病毒超级携带者-蝙蝠的入侵真相

2020-06-18  来自: 东君医药研究院
 

  最近一项发表于elife的研究揭示,为了应对飞行活动和高代谢速率导致的炎症损伤,蝙蝠会快速减低免疫反应带来的炎症。

  SARS病毒、埃博拉病毒、新型冠状病毒等引发严重疫情的病毒天然宿主都是蝙蝠。过去十数年以及最近一项发表于elife的研究揭示,为了应对飞行活动和高代谢速率导致的炎症损伤,蝙蝠会快速减低免疫反应带来的炎症。但在抵抗病毒的过程中,蝙蝠的免疫系统很容易产生干扰素-α,进行早期预警,直接对病毒进行攻击,这能够显著降低病毒浓度,防止细胞损伤。而蝙蝠产生的干扰素还具有长期的免疫能力,可以持续保护细胞免受感染。不过,这会促使病毒的快速复制,并增强传染性。而人类缺乏这种快速的免疫保护机制,因此当病毒传染到人类时会产生高致死性。

狐蝠,亨德拉病毒的天然宿主

  小结:

  1、自身能快速降低炎症风暴反应;

  2、自身能在早期直接攻击病毒;

  3、自身能产生干扰素长期免疫保护细胞;

  4、干扰素使病毒复制加快,传染性增强;

  5、人类缺少免疫保护,因此致死性高;

  最近,科学家们对乌干达(Uganda)某个洞穴内的一种埃及果蝠进行了基因测序,为蝙蝠携带并传播致命病毒而本身却不生病的原因提供了线索。 研究者们当时在研究2008年一起来自美国科罗拉多州44岁妇女的病例:她在乌干达进行了为期两周的游猎后回家,患上了严重的头痛、寒颤、恶心、呕吐和腹泻。接着出现了皮疹、腹痛、乏力和意识混乱。

  医生最终诊断她患的是马尔堡病,一种由和埃博拉病毒属于同一家族、对人类最致命病原体之一的病毒引起的疾病。游客们可能在参观蟒蛇洞时,触摸到覆有蝙蝠粪的岩石而感染这种病毒。这位44岁妇女幸存了下来,但是游览了同一个洞穴并感染了马尔堡病毒的荷兰游客去世了。

  这种埃及果蝠学名为北非果蝠(Rousettus aegyptiacus),其基因组中包含了多于预期的和哺乳动物免疫系统相关的基因家族(gene family)。研究者们发现了大量与干扰素和自然杀伤相关的基因家族,这与其它和它们类似的哺乳动物有很大的不同。

  正如在《细胞》(Cell)中所报导的,这项发现可能最终会引导人们更深入地了解病毒传播,以及制定出对感染病人更好的治疗方案。

  波士顿大学微生物学教授和美国陆军传染病研究所的研究人员称:“我们从蝙蝠身上学到的知识有助于我们研制药物。更为重要的是,这或许能帮助我们理解动物传染病的传播机制——动物们如何能够在病毒寄宿于体内的情况下却不患病,并将病毒传播给人类?该过程到底是怎么运作的?动物身为病毒的长期宿主,能够获得什么好处?是为了与病毒协同进化,从而使得病毒传播到其他的溢出宿主(spillover host)时,能够表现出更强的致命性吗?”

致命的货物

  病毒学家长期以来一直对蝙蝠很感兴趣,因为它们携带狂犬病毒。尽管蝙蝠有时候会因为狂犬病毒而生病,但很少因此死亡。

  “因此总有人认为,或许蝙蝠至少和狂犬病毒之间有某种作用。”

  20世纪90年代,在马来西亚爆发的尼帕病毒(Nipah virus)杀死了成百上千头猪,科学家将这场病毒爆发追溯到了蝙蝠身上。“从那时起,研究者们对蝙蝠与病毒的联系就开始产生了兴趣。”开普勒说道。现在认为,蝙蝠携带着几种致命的病原体,包括马尔堡病毒和SARS样冠状病毒,并通过咬、唾液、粪便或尿液传播病毒。

  但科学家们仍没有确切地知道,蝙蝠如何能够携带如此致命的病毒自己却不患病。因此,疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control and Prevention)的病毒特别病原体分支(Viral Special Pathogens Branch)的科学家乔纳森·汤纳(Jonathan Towner)决定调查乌干达地区与马尔堡病毒死亡有关的埃及果蝠群。他到乌干达捕捉未受感染的蝙蝠,并把他们带回了疾病预防控制中心。

  在那里,科学家们从单个的蝙蝠体内提取了DNA,并将它送到美国陆军传染病研究所进行初步的基因测序。那里的科学家们将他们的数据送至波士顿大学开普勒实验室的医学博士生史蒂芬妮·帕夫洛维奇(Stephanie Pavlovich)手中,她是这篇新论文的主要作者。

基因中的惊喜

  帕夫洛维奇和来自美国陆军传染病研究所的同事肖恩·洛维特(Sean Lovett),进行了为期两年的艰苦工作收集基因组数据。他们比较了埃及果蝠和其他哺乳动物的基因组,包括了其他几种蝙蝠、人类和荷兰鼠。他们首先从大体上观察,然后特别专注于与哺乳动物免疫系统相关的基因区域。

  帕夫洛维奇说:“考虑到蝙蝠的演化历史,我们寻找了比我们预期更大或更小的基因。”他们也寻找了证明“正向选择”的基因,演化进程在种群中推动了新的且有用的遗传变异。

  “这使我们找到了一些这种蝙蝠进化得较快的基因,也有许多基因家族比我们想象得要大得多。”

  在“比预期大得多”的清单中,排在最上面的两个基因家族是Ⅰ型干扰素基因(type Ⅰ interferon genes)和自然杀伤基因——即“NK”细胞受体。Ⅰ型干扰素基因通常被称为抵御病毒的“第一道防线”,并且与像马尔堡病毒和埃博拉病毒这样的丝状病毒的病程密切相关。

  自然杀伤细胞是人体免疫系统的一个重要部分,它能够快速识别被病毒感染的细胞并对其作出反应。帕夫洛维奇说,在埃及果蝠中找到它们很令人惊讶。

  “福克斯先前观察了许多蝙蝠基因组,没有发现任何传统的NK细胞受体。”帕夫洛维奇说,“因此,当我们找到这些基因,事实证明了蝙蝠确实有NK细胞受体,埃及果蝠是一种特殊的群体。”

  这促使帕夫洛维奇用不同的工具再次观察了先前测序的蝙蝠基因组,同样也发现了自然杀伤细胞受体。

  这些初步的结果指出了被开普勒称为来自蝙蝠免疫系统存在“软保护”机制的可能性。“蝙蝠体内的激活和抑制作用比在其他大多数有机生命体中复杂得多。蝙蝠有可能在短期内缓解病毒感染,并试图阻止病毒生长和对身体的全面攻击。这其中发生着许多很有趣的事情。”

  研究者们指出,尽管这一发现很有趣,但只是为了更好地了解蝙蝠对致命病毒具备特殊免疫能力的第一步。

  “下一步需要弄明白‘这些额外的基因真的在起作用吗?’”正在Elke Mühlberger实验室做细胞系后续工作的微生物学副教授帕夫洛维奇提出了问题,“我想知道拥有这么多额外的基因是否有优势,还是它们只是刚巧存在。”

尊重蝙蝠

  同时,科学家们倡议尊重蝙蝠,而不是灭绝它们。科学家指出蝙蝠对生态很重要,其中食虫的种类捕食了大量的蚊子。

  “也有证据表明,对于蝙蝠的治理运动,实际上增加了某些蝙蝠种类的病毒携带率。”帕夫洛维奇说,“因此,我当然不支持这么做。”美国国防降险署(Defense Threat Reduction Agency)支持了这项工作。

  目前,人类已经在蝙蝠体内分离出超过80种病毒。蝙蝠为什么会携带如此多的致命病毒?它们自身却为何不会遭受病毒侵袭?从蝙蝠身上,我们又能学到哪些抗击病毒性疾病的策略?

  2002年,SARS(严重急性呼吸综合症)在广东佛山首发,并迅速扩展到中国及全球其它地区,导致774人死亡。在随后的病毒研究中发现,导致SARS的是一种新型冠状病毒,其自然宿主为蝙蝠中的菊头蝠。

  2016年10月底,就在距离首次发生SARS地点100多公里远的广东清远,研究人员在四个猪场发现乳猪急性腹泻症,5日龄以下猪仔死亡率高达90%,截止到2017年5月,共造成24693头乳猪死亡。

  中国科学院武汉病毒研究所研究员石正丽、军事医学科学院微生物流行病研究所研究员童贻刚、华南农业大学动物科学学院教授马静云以及新加坡Duke-Nus医学院新发传染疾病项目院长王林发及其团队,展开了国际大合作。他们发现导致乳猪大量死亡的是一种名为“SADS-Cov”的新型冠状病毒,这种病毒的自然宿主依然是蝙蝠中的菊头蝠,万幸的是这种病毒目前并不会导致人类患病。

  令人警惕的是,SADS和SARS具有诸多相似之处。比如,两者均发生于广东,都由新发冠状病毒引起,源头都是菊头蝠。

蝙蝠携带的病毒为什么会“入侵”到人类社会?

  研究人员认为,一部分原因是蝙蝠的地理分布及其行为特点。蝙蝠是一种分布范围非常广泛的哺乳类动物,除了南北极之外,蝙蝠在世界各地都有分布,大部分蝙蝠种类生活在热带和亚热带地区。在中国,以广东为代表的南方地区是蝙蝠的主要栖息地。而且,在哺乳类动物中有五分之一是蝙蝠,它是除人之外,分布最广的哺乳类。

  “从理论上来说,野生动物分布范围越广,它对家养动物和人的影响以及风险就越大。”中国科学院武汉病毒研究所研究员石正丽说。随着人类城市化进程加快,人类活动扩张,广泛分布着的蝙蝠与人类社会有了更密切的接触。

  在广东发生乳猪急性腹泻症的猪场,研究人员发现这些猪场的位置是在城外,在猪场周围发现有蝙蝠飞翔,而猪场旁边有一些小山丘,这些山丘周围很可能就是蝙蝠的栖息地。研究人员认为,一个很明显的传播途径是蝙蝠的粪便污染了猪场的环境,最后将病毒传播给了猪。

与致命病毒共生

  蝙蝠体内有如此大量的病毒,并且会给人类和家养动物造成致命的危险,但是它自己仿佛并不受这些病毒的影响。科学家在实验条件下用病毒感染蝙蝠,发现并没有引起明显的临床症状。

  蝙蝠的哪些特性使得它总是将病毒传染给人和动物,而自己却安然无恙?新加坡Duke-Nus医学院新发传染疾病项目院长王林发认为,这或许与蝙蝠是唯一一种能够飞行的哺乳动物有关。

  “我们现在的研究发现蝙蝠有上亿年的进化来解决它如何适应飞行这个问题,在进化过程中,它有很多系统发生了变化,包括它的防御和免疫系统。”王林发说。“这使得病毒与蝙蝠形成了一种看似共生的关系,互不侵犯。”

  中国科学院武汉病毒研究所研究员周鹏也曾经比较了,为什么某些病毒会导致陆地哺乳动物发病而蝙蝠却不发病的原因,试图找出可以对抗病毒的机制。2018年2月,周鹏作为通讯作者在学术期刊《细胞·宿主与微生物》上发表的研究显示,蝙蝠体内一个被称为“干扰素基因刺激蛋白-干扰素”的抗病毒免疫通道受到抑制,这使得蝙蝠刚好能够抵御疾病,却不引发强烈的免疫反应。“野生蝙蝠可能会携带很多病毒,但是它们都维持在一个较低的水平上,”周鹏说,“相比于控制,这种现象更像是共生。”

  免疫反应一方面有助于身体抵御病毒等病原体,但是对某种病毒的过度免疫反应可能导致人类及其他哺乳动物发生严重的疾病。

  “在我们的研究领域有一句话叫做‘No virus kill us, we kill ourselves’,意思是说,并不是病毒杀了我们,而是我们自己杀了自己。”王林发说,“这也就是说,我们自身的免疫系统,如果反应太强反而会造成疾病。”这对于研发抗击病毒的药物也具有一定的启发,“或许我们不应该制造抗病毒药,而是应该研发不让机体产生过强免疫反应的药物。”

如何防止病毒大规模暴发?

  以蝙蝠为代表的野生动物携带的病毒,曾经给人类社会带来巨大的损失,如何预防病毒的再次大规模暴发,成为科学家们研究的重点。

  “SARS之后,我们国家包括全球都形成了一个共识,就是希望将新发传染病的战线向前移。”中国科学院武汉病毒研究所研究员石正丽说。其中包括,对自然界野生动物携带的病原进行长期监测,建立早期的诊断技术,对可能流入人类社会造成疾病的风险进行评估和预测,来预防传染病的大规模暴发。

  自从参与了SARS病毒研究后,石正丽发现有一些指标可以用来评估和预测野生动物病毒的风险性。比如,她发现遗传多样性大的种群,携带的病毒更多,变异也更多;从理论上来说,一个种群分布的范围越广,其对家养动物和人的影响就会更大;从进化关系上来看,如果某种病毒与已知的人或家养动物病毒进化关系越近,这种病毒感染到人和家养动物的可能性就越大。

  王林发在发现蝙蝠是SARS冠状病毒天然宿主的过程中起了关键作用,他认为,备战意识和国际大合作对于新发传染病的防治意义重大。“此次在控制乳猪急性腹泻症过程中所使用的方法,以及合作的思路都可以应用到未来其它传染病的防治中。”

  在此次控制乳猪急性腹泻症过程中,由于快速组建起了一个多学科国际合作的团队,才使得疾病被控制在了局部范围并没有大规模的扩散,也没有发生可造成人类患病的病毒变异。即使未来在人类社会中发生大规模的传染病暴发,王林发认为,也完全可以用同样的方法进行早期的诊断和早期的发现。

 

 

 

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