牛病毒性腹泻病毒与宿主细胞的相互作用研究

时间:2022-04-20 02:19:32

牛病毒性腹泻病毒与宿主细胞的相互作用研究

摘要:自1946年Olafson等首次在美国纽约州发现牛病毒性腹泻病毒(BVDV)以来,该病毒在世界各地广泛流行和传播,尤其对一些畜牧业发达国家的奶业和牛肉业造成了巨大损失。了解牛病毒性腹泻病的致病机理,研制出更加安全可靠有效的疫苗,对控制该病的发生和蔓延尤为重要。对BVDV的病原学、生物学特性以及对宿主细胞的相互作用等进行了阐述,以期为BVDV的预防及治疗奠定基础。

关键词:牛病毒性腹泻病毒(BVDV);分子生物学;细胞生物学;宿主细胞

中图分类号:S852.65+3文献标识码:A文章编号:0439-8114(2012)08-1519-05

牛病毒性腹泻病(Bovine viral diarrhea,BVD)是由牛病毒性腹泻病毒(Bovine viral diarrhea virus,BVDV)引起的一种以感染牛为主的疾病,该病呈世界性分布,属于黄病毒科(Flaviviridae)瘟病毒属(Pestivirus)[1]。BVDV感染动物机体后,可以引起动物的生殖系统、呼吸系统、胃肠系统、血液循环、免疫系统、淋巴细胞、肌肉与骨骼系统、皮肤、中枢神经等诸多系统产生相应的病理学变化[2]。由于该病分布广泛,存在于大多数养牛业发达的国家,给世界养牛业造成了巨大的损失[3]。所以尽快研究清楚牛病毒性腹泻病的致病机理,为研制出更加安全、可靠、有效的疫苗,以控制该病的发生和蔓延尤为重要。本研究主要就BVDV的病原学特性、生物学特性以及细胞生物学,尤其是病毒感染后对宿主细胞和免疫相关细胞因子的表达影响做一概述。

1BVDV的病原学特性

1.1BVDV概述

BVDV是黄病毒科瘟病毒属的代表种。病毒粒子略呈圆形,但也常呈变形性。有囊膜,病毒表面有明显的纤突。病毒粒子直径 50~80 nm。RNA 核心直径为 20 nm±4 nm。病毒在细胞浆内复制,以出芽方式成熟。病毒核酸为线性单股正链 RNA。BVDVⅠ型基因组全长为 12 573 nt,BVDVⅡ 型基因组全长为12 255 nt,(G+C)mol%都为45,编码区占 95%。病毒基因组只有一个开放阅读框架(Open reading frame,ORF),编码一个由近4 000 个氨基酸组成的多聚蛋白,多聚蛋白由细胞和病毒基因编码的蛋白酶在翻译的同时或翻译后加工,至少生成 11种成熟的蛋白质,编码这11种蛋白质的基因在基因组中的相对位置为 5′-Npro(P20)-C(P14)-E0(gP48)-E1 (gP25)-E2(gP53 P7-NS2-3(P125)-NS4A(P10)-NS4B(P30)-NS5A(P58)-NS5B(P75)-3′[4]。病毒粒子分子质量为 60×106 u,在蔗糖中的浮密度为 1.12~1.13 g/cm3,沉降系数 S20w为 140[5]。

1.2BVDV的培养特性

牛病毒性腹泻病毒可用胎牛肾脏细胞、脾细胞、细胞、肌肉细胞、鼻甲骨细胞,气管、肺、皮肤等组织细胞进行培养。常用的是胎牛肾、鼻甲原代细胞或二倍体细胞[6]。由于在白细胞、血小板、上皮细胞和成纤维细胞等细胞表面存在该病毒的受体CD46,因此病毒主要通过黏膜(口腔、鼻、消化道和生殖道)侵入宿主体内,再经血液或淋巴液分布到全身组织器官[5]。

2BVDV的生物学特性

2.1BVDV的基因型特性

根据病毒基因组5′非翻译区(5′-UTR)的序列将BVDV分成Ⅰ、Ⅱ两个基[7],Ⅰ型还可进一步分为BVDV-1a、BVDV-1k[8,9]。Jackova等[10]将 BVDVⅠ型划分为 13 种亚型即Ⅰa~Ⅰm,Makoto等[11]分离到不同于已报道的 BVDV-Ⅰ型的2种新亚型Ⅰn和Ⅰo。Giangaspero等[12]根据 BVDV-Ⅱ型 5′-NTR二级结构差异将BVDV-Ⅱ划分为BVDV-Ⅱa、BVDV-Ⅱb、BVDV-Ⅱc和 BVDV-Ⅱd 4 个亚型;由于RNA病毒的高突变性以及国际交流的日渐频繁,一定地区的BVDV基因新亚型还在不断变化[13]。因此,BVDV基因亚型的研究对流行病学研究颇有裨益。在自然感染中基因Ⅰ型(61%)比基因Ⅱ型(32%)更为流行,且Ⅰb 比Ⅰa更为流行[14]。BVDV-Ⅰ普遍用于疫苗生产、诊断和研究,而 BVDV-Ⅱ 5′-UTR 区缺乏PstⅠ位点,且中和活性也不同于BVDV-Ⅰ,在持续感染(PI)牛、死于出血性综合征的急性BVD牛中主要分离到BVDV-Ⅱ[15]。

2.2BVDV的生物型特性

根据 BVDV 是否产生细胞病变(CPE )的生物学特性,把该病毒株分为非致细胞病变型(Noncytopathogenic,NCP)和致细胞病变型(Cytopathogenic,CP)[16,17]。致细胞病变型的出现是由病毒遗传物质的改变造成的,有插入、重复或重排等变化,发生于非结构蛋白NS2/3的基因编码区。非致细胞病变型的毒株可用于干扰作用,或鸡新城疫病毒强化试验及免疫荧光试验[6]。Ridpath等[18]通过建立牛淋巴样细胞系作为体外研究模型,并根据接种到淋巴样细胞和上皮细胞后的培养特征将BVDV分为3个生物型,即非致细胞病变型、致淋巴细胞病变型和致细胞病变型。笔者认为,目前针对BVDV的生物型划分概念应当更加严格地加以限定,它虽然在一定程度上反映了BVDV与宿主细胞,特别是与上皮细胞之间的关系,但不能明显地对BVDV的分子生物学特征作出界定:NCP型BVDV强毒株急性感染导致血液中白细胞减少及坏死、凋亡的白细胞增多,推断NCP型BVDV针对循环白细胞具有类似CP型BVDV的细胞损伤效应。同时笔者在试验中发现所用的标准NCP型BVDV毒株出现不致细胞病变现象,是否是由于储存条件、储存年限、宿主细胞等原因所致,目前尚不清楚,有待于进一步研究,以揭示其中的转化机制。

3BVDV与宿主细胞的相互作用

研究发现BVDV感染的细胞类型较为广泛,对与免疫相关的细胞尤其易感,如T细胞、B细胞、抗原提呈细胞(Antigen presenting cell,APC), 作为主要 APCs 的单核细胞(Monocyte)、树突状细胞(Dendritic cells,DC)、巨噬细胞(Macrophages)对BVDV均易感[19-21]。

3.1受体

BVDV受体包括CD46[22]和低密度脂蛋白(LDL)受体[23],但随后Krey等[24]的研究否定了LDL作为BVDV受体的观点。进一步的研究表明BVDV结合CD46后,CD46在猪细胞上的表达和易感性增加,之后通过笼形蛋白依赖的内吞作用入侵细胞[25,26]。BVDV激活进入细胞的第一步可能涉及二硫键在病毒包膜蛋白质的重排[18]。这期间发生的病毒入侵激活步骤的先决条件是病毒被膜需要结合酸依赖性内涵体膜,从而释放RNA进入细胞质。Thomas等[27]证实抗 CD46 抗体可以抑制 BVDV-Ⅰ和 BVDV-Ⅱ的易感性,表明CD46是BVDV的广泛性受体。进一步研究表明牛CD46表面的CCP(Complement control protein,CCP)是BVDV的结合位点,CCP1是由两条反向平行的短肽序列组成,是BVDV的主要连接位点,交换两条短肽序列的顺序CD46将丧失功能。测定CD46的功能参数显示4个CCPs之间距离最短时发挥最主要的受体功能,通过在牛C4结合蛋白上插入16个CCPs,以增加病毒结合区域和原生质膜之间的距离,结果显示对 BVDV的易感性影响很小。同时已知CD46也是麻疹病毒、人疱疹病毒6型、人B组和D组腺病毒、化脓性链球菌和致病奈瑟氏菌的受体,但具体的结合位点有所区别。BVDV在进入受体细胞的过程中是否需要辅助因子和病毒糖蛋白等配体的参与,这些辅助因子的鉴定和病毒糖蛋白的确定将成为以后的研究重点,为彻底揭示BVDV与受体细胞之间的相互作用机理和过程奠定基础。

3.2感染MDBK细胞的机制

Glew等[21]对 BVDV进入MDBK的细胞机制进行研究发现,在感染早期,氯喹、氯丙嗪、氯化铵可以抑制 BVDV的感染,表明内涵体的pH可以调节BVDV进入细胞,病毒从细胞表面进入需要受体介导的细胞内吞作用,延伸至内涵体层发生融合作用。酪氨酸激酶抑制剂染料木黄酮,在进入细胞阶段抑制局部的BVDV感染,染料木黄酮的抑制性与剂量有关,50~100 μg/mL的染料木黄酮可以抑制50%细胞感染;氯丙嗪对BVDV进入细胞也有很强的抑制性;是一种重要的无功能蛋白EPS15,可以在细胞膜表面形成笼形蛋白样小囊泡,它的过量表达可以抑制BVDV的感染。总之,BVDV感染需要依赖活性笼形蛋白介导的细胞内吞途径[26]。以上试剂或药物是如何起作用的,其作用位点、机理以及分子机制还有待进一步的研究。

3.3对干扰素的影响

体外研究表明最初的感染多数是CP型BVDV,诱导产生IFN-α/β,然而体外分离得到的 NCP型BVDV不能诱导产生IFN-α/β[28,29]。体内试验表明CP型BVDV感染早期胎儿也可诱导产生 IFN-α/β,但NCP型则不能。然而急性感染NCP型 BVDV的试验动物可以产生IFN-α/β[30]。Charleston等[31]用NCP型BVDV诱导产生IFN-α,对淋巴细胞亚群进行了鉴定,结果表明这些细胞表达骨髓样细胞标记的CD14、CD11b和CD172a,但不表达CD45和CD45RB。同时也确定了在缺乏有效感染情况下诱导产生IFN-α的细胞群。Lee等[32]研究表明NCP型BVDV感染后1 h IFN-Ⅰ(如IFN-α、IFN-β)细胞因子的表达有明显的上调作用,但CP型BVDV则没有;感染后24 h IFN-Ⅰ细胞因子的表达在2种生物型中均没有明显的差异。干扰素在BVDV感染早期起到了一定的免疫效果,提示可以在病毒感染早期应用干扰素作为免疫增强剂配合疫苗联合使用,来预防和治疗BVD。

3.4对单核细胞和树突状细胞的影响

BVDV感染影响牛单核细胞中专职抗原递呈相关蛋白的表达,可启动单核细胞激活和分化,抑制其将抗原递呈给T细胞[33]。Glew等[21]研究发现单核细胞和树突状细胞(Dendritic cell,DC)在体外对 NCP型BVDV和CP型BVDV均易感。证明NCP 型BVDV感染单核细胞后缺乏产生同种基因和记忆性CD4-T细胞反应的能力,NCP型BVDV不感染DC;CP型BVDV感染单核细胞和DC后差异显著,CP型BVDV引起的细胞病变作用对DC没有影响,相反单核细胞被杀死。CP型BVDV感染单核细胞和DC后产生相同水平的IFN-α/β,而在NCP型BVDV中没有检测到。

在感染NCP/CP型BVDV的单核细胞中有6种与细胞迁移性、抗病毒机制及糖代谢和抗肿瘤相关的蛋白的表达有差别,特别是 RACK (Receptor of aactivated C kinase)、PK(Pyridoxal kinase)、DGK (Diacyglycerol kinase)以及 BTK(Brutons tyrosine kinase),此4种蛋白的表达量在感染CP型BVDV 的单核细胞中较之NCP型BVDV感染细胞中的表达量更低,这可能与细胞损伤效应有关[34]。此外,在CP型BVDV-2感染的细胞中存在原癌基因(c-fos、c-jun、junB、junD) mRNA 的合成增加,但是相应的蛋白质却不增加,这导致其mRNA的积累[35]。

3.5调节Toll样受体(Toll—like receptors,TLR)、促炎性细胞因子、Th1/Th2型细胞因子和共刺激分子在牛外周血单核细胞中的表达

研究人员以NADL(CP)株和New York 1(NCP)株 BVDV接种易感动物引起持续感染或温和型感染为模型来研究不同生物型BVDV感染后,牛单核细胞中TLR介导的 IFN-Ⅰ和促炎性细胞因子表达的差异。

3.5.1对TLR基因表达的调节作用Franchini等[36]的研究表明,BVDV感染牛巨噬细胞对TLR2、TLR3、TLR4 mRNA表达没有明显的上调作用。Lee等[32]研究表明,NCP型BVDV感染后,在牛单核细胞中TLR3和TLR7 mRNA有很高的表达水平,但CP型表达水平相对较低;而且在感染的早期(1 h)TLR3的表达处于主导地位,直到感染后期(24 h)TLR7的表达处于主导地位,这与Franchini 等先前的报道有所矛盾;同时还表明BVDV低感染剂量(MOI 0.002)要比高剂量(MOI 10)可以更加有效地激发TLR的级联级放大反应。提示BVDV可能通过改变TLR3/7的表达及其信号通路来逃避免疫反应。

3.5.2对部分促炎性细胞因子基因表达的影响Lee等[32]对BVDV感染单核细胞后3种促炎细胞因子TNF-α、IL-1/β和IL-6的基因表达进行了研究,结果表明CP型BVDV感染后1 h对TNF-α 基因表达有上调作用,但NCP型BVDV和对照组相比没有明显的改变;但在24 h时TNF-α的表达水平在2种生物型BVDV中有明显的下降。与TNF-α不同,IL-1/β和IL-6在感染后1 h的表达水平处在下调的边缘,但在24 h出现明显的下调作用,NCP型和CP型BVDV之间没有明显的差异。

3.5.3对Th1/Th2型细胞因子表达的影响Lee等[32]研究表明,Th/2型细胞因子IL-10、IL-4和 IL-15,在NCP型和CP型BVDV感染后24 h的基因表达水平有明显的下调作用;而Th/1型细胞因子IL-12则表现出明显的上调作用。

3.5.4对共刺激分子CD80和CD86表达的影响为了确定BVDV感染后对单核细胞激活T细胞抗原提呈功能的影响,Lee等[32]测定了CD80和 CD86在感染组和对照组中的基因表达水平,结果表明感染后24 h CD80和CD86的基因表达水平相对于感染后1 h和对照组有明显的下调作用。通过上述内容,笔者推测NCP型和CP型 BVDV先是通过调节TLR基因的表达,然后调节共刺激分子、IFN-Ⅰ和Th1/Th2型细胞因子的表达,来降低专一性APC上CD80/86的表达水平,从而达到逃避宿主先天免疫应答,引起动物发病的目的。

3.6BVDV 感染后牛单核细胞中专职抗原提呈作用相关蛋白的表达

串联质谱法(Tandem mass spectrometry)和基因组学在牛基因组研究中的应用,致使牛蛋白的鉴定取得了较大的进步。研究人员用DDF(Differential detergent fractionation,DDF)法分析牛单核细胞相关蛋白的抗原识别模式、摄取以及免疫活性淋巴细胞的包装。已鉴定的47种牛蛋白质表明,CP型 BVDV 感染后免疫功能相关细胞有明显的变化,其中包括抗原提呈细胞(Antigen-presenting cells,APC)。尤其是与蛋白免疫反应相关的如细胞的粘附、程序性死亡、抗原摄取、加工和包装、急性起反应蛋白、MHC-I和MHC-Ⅱ相关蛋白以及其他分子等。Lee等[33]研究表明,CP型BVDV可以促进单核细胞的激活和分化,同时抑制具有免疫活性T淋巴细胞的抗原提呈作用,最终导致活性巨噬细胞介导的炎症反应难以控制,加速了病毒的扩散和损害了机体的抗病毒防御机制。

4结语

由于BVD分布广泛,并且宿主分布范围较广,近年来有逐渐扩大的趋势,研究的重点也主要集中在分子流行病学方面,在防治方面相对较少,有关 BVDV的免疫机理还不十分清楚。Pedrera等[37]通过给断奶犊公牛鼻内接种BVDVⅠ(NCP型)毒株,来研究病毒在回肠段的形态学变化和分布,取得了一定的研究成果。赵玉龙等[38]采用 CP型 BVDV(Oregon C24)标准株对产蛋鸡进行基础免疫,而后用NCP型BVDV新疆优势流行株进行加强免疫,制备出效价高、特异性好的抗BVDV卵黄抗体,其对NCP型BVDV(新疆的优势流行株)的中和效价达到1×10-3,为进一步研发治疗制剂及更好地预防BVD提供理论依据。赵月兰等[39]用本地分离毒株制成油乳剂灭活疫苗免疫犊牛,取得了较好的免疫效果,提示用本地毒株制成的灭活疫苗免疫奶牛是控制本地区BVD流行的有效方法。

反向遗传操作系统在正链RNA病毒研究中应用十分成熟,取得大量有价值的研究成果。当今生命科学新领域蛋白组学发展又给病毒研究提供了新思路、新方法。BVDV生物型及细胞损伤效应、免疫逃逸机制方面,利用反向遗传技术以及蛋白组学方法相结合的手段,从病毒与宿主(细胞)之间相互作用的角度理解上述问题,是今后一段时间研究人员须努力的方向之一。

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