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结构最复杂的人类病毒——轮状病毒

2020-04-26 15:39 作者:制御秘书长杜鹃  | 我要投稿

        今天介绍的是结构最复杂的人类病毒——轮状病毒(Rotavirus)。

简介

轮状病毒
轮状病毒、纳米金与单克隆抗体
计算机模拟的轮状病毒
轮状病毒电镜照片

       轮状病毒是呼肠孤病毒家族的双链RNA病毒的属,是最著名的呼肠孤病毒(Reovirus)。轮状病毒是婴幼儿腹泻病的最常见原因。到五岁时,世界上几乎每个儿童都至少感染过一次轮状病毒。每次感染都会产生免疫力,因此以后的感染不太严重。 成人很少受到影响。该属有九种,分别称为A,B,C,D,E,F,G,H和I。轮状病毒A是最常见的一种,可导致人类90%以上的轮状病毒感染。

       1943年,雅各布·莱特(Jacob Light)和霍勒斯·霍德斯(Horace Hodes)证明,传染性腹泻患儿的粪便中的可过滤物质也会引起牛痢疾(牲畜腹泻)。三十年后,该病原的保存样本被证明是轮状病毒。在随后的几年中,轮状病毒被证明与腹泻有关。1973年,Ruth Bishop及其同事描述了在患有肠胃炎的儿童中发现的相关病毒。

       1974年,托马斯·亨利·弗莱维特(Thomas Henry Flewett)提出了轮状病毒的名称,原因是观察到,通过电子显微镜观察时,轮状病毒颗粒看起来像一个车轮(拉丁语为Rota),该名称已被国际生物分类学委员会正式认可四年后的病毒数量。1976年,其他几种动物中也发现了相关病毒。这些病毒均引起急性胃肠炎,被认为是影响全世界人类和动物的集体病原体。轮状病毒的血清型首先在1980年描述,第二年,通过添加胰蛋白酶(一种在哺乳动物十二指肠中发现的酶,现已知道对于人类的轮状病毒必不可少的酶),首先在衍生自猴肾的细胞培养物中培养人的轮状病毒,轮状病毒在培养基中成功复制。在培养物中培养轮状病毒的能力加快了研究的步伐,到1980年代中期,正在评估第一批候选疫苗。

       该病毒通过粪口途径传播。 它会感染并破坏小肠周围的细胞并引起肠胃炎(尽管与流感无关,但通常被称为“肠胃感冒”)。 尽管轮状病毒是1973年由Ruth Bishop及其同事通过电子显微照片发现的,约占婴儿和儿童严重腹泻住院治疗的三分之一,但在历史上,其重要性在公共卫生界被低估了,特别是在发展中国家。轮状病毒除了对人类健康有影响外,还感染动物,并且是牲畜的病原体。

       轮状病毒肠炎通常是一种易于控制的儿童疾病,但在2013年,轮状病毒导致腹泻儿童死亡的37%和全世界215000例的死亡,近200万人患了重病。这些死亡大多数发生在发展中国家。在美国,在2000年代开始轮状病毒疫苗接种计划之前,每年轮状病毒引起约270万例儿童严重肠胃炎,近6万人住院,每年约37例死亡。在美国引入轮状病毒疫苗之后,住院率已大大下降。防治轮状病毒的公共卫生运动的重点是为受感染的儿童提供口服补液疗法和预防疾病的疫苗接种。在将轮状病毒疫苗添加到其常规儿童期免疫政策中的国家中,轮状病毒感染的发生率和严重性已大大降低。

病毒学特征

轮状病毒的种类

       轮状病毒共有九种,分别称为A,B,C,D,E,F,G,H和I。人类主要受到轮状病毒A的感染。A–E物种引起其他动物的疾病,猪的E和H物种,鸟类的D,F和G物种,猫的I。轮状病毒A中有不同的菌株,称为血清型。与流感病毒一样,基于病毒表面的两种蛋白质使用双重分类系统。 糖蛋白VP7定义了G血清型,而蛋白酶敏感蛋白VP4定义了P血清型。因为确定G型和P型的两个基因可以分别传递给子代病毒,所以发现了不同的组合。已经建立了轮状病毒A的全基因组基因分型系统,该系统已用于确定非典型菌株的起源。各个国家和年份之间以及之内,个别G型和P型的患病率各不相同

结构


轮状病毒病毒体
轮状病毒基因组

       轮状病毒的基因组由11个独特的双链RNA分子(dsRNA)组成,每个双链RNA共有18555个核苷酸碱基对。每个节段都是一个基因,通过大小从1到11编号。每个基因编码一种蛋白质,除了基因9编码两种。RNA被三层二十面体蛋白衣壳包围。 病毒颗粒直径最大为76.5nm,没有包膜。

蛋白质

计算机模拟的轮状病毒结构

       有六个病毒蛋白(VP)形成病毒颗粒(病毒颗粒)。这些结构蛋白称为VP1,VP2,VP3,VP4,VP6和VP7。 除VP外,还有六种非结构蛋白(NSP),它们仅在轮状病毒感染的细胞中产生。 这些称为NSP1,NSP2,NSP3,NSP4,NSP5和NSP6。

       轮状病毒基因组编码的十二种蛋白质中至少有六种结合RNA。这些蛋白质在轮状病毒复制中的作用尚不完全清楚。 它们的功能被认为与病毒体中的RNA合成和包装,mRNA转运到基因组复制位点以及mRNA的翻译和基因表达的调节有关。

结构蛋白

       VP1位于病毒颗粒的核心,是一种RNA聚合酶。在被感染的细胞中,该酶产生用于合成病毒蛋白的mRNA转录本,并为新产生的病毒颗粒产生轮状病毒基因组RNA片段的副本。

       VP2形成病毒体的核心层并结合RNA基因组。

       VP3是病毒体内核的一部分,是一种称为鸟苷酸转移酶的酶。这是一种加帽酶,可在mRNA的转录后修饰中催化5'帽的形成。该帽通过保护其免受称为核酸酶的核酸降解酶的破坏,从而稳定了病毒的mRNA。

       VP4在毒粒表面上呈尖刺状突出。它与细胞表面的分子结合,称为受体,并促使病毒进入细胞。在病毒感染之前,必须通过肠道中的蛋白酶胰蛋白酶将VP4修饰为VP5 *和VP8 *。VP4确定病毒的毒性,并确定病毒的P型。在人类中,血型分泌物状态与感染易感性之间存在关联。非分泌物似乎对P[4]和P[8]型感染具有抵抗力,表明血型抗原是这些基因型的受体。

       VP6构成了衣壳的大部分。它具有高度抗原性,可用于鉴定轮状病毒种类。该蛋白用于轮状病毒A感染的实验室测试。

       VP7是一种糖蛋白,可形成病毒体的外表面。除了其结构功能外,它还决定了菌株的G型,并与VP4一起参与了对感染的免疫。

非结构蛋白

       NSP1是基因5的产物,是一种非结构性RNA结合蛋白。NSP1还阻断干扰素反应,这是先天免疫系统的一部分,可保护细胞免受病毒感染。 NSP1使蛋白体降解刺激受感染细胞中干扰素产生并响应相邻细胞分泌的干扰素所需的关键信号成分。降解目标包括干扰素基因转录所需的几种IRF转录因子。

       NSP2是一种RNA结合蛋白,可在细胞质内病毒工厂中积累,是基因组复制所必需的。

       NSP3与受感染细胞中的病毒mRNA结合,负责细胞蛋白合成的关闭。NSP3失活了两个翻译起始因子,这对于从宿主mRNA合成蛋白质至关重要。首先,NSP3从翻译起始因子eIF4F弹出poly(A)结合蛋白(PABP)。PABP是具有3'poly(A)尾部的转录物高效翻译所必需的,这在大多数宿主细胞转录物中均可找到。其次,NSP3通过刺激eIF2的磷酸化使其失活。缺少3'poly(A)尾部的轮状病毒mRNA的高效翻译不需要任何这些因素。

       NSP4是一种病毒性肠毒素,可引起腹泻,是第一个被发现的病毒性肠毒素。

       NSP5由轮状病毒A的基因组片段11编码。NSP5在病毒感染的细胞中累积在病毒质中。

       NSP6是一种核酸结合蛋白,由异相开放阅读框的基因11编码。

复制

轮状病毒复制过程

       该病毒通过受体介导的内吞作用进入细胞,并形成称为内体的囊泡。第三层中的蛋白质(VP7和VP4尖峰)破坏了内体的膜,造成了钙浓度的差异。这会导致VP7三聚体分解为单个蛋白亚基,从而在病毒dsRNA周围留下VP2和VP6蛋白外壳,形成双层颗粒(DLP)。

       11条dsRNA链保留在两个蛋白质壳的保护范围内,病毒依赖RNA的RNA聚合酶产生了双链病毒基因组的mRNA转录本。通过保留在核心中,病毒RNA逃避了先天的宿主免疫反应,包括由双链RNA的存在触发的RNA干扰。

       在感染期间,轮状病毒产生用于蛋白质生物合成和基因复制的mRNA。大多数轮状病毒蛋白在病毒工厂中积累,在那里复制RNA并组装DLP。在病毒工厂中,用作合成病毒基因组dsRNA模板的正向病毒RNA受到保护,免受siRNA诱导的RNase降解的影响。病毒感染后两小时之内,细胞质就在细胞核周围形成病毒工厂,它由被认为由两种病毒非结构蛋白NSP5和NSP2构成的病毒工厂组成。 RNA干扰在体外抑制NSP5导致轮状病毒复制急剧减少。DLP迁移到内质网,在那里它们获得了第三外层(由VP7和VP4形成)。随后,子代病毒通过裂解从细胞中释放出来。

传染方式

       轮状病毒是通过口腔途径,通过接触被污染的手,表面和物体而传播的,也可能是通过呼吸途径传播的。病毒性腹泻具有高度传染性。 感染者的粪便每克可以包含10兆(1万亿=1兆)个以上的感染性颗粒;将感染传播给另一个人所需的颗粒至少为100个。

       轮状病毒在环境中稳定,并且在河口样品中发现的浓度高达每加仑1–5个感染颗粒。 病毒可以存活9到19天。足以消除细菌和寄生虫的卫生措施似乎对轮状病毒的控制无效,因为卫生标准高低的国家轮状病毒感染的发生率相似。

导致疾病

       轮状病毒肠炎是一种以恶心,呕吐,水样腹泻和低烧为特征的轻度至重度疾病。一旦儿童感染了该病毒,便需要大约两天的潜伏期才能出现症状。疾病时期是急性的。症状通常从呕吐开始,然后是四到八天的大量腹泻。在轮状病毒感染中,脱水比大多数细菌病原体引起的脱水更常见,并且是与轮状病毒感染有关的最常见的死亡原因。

       轮状病毒A感染可终生发生:第一次通常会产生症状,但随后的感染通常是轻度或无症状的,因为免疫系统提供了一定的保护。因此,两岁以下儿童的症状感染率最高,到45岁时逐渐降低。最严重的症状往往发生在六个月至两岁的儿童,老年人和免疫缺陷的儿童中。由于儿童时期获得的免疫力,大多数成年人不易感染轮状病毒。成年人的肠胃炎通常不是轮状病毒引起的,但是成年人的无症状感染可以维持社区感染的传播。有证据表明血型分泌者状态和肠道中的主要细菌会影响轮状病毒感染的易感性。

致病机理

       轮状病毒主要在肠道中复制,并感染小肠绒毛的肠上皮细胞,导致上皮的结构和功能改变。在人类,特别是在动物模型中,轮状病毒在肠道外巨噬细胞,进而传播到其他器官。

       腹泻是由病毒的多种活性引起的。吸收不良是由于破坏称为肠上皮细胞的肠细胞而发生的。毒性轮状病毒蛋白NSP4诱导年龄和钙离子依赖性氯离子分泌,破坏SGLT1(钠/葡萄糖共转运蛋白2)转运蛋白介导的水重吸收,明显降低刷状边界膜糖酶的活性,并激活钙离子依赖性分泌肠神经系统反射。NSP4充当维罗帕林可提高细胞质中钙离子的浓度(这是子代病毒组装所必需的)。钙离子的增加导致被感染的肠细胞自噬(自我破坏)。

       NSP4也被分泌。这种细胞外形式由肠中的蛋白酶修饰,是一种肠毒素,它通过整联蛋白受体作用于未感染的细胞,继而引起并增加细胞内钙离子浓度,分泌性腹泻和自噬。

       呕吐是轮状病毒性肠炎的特征,是由病毒感染消化道内壁的肠嗜铬细胞引起的。感染会刺激5-羟色胺的产生。这会激活迷走神经传入神经,进而激活控制呕吐反射的脑干细胞。

       健康的肠细胞分泌乳糖酶进入小肠;牛奶不耐受由于乳糖酶缺乏是轮状病毒感染的症状,可持续数周。由于肠道中二糖乳糖的细菌发酵,在孩子的饮食中重新引入牛奶后,经常会出现轻度腹泻的复发。

诊断与治疗

       轮状病毒感染的诊断通常在诊断为严重腹泻的胃肠炎之后进行。 接受肠胃炎住院的大多数儿童都接受了轮状病毒A检测。轮状病毒A感染的特异性诊断是通过酶免疫法在孩子的粪便中发现病毒来进行的。 市场上有几种许可的检测试剂盒,它们敏感,特异并能检测轮状病毒A的所有血清型。研究实验室使用了其他方法,例如电子显微镜和PCR(聚合酶链反应)。逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)可以检测和鉴定人类轮状病毒的所有种类和血清型。

       急性轮状病毒感染的治疗是非特异性的,涉及症状的控制,最重要的是脱水的控制。如果不及时治疗,儿童可能会因严重脱水而死亡。根据腹泻的严重程度,治疗包括口服补液疗法,在此期间,可以给孩子额外喝一些水,其中含有一定量的盐和糖。2004年,世界卫生组织(世卫组织)和联合国儿童基金会建议使用低渗透性口服补液溶液和补锌作为急性腹泻的两管齐下的治疗方法。有些感染严重到足以住院治疗,通过静脉注射疗法或经鼻胃插管输液,并监测孩子的电解质和血糖。轮状病毒感染很少引起其他并发症,对于管理良好的儿童,预后很好。益生菌已显示出减少轮状病毒腹泻的持续时间,根据欧洲儿科胃肠病学学会的说法,“有效的干预措施包括施用特定的益生菌(鼠李糖乳杆菌或博拉氏糖酵母),蒙脱石散(?)或消旋卡多曲。” 。

附录:疫苗

       轮状病毒具有高度传染性,不能用抗生素或其他药物治疗。由于改善的卫生条件不会降低轮状病毒疾病的流行,尽管使用口服补液药物,住院率仍然很高,所以主要的公共卫生干预措施是接种疫苗。1998年,轮状病毒疫苗被许可在美国使用。在美国,芬兰和委内瑞拉的临床试验发现,它能有效预防轮状病毒A引起的严重腹泻,有效率为80%至100%,研究人员未发现统计学上的严重不良反应。然而,制造商在发现疫苗可能导致每12000名接受疫苗接种的婴儿中有一种肠套叠的风险增加后,于1999年将其撤出市场。该经验引起了关于轮状病毒疫苗相对风险和益处的激烈辩论。2006年,已证明两种针对儿童轮状病毒A感染的新疫苗是安全有效的,2009年,世界卫生组织建议将轮状病毒疫苗纳入所有国家免疫规划。

       遵照该建议采取行动的国家中,轮状病毒感染的发生率和严重性已大大降低。2014年对各国在其国家免疫规划中常规使用轮状病毒疫苗的国家提供的临床试验数据的审查发现,轮状病毒疫苗使轮状病毒的住院治疗减少了49%至92%,所有腹泻病的住院治疗均减少了17%至55%。在2006年成为世界上最早引入轮状病毒疫苗的国家之一的墨西哥,2009年轮状病毒季节腹泻病死亡率在两岁及以下儿童中下降了65%以上。在尼加拉瓜,该国于2006年成为第一个引入轮状病毒疫苗的发展中国家,严重的轮状病毒感染减少了40%,急诊就诊次数减少了一半。在美国,自2006年以来接种轮状病毒疫苗已使轮状病毒相关的住院治疗下降了多达86%。疫苗还可以通过限制循环感染的数量来预防未接种疫苗的儿童的疾病。在大多数轮状病毒死亡发生的非洲和亚洲发展中国家,大量的安全性和有效性试验以及最近对Rotarix和RotaTeq的引入后影响和有效性研究表明,疫苗可大大减少婴儿的严重疾病。2013年9月,该疫苗面向英国所有年龄在2个月至3个月之间的儿童提供,预计将严重感染病例减少一半,并将因感染而住院的儿童人数减少70%。 在欧洲,疫苗接种后,轮状病毒感染后的住院率下降了65%,降至84%。在全球范围内,疫苗接种使住院人数和急诊就诊次数减少了67%。

       轮状病毒疫苗已在100多个国家/地区获得许可,并且有80多个国家/地区实施了常规的轮状病毒疫苗接种,其中近一半在疫苗联盟Gavi的支持下进行。为使轮状病毒疫苗在所有国家(尤其是大部分轮状病毒死亡发生的非洲和亚洲的中低收入国家)可用,容易获得和负担得起,PATH(原卫生技术计划),世界卫生组织,美国疾病控制与预防中心和Gavi已与研究机构和政府合作,以产生和传播证据,降低价格并加快引入。

       该疫苗可以预防1型糖尿病。

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