA，通过VP2和VP6蛋白层中的通道沿病毒粒子的顶点进入细胞质，翻译成病毒蛋白[3]。一旦其在细胞质内积累，形成内含物或病毒质，将启动新的病毒体前体的组装，组装完成的成熟病毒在粗面内质网腔内积聚，与NSP4跨膜糖蛋白结合，直到发生细胞裂解而释放。

2.2 RVA临床症状和发病机制

轮状病毒在鸟类和哺乳动物等多种宿主中引起无症状轻度水样腹泻，急性肠胃炎和脱水。症状发作突然，潜伏期为1~3天，该疾病的症状包括发烧，排尿减少，口干和咽干，站立时头晕，腹痛和呕吐2~3天，然后出现浅水状或松弛性非血性腹泻3~8天。此外，在发生急性肠胃炎期间经常出现呼吸道症状。病患主要通过粪便排出病毒感染他人[4]。其他基于血清学或直接病毒检测方法也表明，多种野生动物同样易感染轮状病毒。

猪轮状病毒( Porcine rotavirus, PoRV)感染通常发生在1~6周龄或8周龄以下的仔猪，且在小于60天或1周龄的猪中RVA的检出率最高。PoRV潜伏期为18~96h，引起腹泻和发烧。在特定的群中，RV的发病年龄通常一致。RVA排泄持续时间一般1d~14d，平均为7.4d，受被动免疫和血清群的影响。成年动物通常不会经常排泄病毒，但偶尔排泄病毒并成为感染源。

PoRV在没有与其他肠道病原体同时感染的情况下，哺乳期病猪的腹泻症状通常较轻，并且少于2~3天，排黄色或白色粪便，水样或絮状。发病率各有不同，但通常少于20%。尽管RV感染主要发生在小肠，但免疫能力弱的情况会导致RV向全身扩散。RV发病机制取决于宿主和病毒因素，并影响疾病的结果。影响RV临床结果的最明显宿主因素是年龄。由于在母体抗体经胎盘转移的保护作用下，小于或等于3个月的儿童感染轮状病毒很少患有症状性疾病，除免疫力低下的儿童外[5]。

不管与疾病相关的宿主或病毒因素如何，轮状病毒致腹泻能力均归因于两种不同的机制，包括NSP4引起的继发性吸收不良破坏肠上皮细胞及其吸收功能、绒毛局部缺血、肠毒素活性和细胞内液(钙离子和氯离子)分泌动员，及肠神经的激活和血管系统活化，即NSP4假说和肠道神经系统假说。此前，有研究发现在感染RV的早期NSP1通过激活细胞存活途径来抑制病毒诱导的细胞凋亡，对避免被抗原呈递细胞识别有一定作用，从而促进病毒的生长[6]。

3、RVA种间传播

3.1 动物源RVA的跨种间传播到人

基因组进化是一个持续且缓慢的过程，但RV基因组分段的性质增强了进化过程，同时增强了病毒的遗传多样性。影响RV遗传多样性的其他因素包括基因内重组、点突变、种间传播和基因重排。

RV分段的基因组易发生重排(基因片段的交换)，不同宿主源RV毒株的基因片段形成新基因型新毒株。最近，在各种动物中已经发现具有多种宿主起源的新基因型。从表面看，RV毒株跨宿种传播很难，但在获得宿主的基因组片段时，这些RV毒株在新的宿主种群中感染和传播的机会更高[7]。种间传播涉及将基因片段从一个物种转移到另一个物种。一个经典的例子是人类G9和G12基因型，由于猪基因转移到人类RV基因组中而在人群中传播[8]。图1-1所示的是在人类中发现的一些动物源RVA基因型的示意图。

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图1.1 HRV动物源基因型的示意图

重排是遗传多样性的主要原因，出现在同源或异源宿主之间，导致RV基因片段新基因型的出现。大多数人轮状病毒(Humanrotavirus,HRV)具有与经典HRV毒株Wa株(基因组1型基因)或DS-1 株(基因组2型基因)序列相似的基因[7]。Wa-like株包含I1-R1-C1-M1-A1-N1-T1-E1-H1的基因型，G/P基因型多为G1P[8]、G3P[8]、G4P[8]、G9P[8]、G12P[6]和G12P[8]，而DS-1-like株的特征是包含I2-R2-C2-M 2-A2-N2-T2-E2-H2的基因型，G/P 基因型多为G2P[4][9]。有研究表明新基因型G2P[8]、G9P[8]、G9P[4]、G9P[6]和G12P[6]就是通过重配而出现[10]。例如非洲地区分离到的G4P[6]和G9P[13]毒株的基因组片段中含有亚洲国家的人和猪RVA毒株的基因片段[11]。

PoRV和HRV Wa-like株之间发生重配，在人体内检测到G11基因型；牛轮状病毒(Bovine rotavirus, BRV)和HRV之间的重配产生G8基因型[12]，揭示了HRV Wa -like株和PoRV毒株之间有共同起源，HRV DS-1-ike株和BRV之间有共同起源。有研究表明，这种物种间传播和动物—人的重配事件可以来自很多物种之间，各种动物物种如偶蹄动物(反刍动物和骆驼科动物)、猫、狗、猪、兔子、甚至野生动物(猴子)等[12]。Nakagomi从一名饲养猫的小孩体内分离到RVG3株(AU228)，几乎所有基因片段都与猫轮状病毒(Feline rotavirus, FRV)毒株(FRV-1)的基因型相同。以色列一饲养犬的家庭中，其三周大的婴儿被RV G3毒株感染[13]。人类和动物轮状病毒之间紧密的进化联系强调了对动物和人类中的RV进行密切同步监测的必要性。

目前来看，动物源RVA跨种间传播到人的机制尚不清楚。所有观察到的跨种传播事件均归因于基因组测序。通过对11个基因片段的全部或部分测序结果进行分析，是一种用于获取RVA毒株起源精确信息的一种可靠方法，并可以追踪其进化模式。跨种间传播有三种形式: 一种是RVA毒株没有经过基因重配，而是直接跨种间传播给人类；另一种是RVA毒株某些基因片段和HRVA毒株发生基因重排，导致其跨物种传播给人类；第三是该RVA毒株通过与HRVA毒株和其他动物RVA毒株通过多次基因重排的发生而感染人类，从而产生了新型的RVA毒株。