粤港澳大湾区精准医学研究院

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Cell | 粤港澳大湾区精准医学研究院(广州)张永振团队:宿主特征决定了野生小型哺乳动物中病毒组成和跨种间传播

发布日期:2023-09-21 10:29:04 作者: 来源:

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      人类的大多数传染病来源于野生动物,经跨种间传播感染人。新冠病毒的暴发及其在全世界的大流行再次说明未来新发传染病出现的必然性与不确定性。我们不知道X、Y、Z病毒将来会在何时、何地、以何种方式出现。能否像天气预报那样对未来的新发突发传染病实现预测预警,以及一旦病毒在人群暴发后能否对其的进化变异流行规律进行预测,从而实现主动防控,减少它们对人类的危害?要实现上述目标,就需要掌握自然界中病毒的本底、地理分布、宿主类型,尤其是查清它们在宿主动物中的进化、生态、播散规律。啮齿类、蝙蝠、鼩鼱等野生小型哺乳动物是人类传染病最重要的传染源。尽管对它们所携带的病毒有了一定的认识,但由于缺少系统性(包括所有的宿主及其病毒组)及多维度的研究,仍不知道它们所携带病毒组的全貌,病毒在不同地理生态环境、不同动物类群、不同种群、不同个体、不同组织器官内(间)的进化、生态、播散规律,不清楚病毒与病毒间、病毒与宿主间的相互作用。

      2023年9月20日(当地时间),粤港澳大湾区精准医学研究院(广州)、复旦大学生命科学学院张永振团队于国际顶尖学术期刊Cell发表题为“Host traits shape virome composition and virus transmission in wild small mammals”的研究性论文。该研究揭示了四种不同地理生态类型地区野生小型哺乳动物宿主及其所携带病毒的多样性。从地理生境、类群、种群、个体、组织器官五个维度系统地揭示病毒种群在蝙蝠、鼠类、鼩鼱这三类小型哺乳动物中的进化、生态、播散规律,以及病毒间、病毒与宿主间的相互作用。研究发现大量的病毒具有跨种间传播能力,这也意味着它们具有突破物种间的遗传障碍感染人的可能。这些研究结果也为将来建立像天气预报一样准确的新发突发传染病预报预测系统奠定了坚实的理论基础与技术支撑。 

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      1、野生小型哺乳动物的多样性、丰度和生态属性

      2016年研究团队在代表了亚热带地区四种自然生境的温州、龙泉、荆门、五峰地区进行现场生态学与流行病学调查研究。其中温州和荆门属于具有林地和山地成分的农业区,龙泉和五峰属于山地森林区;温州和龙泉位于沿海地区,而荆门和五峰位于内陆地区。研究团队从上述四个地区采集了翼手目(蝙蝠)、食虫目(鼩鼱)和啮齿目(鼠类),共计44种4336只野生小型哺乳动物。稀疏分析显示本研究采集到的三类野生小型哺乳动物能反映采样地点的真实物种多样性及丰度。

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图1. 采样点地理生境与小型哺乳动物组成

 

      2、野生小型哺乳动物的病毒组

      采用研究团队实验室建立的病毒筛查发现体系,对采集自上述四个自然生境的其中2443只蝙蝠、鼠、鼩鼱的内脏器官和粪便样本进行了RNA提取、宏转录组文库构建,以及高通量测序。从共计353个转录组文库中,鉴定出669种病毒,其中包括534种新病毒。新发现的病毒来自于超过40个病毒科。大量新病毒的发现大大扩展了对野生小型哺乳动物携带病毒组及其多样性的认知。

      值得注意的是,除了毛马蹄蝠外(仅采集到一个个体),在所有其他的43种野生小型哺乳动物物种中都发现了病毒。每种蝙蝠平均携带11.4(263/23)种病毒,每种鼠携带9.2(138/15)种病毒,而每种鼩鼱携带48.3(290/6)种病毒。尤其是斯氏缺齿鼩鼱(Chodsigoa smithii)单一物种携带了高达150种病毒,并且还包括亨尼帕病毒和许多无脊椎动物相关的病毒。鼩鼱能携带如此丰富多样的病毒颠覆了已有的认知。

      研究结果显示野生小型哺乳动物携带的病毒高度复杂多样,数量丰富,并且流行率高。统计分析显示,在病毒科的水平上,三类野生小型哺乳动物的病毒组组成差异很大,例如:沙粒病毒科和动脉病毒科的病毒在啮齿动物中检出较多,冠状病毒科和肝病毒科的病毒在蝙蝠中更多。不同采样地点的病毒组组成也存在差异,五峰地区及在两个以上地点出现的野生小型哺乳动物携带的病毒数最多。

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图2. 三类野生小型哺乳动物中脊椎动物和无脊椎动物相关病毒组

 

     3、野生小型哺乳动物携带病毒的器官分布及其丰度

        为了发现野生小型哺乳动物所携带病毒在宿主个体内的分布规律,研究团队又对同一物种动物的不同脏器(或粪便)分别构建文库,结果发现不同病毒科的病毒在这些野生小型哺乳动物的内脏器官分布和器官内的丰度表现出非常大的差异。例如:星状病毒科、杯状病毒科、冠状病毒科和小核糖核酸病毒科的病毒在粪便中几乎都以高丰度存在,而副粘病毒科的病毒在肾脏中的检出率与丰度最高。

     值得注意的是,即使来自同一科的病毒在不同的野生小型哺乳动物中也有不同的宿主体内分布。例如:与蝙蝠相比,副粘病毒在鼠体内更倾向于多器官分布。尤为重要的是,通过数据拟合分析发现,当病毒在主要靶器官中的丰度达到一定水平时,病毒就能“溢出”到其他内脏器官。

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图3. 三类野生小型哺乳动物中脊椎动物和无脊椎动物相关病毒的器官分布

 

     4、野生小型哺乳动物携带病毒的多样性和进化

        对三类小型哺乳动物携带的病毒进行系统发生分析发现,新发现的病毒有很多处在重要的进化位置上。例如:在五峰黑腹绒鼠中新发现一种汉坦病毒与已知的汉坦病毒差异很大,它不但没有与绒鼠等田鼠亚科携带的病毒聚集在一起,反而与鼩鼱中发现的索托帕莱雅类病毒聚集在一起,并形成姐妹分类群,呈现出较近的亲缘关系。绒鼠中发现的这一新病毒挑战了现有汉坦病毒进化起源的认知。因此,新发现的病毒有助于揭示相应病毒科的进化起源。

      值得注意的是,新发现的病毒许多与已知的人或家畜病原体有较近的亲缘关系。例如:从温州和五峰地区的蝙蝠中发现的正腮腺炎病毒与已知的人类正腮腺炎病毒4型病毒氨基酸序列的同源性为70%,在温州黑线姬鼠与臭鼩鼱中发现的一种新型亨尼帕病毒与近期在发热病人和鼩鼱中发现的琅雅病毒亲缘关系较近(RdRp的氨基酸同源性为82.0%)。这些数据表明需要在与这些动物物种频繁接触的人群中加强监测。尽管在8种蝙蝠、5种老鼠和1种鼩鼱中发现了13种冠状病毒,但没有鉴定出SARS-CoV-2相关病毒。

      另外,研究团队还发现了大量以前被认为是无脊椎动物特异性或相关的病毒。首次在哺乳动物中发现的这些病毒,部分病毒在多脏器中分布,并且丰度较高。这些结果表明这些节肢动物特异或相关的病毒感染了小型哺乳动物宿主,而不是只源自于宿主的进食。另外,节肢动物特异或相关的病毒在鼩鼱中的检出率最高,这也意味着脊椎动物的病毒来源于节肢动物,而鼩鼱在其中发挥了重要作用。

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图4.脊椎动物和无脊椎动物相关病毒的系统发育多样性

 

      5、野生小型哺乳动物中病毒的传播

      为了更好发现病毒在这些野生小型哺乳动物中的播散规律,研究团队构建了宿主-病毒相关网络。对于蝙蝠和鼩鼱来说,病毒的跨物种传播更频繁地发生在生活在同一栖息地的不同种群间。然而,在鼠类中,超过一半的跨物种传播病毒在不同地点的种群中被发现,这与鼠类迁移能力强和地理分布广泛有关。另外,由于生境的重叠性,鼠类和鼩鼱更有可能携带相同的病毒。

      网络拓扑分析显示,1种蝙蝠(大鼠耳蝠,Myotis chinensis)、3种啮齿动物(社鼠,Niviventer Niviventer;针毛鼠,N. fulvescens;褐家鼠,Rattus norvegicus)和2种鼩鼱(斯氏缺齿鼩鼱,C. smithii;灰貂鼩,C. attenuata)位于网络中心。除了淡灰黑齿鼩鼱外,其余的鼩鼱都携带至少两种能在不同宿主目间传播的病毒,尤其是臭鼩鼱与斯氏缺齿鼩鼱都携带了5种能跨宿主目传播的病毒,这表明了鼩鼱在病毒播散中具有极为重要的意义。

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图5. 野生小型哺乳动物间的病毒传播

 

      6、决定病毒组成和病毒跨物种传播的生态因素

      随后,研究团队通过全子集回归分析进一步确定野生哺乳动物中病毒组成和病毒跨物种传播的生态驱动因素。分析发现:宿主物种特征和种群大小是影响病毒组组成和病毒跨物种传播的最重要因素。鼩鼱携带有种类极为丰富的病毒,包括多种多样的无脊椎动物相关病毒,并且这些病毒中的大部分在鼩鼱体内呈现出多器官分布,提示鼩鼱是无脊椎动物相关病毒向脊椎动物病毒转化的重要中间宿主。而啮齿动物携带更多具有跨宿主传播能力的病毒。并且,宿主因素对病毒跨物种传播概率的影响在不同病毒科中也有所不同,而在宿主体内呈现多器官分布的病毒更有可能溢出并感染多种宿主。

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图6. 决定病毒组组成和驱动病毒跨种间传播的生态因素

 

      该研究在国际上对人类传染病重要的动物传染源:啮齿类、蝙蝠和鼩鼱等小型哺乳动物进行了全面、系统的病毒的多样性、进化生态学,以及播散规律研究,并从地理生境、类群、种群、个体、组织器官五个维度系统地揭示了宿主特征等生态因子如何影响病毒组组成和跨物种病毒传播。

      粤港澳大湾区精准医学研究院(广州)资深研究员、复旦大学生命科学学院特聘教授张永振为论文通讯作者。复旦大学生命科学学院青年研究员陈燕玫、博士研究生胡书剑、温州市疾病预防控制中心林献丹主任医师、武汉市疾病预防控制中心田俊华博士为论文并列第一作者。

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