猴痘病毒（MPXV）與天花病毒基因組比對

天花是由痘病毒科正痘病毒屬成員天花病毒（VAR）引起的一種死亡率高的人類流行性疾病。由于真空吸蟲病病毒（VAC）衍生的一種高度安全和廉價的疫苗的誕生，大規(guī)模接種疫苗以及徹底的流行病學(xué)監(jiān)測，使天花于1977年在全球被根除。在根除天花之后，世界各地終止了疫苗接種。這為人畜共患正痘病毒如：猴痘病毒（MPV）、牛痘（CPV）和布氏痘等傳播和適應(yīng)性突變提供了機會。猴痘病毒（MPV）是最受關(guān)注的人畜共患正痘病毒。猴痘和天花的臨床相似性，引發(fā)了關(guān)于病毒的遺傳關(guān)系以及MPV是否會進(jìn)化成一種具有高頻率人傳人VAR樣病毒的猜想。

猴痘病毒與天花病毒的基因組差異

俄羅斯國家病毒學(xué)和生物技術(shù)“載體”研究中心的Sergei N. Shchelkunov等科學(xué)家對1996年在扎伊爾一次大規(guī)模猴痘暴發(fā)期間從患者身上分離的MPV進(jìn)行了197 kb基因組測序。通過將MPV的基因組序列與引起嚴(yán)重疾病的印度1967株（VAR- IND）和引起相對輕微疾病的小天花Garcia-1966株（VAR- GAR）的基因組序列進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)MPV基因組中部編碼必需酶和結(jié)構(gòu)蛋白的核苷酸序列與天花病毒（VAR）的同源性為96.3%。而基因組末端編碼毒力和宿主范圍因子的區(qū)域有相當(dāng)大的差異。MPV中兩個干擾素（IFN）抗性基因的突變以及白細(xì)胞介素- 1β（IL-1β）抑制的存在可能導(dǎo)致這兩種病毒特性差異，也可能限制了猴痘作為天花模型的用途。雖然廣泛的基因差異證實了MPV不是VAR的直系“親屬”，但不排除未來MPV對人類的適應(yīng)性。

1. 基因全長

MPV-ZAI基因全長196858 bp，包含≥60個氨基酸殘基190個基本不重疊的ORF，其結(jié)構(gòu)特征和GC含量（31.1%）與其他正痘病毒相似。MPV-ZAI基因的編碼序列全長比VAR長，為195118 bp。MPV DNA較長的長度主要是由于左側(cè)4個末端ORF的重復(fù)，作為末端反向重復(fù)（TIR）的一部分，而VAR基因組是非常短的無基因TIR，缺乏ORF重復(fù)（圖1）。

圖1. MPV-ZAI和VAR-IND末端物種特異性可變基因組區(qū)域示意圖

注釋：TIR用箭頭表示，短串聯(lián)末端重復(fù)區(qū)域用矩形表示。重合序列用寬黑色塊表示；一個基因組相對于其他基因組的缺失顯示為線。可變基因組區(qū)域的邊界由與其在基因組中的位置相對應(yīng)的核苷酸數(shù)標(biāo)記。

2. 中心基因組

正痘病毒的中心基因組區(qū)主要包含高度保守的必需基因。MPV-ZAI DNA的中心基因組區(qū)共有101 466 bp，由C10L和A25R ORF劃定，與VAR-IND的同源性為96.3%。MPV-ZAI這一區(qū)域編碼的病毒體蛋白氨基酸序列與VAR-IND有91.7-99.2%的相似性。

3. 末端區(qū)域

1）毒力因子

值得注意的是，MPV-ZAI突變是兩個IFN抗性基因的翻譯，它們在VAR和其他正痘病毒中是完整的胞內(nèi)蛋白。其中一個（VAR-IND中的C3L，表1）是真核翻譯起始因子2α（eIF-2α）的同源物，通過充當(dāng)誘餌抑制雙鏈RNA依賴蛋白激酶（PKR）的抗病毒活性。MPV（株ZAI和CNG）基因組不編碼這種蛋白質(zhì)。研究表明，缺乏該基因的突變VAC表現(xiàn)出IFN敏感性，與親本病毒相比，病毒產(chǎn)量降低了約100倍。另一個IFN抗性基因（VAR-IND中的E3L，表1），存在于VAR和其他正痘病毒中，分別由第1或第2蛋氨酸以長或短的形式表達(dá)（圖2A）。在VAC中，該基因編碼的長形蛋白N端結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)與Z-DNA的結(jié)合、核定位和PKR相互作用，是VAC毒性必需的蛋白。短型或長型蛋白的C端結(jié)構(gòu)域可結(jié)合雙鏈RNA，抑制IFN誘導(dǎo)的PKR和2-5A合成酶的激活，是IFN抗性和VAC宿主范圍所必需的。MPV的第一個翻譯起始密碼子和下游的無義突變明顯，因此只有短形式的翻譯（圖2A）。這兩種IFN的突變，可能導(dǎo)致MPV比VAR更少的人際傳播。

MPV編碼一種互補結(jié)合蛋白，只有3個短重復(fù)，而在其他正痘病毒中有4個（圖2B）。另外，MPV編碼分泌的IL-1β結(jié)合蛋白和3-l-羥基-δ-5甾體脫氫酶，在VAR菌株沒有完整的ORF（表1）。值得注意的是，編碼IL-1β結(jié)合蛋白的VAC基因與發(fā)熱和致病性相關(guān)。因此，MPV中IL-1β結(jié)合蛋白的存在可能是其致病性低于VAR的原因之一。

圖2. MPV與VAR IFN抗性因子及互補結(jié)合蛋白氨基酸序列比對

注釋：圖2A是對VAR-IND、VAR-GAR、MPV-ZAI對應(yīng)基因編碼的正痘病毒E3L IFN抗性因子氨基酸序列進(jìn)行比對。顯示含有N端腺苷脫氨酶Z-α結(jié)構(gòu)域（灰色標(biāo)記）和C端雙鏈RNA結(jié)合基序的區(qū)域。相同的氨基酸殘基用圓點標(biāo)記；氨基酸缺失用破折號標(biāo)記。第一個和第二個蛋氨酸殘基開始一個長或短形式的蛋白質(zhì)用星號標(biāo)記在序列上方。圖2B是正痘病毒互補結(jié)合蛋白的氨基酸序列比對。顯示VAR-IND和MPV-ZAI的ORF。保守的半胱氨酸殘基用黑色垂直塊標(biāo)記，其他保守殘基用灰色垂直塊標(biāo)記。方塊上面的數(shù)字表示互補控制蛋白的四個典型重復(fù)區(qū)域。

表1. MPV與VAR毒力因子比對

2）錨蛋白子

含有錨蛋白重復(fù)序列的編碼蛋白ORF，其中一些具有宿主范圍功能（正痘病毒同源的MPV-ZAI D7L和C1L），是最大的正痘病毒基因家族。在屬于這個家族的10個基因中，MPV-ZAI基因組中與VAR-IND B19R對應(yīng)的基因被刪除，MPV-ZAI基因D1L對應(yīng)的基因在兩個VAR株中均缺失。此外，該家族的4個VAR基因（VAR-IND中的D6L、D7L、C1L和O3L）相對于MPV同源基因被截斷。目前，我們只能推測這些差異可能如何影響宿主范圍或毒性。

表2. MPV與VAR錨蛋白比對

4. 系統(tǒng)發(fā)育樹分析

為了更好地理解遺傳關(guān)系，利用117600 bp的DNA對4種人類致病性正痘病毒的末端可變基因組區(qū)域進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析（圖3）。VAR的主要亞種和次要亞種關(guān)系密切，MPV與VAR的距離比VAC略遠(yuǎn)。

圖3. MPV、VAR、CPV、VAC末端可變基因組序列系統(tǒng)發(fā)育樹分析

綜上所述，MPV和VAR基因組比對結(jié)果表明，MPV毒力基因與VAR的主要株和次要株存在多重差異。MPV和VAR很可能是獨立于正痘病毒祖先進(jìn)化而來的。VAR和MPV之間的遺傳差異對該MPV天花模型的有效性提出了相當(dāng)大的疑問。然而，MPV本身引起的嚴(yán)重疾病，我們需要密切監(jiān)測MPV感染率，以確保它不會在艾滋病高發(fā)的未接種疫苗人群中通過自發(fā)或重組的方式進(jìn)行人類適應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

Sergei N. Shchelkunova, Alexei V. Totmenina, Igor V. Babkin, et al. Human monkeypox and smallpox viruses: genomic comparison[J].FEBS Letters,2001,509:66-70.

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