甲型流感病毒跨宿主屏障的位点协同进化模式

Adaptive mutations of influenza A virus is of great importance for its host shift from avian to humans. Researchers have identified a lot of point mutations related to host shift, however, the role of cooperative mutations in cross-species transmission is still unclear. Our previous work revealed that cooperative mutation is a major force underlying influenza virus evolution, besides, a new experimental evidence indicated that cooperative mutation may play an important role in host shift. To systematically illustrate the evolution pattern of cooperative mutations in influenza A virus to overcome the host species barriers, we will try to recognize those cooperative mutations involved in cross-species transmission based on the viral sequence and structure data, and characterize the evolution pattern of cooperative mutations from multiple perspective. Furthermore, we will attempt to interpret genomic changes of those avian influenza viruses causing sporadic human infections. Our work will not only promote our understanding for the molecular mechanism underlying host shift, but also provide useful information for the surveillance and control of influenza A viruses.

流感病毒基因组的适应性改变对于病毒的跨宿主传播至关重要。过去的研究已较为全面地捕捉到了与跨宿主传播相关的单位点突变，但对于参与跨宿主过程的协同变化位点对，尚缺乏全面的认识。我们之前的研究发现位点协同进化是流感病毒进化的一种重要推动力，并且最近有新的实验证据表明位点协同进化在流感病毒跨宿主过程中具有重要作用。为系统阐明流感病毒跨宿主屏障的位点协同进化模式，我们拟基于流感病毒的基因组序列数据和蛋白质结构数据，通过发展识别序列和结构层次协同变化特征的计算方法捕捉跨宿主相关的协同变化位点对，然后从网络、结构和功能等多个维度对病毒跨宿主屏障的位点协同进化模式进行深入的刻画。进一步的，我们还将尝试基于所找到的跨宿主位点协同进化模式诠释偶发性感染人的禽流感病毒基因组的变化。我们的工作能极大的增进我们对流感病毒跨宿主传播分子机制的认识，并能为流感病毒的监控提供一定的依据。

项目背景：流感病毒是一种人禽共感染病毒。流感病毒在从禽宿主跳跃到人宿主的过程中，需要改变自身的基因组以适应新的宿主环境。之前的研究已在流感病毒基因组上发现了许多与流感病毒宿主适应性相关的特异性位点，但这些位点之间是否存在协同变化，以及这些协同变化是如何影响作为功能执行者的蛋白质结构层面的变化，目前依然知之甚少。氢键是维系蛋白质结构和功能的一种重要的弱相互作用。在本研究中，我们重点探索了流感病毒宿主特异性位点突变对蛋白质结构中氢键的影响，以期了解氢键在流感病毒宿主适应过程中扮演的角色。.研究内容：我们从GISAID和NCBI流感病毒数据库中收集了所有的人流感病毒和禽流感病毒的蛋白质全长序列。通过从PDB中选取流感病毒蛋白质的高分辨率晶体结构，我们构建了所有突变序列的精细侧链结构模型。通过比较人流感病毒和禽流感病毒在相同位点对之间的氢键分布差异，即可观测到不同宿主间具有显著差异的氢键变化。.重要结果：在本研究中，我们识别了流感病毒内部片段上60个宿主特异性的位点，其中27(45%)个位点造成了蛋白质结构中新氢键的形成或旧氢键的消失。在流感病毒外部片段血凝素蛋白(HA)和神经氨酸酶(NA)上没有发现适合所有亚型的宿主特异性位点，发现了30个具有组间特异性的宿主适应性位点，其中有26(86.7%)个位点引起了至少一个HA或NA亚型的氢键变化。2009年大流行的H1N1毒株、偶发性感染人的H5N1和H7N9毒株的宿主特异性位点及其导致的氢键变化模式具有显著差异。H7N9流感病毒流行过程中的具有更高危害性的第五次爆发相对于之前的爆发具有8个特异性的位点，其中有三个位点包括HA蛋白上的R140K，NA蛋白上的Y170H和PB2蛋白上的R340K, 导致了相应蛋白质片段上对应位置的氢键消失。.科学意义：我们的研究工作表明氢键变化在流感病毒在适应宿主的过程中扮演着重要作用，这对于增进我们对于流感病毒宿主适应性的理解具有一定的意义。