分析我国贵州地区17株肠道病毒71型(Enterovirus 71,EV71)分离株的基因特征及遗传进化情况,探讨本地区EV71病毒的分子流行病学特点。
收集2013至2015年贵州省各地区手足口病住院患儿咽拭子样本,提取其病毒核酸,利用逆转录-聚合酶链反应(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)分段扩增其全基因组后进行测序,测序结果利用DNAMAN8.0软件进行编辑及拼接,然后将病毒基因组序列分别与基因库中其他EV71基因组序列进行Blastn比对,应用MEGA5.2软件中的Neighbor-Joining法构建系统进化树。
本研究成功分离扩增出17株EV71病毒全基因组序列,其基因组全长均为7 405 bp,编码2 193个氨基酸。毒株间存在的12处氨基酸位点差异将17株分离株划分为10种氨基酸序列,不同序列与临床类型尚未表现出规律性和相关性。17株EV71分离株间VP1区、5′非翻译区( 5′ untranslated region,5′UTR)及3′非翻译区( 3′ untranslated region,3′UTR)核苷酸同源性均较高,其全基因组与A、B、C基因型及柯萨奇病毒A组16型(Coxsakievirus A 16,CA16)代表株进行同源性比较显示其与EV71 C4a亚型代表株同源性最高,为95.3%~98.1%,与CA16代表株同源性最低。17株分离株基于全基因组、VP1区及5′UTR核苷酸序列构建的遗传进化树显示17株分离株自成一簇,与C4a亚型代表株聚在同一大分支上,不同区域构建的进化树亲缘关系远近存在差异。
2013至2015年贵州地区流行的EV71毒株基因型为C4a亚型,与国内其他地区流行的EV71基因型一致,暂未出现抗原转变及新亚型毒株输入,但存在着碱基及氨基酸改变,需动态监测;17株EV71分离株氨基酸序列差异与疾病严重程度尚未表现出相关性。
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手足口病是5岁以下儿童常见的传染病,肠道病毒71型(enterovirus 71,EV71)是导致其重症病例和死亡病例的主要病原体[1]。重症患儿除了出现手足口病症状外,还可出现脑膜炎、脑炎、急性弛缓性麻痹等神经系统病变[2],病情进展迅速者可致死亡,极少数幸存者往往遗留不可逆的后遗症,严重威胁儿童健康。EV71流行病学、特异性抗病毒药物及疫苗研究是降低重症手足口病发病率和病死率的关键。因此,目前国内外学者对重症手足口病防治研究的重点及热点主要集中在以上方面。
近年来,随着贵州旅游业发展及外出务工人口增多,人员流动较大,EV71在贵州地区传播流行也呈现出上升趋势,有不少重症病例发生,时有死亡病例报道。为此,本地区很多学者对其临床流行病学展开了研究,在一定程度上对EV71预防起到了积极作用,但从分子水平研究流行病学尚少。由于EV71属于单股正链RNA病毒,基因组易发生突变,加之肠道病毒混合感染为基因重组创造了条件,这些均成为病毒变异的重要原因[3]。因此,及时掌握贵州地区EV71病毒基因组变异特征及分子流行病学特点是预防重症手足口病流行的重要关键措施之一。本研究以此为切入点,对贵州各地区手足口病患儿分离到的17株EV71展开全基因组、同源性及遗传进化分析,为贵州地区重症手足口病防控提供分子流行病学参考,同时也为后续进一步针对本地区抗原表位多肽疫苗等实验研究提供基因参考序列。
收集2013年3月至2015年12月贵州各地区手足口病主要收治医院住院患儿咽拭子样本进行病毒分离、提取、鉴定及全基因组扩增。手足口病诊断标准及分型参照卫生部颁发的《手足口病诊疗指南2010年版》[4]。
病毒RNA提取试剂盒、凝胶回收试剂盒、RT-PCR试剂盒,RT-PCR试剂盒及克隆载体PMD18-T均购自日本TaKaRa公司,EV71扩增引物由重庆Western Biotechnology公司合成。
将采集的患儿咽拭子标本进行预处理后接种到形态良好、刚长满单层的健康RD细胞上,每天于显微镜下观察细胞病变效应(cytopathic effect,CPE),当80%RD细胞出现CPE时,则将细胞及维持液收获,离心,留取病毒上清液;连传2代仍未出现CPE者则判为阴性。细胞培养和病毒分离均按WHO《脊髓灰质炎实验室操作手册》第4版中标准操作进行。
CPE阳性者将留取的病毒上清液采用TaKaRa MiniBEST Viral RNA/DNA Extraction Kit Ver.5.0试剂盒提取病毒核酸,提取步骤参照试剂盒说明书进行。
将提取的病毒RNA采用一步法RT-PCR试剂盒(TaKaRa PrimeScript™ One-Step RT-PCR Kit Ver.2试剂盒)进行逆转录-聚合酶链反应,产物采用0.8%琼脂糖凝胶电泳鉴定病毒类型。引物包括EV71核酸检测引物序列及柯萨奇病毒A组16型(CA16)核酸检测引物序列,见表1。
鉴定的病毒类型 | 引物序列(5′-3′) | PCR产物长度(bp) |
---|---|---|
EV71 | For(上游):GTCCTTAATTCGCACAGCACAGCT | 508 |
Rev(下游):CGGTCCGCACTGAGAATGTACCCAT | ||
CA16 | For:CCTATTGCAGACATGATTGACCAG | 882 |
Rev:TGTTGTTATCTTGTCTCTACTAGTG |
在病毒基因序列保守区域,设计覆盖EV71病毒全基因组的9对特异性引物,长度为19~26 bp,见表2;将鉴定为EV71的病毒核酸通过9对引物,按照RT-PCR反应试剂盒说明书进行全基因组核酸序列分段扩增。
引物名称 | 引物序列(5′-3′) | 扩增产物长度(bp) |
---|---|---|
EV71-1P | 1+ TTAAAACAGCCTGTGGGTTGCACC | 769 |
769- GTGTAGACACTTGCGAACC | ||
EV71-2P | 719+ CTTGACCCTTAACACAGCTA | 914 |
1632- GCTCCTTGGTCGTAGTCTAG | ||
EV71-3P | 1597+ GTGCCTATTAGCCCACTAGAC | 973 |
2568- ACCTTGCCTGTATCCAGTCGA | ||
EV71-4P | 2532+ ACAGGTGAGCAGTCATCGACT | 815 |
3346- CTGTTGTCCAAATTTCCCAAGA | ||
EV71-5P | 3216+ GTGGATACCTCGCCCGATGC | 919 |
4134- CACTCTAACCCCTTAGCGGCGT | ||
EV71-6P | 4043+ CCATCTTAGGTATCCCTATCGC | 1003 |
5045- TTGTGTTGCCAATGGCGGACC | ||
EV71-7P | 4969+GTCAGATACAGTGTGGATACG | 909 |
5877- CCACCAATGTGAATACCGACAA | ||
EV71-8P | 5799+CAACTTTCCTACTAAAGCAGGAC | 769 |
6567- CCCACGGCTGATCCAGTTATCG | ||
EV71-9P | 6500+ TGGCTTTCGGACATTTGTATGA | 906 |
7405- GCTATTCTGGTTATAACAAATTTACC |
PCR扩增的目的片段回收纯化后与PMD18-T载体连接,连接产物转化至DH5α大肠埃希菌感受态细胞,经蓝白斑筛选法筛选出阳性克隆后,37℃孵育过夜,然后从培养基中挑取大小适中、正圆的菌落装入LB液态培养基中送测序公司[生工生物工程(上海)股份有限公司]测序。
对扩增克隆的9段核酸产物进行测序(测序仪器为ABI PRISM 3730,测序试剂为BigDye terminator v3.1),测序结果采用DNAMAN8.0软件进行编辑及拼接。
将组装后的序列在NCBI网站上分别与基因库中已报道的13株EV71各基因型代表株基因组序列(登录号-毒株类型分别为:U05876.1-CA16、U22521.1-EV71 A型、U22522.1-EV71 B型、AF302996.1-EV71 C4b亚型、EU703813.1-C4a(安徽阜阳)、JX244186.1C4a(山东临沂)、GQ994989.1-C4a(重庆)、KT428648.1-C4a(深圳)、KU936124.1-C4a(上海)、HM053669.1-C4a(北京)、KC109780.1-C4a(江西)、KM211580.1-C4a(河南)、KP274875.1-C4a(台湾))进行Blastn比对,确定是否为EV71病毒的核酸序列,同时进行病毒全基因组核酸同源性比较;进化树的构建使用MEGA5.2软件中Neighbor-Joining法(bootstap值为1 000)。
本研究成功分离扩增出17株EV71病毒全基因组序列,其中2例分离于普通型病例(毒株命名为:轻症1、轻症2),12例分离于重症重型病例(毒株分别以"重症1~12"命名:重症1~重症12),3例分离于重症危重型病例(毒株分别以"危重症1~3"命名:危重症1、危重症2、危重症3)。
17株EV71分离株基因组全长均为7 405 bp,其中5′UTR为742 bp,3′UTR为84 bp,开放阅读框(open reading frame,ORF)为6 579 bp,共编码2 193个氨基酸。从5′UTR到3′UTR,ORF编码蛋白及其对应的核苷酸和氨基酸数目见表3。
项目 | 5′UTR | VP4 | VP2 | VP3 | VP1 | 2A | 2B | 2C | 3A | 3B | 3C | 3D | 3′UTR |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
核苷酸( bp) | 742 | 207 | 762 | 726 | 891 | 450 | 297 | 987 | 258 | 66 | 549 | 1386 | 84 |
氨基酸(个) | - | 69 | 254 | 242 | 297 | 150 | 99 | 329 | 86 | 22 | 183 | 462 | - |
氨基酸位置 | - | 1~69 | 70~323 | 324~565 | 566~862 | 863~1012 | 1013~1111 | 1112~1440 | 1441~1526 | 1527~1548 | 1549~1731 | 1732~2193 | - |
注:EV71病毒全基因组全长共7 405 bp,共编码2 193个氨基酸。
对比分析17株EV71分离株全基因组,5′UTR 12处核酸位点存在碱基差异,3′UTR 8处核酸位点存在碱基差异,ORF 12处氨基酸位点存在差异。存在差异的氨基酸位点中,结构蛋白编码区6处(VP4区2处、VP3区1处、VP1区3处),非结构蛋白编码区6处(2C区1处、3C区1处、3D区4处)。根据氨基酸序列差异,17株EV71分离株共存在10种氨基酸序列,其中7株分离株氨基酸序列完全一致(包括:重症4、重症5、重症6、重症8、重症9、重症10、重症11);重症3和危重症1氨基酸序列一致,与前述7株分离株序列仅在VP1第284位氨基酸存在1个氨基酸差异[重症3和危重症1为S(丝氨酸),前述7株分离株为I(异亮氨酸)];其余8株分离株氨基酸均自成一种序列,各不相同。
贵州省17株EV71分离株VP1编码区、5′UTR及3′UTR相互间的同源性均较高:VP1编码区间的核苷酸和氨基酸同源性均为99.8%~100%,相同毒株比较,其氨基酸同源性较核苷酸同源性高或相等;5′UTR核苷酸同源性为99.1%~100%;3′UTR非编码区核苷酸同源性95.2%~100%。分离株与其他代表株进行全基因组同源性分析,结果表明贵州分离株全与EV71 C4a亚型代表株同源性较高,为90.5%~98.1%,其中与深圳、上海、重庆及安徽阜阳代表株同源性最高(96.5%~98.1%),与我国台湾地区代表株同源性相对较低(90.5%~90.8%);与EV71 C4b亚型代表株同源性为89.7%~89.8%;与CA16、EV71 A型和EV71 B型代表株同源性均在85%以下,其中与CA16同源性最低。
基于全基因组、VP1编码区及5′UTR核苷酸序列构建的遗传进化树在树形上相似,表现为17株EV71分离株自成一簇,与基因库中其他地区的C4a亚型毒株并列聚在同一大分支上,其中与上海、深圳、河南、山东等地区代表株亲缘关系较近,与北京、台湾代表株亲缘关系较远;基于三个区域构建的遗传进化树显示与贵州分离株亲缘关系最近的毒株存在差异,见图1, 图2, 图3。
QZ代表轻症毒株;ZZ代表重症毒株;WZZ代表危重症毒株。
QZ代表轻症毒株;ZZ代表重症毒株;WZZ代表危重症毒株。
QZ代表轻症毒株;ZZ代表重症毒株;WZZ代表危重症毒株。
手足口病是儿童最常见的传染病,自2008年卫生部将其列为法定报告管理的丙类传染病以来,手足口病一直是国内丙类传染病发病和死亡例数的首位[5]。近年来,随着贵州人口流动频繁,贵州地区手足口病发病率一直居高不下,居全国前列,虽然其发病数在全国排位呈逐年下降情况,但死亡病例在全国排位却逐年上升[6],即使在2013年全国手足口病发病水平相对降低的情况下,贵州省手足口病重症数和死亡数亦明显增加,疫情相对较重[7]。李法锦等[6,8]研究指出,贵州地区手足口病重症病例和死亡病例多数是由EV71感染所致。EV71具有嗜神经性,部分患儿感染后可发生脑干脑炎、神经源性肺水肿等导致死亡[9],因此,开展EV71研究工作是降低本地区手足口病重症率和病死率的重要措施之一。有流行病学研究资料表明,不同地区、不同症状的病毒性疾病爆发可能与毒株间的差异等因素有关[10],且EV71病毒属于单核酸生物,其基因在遗传进化过程中由于环境、地域等因素影响,易发生变异产生新型毒株,导致疫情难以控制。因此,研究不同地域EV71病毒流行株的基因及遗传进化特征,掌握其分子流行病学特点,并针对此特点因地制宜地采取防控措施,对于控制EV71型手足口病疫情具有重要意义。
1984年,学者们开始了基于EV71病毒衣壳多肽序列分析的分子流行病学研究[11],目前主要研究内容已增加至VP1基因、VP4基因和5′UTR。根据EV71 VP1核苷酸序列不同,国际通用的基因型分类[12,13]将EV71分为A、B、C 3个基因型,其中A型只包括原型株BrCr-CA-70一种类型,B型和C型又各分为B1~B5,C1~C5亚型,C4亚型包括C4a和C4b亚型两类。自1998年我国台湾疫情后,我国流行的基因型主要为C4亚型,但以2004年为界又被分为两个阶段,2004年之前,主要以C4b亚型为主导,2004年之后,以C4a亚型为主导[14,15],包括2007年山东临沂[16]和2008年安徽阜阳[17]爆发的大规模EV71疫情,提示C4亚型在我国传播虽然较稳定,但也存在着潜在进化趋势,需动态监测。本研究对贵州地区EV71全基因组、VP1及5′UTR同时进行遗传进化分析,均证实贵州地区流行的EV71基因型与国内其他地区一致,也为C4a亚型,暂未出现抗原转变及新亚型毒株输入,因此,目前其他地区针对EV71疫情制定的防治策略是可供贵州地区参考的,国家批准使用的EV71 C4亚型毒株灭活疫苗对贵州地区EV71型手足口病预防也是有作用的。但基于3个区域构建的进化树显示与贵州地区亲缘关系最近的毒株存在差异,提示EV71病毒基因组间各个区域的进化速率有所不同,需参考病毒的全基因组序列才能更加充分地体现病毒的遗传进化特点。
有学者研究指出,EV71全基因组的进化率约为(4.2~4.6)×10-3替换/位置/年(substitutions per site per year),相当于每年整个EV71基因组约有30个新突变[3];且毒株间存在基因重组现象,甚至有学者断言,几乎所有的EV71基因型均是由重组产生[18],刘爱平等[19]学者就提出,2008年安徽省阜阳市发生的重大手足口病爆发疫情与EV71和CA16在3D区域发生型间重组有关。因此,仅仅通过病毒部分或结构蛋白基因区域来判断病毒遗传变异情况是片面的。本研究对17株基因型相同的贵州地区分离株进行全基因组分析,发现病毒全基因组多个基因片段存在不同程度的碱基或氨基酸变异,导致病毒基因多样性的发生,与其他地区不同基因型毒株进行全基因组同源性比较,结果显示贵州毒株与其他地区C4a亚型代表株同源性最高,达90%以上,其中与上海、深圳、重庆等南方地区流行毒株同源性高达96.5%以上,与北京、台湾地区代表株同源性则相对较低,提示目前贵州地区EV71毒株变异程度不大,暂未引起基因型别改变,但可能地区之间频繁的人员往来、相似的地域环境为病毒的传播创造了有利条件,导致毒株同源性出现地域差异,需警惕外来异型毒株的输入传播。同时,本研究17株分离株相互对比分析,出现了部分核苷酸同源性高于氨基酸同源性的现象,提示部分基因变异属于同义突变,并未引起氨基酸改变,少数导致氨基酸变异,与Tee等[20]学者研究结果相符。基因重组和基因突变作为种系发生的两种潜在机制,虽然目前贵州地区EV71病毒尚未出现基因型改变,但仍需对其基因变异进行持续动态监测,警惕微小变异累积效应及关键基因突变、重组造成病毒变异,导致新型毒株聚集性爆发。
现今,贵州地区人口逐年增多,且气候温和,湿度大,给传染病的发生创造了客观条件;同时,纵观EV71病毒的遗传进化历史及进化率,目前流行的EV71病毒随时可能发生重要位点或多位点的累积突变及重组,导致新类型毒株产生,一旦该毒株获得进化优势,则可能会成为新的主导类型,导致手足口病临床症状与体征发生改变,使疫情难以控制;所以仍需密切关注贵州地区EV71病毒的流行情况,对其分子流行病学进行持续动态监测,控制手足口病流行期间的输入传播。无论如何,对重症手足口病主要病原体EV71的分子流行病学监测、分析及病毒毒力、致病机制研究仍将是攻克重症手足口病的重要方向。