2009 年新甲型 H1N1 流感病毒的来源和去向分析

2009 年 第 54 卷 第 12 期: 1657 ~ 1660 www.scichina.com csb.scichina.com 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 引用格式: 陈继明, 孙映雪, 刘朔, 等. 2009年新甲型 H1N1 流感病毒的来源和去向分析. 科学通报, 2009, 54: 1657~1660 Chen J M, Sun Y X, Liu S, et al. Origin and future distribution of the new A(H1N1) influenza virus emerging in North America in 2009. Chinese Sci Bull, 2009, 54: 2174―2178, doi: 10.1007/s11434-009-0430-x 专题: 甲型 H1N1流感病毒研究 快 讯 2009年新甲型 H1N1流感病毒的来源和去向分析 陈继明, 孙映雪, 刘朔, 蒋文明, 陈杰, 侯广宇, 李金平 中国动物卫生与流行病学中心, 青岛 266032 E-mail: jmchen66@yahoo.cn 2009-05-10收稿, 2009-05-25接受 摘要 借助因特网流感病毒数据库平台, 对猪流感病毒的 PB1, PB2和 PA进行谱系分 析, 结果提示, 新近北美出现的甲型H1N1流感病毒新毒株所有的基因都来自猪流感病 毒, 但是来自两个不同谱系的猪流感病毒, 其中一个谱系的猪流感病毒约是 10年前人、 禽、猪流感病毒的杂合体. 依据近期的流行态势, 此病毒将在全球进一步扩散蔓延, 将 在人群中长期存在, 也有可能在猪群中流行. 此病毒的扩散可能伴随着人群中原有的 某亚型流感病毒的消失. 关键词 甲型 H1N1流感病毒 起源 基因 猪流感 流行病学 2009年 4月 21日, 美国疾病预 防控制中心(CDC) 2个儿童感染 了一种新的甲型 H1N1 流感病毒[1], 随即发现这一事件与墨西哥当时已 经持续至少一个月的异常的“流感 样”疫情有关 . 其后数天之内 , 墨西 哥出现数千个感染这种新病毒的疑 似病例(死亡病例较多). 2009年 5月, 美国和其他国家也出现大量的病例, 引起全球高度关注 , 世界卫生组织 认为这次疫情很可能引起人流感大 流行 , 将全球人流感大流行的警备 级别从第 3级上升到第 4级, 然后又 上升到第 5 级, 提示“流感大流行正 在逼近”[2]. 关于这次出现的流感病毒新毒 株 (以下简称北美新毒株 )的来源存 在很大争议 . 有些专家认为它是一 个特殊的“杂合体”, 含有来自北美 的猪、欧亚的猪、禽和人的流感病毒 的基因序列 , 此观点暗示这个新的 病毒与猪的关系不大1,2). 但是, 其他 学者认为北美新毒株所有基因片段 都来自猪流感病毒 [1,3,4],3,4), 此观点 提示这个新的病毒与猪的关系较为 紧密. 那么, 这两种说法到底谁对谁 错呢? 此外 , 这个新的病毒在自然 界中将何去何从? 本文拟回答这两 个关系到疫情风险分析和预防控制 策略的问题. (1) 北美新毒株的来源分析 甲型流感病毒能够感染人、禽、 猪、马以及一些海洋动物[5]. 甲型流 感病毒共有 8个基因节段, 分别对应 着PB2, PB1, PA, HA, NP, NA, M以及 NS1基因. 按照 HA和 NA 基因序列, 甲型流感病毒可以分为 16 个 HA 亚 型和 9个 NA亚型, HA亚型和 NA亚 型的组合又形成数十个亚型 , 如 H1N1, H3N2, H5N1等亚型. 按照其 他基因的序列 , 甲型流感病毒又可 以分为若干个谱系[5]. 各亚型或者各 谱系的流感病毒因为时间、地理、宿 主的不同以及不同毒株之间的基因 重配“杂交”, 形成了一个非常庞大 而复杂的流感病毒家族 . 这使得准 确界定某个流感病毒在家族中的位 置、判定它的来龙去脉非常困难. 新 近, 流感病毒 HA 和 NA 两个基因的 多样性全景图绘制成功[6], 可以简化 流感病毒的定位和溯源工作. 目前 , 流感病毒谱系有的是以 宿主命名, 如人流感病毒、禽流感病 毒、类禽-猪流感病毒, 有的是以地 点命名, 如欧亚谱系、福建样病毒等, 有的是以类似某一毒株的方式命名, 如类 A/Duck/Hong Kong/Y280/97样 1) Science races to parse new virus. The Wall Street Journal, 2009-4-27 2) Deadly new flu virus in US and Mexico may go pandemic. New Scientist, 2009-4-28 3) Swine flu genes from pigs only, not humans or birds. Wired Science, 2009-4-27 4) 流感病毒家族谱系研究获突破. 科学时报, 2009-5-4 2009 年 6 月 第 54 卷 第 12 期 1658 病毒[1,3~6]. 这些命名不仅混乱, 而且 有一定的误导性 . 如墨西哥一位官 员认为“既然北美新毒株 NA 基因和 M 基因来自欧亚谱系的猪流感病毒”, 那么这个毒株很可能来自欧洲或亚 洲, 甚至就是中国. 其实, 从 NA 和 M 基因来说 , 不是所有的欧亚谱系 的猪流感病毒都来自欧洲或亚洲 , 1987 年在美国猪群中就已经存在欧 亚谱系的猪流感病毒. 此外, 所谓的 北美谱系的猪流感病毒 [1,7], 实际上 亚洲和欧洲(包括我国 )都有分布 [6]. 新近有人提出用一些有序的数值命 名各个流感病毒谱系, 如依据 HA基 因的序列, 欧亚谱系 H1N1亚型猪流 感病毒用 h1.1.3示, 近年来在世界 各地存在的古典 H1N1 亚型猪流感 病毒用 h1.3.2表示, 有望消除以前的 命名方法之不足[6]. 正确认识北美新毒株的来源还 需要理解流感病毒的生态学特点和 演变特征 : 不是所有的人流感病毒 都来自人 , 有时猪可以直接感染人 流感病毒 , 也不是所有的人流感病 毒演变下去, 仍然是人流感病毒, 它 们可以分化出猪流感病毒(这些原本 是人的流感病毒感染猪后 , 通过某 些点的突变 , 获得对猪的适应能力 , 因而在猪群中广泛存在 , 很少再去 感染人 , 因此它们不再是人流感病 毒, 而是猪流感病毒). 上述两种关于北美新毒株起源 的观点都认为 , 这次新的流感病毒 HA, NP 和 NS 基因来自北美谱系猪 流感病毒 (该谱系呈全球性分布 [6]), NA和M基因来自欧亚谱系猪流感病 毒(该谱系大多数来自亚洲和欧洲[6]), 但对PB2, PA和PB1基因的来源说法 不一: 一种认为 PB2 和 PA 来自禽 H1N1病毒, 而 PB1基因来自普通的 人 H3N2 病毒[1]; 而另一种则认为这 3 个基因所在的节段都来自猪流感 病毒[3,4]. 本文先以 PB1基因为例进 行分析 . 这种分析是基于流感病毒 PB1基因的谱系关系. 借助 GenBank 中流感病毒网 络数据库平台“Influenza Virus Re- source”[8], 首先获得所有的来自猪 或马的流感病毒 PB1 基因(分别有 322 和 78 条 ), 然后查找所有的 1995~1996 年来自禽或人的流感病 毒 PB1基因(分别有 73和 167条), 最 后获得 2009 年 4 月以后的来自人的 流感病毒 PB1 基因. 对这些序列进 行网上对比和聚类分析 . 序列的聚 类分析采用 Neighbor-Joining 法, 遗 传距离的计算采用 F84法[9]. 在此基 础上, 制作了流感病毒 PB1 基因进 化树(图 1). 图 1 中来自马、人和禽 的流感病毒的序列用作参考 . 由于 来自禽或人的流感病毒 PB1 基因太 多, 因此图 1中只包括了部分来自禽 或人的流感病毒 PB1 基因. 制图前, 经GenBank的 BLAST比对结果发现, 在 PB1 基因上与北美新毒株最接近 的来自人的流感病毒的毒株是 1995~1996年分离的, 因此图 1中包 括了 1995~1996 年来自人的流感病 毒 PB1基因; 另外, BLAST结果还发 现从禽中分离的流感病毒在 PB1 基 因上都与北美新毒株距离较远. 图 1 显示北美新毒株所在的谱 系(“→”所示)含有 77 个 1998~2007 年从猪体内分离的流感病毒 , 这个 谱系中没有 1995~1996 年来自人或 禽的流感病毒(经过类似本文的谱系 分析 , 这个谱系也没有其他年份的 人或禽的流感病毒), 说明北美新毒 株 PB1 基因来自于猪的流感病毒 . 但是, 图 1还显示, 从历史长河来看, 这些猪的流感病毒的 PB1 基因很可 能是在 1998 年前后起源于人的流感 病毒(“►”所示), 而且在整体上 , 北 美新毒株 PB1 基因属于以来自人 H3N2亚型流感病毒为主的一个大的 谱系(“∆”所示). 综合这些信息, 2009 年出现的北美新毒株的 PB1 基因来 自于 1998~2007 年猪群中存在的流 感病毒 , 而这些猪流感病毒 (对于 PB1 基因, 相当于北美新毒株的“祖 上”)的 PB1基因约 10 年前来自于人 H3N2 亚型流感病毒 . 此外 , 人 H3N2 亚型流感病毒 PB1 基因于 1968 年左右起源于禽的流感病毒 (“*”所示)[10]. 按照同样的方法分析 , 发现北 美新毒株 PB2和 PA基因也来自猪流 感病毒 . 但是 , 从历史的长河来看 , 这些猪流感病毒的 PB2和 PA基因很 可能是在 1998 年前后起源于禽的流 感病毒. 经过上述分析 , 前面所述的两 种观点都有正确的一面 , 并且北美 新毒株所有基因片段都来自猪流感 病毒之说更为准确. 这与新近出版的 N Eng J Med上一篇研究论文的结论 是一致的[7]. 与其他相关信息来源一 样[1,3,4], 但文献[7]只给出了结论, 没 有像本文一样给出具体的推导过程. 综合上述分析结果以及其他相 关信息 [1,11,12],1), 我们对北美变异株 的来源就更为清晰 : (ⅰ) 北美变异 株 HA, NP, NS, PB2, PA和 PB1等 6 基因所属的基因节段来自 1998~ 2007 年 h1.3.2 谱系的猪流感病 毒[4,6,11], 而 NA和 M基因来自 h1.1.3 谱系的猪流感病毒 [1,3~6], 提示此病 毒很可能来自于猪; (ⅱ) h1.3.2在北 美、亚洲和欧洲都有流行 [6], 而 h1.1.3 谱系的猪流感病毒大多数来 自亚洲和欧洲 , 但也曾出现在北美 猪群之中 (以属于此谱系 A/swine/ Virginia/670/1987(H1N1)和 A/swine/ Virginia/671/1987(H1N1)两个毒株为 证); (ⅲ) 北美新毒株的“祖上”之一, 即 h1.3.2 谱系的部分猪流感病毒是 1998 年前后形成的来自人、禽、猪 的流感病毒的杂合体, 其 PB1 基因 来自于人流感病毒, PB2和 PA两基 1) Canada farm worker ‘infects pigs’. BBC, 2009-05-03. http://news.bbc.co.uk/1/hi/world/americas/8031309.stm 1659 快 讯 图 1 用 GenBank中“Influenza Virus Resource”网络平台制作流感病毒 PB1基因进化树 “→”表示的北美新毒株所在谱系含有 77个 1998~2007年来自猪(非人或禽)的流感病毒(30个为 H1N2亚型, 23个为 H3N2亚型, 其余 5 个为其他亚型); 图中最上面的分支是毒株 A/swine/Quebec/4001/2005(H3N2). “*”和“△”分别表示一个禽流感病毒的分支和一个以人 H3N2 亚型流感病毒(“►”所示)为主的一个分支. 图中“●”的大小表示对应的毒株数量的多少 因来自于禽流感病毒[6,11,12]; (ⅳ) 北 美新毒株首先在墨西哥、美国和加拿 大人群中出现[2]; (ⅴ) 加拿大的一个 人感染猪的“偶然”事件 1), 说明北美 新毒株对猪而言 , 具有猪-猪传播能 力和致病力. 综合这些信息, 尽管人 们针对猪群中流感病毒的监测信息 很少 , 但是可以推测北美新毒株可 能自然地来自于北美地区某一或某 些猪群. 需要指出的是 , 上述推论以及 现在已有的信息都不能排除北美新 毒株来自实验室的可能 . 在实验室 里, 利用反向遗传操作技术, 人工制 造北美新毒株对于全球诸多从事流 感研究的实验室 , 不是一件困难的 事情[13]. (2) 北美新毒株的去向分析 根据 2009 年 5 月 1∼16 日疫情 及其地理扩展态势 , 此病毒已经随 着国际航空旅行 , 从北美传播到南 美、欧洲、亚洲、大洋洲数十个国家 和地区, 在墨西哥、美国、加拿大本 土诸多地区的人群中已经“落地生 根”(出现很多本土确诊病例 [2]), 可 能正在英国、西班牙和日本扎根(出 现了本土病例). 疫情的流行曲线仍 处于急剧的上升期. 与此同时, 世界 各国与美国、加拿大等疫区的航空运 输仍在持续. 因此, 可以预测此病毒 即将在全球范围内进一步蔓延 ; 对 于已经有传入病例的国家 , 可能会 继续有病例的传入 ; 出现本土病例 的国家将继续增多 . 我国大陆也不 例外 . 有些无症状或者处于潜伏期 还没有出现症状的病原携带者会增 加卫生检疫的难度和疫情传播的风 险. 传入的感染病例可因人-人传播, 引发本土病例的发生. 调查显示, 墨 西哥此病每个病例导致 2.2∼3.1个人 感染[14]. 鉴于北美新毒株已经在墨西 哥、美国、加拿大等地人群中广泛存 在, 即将呈全球分布, 全球很多人对 此病毒株易感 , 目前没有切实可行 的遏制其扩散和存在的 , 因此 这个病毒将长期存在于人群之中. 对比已有的北美新毒株的 HA 等基因的序列 , 发现目前此病毒已 有一些基因变异(结果未展示). 预期 此病毒通过在人群中的增殖、传播和 变异 , 对人的适应能力将进一步增 强, 其宿主将以人为主, 或者说此病 毒将主要在人群中传播. 前面关于此病毒来源的分析 , 提示北美地区猪群中可能存在这个 病毒 . 已经进入人群中的北美新毒 1) 见 1658页脚注 2009 年 6 月 第 54 卷 第 12 期 1660 株也有可能进入北美或其他地区的 猪群之中 , 造成此病毒在猪群中流 行 . 这不仅符合流感病毒的生态学 特征 , 而且已经被加拿大一个 “偶 然”事件所证实 1). 此病毒传入猪群 后, 对猪有一定的致病性, 而且有可 能在某段时间内 , 带毒的猪可能是 人感染此病毒的源头 . 此外此病毒 还有可能与猪群中本身存在的一些 流感病毒发生“杂交”, 形成一些新 的毒株 . 北美新毒株对禽的威胁较 小, 因为过去几十年中, 没有发现猪 流感病毒或人流感病毒在禽群中造 成持续感染的事件. 北美新毒株在全球范围内广泛 传播之后 , 可能会引起原有的人 H1N1 或 H3N2 亚型流感病毒消失. 1957年, 人H2N2亚型流感大流行伴 随着原有的人 H1N1 亚型流感病毒 消失; 1968年, 人 H3N2亚型流感大 流行伴随着原有的人 H2N2 亚型流 感病毒消失; 但是 1977 年人 H1N1 亚型流感病毒重现以后 , 原有的人 H3N2 亚型并没有消失 . 如果北美 新毒株在全球广泛传播后 , 没有 改变人群中流感病毒的格局 , 那么 今后在人群中人流感病毒将有 5 个 谱系: 乙型流感病毒中 Yamagata 和 Victoria 谱系、甲型流感病毒 H3N2 亚型、传统的 H1N1亚型、新的甲型 H1N1亚型(即北美新毒株). 北美新毒株传入我国会带来何 种影响 , 对人的致病力和致死性 如何, 现在都还难以准确判断. 有可 能因为国人与猪直接或间接接触机 会较多 , 对猪源的流感病毒不很敏 感 , 发病率和死亡率和普通流感没 有差异 , 也有可能因为我国还是发 展中国家 , 很多地区医疗卫生条件 还较为落后 , 因此北美新毒株传入 后, 可能像墨西哥一样, 引起较多的 人(特别是年轻人、农民、低收入者) 发病死亡[14,15]. 目前, 我国采取严密 防控此病的传入, 可以争取宝贵的时 间, 让我们更清楚地判断疫情在我国 大规模传播的风险和研制出对应的 疫苗. 参考文献 1 Centers for Disease Control. 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