動物源性病毒跨種間感染與傳播機制研究

1、精品項目名稱：動物源性病毒跨種間感染與傳播機制研究首席科學家：高福 中國科學院微生物研究所起止年限：依托部門：中國科學院一、研究內(nèi)容本項目選擇發(fā)病率高、危害嚴重的動物源性傳染病如高致病性禽流感、狂犬病和蟲媒病毒病等為研究對象，認識病原的致病機制，揭示病原的分子變異和進化規(guī)律， 闡明新發(fā)傳染病跨種間傳播的分子基礎(chǔ)；并開展其生態(tài)學研究以及動物作為某些病原的天然貯存宿主的機制。擬解決的關(guān)鍵科學問題：1. 動物源性人類新發(fā)病原的致病機制動物源性人類新發(fā)病原的致病性取決于宿主與病原的關(guān)系，病原與細胞受體結(jié)合是感染的首要步驟。病原與其細胞受體的相互作用啟動了細胞的一連串動力學反應(yīng)。 研究病原與受體的作用可

2、揭示病毒與宿主細胞的相互關(guān)系，明確病毒的細胞、組織、器官、宿主嗜性、進人細胞機制及其對宿主細胞的影響;闡明病毒的致病機制，弄清病毒融合和侵入過程、復制動力學及其引起的一系列細胞內(nèi)過程。2. 動物源性人類新發(fā)病原的分子變異和進化規(guī)律病原特性取決于其基因組的結(jié)構(gòu)與特點，新發(fā)傳染病在絕大多數(shù)情況下是通過病原的基因變異、基因重組、基因重排等方式突破原有物種間的屏障，在其他物種間引發(fā)新型傳染病的流行。在傳播中所涉及的宿主個體愈多，其受到的選擇壓力的累積效應(yīng)就愈大，又加大了病原發(fā)生進化的動力。掌握病原的分子變異和進化規(guī)律，不僅可了解病毒在群體感染過程中的進化趨向，而且對一些新病原的出現(xiàn)和其可能來源做出判斷

3、，并且通過現(xiàn)代分子生物學技術(shù)如反向遺傳操作技術(shù)等預(yù)測新型病原對人類的威脅和危害，進一步揭示如侯鳥與禽流感傳播的相關(guān)性等擺在我們面前的重大科學問題。3. 動物源性人類新發(fā)傳染病跨種間傳播的分子基礎(chǔ)病原基因變異所引起的致病性、抗原性及對宿主細胞嗜性等的改變是新型病原跨種間傳播的分子基礎(chǔ)?；蚪M重要位點的關(guān)鍵基因突變可導致病原對宿主細胞嗜性的改變，集中在幾個重要的基因片段或重要變異點深入進行研究，尋找導致跨種間傳播關(guān)鍵基因的決定子是當前要解決的關(guān)鍵問題之一。4. 動物源性病毒的自然生態(tài)與傳染病發(fā)生的關(guān)系生態(tài)環(huán)境的惡化導致了許多人類傳染病的產(chǎn)生，動物在自然狀態(tài)下正常活動也可能將新的病原體傳播給人類，人

4、與動物越來越密切的接觸更直接地導致病原體侵入人類社會。所以， 研究病毒相關(guān)動物類群在自然狀態(tài)下的生態(tài)與病原體傳播和擴散，探討病原體與自然宿主之間的協(xié)同進化關(guān)系等問題，是解決自然疫源性疫病來源的重要途徑。5. 動物源性人類新發(fā)傳染病模型動物的建立模型動物是研究傳染病發(fā)病機制、傳播機制以及預(yù)防和治療的重要手段。理想的疾病模型應(yīng)具備再現(xiàn)性好、復制率高以及專一性好等特點。模型動物的建立和發(fā)展促進了現(xiàn)代醫(yī)學的飛躍。建立人類新法疫病的動物模型，不但使我們可正確認識新發(fā)病原的致病機制、傳播機制，更重要的是我們研發(fā)疫苗和評價藥物效果等研究中的重要手段。主要研究內(nèi)容1. 病毒與宿主細胞受體的作用機制以禽流感病毒

5、和乙型腦炎病毒等為突破口，闡明病毒與受體的親和特性以及和配體的相互作用機制，分析跨種群傳播多種細胞系感染和復制機制，解析病毒跨種間感染分子基礎(chǔ)；并根據(jù)宿主高度保守的受體蛋白和病毒囊膜蛋白的受體結(jié)合設(shè)計疫苗和藥物，提出行之有效的防治措施；根據(jù)目前國情的急需，重點研究我國當前H5N1 亞型流行毒株與不同嵌合類型細胞受體的親和特性和基因組變異對嗜性改變的影響，了解當前禽流感病毒對人和動物細胞受體的親和特點，解析當前流行病毒的遺傳進化特性，闡明對人類的潛在危害，為防控政策的制定提供科學依據(jù)。2. 病毒功能蛋白與宿主細胞內(nèi)蛋白的相互作用組學以禽流感病毒和朊病毒等為突破口，利用酵母雙雜交和串聯(lián)親和純化技術(shù)

6、篩選與病毒發(fā)生相互作用的宿主細胞蛋白。對基因進行定點突變，尋找蛋白與細胞靶蛋白發(fā)生結(jié)合的關(guān)鍵位點，同時從細胞水平觀察病毒蛋白與細胞蛋白的相互作用對病毒在細胞內(nèi)復制的影響。觀察病毒突變體和野生株在致病力和感染力等方面的差別。利用特異性的朊病毒多肽進行神經(jīng)細胞朊病毒受體基因表達的定量，同時采用蛋白組學的研究方法確定參與蛋白構(gòu)象變化的宿主細胞因子，確定宿主的致病位點與朊病毒的遺傳關(guān)系，分析相關(guān)蛋白質(zhì)的多態(tài)性，對朊病毒的種間屏障進行免疫學的分子基礎(chǔ)分析。3. 媒介 /中間宿主在人畜共患病發(fā)生中的作用研究狂犬病毒和乙型腦炎等病毒等溯源，以野生動物如蝙蝠、果子貍等為主要研究對象，開展病毒在野生動物中的生態(tài)

7、學研究，確定其在自然界的最終動物宿主、 病毒自然宿主庫和地域分布。研究狂犬病毒等重要流行毒株跨種感染機理；研究不同動物（豬、鴨、鵪鶉等）在流感病毒進化與傳播中的作用和病毒在免疫壓力下的遺傳與變異規(guī)律；蚊蟲為代表的媒介在乙腦、登革熱（熱帶）、出血熱等病毒中中介作用的分子生態(tài)學基礎(chǔ)，建立病毒資源庫、基因儲備庫和生物信息庫。4. 自然貯存宿主在病毒傳播中的作用以蝙蝠源病毒和狂犬病病毒為突破口，確定我國境內(nèi)蝙蝠體內(nèi)感染和攜帶的幾種已知人類重要病毒的種類、分布及其變異規(guī)律，弄清狂犬病毒在野生動物之間的傳播鏈，野生動物行為生態(tài)學與病毒協(xié)同進化之間的相互關(guān)系，弄清不同基因型狂犬病毒的地域分布情況。評價未知病

8、毒對人畜的潛在危害，研究病毒在蝙蝠等重要貯存動物貯存和傳播的分子機理。調(diào)查禽流感病毒在侯鳥中的存在狀況，研究侯鳥遷徙與疫病流行的關(guān)系，為疫病防控政策的制定提供理論依據(jù)。5. 模型動物在研究跨種間感染中的作用以 H5 亞型高致病性禽流感病毒、豬戊型肝炎病毒和狂犬病病毒等為突破口，建立致病和跨種間傳播的動物模型。系統(tǒng)分析病毒在哺乳動物模型的感染和致病能力。利用建立的模型動物，闡明H5 亞型禽流感病毒等的分子致病機制; 同時利用反向遺傳操作系統(tǒng)，研究決定病毒跨越宿主屏障能力以及致病力的分子機制，為人類新發(fā)動物源性疫病的預(yù)防和控制提供信息及理論技術(shù)支撐。二、預(yù)期目標總體目標通過本項目的研究，闡明目前主

9、要動物源性病毒病的致病機理、發(fā)生機制和跨種間傳播的分子和細胞生物學基礎(chǔ)科學問題，確定病毒功能蛋白基因的遺傳變異與致病性、宿主范圍、分子生態(tài)進化等關(guān)系，揭示動物源性病毒病的分子發(fā)生機理， 在病毒演化規(guī)律、種間屏障突破機制、病毒與細胞受體關(guān)系和宿主細胞內(nèi)蛋白的分子作用機制方面取得創(chuàng)新性成果，推動我國在該領(lǐng)域的研究達到國際先進水平， 為研發(fā)動物源性新發(fā)人類傳染病的科學控制技術(shù)提供理論根據(jù)，進而為國家經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定、公眾健康提供科學可信的保障。五年預(yù)期目標1. 確定主要病毒識別宿主細胞受體的進化規(guī)律與跨種間感染的分子機制，可考核指標如下：（ 1）利用遺傳學方法，進行基因突變，體外真核表達病毒識別宿

10、主細胞受體蛋白， 研究這些基因上的一些重要的結(jié)構(gòu)位點的改變，對其受體結(jié)合功能和侵入細胞功能的影響，以及與病毒高致病力的關(guān)系，從而深入了解病毒的致病機制及變異規(guī)律，探索抑制病毒入侵的方法。（ 2）在分子水平上進一步了解和認識毒種間傳播機理，并針對病毒吸附和侵入分子機制，設(shè)計小分子藥物阻斷劑。（ 3）應(yīng)用哺乳動物細胞轉(zhuǎn)染等現(xiàn)代技術(shù)，在不用操作活病毒的基礎(chǔ)上，找尋黃病毒受體。2. 建立主要病毒蛋白與人類宿主細胞內(nèi)蛋白互作組學平臺，可考核指標如下：（ 1）研究病毒蛋白與宿主細胞內(nèi)蛋白的相互作用，篩選與病毒相關(guān)蛋白發(fā)生相互作用的細胞內(nèi)靶蛋白，探討相關(guān)新蛋白與靶蛋白之間的相互作用對病毒復制、裝配、出芽等方

11、面的影響。（ 2）闡明蛋白的相互作用在病毒復制過程中以及感染后細胞發(fā)生病變的分子機制、種間屏障突破機制和種間差異的分子機制。（ 3）提供研制小分子藥物治療動物源性病毒病的理論依據(jù)。3. 建立主要動物源性病毒天然貯存宿主的病原生態(tài)學研究平臺，可考核指標如下：（ 1）確定禽流感、狂犬病毒等病毒的起源、病毒自然宿主庫、流行病學和分子流行病學、遺傳變異和分子進化以及跨物種感染機制。（ 2）解析病毒在生態(tài)鏈中的傳播規(guī)律以及病毒與家養(yǎng)動物、野生動物之間的協(xié)同進化規(guī)律，確定病毒在自然界的最終動物宿主和病毒自然宿主庫以及病毒的地域分布圖。（ 3）比較不同地理區(qū)域，不同動物來源病毒的遺傳信息，揭示其變異和分子進

12、化規(guī)律及跨物種感染的生態(tài)進化規(guī)律。4. 建立動物源性疾病的生態(tài)傳播模型，可考核指標如下：（ 1）確定我國主要媒介動物蝙蝠體內(nèi)感染和攜帶的幾種已知人類重要病毒的種類、分布及其變異規(guī)律的分子流行病學。（ 2）通過血清學和分子生物學檢測手段調(diào)查不同地區(qū)不同季節(jié)蝙蝠體內(nèi)病毒的攜帶或感染狀況和分布規(guī)律。（ 3） 了解未知病毒的種類、分布和敏感宿主，評價未知病毒對人畜的潛在危害。（ 4） 提供未知病毒的檢測和預(yù)防方法，建立新生病毒血清學和分子生物學診斷、監(jiān)測技術(shù)。5. 建立 H5 亞型病毒和豬戊型肝炎病毒等動物模型，可考核指標如下：（ 1）系統(tǒng)分析H5 亞型病毒和豬戊型肝炎病毒在哺乳動物模型的感染和致病能

13、力，并建立禽流感、豬戊型肝炎病毒和狂犬病等動物模型。（ 2）利用建立的模型動物，闡明H5 亞型禽流感病毒等的分子致病機制。（ 3）利用反向遺傳操作系統(tǒng)，研究決定病毒跨越宿主屏障能力以及致病力的分子機制。三、研究方案總體思路：綜合現(xiàn)代病原生態(tài)學、分子病毒學、分子生物學、生物信息學、細胞生物學和生物化學等，利用學科交叉，發(fā)揮多學科優(yōu)勢，從群體、個體、細胞、分子不同層次上，研究動物源性病原的結(jié)構(gòu)、致病性、分子生態(tài)、跨種間傳播的發(fā)生機理。重點圍繞動物流感病毒、日本乙型腦炎病毒、狂犬病病毒、朊病毒、副粘病毒等動物源性病毒，以解決這些疾病致病機理和跨種間傳播發(fā)生機制為關(guān)鍵，從不同角度對這些病原的分子致病特

14、性、與宿主細胞的相互作用關(guān)系、媒介傳播與宿主之間的關(guān)系、物種之間種間屏障基礎(chǔ)進行系統(tǒng)深入的研究。技術(shù)路線：詳見流程圖（圖1 ） 。本研究的技術(shù)路線將全面系統(tǒng)地深入研究當前危害嚴重發(fā)病率高的重要動物源性病毒的致病性及其進化的分子基礎(chǔ)，疾病傳播的遺傳規(guī)律和種間傳染的分子基礎(chǔ)。動物源性病毒疾病跨種間感染研究方案示意圖可行性分析：1 .本項目中有動物學、生態(tài)學、分子病毒學、分子免疫學、分子生物學等學 科的交叉，集成與優(yōu)勢互補可以創(chuàng)新一系列方法， 使我們有能力解析動物源性傳 染病的發(fā)生機制，例如蛋白質(zhì)組學技術(shù)中蛋白質(zhì)1D和2D電泳、酵母雙雜交、蛋白質(zhì)芯片技術(shù)等技術(shù)的綜合構(gòu)成了研究病毒與宿主細胞相互作用的

15、技術(shù)平臺。2 .本項目集中了國內(nèi)最強勢的動物傳染病學、分子病毒學與生態(tài)學、分子免 疫學研究隊伍，首次在國內(nèi)大規(guī)模協(xié)作、系統(tǒng)開展動物源性新發(fā)人類傳染病發(fā)生 機制的基礎(chǔ)研究，由此而構(gòu)建的平臺對快速解決今后新發(fā)疫病的防控有重要作用。3 .本項目的研究領(lǐng)域?qū)儆趪H熱點領(lǐng)域，研究內(nèi)容屬于該領(lǐng)域的前沿，國際 上該方面的研究多數(shù)屬于某一環(huán)節(jié)的研究，涉及多個層面上的系統(tǒng)研究還較有限，我們集中國內(nèi)的優(yōu)勢力量，極有可能在該領(lǐng)域取得一些突破性成果。4 . 參與單位具有良好的工作基礎(chǔ)，承擔過在新發(fā)傳染病相關(guān)領(lǐng)域的國家自然科學基金、 863 項目和國家攻關(guān)項目，有了相當?shù)姆e累，具備開展本研究的工作基礎(chǔ)。創(chuàng)新點與特色：1

16、. 本課題緊緊抓住動物源性病毒在人類及其它動物中存活、增殖并可能同時致病的特點，從分子生態(tài)與分子進化（群體） 和蛋白質(zhì)互作（個體） 的獨特視角，系統(tǒng)探討跨種傳播模式及其相關(guān)機制。2. 運用分子生物學與細胞生物學手段，闡明病毒在其媒介及終末宿主中生物學特征差異的細胞與分子基礎(chǔ)，為進一步設(shè)計干預(yù)這種傳播鏈的新型抑制劑提供依據(jù)。3. 通過對同種病毒在不同種屬動物及人類中使用受體及與宿主細胞因子互作的不同，探尋人畜（動物）共患病發(fā)生與致病機制，為設(shè)計新型藥物與疫苗提供理論基礎(chǔ)。4對一些可能傳入我國的重要動物源性病毒進行預(yù)研，防患于未然，尤其是在東南亞和附近地區(qū)已經(jīng)形成嚴重態(tài)勢、我國境內(nèi)又有相關(guān)動物貯存

17、宿主的病毒。5 . 通過模型動物的建立，分析禽流感病毒、戊型肝炎病毒等對哺乳動物的感染性和致病能力，并利用現(xiàn)代基因操作技術(shù)研究病毒跨種間傳播的分子遺傳機制。四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標第一年研究杭附識別宿主細胞受體蛋白 基因重要結(jié)構(gòu)位點對其受體結(jié)合功 能和侵入細胞功能的影響，篩選與病 毒蛋白發(fā)生相互作用的宿主細胞蛋 白，探索抑制病毒入侵的方法；不同 動物在重要病毒貯存、進化與傳播中 的作用；狀附在哺乳動物模型的感染 和致病能力，并建立禽流感、豬戊型 肝炎病毒等動物模型。(1)體外制備，內(nèi)毒識別宿主細胞受體蛋白，了解病毒的致病機制及變異 規(guī)律，探索抑制病毒入侵的方法。(2)篩選出23種與病毒蛋白

18、相互作用的宿主細胞內(nèi)蛋白。(3)明確禽流感病毒、狂犬病毒等病原在野生禽鳥、動物和家畜的生態(tài)分布和病毒進化特點。(4)查明重要貯存宿主如蝙蝠等體 內(nèi)重要病毒的攜帶狀況，并進行病毒 基因變異和分子進化特征分析。(5)建立H5亞型病毒和豬戊型肝炎病毒等動物模型。研究內(nèi)容預(yù)期目標(1)針對病母吸附和侵入分子機研究病毒蛋白與宿主蛋白的相互制，設(shè)計46種小分子藥物阻斷劑。作用對抗附復制的影響，在分子水平(2)應(yīng)用哺乳動物細胞轉(zhuǎn)染等現(xiàn)代上認識，內(nèi)毒種間傳播機理，并針對病技術(shù)，在不用操作活病毒的基礎(chǔ)上，第毒吸附和侵入分子機制，研究設(shè)計小找尋黃病毒類受體。分子藥物阻斷劑；研究在不同動物在(3)建立禽流感病毒和狂犬病病毒二流感病毒進化的作用以及病毒在選等杭附資源庫、基因儲備庫和生物信擇壓力下的變異規(guī)律；研究杭附在蝙息庫。年蝠等重要貯存動物貯存和傳播的分(4)病毒在蝙蝠等重要貯存動物貯子機理；研究建立評價決定病毒跨越存和傳播的分子機理。宿主屏障能力以及致病力分子機制(5)建立和、止的反向遺傳操作技術(shù)的操作技術(shù)平臺。平臺。病毒功能基因組的變異對病毒受體(1)篩選對病毒繁殖功能影響大的第結(jié)合位點識別功能、致病性及嗜性的小分子阻斷劑。(2)揭示禽流感病影響；選擇壓力對基因組結(jié)構(gòu)和蛋白毒等變異和分子進化規(guī)律及跨物種質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用；比較/、同地理區(qū)域，感染的生態(tài)進化規(guī)律。(3) 了解未三