猴痘病毒（MPXV）與天花病毒基因組比對

天花是由痘病毒科正痘病毒屬成員天花病毒（VAR）引起的一種死亡率高的人類流行性疾病。由于真空吸蟲病病毒（VAC）衍生的一種高度安全和廉價的疫苗的誕生，大規模接種疫苗以及徹底的流行病學監測，使天花于1977年在全球被根除。在根除天花之后，世界各地終止了疫苗接種。這為人畜共患正痘病毒如：猴痘病毒（MPV）、牛痘（CPV）和布氏痘等傳播和適應性突變提供了機會。猴痘病毒（MPV）是最受關注的人畜共患正痘病毒。猴痘和天花的臨床相似性，引發了關于病毒的遺傳關系以及MPV是否會進化成一種具有高頻率人傳人VAR樣病毒的猜想。

猴痘病毒與天花病毒的基因組差異

俄羅斯國家病毒學和生物技術“載體”研究中心的Sergei N. Shchelkunov等科學家對1996年在扎伊爾一次大規模猴痘暴發期間從患者身上分離的MPV進行了197 kb基因組測序。通過將MPV的基因組序列與引起嚴重疾病的印度1967株（VAR- IND）和引起相對輕微疾病的小天花Garcia-1966株（VAR- GAR）的基因組序列進行了比對，發現MPV基因組中部編碼必需酶和結構蛋白的核苷酸序列與天花病毒（VAR）的同源性為96.3%。而基因組末端編碼毒力和宿主范圍因子的區域有相當大的差異。MPV中兩個干擾素（IFN）抗性基因的突變以及白細胞介素- 1β（IL-1β）抑制的存在可能導致這兩種病毒特性差異，也可能限制了猴痘作為天花模型的用途。雖然廣泛的基因差異證實了MPV不是VAR的直系“親屬”，但不排除未來MPV對人類的適應性。

1. 基因全長

MPV-ZAI基因全長196858 bp，包含≥60個氨基酸殘基190個基本不重疊的ORF，其結構特征和GC含量（31.1%）與其他正痘病毒相似。MPV-ZAI基因的編碼序列全長比VAR長，為195118 bp。MPV DNA較長的長度主要是由于左側4個末端ORF的重復，作為末端反向重復（TIR）的一部分，而VAR基因組是非常短的無基因TIR，缺乏ORF重復（圖1）。

圖1. MPV-ZAI和VAR-IND末端物種特異性可變基因組區域示意圖

注釋：TIR用箭頭表示，短串聯末端重復區域用矩形表示。重合序列用寬黑色塊表示；一個基因組相對于其他基因組的缺失顯示為線。可變基因組區域的邊界由與其在基因組中的位置相對應的核苷酸數標記。

2. 中心基因組

正痘病毒的中心基因組區主要包含高度保守的必需基因。MPV-ZAI DNA的中心基因組區共有101 466 bp，由C10L和A25R ORF劃定，與VAR-IND的同源性為96.3%。MPV-ZAI這一區域編碼的病毒體蛋白氨基酸序列與VAR-IND有91.7-99.2%的相似性。

3. 末端區域

1）毒力因子

值得注意的是，MPV-ZAI突變是兩個IFN抗性基因的翻譯，它們在VAR和其他正痘病毒中是完整的胞內蛋白。其中一個（VAR-IND中的C3L，表1）是真核翻譯起始因子2α（eIF-2α）的同源物，通過充當誘餌抑制雙鏈RNA依賴蛋白激酶（PKR）的抗病毒活性。MPV（株ZAI和CNG）基因組不編碼這種蛋白質。研究表明，缺乏該基因的突變VAC表現出IFN敏感性，與親本病毒相比，病毒產量降低了約100倍。另一個IFN抗性基因（VAR-IND中的E3L，表1），存在于VAR和其他正痘病毒中，分別由第1或第2蛋氨酸以長或短的形式表達（圖2A）。在VAC中，該基因編碼的長形蛋白N端結構域介導與Z-DNA的結合、核定位和PKR相互作用，是VAC毒性必需的蛋白。短型或長型蛋白的C端結構域可結合雙鏈RNA，抑制IFN誘導的PKR和2-5A合成酶的激活，是IFN抗性和VAC宿主范圍所必需的。MPV的第一個翻譯起始密碼子和下游的無義突變明顯，因此只有短形式的翻譯（圖2A）。這兩種IFN的突變，可能導致MPV比VAR更少的人際傳播。

MPV編碼一種互補結合蛋白，只有3個短重復，而在其他正痘病毒中有4個（圖2B）。另外，MPV編碼分泌的IL-1β結合蛋白和3-l-羥基-δ-5甾體脫氫酶，在VAR菌株沒有完整的ORF（表1）。值得注意的是，編碼IL-1β結合蛋白的VAC基因與發熱和致病性相關。因此，MPV中IL-1β結合蛋白的存在可能是其致病性低于VAR的原因之一。

圖2. MPV與VAR IFN抗性因子及互補結合蛋白氨基酸序列比對

注釋：圖2A是對VAR-IND、VAR-GAR、MPV-ZAI對應基因編碼的正痘病毒E3L IFN抗性因子氨基酸序列進行比對。顯示含有N端腺苷脫氨酶Z-α結構域（灰色標記）和C端雙鏈RNA結合基序的區域。相同的氨基酸殘基用圓點標記；氨基酸缺失用破折號標記。第一個和第二個蛋氨酸殘基開始一個長或短形式的蛋白質用星號標記在序列上方。圖2B是正痘病毒互補結合蛋白的氨基酸序列比對。顯示VAR-IND和MPV-ZAI的ORF。保守的半胱氨酸殘基用黑色垂直塊標記，其他保守殘基用灰色垂直塊標記。方塊上面的數字表示互補控制蛋白的四個典型重復區域。

表1. MPV與VAR毒力因子比對

2）錨蛋白子

含有錨蛋白重復序列的編碼蛋白ORF，其中一些具有宿主范圍功能（正痘病毒同源的MPV-ZAI D7L和C1L），是最大的正痘病毒基因家族。在屬于這個家族的10個基因中，MPV-ZAI基因組中與VAR-IND B19R對應的基因被刪除，MPV-ZAI基因D1L對應的基因在兩個VAR株中均缺失。此外，該家族的4個VAR基因（VAR-IND中的D6L、D7L、C1L和O3L）相對于MPV同源基因被截斷。目前，我們只能推測這些差異可能如何影響宿主范圍或毒性。

表2. MPV與VAR錨蛋白比對

4. 系統發育樹分析

為了更好地理解遺傳關系，利用117600 bp的DNA對4種人類致病性正痘病毒的末端可變基因組區域進行了系統發育分析（圖3）。VAR的主要亞種和次要亞種關系密切，MPV與VAR的距離比VAC略遠。

圖3. MPV、VAR、CPV、VAC末端可變基因組序列系統發育樹分析

綜上所述，MPV和VAR基因組比對結果表明，MPV毒力基因與VAR的主要株和次要株存在多重差異。MPV和VAR很可能是獨立于正痘病毒祖先進化而來的。VAR和MPV之間的遺傳差異對該MPV天花模型的有效性提出了相當大的疑問。然而，MPV本身引起的嚴重疾病，我們需要密切監測MPV感染率，以確保它不會在艾滋病高發的未接種疫苗人群中通過自發或重組的方式進行人類適應。

參考文獻

Sergei N. Shchelkunova, Alexei V. Totmenina, Igor V. Babkin, et al. Human monkeypox and smallpox viruses: genomic comparison[J].FEBS Letters,2001,509:66-70.

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