崔慧綺,趙司淼,冉旭華,聞曉波
(海南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院海南省熱帶動(dòng)物繁育與疫病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ???570228)
A型塞內(nèi)卡病毒(seneca virus A,SVA),又稱(chēng)為塞內(nèi)卡谷病毒(Seneca valley virus,SVV),是小核糖核酸病毒科塞內(nèi)卡病毒屬的唯一成員,且只有一種血清型。SVA為單股正鏈、無(wú)囊膜的RNA病毒,呈典型的二十面體對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)[1]。
SVA 是近幾年來(lái)在全球范圍內(nèi)流行的豬原發(fā)性水皰?。╬orcine idiopathic vesicular disease,PIVD)的病原體,其癥狀與口蹄疫、水皰性口炎和豬水皰病的臨床癥狀相似,且難以區(qū)分。在臨床上,感染豬口腔黏膜、鼻部、鼻腔、遠(yuǎn)端肢體,特別是蹄冠部位趾間皮膚紅腫、發(fā)熱,然后發(fā)白,形成不規(guī)則大小各異的水皰[2];通常表現(xiàn)為厭食、嗜睡、跛行、水皰病變[3]。該病毒對(duì)成年豬的影響較小,但對(duì)新生仔豬危害較大,容易引起新生仔豬的突發(fā)性死亡[3],嚴(yán)重影響新生仔豬的存活率,對(duì)養(yǎng)豬業(yè)危害巨大。2002 年,該病毒由馬里蘭州蓋瑟斯堡的一家遺傳治療中心意外從胎兒的成視網(wǎng)膜細(xì)胞(C6)中分離得到,并將其命名為塞內(nèi)卡谷病毒(SVV)[4],之后對(duì)SVA原型毒株的研究主要集中在其抗腫瘤活性方面[5]。起初,對(duì)SVA 感染所導(dǎo)致的臨床癥狀、病理變化、傳播方式以及流行病學(xué)特點(diǎn)和診斷方法等方面的研究均十分有限;同時(shí),因?yàn)樽畛醢l(fā)現(xiàn)的SVA的感染率、發(fā)病率都較低,引起自限性疾病且臨床癥狀輕微,主要在加拿大、美國(guó)散發(fā),分布位置十分有限,所以并未引起廣大學(xué)者的重視。2007年,加拿大首次在馬尼巴托省發(fā)現(xiàn)SVA導(dǎo)致的豬水皰病的病例[6],并在2008年首次獲得了SVA可能與豬水皰病相關(guān)的證據(jù),2012 年美國(guó)也報(bào)道了由SVA導(dǎo)致豬原發(fā)性水皰病的病例。自2014 年以來(lái),在巴西[7]、中國(guó)[8]、泰國(guó)[9]、哥倫比亞[10]等國(guó)家均相繼出現(xiàn)關(guān)于SVA引起的豬水皰病疫情的報(bào)道。2015年后,SVA感染所致臨床癥狀明顯加重,同時(shí)還可導(dǎo)致新生仔豬大量死亡,從而引起專(zhuān)家學(xué)者的高度重視。
目前我國(guó)對(duì)SVA的研究尚處于起步階段,因此對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的典型SVA毒株進(jìn)行遺傳進(jìn)化分析,有助于了解該病毒的進(jìn)化路線(xiàn),為相關(guān)疫苗開(kāi)發(fā)和疾病防控提供參考。通過(guò)遺傳進(jìn)化分析可以了解該病毒在全世界的流行與分布趨勢(shì),甚至在一定程度上能夠推測(cè)某些國(guó)家和地區(qū)所發(fā)現(xiàn)毒株的來(lái)源,以此追溯該毒株的流入途徑,有助于預(yù)防新發(fā)病毒毒株的傳入,有助于疾病防控,以此降低該病對(duì)養(yǎng)豬業(yè)的危害,提高畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
本研究從NCBI(national center for biotechnology information)網(wǎng)站中的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中下載SVA的全基因組序列。選取其中的220條序列作為研究對(duì)象。為了保證樣本的覆蓋范圍,提高研究結(jié)果的普遍性與準(zhǔn)確性,研究中所有毒株均分離自1988 年至2019 年間,分離地域及數(shù)量為美國(guó)106株、中國(guó)81株、加拿大13株、巴西12株、泰國(guó)6株、越南1株、哥倫比亞1株。
研究采用MEGA7軟件(molecular evolutionary genetics analysis,Hachioji,Tokyo,Japan)中的MUSCLE 比對(duì)方法對(duì)序列進(jìn)行排列,剔除由于片段缺失以至于無(wú)法對(duì)齊的序列,將剩余條序列裁剪為等長(zhǎng)的序列,序列長(zhǎng)度為7 150 bp。將完成對(duì)齊的序列導(dǎo)入重組分析軟件RDP5(recombination detection program,http://web.cbio.uct.ac.za/~darren/rdp.html)中進(jìn)行重組分析。選擇軟件中的RDP、GENECONV、Chimaera、MaxChi、BootScan、SiScan 6 種方法對(duì)SVA 的全基因組序列進(jìn)行重組檢測(cè)。當(dāng)6 種方法的結(jié)果中出現(xiàn)4個(gè)以上陽(yáng)性信號(hào)時(shí),認(rèn)定重組發(fā)生,并從樣本中剔除該序列,然后再將剩下的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中重新檢測(cè),直至最后不再產(chǎn)生4個(gè)以上陽(yáng)性結(jié)果的序列。最后留下184條SVA全基因組序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。
組成DNA的脫氧核苷酸序列的突變是促進(jìn)基因進(jìn)化的原動(dòng)力,這種突變也被稱(chēng)為核酸替代。DNA序列中核苷酸替代數(shù)的估計(jì)是測(cè)定基因間進(jìn)化距離的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法,是研究基因進(jìn)化的基礎(chǔ)。最基本的核苷酸序列替代模型包括p-距離模型、Kimura兩參數(shù)模型和Jukes-Cantor模型以及在此基礎(chǔ)上衍生出的一系列其他模型,如Tajima-Nei模型、Tamura 模型、Tamura-Nei 模型等[11]。在系統(tǒng)發(fā)育分析中,最大似然法(maximum likelyhood method,ML)和貝葉斯法(bayesian inference of phylogeny,BI)均是常用的進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建方法,且兩者均是基于選擇合適的核酸替換模型才能進(jìn)行遺傳距離計(jì)算的方法。因此,核酸替換模型的計(jì)算與選擇是構(gòu)建ML進(jìn)化樹(shù)和BI進(jìn)化樹(shù)必不可少的步驟。
本研究使用MEGA7.0.26版本軟件中的最大似然法構(gòu)建ML 進(jìn)化樹(shù),參數(shù)設(shè)置Bootstrap 檢驗(yàn),重復(fù)頻率為1 000 次,選擇核酸替換模型為T(mén)N93+G+I,置信區(qū)間為95%,其他參數(shù)為默認(rèn)值。構(gòu)建完成的ML 進(jìn)化樹(shù)使用FigTree1.4.4 進(jìn)行編輯。使用MrBayes3.2.4 版本軟件構(gòu)建BI進(jìn)化樹(shù),選擇核酸替換模型為默認(rèn)GTR模型,設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),MCMC 采樣值為10 000,保證在后面的可能性分布中至少取到1 000個(gè)樣本。抽樣總次數(shù)為100 000,抽樣頻率為10進(jìn)行計(jì)算。構(gòu)建完成的BI進(jìn)化樹(shù)使用FigTree1.4.4進(jìn)行調(diào)整。使用Network10.1.0.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)[12],使用星聚法(star contraction)對(duì)序列進(jìn)行預(yù)處理,選擇中介鄰接網(wǎng)絡(luò)法(median joining)計(jì)算序列網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,標(biāo)準(zhǔn)選擇FHP 計(jì)算,其他參數(shù)選擇默認(rèn),將計(jì)算出來(lái)的結(jié)果用最大簡(jiǎn)約法(MP)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。
重組是正鏈RNA 病毒的一種重要的進(jìn)化機(jī)制,通過(guò)形成新的嵌合基因組驅(qū)動(dòng)病毒多樣性的產(chǎn)生。重組對(duì)于病毒而言是有利的,如逃避免疫應(yīng)答、抗病毒治療、改變細(xì)胞或宿主的趨向性和自身的致病性[13]。研究表明,在國(guó)內(nèi)SVA已經(jīng)出現(xiàn)了重組毒株,SVA的遺傳多樣性得到進(jìn)一步加強(qiáng)[14]。但是,重組的出現(xiàn)會(huì)對(duì)病毒的遺傳進(jìn)化分析產(chǎn)生干擾,因此通過(guò)RDP5 軟件剔除36 株重組毒株,重組毒株數(shù)量占全部樣本的16.4%。
研究構(gòu)建了ML進(jìn)化樹(shù)(見(jiàn)圖1)、BI進(jìn)化樹(shù)(見(jiàn)圖2)和系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)。由圖1~圖3 可知,參與進(jìn)化分析的所有毒株大致分為三大進(jìn)化支。第一進(jìn)化支為1988 年至1993 年間僅在美國(guó)部分地區(qū)分離的SVA 毒株;第二進(jìn)化支為1997 年至2008 年間出現(xiàn)的包含SVV-001 在內(nèi)的典型SVA毒株;第三進(jìn)化支為2014年往后,該時(shí)期內(nèi)SVA毒株的數(shù)量與流行的范圍均呈爆炸式增長(zhǎng)。
ML進(jìn)化樹(shù)和BI進(jìn)化樹(shù)中不同顏色的毒株名稱(chēng)代表不同的國(guó)家。由圖1可知,大多數(shù)的SVA毒株存在明顯的地域屏障,同一國(guó)家的毒株聚類(lèi)在同一分支上;但也存在一些不同國(guó)家的分離株聚類(lèi)在同一分支上的特殊情況。2007年加拿大最早存在的SVA 毒株CNA-SVA-07-503297-2007-MN233023,該毒株與美國(guó)明尼蘇達(dá)州分離的毒株USA-MN07-00487-MN812944、USA-MN07-00488-MN 812945 序列同源性分別高達(dá)99.69%和99.80%。此外,2016 年發(fā)現(xiàn)的哥倫比亞株Colombia-SVA-2016-KX857728 與2015 年美國(guó)伊利諾伊州發(fā)現(xiàn)的毒株USASVA-IL-72-1-2015-MH634530 在進(jìn)化樹(shù)上處于同一分支,兩者之間的同源性高達(dá)98.65%。2018年發(fā)現(xiàn)的越南毒株VietNam-SVA-3187-2018-MH704432 與2016 年在中國(guó)廣西發(fā)現(xiàn)的毒株CHN-SVA-GXI09-2016-KY038016位于進(jìn)化樹(shù)同一分支上,兩者的同源性高達(dá)98.64%。
圖1 最大似然法構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)Fig.1 Phylogenetic tree constructed by maximum likely-hood method
圖1、圖2中五角星標(biāo)注的本實(shí)驗(yàn)室毒株CHN-SVA1-FL-2019(GenBank登錄號(hào):MN922286.1)與2018年在河南駐馬店發(fā)現(xiàn)的毒株CHN-SVA-HeNZMD-1-2018-MK357115 和2018 年在四川黑水縣發(fā)現(xiàn)的CHNSVA-HS-01-2018-MH588717、CHN-SVA-HS-03-2018-MH817446 在同一進(jìn)化分支上。毒株CHN-FL-2019 與HeNZMD-1-2018毒株序列同源性為98.22%,與HS-01毒株的同源性達(dá)98.33%,與HS-03毒株的同源性為98.16%。比對(duì)結(jié)果顯示,HS-01 毒株與CHN-SVA1-FL-2019 毒株的同源性最高,但是四川黑水縣的兩毒株與實(shí)驗(yàn)室毒株之間存在0.07%的基因缺失,而實(shí)驗(yàn)室毒株與河南駐馬店毒株的比對(duì)中則不存在基因缺失。將實(shí)驗(yàn)室分離毒株CHNFL-2019 與中國(guó)最早發(fā)現(xiàn)的SVA 毒株CHN-SVA-CH-01-2015-KT321458 作序列比對(duì),得到兩者的序列同源性為96.39%。將實(shí)驗(yàn)室毒株與美國(guó)發(fā)現(xiàn)的典型SVA 毒株SVV-001 進(jìn)行比對(duì),得到兩者之間的序列同源性為93.78%。CHN-FL-2019 與目前分離的最早存在的毒株USA-SVA-NC88-23626-1988-MN812936 和USA-SVAMN88-36695-1988-MN812937 的同源性分別為90.79%和91.24%。
圖2 貝葉斯算法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.2 Phylogenetic tree constructed by Bayesian inference
通過(guò)對(duì)比兩種方法構(gòu)建的進(jìn)化樹(shù),發(fā)現(xiàn)在ML 進(jìn)化樹(shù)中,實(shí)驗(yàn)室分離毒株及與其親緣關(guān)系較近的毒株單獨(dú)存在于一個(gè)進(jìn)化分支中;而在BI進(jìn)化樹(shù)中,該分支還與哥倫比亞毒株分支及美國(guó)GBI29-2015 毒株發(fā)生聚類(lèi),這些毒株與實(shí)驗(yàn)室毒株CHN-FL-2019 分支的同源性范圍為98.55%~98.62%。
由圖3 可知,隨著時(shí)間的推移,SVA 的進(jìn)化過(guò)程可以分為3個(gè)階段,分別為散發(fā)階段、過(guò)渡階段以及流行階段。進(jìn)一步了解每個(gè)階段包含的毒株,結(jié)果與ML方法和BI方法構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)的3個(gè)進(jìn)化支中的毒株是相互對(duì)應(yīng)的,進(jìn)一步驗(yàn)證了前面所構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)的準(zhǔn)確性,提高了結(jié)果的可信度。此外,目前出現(xiàn)的所有SVA 毒株均是以1988 年最早存在的SVA毒株進(jìn)化而來(lái),所有分支大致均沿一個(gè)方向進(jìn)化,這一結(jié)果也與SVA 目前只出現(xiàn)一種血清型的結(jié)論相符合。
圖3 Network構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Phylogenetic network constructed by network
本研究中,對(duì)從1988 年到2019 年出現(xiàn)的220 株SVA進(jìn)行全基因組序列的遺傳進(jìn)化分析,所選序列的數(shù)量達(dá)到GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的SVA 全基因組序列的80%以上。本研究構(gòu)建了ML進(jìn)化樹(shù)、BI進(jìn)化樹(shù)和系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)的方法中ML 法是其中較為傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,也是較為常用的最符合實(shí)際的一種建樹(shù)方法。貝葉斯方法構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)在病毒遺傳發(fā)育分析上的應(yīng)用較少,但是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也很高[15]。研究發(fā)現(xiàn),這兩種方法構(gòu)建的進(jìn)化樹(shù)的結(jié)果相似,因此可以同時(shí)使用兩種方法構(gòu)建進(jìn)化樹(shù),并進(jìn)行比較。兩者相互佐證能夠提高所構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)的可信度。Network構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)能夠直觀地將不同毒株之間的進(jìn)化關(guān)系呈現(xiàn),從而發(fā)現(xiàn)從進(jìn)化樹(shù)中不能發(fā)現(xiàn)的關(guān)系。
1988 年至1993 年分離出的是SVA 的原始毒株,僅在美國(guó)部分地區(qū)散發(fā),對(duì)豬養(yǎng)殖戶(hù)造成的損害較小,故未引起廣泛的關(guān)注。2002 年,美國(guó)分離出典型毒株SVV-001病毒才被正式命名。2007年之前,SVA只在美國(guó)境內(nèi)存在并散發(fā)。2007 年,加拿大的1 例疾病報(bào)告顯示,自加拿大馬尼巴托省運(yùn)往美國(guó)明尼蘇達(dá)州的一輛載有生豬的運(yùn)輸車(chē)中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的水皰病,該病正是由SVA感染而引起的[6]。本研究中的進(jìn)化樹(shù)顯示,該加拿大毒株確實(shí)與明尼蘇達(dá)州的兩例SVA 毒株聚類(lèi)在同一分支上且序列同源性極高。由此可以推測(cè),兩地出現(xiàn)的SVA疫情可能源于兩地之間的生豬貿(mào)易,這也是第一次在除美國(guó)之外的國(guó)家發(fā)現(xiàn)SVA 毒株。自2014 年,SVA 首先在美國(guó)本土多個(gè)州開(kāi)始暴發(fā)流行,并逐漸擴(kuò)散至其他國(guó)家,2015 在巴西和中國(guó)廣東均出現(xiàn)了SVA引起PIVD的病例,SVA毒株開(kāi)始跨越了北美洲地域屏障開(kāi)始在南美洲以及亞洲地域內(nèi)出現(xiàn)并流行。2016 年,SVA 在哥倫比亞首次出現(xiàn),有報(bào)道稱(chēng)該病毒與美國(guó)的GBI29毒株親緣關(guān)系近,從而排除哥倫比亞地區(qū)SVA的流行與巴西毒株的關(guān)系[10]。本研究中,哥倫比亞毒株Colombia-SVA-2016-KX857728 與USA-IL-72-1-2015-MH634530 的同源性高達(dá)98.65%,較USA-GBI29-2015-KT827251 與哥倫比亞毒株的同源性98.21%更高,而聚類(lèi)在同一進(jìn)化分支上,這說(shuō)明在大數(shù)據(jù)的條件下,能夠得出更精確的結(jié)論。2018 年,越南地區(qū)出現(xiàn)了SVA 毒株,報(bào)道稱(chēng)該毒株與中國(guó)廣西的毒株親緣關(guān)系極近[16]。本試驗(yàn)中的構(gòu)建的兩種進(jìn)化樹(shù)得出相同結(jié)論。從地理位置上看兩者之間是毗鄰關(guān)系,因此越南的SVA毒株很有可能是從中國(guó)廣西地區(qū)流入的。
對(duì)本實(shí)驗(yàn)室毒株CHN-SVA1-FL-2019的遺傳關(guān)系進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該毒株與四川黑水和河南駐馬店市的毒株關(guān)系緊密。CHN-FL-2019所在進(jìn)化分支中的毒株與美國(guó)的GBI29-2015 毒株和哥倫比亞分支之間的同源性達(dá)到98.5%以上。對(duì)比ML 進(jìn)化樹(shù)與BI 進(jìn)化樹(shù)之間的差異,按照BI進(jìn)化樹(shù)的分類(lèi)將這些毒株聚類(lèi)在同一進(jìn)化分支上似乎更為合理。將FL-2019 與2015 年中國(guó)最先發(fā)現(xiàn)的SVA毒株、2002 年美國(guó)發(fā)現(xiàn)的SVA 典型毒株以及1988 年最早分離的SVA 毒株進(jìn)行序列同源性比對(duì)。結(jié)果顯示,F(xiàn)L-2019毒株與三者的序列差異逐漸增大,表明隨著時(shí)間的推移,SVA不斷地突變、進(jìn)化,新出現(xiàn)的毒株與原始毒株之間的同源性越來(lái)越低。不同地域內(nèi)的毒株之間不斷發(fā)生突變和重組,使病毒遺傳信息的不斷更新?lián)Q代。由于生存環(huán)境的差異最終病毒會(huì)朝著不同的方向進(jìn)化,進(jìn)化分支也越來(lái)越多樣化。未來(lái)很有可能隨著SVA 的擴(kuò)散與流行而出現(xiàn)新的血清型。
RNA病毒在傳播過(guò)程中具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,主要依賴(lài)其進(jìn)化過(guò)程中的遺傳多樣性[14]。RNA 作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性不如DNA,因此RNA 病毒復(fù)制過(guò)程中很容易造成基因的引入替換、插入和缺失。通過(guò)RNA 片段的重組可以實(shí)現(xiàn)基因的廣泛改變,這一過(guò)程可以導(dǎo)致病毒表型產(chǎn)生極端變化,例如逃避免疫反應(yīng)、抗病毒治療、改變細(xì)胞或宿主的趨向性以及改變致病性等[17]。對(duì)SVA 全基因組序列進(jìn)行遺傳進(jìn)化分析能夠充分了解SVA 的進(jìn)化路程及其遺傳背景。了解目前世界各地SVA 的分布及其流行情況能夠?yàn)楹罄m(xù)疫苗的篩選制備提供依據(jù)。由進(jìn)化樹(shù)的結(jié)果可知,SVA 的進(jìn)化過(guò)程具有明顯的地域局限性,但也存在跨國(guó)家聚類(lèi)的現(xiàn)象,可能與國(guó)家之間的豬肉或生豬的進(jìn)出口貿(mào)易有關(guān)。Joshi等[18]在出現(xiàn)SVA疫情的豬養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的老鼠以及蒼蠅體內(nèi)檢測(cè)到SVA的抗體,且核酸檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性,表明老鼠或蒼蠅等可能作為傳播媒介推動(dòng)SVA的流行。有研究在出現(xiàn)PIVD癥狀的豬排出的尿液中檢測(cè)到SVA的核酸,表明尿液也可能是SVA傳播的一種途徑[19]。
海南省由于其特殊的地理位置,是多種動(dòng)物疫病的無(wú)疫區(qū)。2018年,代蕾等[20]對(duì)海南省15個(gè)市(縣)112個(gè)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)和散養(yǎng)戶(hù)豬群采集血清進(jìn)行SVA抗體檢測(cè),發(fā)現(xiàn)檢測(cè)場(chǎng)點(diǎn)中SVA陽(yáng)性率為50.0%,樣品陽(yáng)性率為10.9%,說(shuō)明SVA 不僅已擴(kuò)散至海南省,并且在快速擴(kuò)散流行。因此,國(guó)家對(duì)SVA相關(guān)疾病的防控提出了新要求,不僅要加強(qiáng)國(guó)家貿(mào)易進(jìn)出口農(nóng)畜產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢疫工作,還需要加強(qiáng)生豬進(jìn)出口檢疫。此外,隨著SVA 在世界各地日益流行,對(duì)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)造成的危害日益嚴(yán)重,疫苗研發(fā)刻不容緩。因此,本研究對(duì)從當(dāng)前流行毒株中篩選合適的疫苗候選株具有重大參考意義。但是,具體疫苗株的篩選還需對(duì)毒株進(jìn)行病毒活性、穩(wěn)定性以及免疫原性等方面的檢測(cè)。
塞內(nèi)卡病毒遺傳進(jìn)化歷程以時(shí)間為界分為3 個(gè)進(jìn)化支。隨著時(shí)間的推移,每個(gè)進(jìn)化支中含有的SVA毒株數(shù)量逐漸遞增,SVA 的分類(lèi)逐漸細(xì)化,病毒的進(jìn)化方向趨于多樣化。