基于样本频率的重要亚型禽流感病毒适应性进化规律研究

发布时间：2020-05-13 20:51

【摘要】：禽流感病毒主要在禽类宿主中流行,但是近年来不断有禽流感病毒跨越宿主屏障感染人类。全球首例人感染H5N1病毒的病例发生在1997年的香港,从2003年起,高致病性H5N1病毒感染人类的事件便不断在世界各地出现,至今已造成900多人感染。H7N9病毒自从2013年被报道出现人感染的病例以来,便一直在人群中不断流行,到2017年为止已经在中国大陆造成了5次疫情。为了应对禽流感病毒不断进化对人类造成的威胁,对它们遗传变异的监测就显得尤为重要。无论是禽流感病毒的毒力、复制能力、逃避免疫的能力,还是它跨越宿主屏障的潜力,都和病毒适应性进化过程中产生的突变密切相关。但是现有的对病毒突变的研究多是针对某一个或某几个位点展开的,虽然专一性强,但是缺乏对病毒适应性进化过程中突变规律的整体把控。在本文的第一部分工作中,我们建立了一种全面、批量、快速地寻找流感病毒进化过程中发生的全部重要突变的方法。该方法的核心是对病毒固有的信息进行数学建模,定义并计算“株频率”和“枝频率”,然后以频率为基础利用回溯的方式计算出进化路径上所发生的全部突变。该方法的最大优势在于它的通用性,完全不依赖于病毒的种类和任何特征,只需要待研究的病毒有完整的序列信息,并且按照年份进行演替。同时,基于突变后氨基酸在各年份间的频率变化和固定情况,我们还建立了一个突变评价体系来初步评价计算出的突变。在本文的第二部分工作中,我们选取H5N1病毒HA节段为研究对象,利用我们建立的方法对其适应性进化过程中的重要突变规律进行研究。一共计算出435个突变,得到了一张氨基酸固定及频率变化分布表。其中,有效变换79个,发生在36个位点上,其中20个在抗原表位上。结合氨基酸频率图表,我们推出有效变换的位点很有可能是正选择位点。同时,我们还发现了29个高频次突变位点,有14个落在HA抗原表位上,20个是已报道的正选择位点。因此我们认为高频次突变与病毒适应性进化密切相关,将高频次突变和有效变换结合起来评价突变将更有说服力。在本文的第三部分工作中,我们应用建立的方法来研究H7N9病毒全基因组8个节段的突变规律。经过计算,我们最终得到HA上的突变46个,NA上的突变42个,PB1上38个,PB2上38个,PA上31个,NP上20个,NS1上31个,NS2上1个,M1上4个,M2上18个。和现有的研究对比后发现,已报道的突变大部分都在我们找到的突变当中,足以证明我们建立的方法准确可靠。同时,我们还发现HA节段上的M245I/L和L235Q很可能与第五波疫情及高致病性毒株的出现有关,L186I的出现提高了病毒的适应性;NA节段上I16T及Y171H在NA进化过程中都发生了两次,且都处在系统发生树的关键结点上,说明它们和病毒适应性的提高密切相关;内部节段中有很多突变与各波疫情的起伏都息息相关,研究它们的功能对我们探究各次疫情爆发的原因具有很大意义。无论是我们建立的突变寻找方法还是初步的突变评价体系,都为实验人员提供了一个很好的参考作用。对于病毒突变的研究,不必再拘泥于某一个或某几个人为观察到的位点上,而是在高效获得的全部突变中,利用我们的评价体系,挑选有意义的突变着重研究,既节省了时间,又给后续的实验研究指明了初步的方向。
【图文】：

氨基酸,系统发生树,病毒,蛋白

图 2.1 H5N1 病毒 HA 蛋白系统发生树及部分关键位点氨基酸突变2.3.2 氨基酸频率图表根据上节中计算出的氨基酸突变及位点信息，可以计算得到一张各突变位氨基酸固定情况和频率变化分布表，在下节会详细介绍（图 2.3）。对于表格中每一行，是各个位点的详细信息，据此可以绘制该氨基酸突变位点的频率图表既能反映该位点氨基酸频率随年份的变化情况，也能方便直观地体现氨基酸替

频率图,氨基酸,频率变换

第 15 页图 2.2 279, 171, 498, 98, 61, 100 突变位点氨基酸频率图表2.3.3 频率变换及有效变换氨基酸频率图表清楚地展示了频率的跳跃式变化，也就是突变位点氨基酸明显的取代更迭过程，我们将这种年份间的主要氨基酸替换过程称为“频率变换”。如果突变后的氨基酸固定或基本固定了至少一年，我们就称其为“有效变换”，否则叫做“无效变换”（具体的计算方法详见 1.2 部分）。通过计算年份间最大频率变化和突变后固定情况，我们共计算出有效变换 79 个，无效变换 97 个。79 个有效变换发生在 36 个位点上，其中 20 个位点是已知的抗原表位（详见表 2.2）[54]。因此，我们认为免疫选择是突变演替过程的重要推动力。
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S852.65;R373.13

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