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脊椎动物RNA病毒研究举世瞩目 “温州样本”全程助力

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4月5日凌晨,世界权威学术期刊《Nature》以研究论文形式,发表了中国疾病预防控制中心(CDC)传染病所研究员、复旦大学附属上海市公共卫生临床中心兼职教授张永振团队的重大研究成果——“脊椎动物RNA病毒的进化历史”。这是继无脊椎动物RNA病毒发现与遗传进化研究取得重大突破后(2016,《Nature》),张永振研究团队又一重要成果。迄今为止,该团队已公开报道发现了近2000种全新病毒,成为目前世界上发现新病毒最多的团队。我中心该项目负责人、消毒与病媒生物防制所所长林献丹,为此做出了重要贡献。

从无脊椎动物到脊椎动物RNA该病毒的2项研究,展示了一个庞大的病毒圈,随着认识的加深引起了学术界强烈的反响并给予了高度评价,学界认为“这是一项颠覆的研究,具有里程碑意义,填补了病毒学空白,挑战了现有病毒分类原则,刷新了RNA病毒圈的认识,将改写病毒学教科书……”


1、什么是RNA病毒?

病毒只含一种核酸(DNA或RNA)作为遗传物质,根据所含核酸的不同分为RNA病毒、DNA病毒。RNA病毒如艾滋病病毒、SARS 病毒、MERS病毒、狂犬病毒、埃博拉病毒、流感/禽流感病毒、乙型脑炎病毒、甲肝病毒等。病毒性疾病因病原体变异快、传染性强、有效药物少,一直是传染病防控和临床治疗的难题。尤其是一些新发突发传染病,由于对病毒特征了解不够,使防控、治疗措手不及,对人类健康造成了严重的危害。

随着分子生物学和分子流行病学的发展,人类对病毒有了新的认识。我们的研究成果就是一大证明。

2、本次研究取得怎样的成果?温州有哪些重要发现? 有何重要意义?

以往对脊椎动物RNA病毒的认知,在某种程度上主要偏向于哺乳动物和鸟类;而对两栖动物、爬行动物,以及鱼类所携带的病毒所知无几。这不利于我们认识完整的病毒圈。

本次研究在我国的陆地、江河、湖泊、海洋,采集到了186种脊椎动物标本。利用独创的样品处理体系和宏转录组病毒筛查体系,在爬行类、两栖类、鱼类中新发现了214种RNA病毒,其中196个被认为是脊椎动物特有的病毒。这些新病毒覆盖了现已知的能感染脊椎动物,包括人类在内的哺乳动物携带的所有RNA病毒属或科,如包含重要人类病原体的科属-流感病毒、沙粒病毒科和丝状病毒科(埃博拉病毒)。



研究第一次在鱼类和/或两栖动物中发现这些病毒类群。表明RNA病毒在鸟类和哺乳动物以外的脊椎动物中存在的数量和多样性巨大。尤其是辐鳍鱼中存在着沙粒病毒科、丝状病毒科和汉坦病毒科的病毒,表明水生脊椎动物中存在着这些从前被认为以哺乳动物为宿主的病毒类群。并大大扩展了已知包含鱼类病毒的病毒类群的遗传多样性。

尤其是在无颌鱼(盲鳗)、两栖动物(中华蟾蜍)和辐鳍鱼(刺鳅)中均发现了不同的新型流感病毒而刺鳅流感病毒在系统发生树上形成了与乙型流感病毒平行的姐妹枝。且新发现的病毒表现出与其在哺乳动物中相似的组织嗜性。

我们的研究新发现脊椎动物病毒科/属的基因组结构比已知的更为多样,其中有的可能代表了这些病毒进化史中的祖先型。尤其是在鱼中发现的两种沙粒病毒基因组均由3个基因节段构成,与之前我们在节肢动物中发现的沙粒病毒科远缘成员相似,意味着在沙粒病毒的进化历史中基因组节段数量由3条减少到2条。这是基因组节段融合的一个重要案例,也就是说病毒在不发生基因缺失的情况下也可以减少基因组节段的数量

除脊椎动物特有的病毒外,我们在两栖类、鱼类、爬行类中还发现了一些之前认为与媒介传播的有关病毒属,如甲病毒、弹状病毒以及黄病毒。其中,温州鲨鱼黄病毒是软骨鱼中发现的第一个黄病毒属成员,病毒存在于所有被检的组织,符合系统性感染。在进化树中,温州鲨鱼黄病毒处在“经典”媒介源性及昆虫特异的黄病毒祖先枝位置,与至今未发现有媒介宿主的Tamana蝙蝠病毒更为接近。与此相似,在鱼类中发现的甲病毒和弹状病毒与已知的鱼类病毒聚类,位于媒介源性病毒的祖先枝位置。在上述这些病毒类群的系统发生树中,既有媒介传播的病毒又有非媒介传播的病毒,它们在进化树上的关系复杂,而且有些地方还出现了“媒介传播二次缺失”的情况。这些媒介传播病毒的来源值得思考!

 

我们的研究提示脊椎动物中的RNA病毒整体上与其宿主起源于海洋的进化历史相一致,其进化历史长达数亿年。由此可见,那些至今仍在感染人类的RNA病毒是古老的,它们随着宿主从海洋走向陆地,并广泛传播。这为揭示生命的遗传进化历史提供了新的依据。新病毒的发现及病毒筛查体系的建立,对认识新发突发传染病的发生、预警预测、预防控制等具有重要的理论指导意义,且有助于传染病病原体的临床诊断和不明原因传染病的精准治疗。


尤其是沿海城市温州,地理特征和生态环境复杂,生物和病毒具有高度多样性。我们通过10年研究,在温州等浙江地区发现了有200多个新病毒:如新型沙粒病毒-温州病毒(且为欧亚大陆第二个发现的沙粒病毒);新型冠状病毒-鹿城褐家鼠冠状病毒、文成鼩鼱病毒、龙泉黑线姬鼠冠状病毒、龙泉罗赛鼠冠状病毒;鼠携带的新型轮状病毒;蜱虫携带的荆门蜱病毒、楚病毒(武汉、温州发现);蝙蝠携带的汉坦病毒——龙泉病毒等;鲨鱼携带的新型HCV类病毒-温岭病毒;在蝙蝠中查到乙肝病毒;首次证明自然界蚊子能携带传播立克次体。发现10种新的病毒亚型,及20种上述病毒新宿主。国内首次发现了索托帕拉雅病毒和临津江病毒,均为国际上第二次发现。并分离培养出了了温州病毒和沟病毒。另外,在国际上首次证实了蝙蝠为汉坦病毒宿主;以及确定大别山病毒为独立的新种。

新发现的病毒部分已被ICTV认可(如温州病毒、温州蟹病毒等)。更重要的是部分新病毒及已知病毒被证实了对人的致病性,如温州病毒能引起人呼吸道疾病;沟病毒(浙江既往发现)能引起肾综合征出血热;新型轮状病毒能感染人。此外,还查明了当前温州流行的手足口病原体有14个型:EV-A71、CV-A6、A2、A4、A5、A8、A9、A10、A16,CV-B4、B5,E6、E14、E16,且均发生了基因重组。这些研究成果为传染病防控指明了方向,也是常规监测更有的放矢。

 

3、什么是宏基因组学和宏转录组筛查体系?对新发传染病防治有何实际应用价值?

宏基因组学是研究环境样品中所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能的研究微生物多样性的新方法。 不依赖于微生物的分离培养,克服了传统纯培养方法的技术限制可以得到环境中丰度较低的,甚至是痕量微生物的信息。其中成功的方法还是直接对宿主总转录组测序,我们称之为“宏转录组通常将宿主核糖体RNA去除后,这种方法可以对单个组织、单个物种、甚至几个物种的混合样品进行大规模的RNA测序,能将样品中存在的所有完整病毒组(和其他微小-生物体)无偏差地检测出来转录组测序产生的数据为解析病毒的进化、基因组、功能提供了丰富的信息。我们利用该方法不但发现无脊椎动物中RNA病毒巨大多样性,而且能快速筛查到新的病毒分类单元(种,属,科,甚至目)

利用宏基因组学使之前认为离散孤立的病毒类群间呈现出更大的“连续性”。随着研究的深入,我们对RNA病毒系统发生的认识也将由一棵树变成一片树林。


用宏转录组发现病毒的同时还能通过计算病毒RNA占宿主所有转录本(去除rRNA)的比例测量宿主内病毒的相对丰度。这也是了解病毒宿主范围的一个重要手段,这是仅依据宏基因组数据做不到的。尤其是,宿主中的病毒丰度越高(特别是能感染多脏器时),则越说明检测发现的病毒确实是感染宿主本身而不是来自于宿主体内的食物或其他(微)生物。

研究揭示了病毒进化是病毒和宿主间的长期共进化及频繁跨种间传播所共同作用的结果。病毒与宿主的共进化可追溯至数百万年甚至于数亿万年前,在共进化的构架基础上,病毒频繁地跨种间传播;这种模式也造就了RNA病毒的宏-进化、以及导致新病毒出现的进化背景。研究表明RNA病毒的进化不是简单疯狂突变的结果,而是结合了多种基因组进化模式,诸如水平基因转移与基因节段数量的改变等在病毒基因组的重塑中发挥重要作用。

很显然基于宏基因组技术所发现的大量RNA病毒将会极大地挑战现有的病毒学分类体系。尤其是,基因组数据将很可能成为病毒分类学研究的新标准,以后将采用完整的病毒学分析而非局限于小部分病毒类群来研究病毒分类。当然,随着病毒生物多样性的不断增加,可能会有更好的筛查体系和分析方法,更加准确地反映出病毒的进化关系。

4、这么多病毒会对人会致病吗?

用张永振教授的话说,“病毒是自然界合理合法的成员,病毒(病+毒)不等于有害的平方。”发现病毒解开病毒神秘的面纱,研究的它的遗传特征、进化规律是为了更好地认识病毒及和宿主(人和动物)的关系,使人类更好地与病毒和谐相处。是否致病还需要深入研究,有些病毒并不致病,对于能致病的病毒做到提前预警,主动防控,这已成为传染病防控的新模式。

宏基因组研究的也质疑了病毒与疾病之间的必然联系。病毒丰度的数据挑战了“病毒是所感染宿主疾病的致病因子”的传统观点。长期以来,病毒始终被认为疾病的致病因子,尤其是宿主还存在大量抗病毒的“免疫”机制以清除病毒。虽然越来越多的研究表明病毒(或是内源性逆转录病毒)可能对宿主有益。此外,我们研究无脊椎动物时发现了许多有趣的例证,这些动物不仅可以携带丰富多样的病毒,而且这些病毒的RNA在宿主中的丰度也很高,有时甚至构成了宿主转录组中除去核糖体后最主要的RNA成分。那么,无脊椎动物是如何承受如此高的病毒载量?虽然可能其中某些病毒最终会导致疾病,但更有理由相信它们不会引起明显的疾病,以及某些宿主也可能进化出来一种能够容忍高丰度病毒存在的机制。

5、今后大团队研究方向?有无结合温州实际的研究设想?

病毒圈是个神秘的“黑洞”,目前我们对病毒了解可能不到1%,而在人类传播的263种已知病毒只占潜在病毒的0.1%。研究人员预计,在25个病毒家族中仍有约167万个未知病毒尚待发现。其中,大概有63.1万至82.7万种病毒是有可能感染人类的。

病毒到底是什么?多样性怎样?哪些因素造就了病毒多样性与进化?都需要我们利用先进的检测技术和分析方法,在更广泛的物种里面寻找更多的证据,在大刻度甚至生态系统水平研究病毒间、病毒与其他微生物间、病毒与宿主间的相互作用,及这些相互作用如何影响疾病的发生,这对我们预防控制新发突发疾病的发生非常重要。

从全球形势来看,未来对动物源性疾病的研究会成为焦点。已有的研究结果也为今后研究方向搭建了大的思路框架。2018年2月23日,研究人员在《科学》杂志上发表文章,科学家们将于2018年启动全球病毒组项目(Global Virome Project)这一项目耗资12亿美元,旨在辨认出未来10年内潜在威胁的70%,研究重点已知的感染人类病毒高发的动物。2018年3月12日,世界卫生组织官网公布了2018年度疾病优先级研究的评估列表内容是与会专家认为可能会造成公众健康危机并且缺乏有效的药物或疫苗,十分有必要尽快对其研究的疾病。包括:克里米亚刚果出血热、埃博拉病毒和马尔堡病毒、拉沙热、中东呼吸综合征冠状病毒感染和严重急性呼吸综合征、尼帕病毒、裂谷热、寨卡病毒以及X疾病。在更新的疾病名单中,首次出现了一种神秘的“X疾病”(Disease X)。据WHO专家解释,谓的“X疾病”,可能是由已知或未知病原体引起,主要用意是提醒各国为可能面临的潜在疾病威胁做好准备。

X疾病和传统的“新发再发传染病”(emerging and re-emerging infectious disease)的概念范围差不多。在新发传染病和再发传染病的病原体图谱里,病毒是关注的重中之重。而且,绝大多数是RNA病毒,这可能跟RNA病毒更容易突变有关系;绝大多数新发或再发病毒的来源都是动物。



基于之前的研究,全球病毒组项目将鸟类和哺乳动物所携带的病毒作为重点,相信我们最新的研究成果会为之提供新的启示,同时中国的研究团队也有责任、有能力在该领域贡献智慧和力量。

对温州而言,是否还存在更多的新病毒,多年来发现的新病毒对人是否具有致病性或潜在威胁,下一步需要和临床结合利用新的筛查体系开展病原诊断,这也将有助于提高新发传染病的发现能力和精准治疗。

传染病无国界,科研工作应该打破地域的限制,病原研究也需要更开阔的视野。今后会进一步加强国际合作、地区合作,做到医防融合。研究涉及层面也会更广,包括病毒和细菌等。在该项研究中温州不仅立足本地,还涉及浙江其他地区,建立了科研合作“温州模式”,为团队提供了大量“温州样本”、“浙江样本”,同时其他省市的合作单位密切协作,优势互补,成为了张永振团队的中坚力量,今后将继续努力,期待在中国科研史上留下更多的“温州符号”。


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