疾病监测  2017, Vol. 32 Issue (5): 387-393

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方斌, 余晓, 李翔, 叶国军, 刘琳琳
FANG Bin, YU Xiao, LI Xiang, YE Guo-jun, LIU Lin-lin
2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒抗原漂移分析
Analysis of antigen drift of influenza A (H3N2) virus in Hubei, 2010-2015
疾病监测, 2017, 32(5): 387-393
Disease Surveillance, 2017, 32(5): 387-393
10.3784/j.issn.1003-9961.2017.05.009

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收稿日期:2016-11-07
2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒抗原漂移分析
方斌, 余晓, 李翔, 叶国军, 刘琳琳     
湖北省疾病预防控制中心卫生检验检测研究所流感参比实验室, 湖北 武汉 430079
摘要目的 了解2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒流行特征、基因进化和抗原漂移情况。方法 通过2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒核酸检测阳性率划分流行高峰,分析各流行高峰病毒的阳性数、分离数和进化簇分布,结合抗原决定簇氨基酸突变位点和三维建模数据,分析3C.2a簇病毒抗原决定簇氨基酸突变位点变化情况。结果 2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒存在8个流行高峰,流行高峰会受到其他型别流感流行的影响,3C.2a簇病毒主要在第Ⅶ流行高峰后流行,与3C.3a簇病毒在HA蛋白3处抗原决定簇上存在7处不同氨基酸突变位点,3C.2a簇病毒159Y-160T位点和3C.3a簇病毒159S-160K位点在三维模拟结构图中差异明显。结论 2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒进化簇不断进化,加强对近期3C.2a簇病毒的进化学监测和抗原漂移分析,有助于提高湖北省流感病原学和流行病学监测水平和能力。
关键词H3N2亚型流感病毒    3C.2a簇病毒    流行特征    抗原漂移    进化    
Analysis of antigen drift of influenza A (H3N2) virus in Hubei, 2010-2015
FANG Bin, YU Xiao, LI Xiang, YE Guo-jun, LIU Lin-lin     
Institute of Health Inspection and Testing, Hubei Provincial Center for Disease Control and Prevention, Wuhan 430079, Hubei, China
This study was supported by the fund for the National Science and Technology Major Project (No.2012ZX10004-207)
Corresponding author: IU Lin-lin, Email:mice0809@163.com.
Abstract: Objective To understand the epidemiological characteristics, evolution and antigenic drift of influenza A (H3N2) virus in Hubei province during 2010-2015. Methods The epidemic peaks were divided by using the positive rate of influenza A (H3N2) virus in Hubei during this period. Positive number, isolation number and phylogenetic trees of the virus were analyzed in every epidemic peaks, then amino acid substitution of antigen was analyzed by using substitution data and homology modeling structures of the HA protein of influenza A (H3N2) clade 3C.2a viruses. Results There were eight epidemic peaks during the variation of influenza A (H3N2) virus in Hubei during 2010-2015. The epidemic peak of influenza A (H3N2) virus would be influenced by epidemics of other influenza viruses. After the seventh epidemic peak, clade 3C.2a virus was most prevalent. Seven amino acid substitutions and their different structures were detected on three major epitopes of HA protein between clade 3C.2a and 3C.3a viruses. There were distinct structure difference in amino acid sites between 159Y-160T (3C.2a virus) and 159S-160K (3C.3a virus). Conclusion Evolution of influenza A (H3N2) virus occurred in Hubei during 2010 -2015. It is necessary to strengthen the surveillance for the evolution and analysis of clade 3C.2a virus to facilitate the pathogenic and epidemiological study of influenza in Hubei.
Key words: Influenza A (H3N2) virus     Clade 3C.2a virus     Epidemic characteristics     Antigenic drift     Evolution    

自1968年H3N2亚型流感病毒大流行以来,该病毒通过片段重组、抗原漂移和抗原转换逃逸宿主免疫,在全球不断变异引起新的流行,每年造成的死亡人数多达25万~50万[1]。H3N2亚型流感病毒的抗原漂移和致死率更强[1-12],该病毒的新变异给疫苗株的筛选带来极大挑战,使得过去匹配的疫苗效力减少[3]

2014-2015年流感流行的主要特征是H3N2亚型流感病毒的抗原漂移造成2013-2014年3C.1簇疫苗株A/Texas/50/2012的不匹配[4],这些不匹配的H3N2亚型流行流感主要属于3C.2a簇病毒,全球流感监测网络表明3C.2a簇病毒很难通过血凝抑制试验(hemagglutination inhibition test,HI)准确鉴定,加拿大只有不到15%的3C.2a簇病毒被鉴定[5]。通过与A/Texas/50/2012疫苗株的序列比较分析表明3C.2a簇病毒进化簇的代表突变子为F159Y和K160T,而158~160氨基酸位点属于血凝素(hemagglutinin,HA)蛋白顶端暴露区域的抗原决定簇B表位,仅3C.2a簇病毒拥有的F159Y和K160T突变能够修饰病毒抗原表位和阻碍抗体结合免疫抗原决定簇B[6-7]。该突变的研究有助于3C.2a簇病毒抗原性相关问题的解释和疫苗保护效果的评价[5]

我国对H3N2亚型流感3C.2a簇病毒的进化情况进行过报道[8-10],本文尝试分析2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒流行和进化树分布情况,通过H3N2亚型流感3C.2a和3C.3a簇病毒在3个主要抗原决定簇上氨基酸突变位点[11]和三维结构的对比分析,了解湖北省H3N2亚型流感3C.2a簇病毒的进化和突变情况,氨基酸突变位点对3C.2a簇病毒HA蛋白主要抗原决定簇的结构影响,为流感病毒监测和疫苗筛选工作提供科学的理论支持。

1 材料与方法 1.1 湖北省H3N2亚型流感病毒时间分布

2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒核酸阳性数、阳性率和毒株分离数源于中国流感监测信息系统(http://10.249.1.170/UVSSERVER2.0/)。将流感病毒核酸检测阳性率超过流行季峰值的30%判定为流行高峰[12-13],对6年H3N2亚型流感病毒流行季划分流行高峰,分析其流行高峰时间段、各时间段内病毒核酸检测阳性数和毒株分离数。

1.2 毒株核酸提取、HA和神经氨酸酶(neuraminid-ase,NA)基因扩增及测序

采用QIAGEN公司BIO ROBOT EZ1核酸提取仪及其配套EZ1 virus mini kit v2.0试剂盒提取各毒株核酸。测序引物序列由国家流感中心提供[10],上海生工公司合成。采用QIAGEN公司OneStep RT-PCR Kit试剂盒进行聚合酶链式反应(polymease chain reaction,PCR)扩增,反应条件:45 ℃,45 min,1个循环;94 ℃预变性2 min,94 ℃,30 s,55 ℃,1 min,68 ℃,2 min,扩增40个循环后,68 ℃延伸7 min。PCR产物凝胶电泳阳性样本送北京华大基因公司测序。

1.3 HA和NA氨基酸序列来源和进化树分析

选取的毒株通过国家流感中心复核且正确,时间分布在2010-2015年各流行季且来源于湖北省流感监测网络,共选取20株H3N2亚型流感毒株,其中7株由湖北省疾病预防控制中心(CDC)测序,13株由国家流感中心测序,均上传至全球流感共享数据库(global initiative on sharing all influenza data,GISAID)共享其HA和NA氨基酸序列。HA和NA进化分支参考株参照欧洲CDC(http://ecdc.europa.eu/)的流感进化分析报告[14-15],其中A/Perth/16/2009、A/Norway/1330/2010、A/Madagascar/0648/2011、A/MONTANA/05/2011、A/Puerto Rico/36/2012、A/Victoria/208/2009参考株分别代表进化簇1、2、4~7;A/Stockholm/18/2011、A/Ohio/02/2012、A/Texas/50/2012、A/Hong Kong/146/2013、A/Hong Kong/4801/2014、A/Pennsylvania/28/2014、A/Samara/73/2013、A/Switzerland/9715293/2013和A/Netherlands/525/2014参考株分别代表进化簇3A、3B、3C.1、3C.2、3C.2a、3C.2b、3C.3、3C.3a和3C.3b,HA和NA氨基酸进化树采用Mega 5.2软件绘制,建树方法为邻接法(neighbor-joining,NJ),Bootstrap=1 000,进化树编辑采用Microsoft Office Word 2007软件。

1.4 HA蛋白抗原表位氨基酸突变位点、进化簇和细胞分离率分析

采用Mega 5.2软件分析湖北省H3N2亚型流感病毒HA蛋白抗原表位氨基酸突变位点[11],通过对比参考株A/Perth/16/2009 HA蛋白抗原表位氨基酸序列获得。同时分析各毒株采集时间、进化簇和HA蛋白抗原表位氨基酸突变位点间的关系。

1.5 HA蛋白抗原表位三维建模分析

通过SWISS-MODEL搜索3C.3a簇毒株A/Hubei-Caidian/34/2014和3C.2a簇毒株A/Hubei-Yunxi/31/2015的HA氨基酸序列的共同三维结构模板并模拟其三维结构[16]。5个主要的HA蛋白抗原表位和2种基因簇存在抗原表位氨基酸位点差异的结构均通过PyMOL软件编辑并标出[17]

2 结果 2.1 湖北省H3N2亚型流感病毒时间分布情况

2010年第1周至2015年第52周湖北省H3N2亚型流感病毒8个流行季的核酸检测阳性数和毒株分离数分别为5 903件和2 310株,而8个流行高峰的核酸检测阳性数和毒株分离数分别占流行季的80.48%(4 751/5 903) 和79.57%(1 838/2 310)。每年流行高峰核酸检测阳性数、毒株分离数和流行季峰值核酸阳性率各有不同,见表 1。2012年以后流行高峰均呈冬春季和夏季双峰季节性流行,但2013年双峰均较弱,其冬季峰核酸检测阳性数和毒株分离数仅68件和40株,峰值核酸阳性率仅11.20%;2010年呈夏秋季流行,2011年零星分布,见图 1。H3N2亚型流感病毒流行高峰的差异主要是因为受到其他型别流感流行峰的影响,如2010年冬春季流行峰主要流行B型流感病毒,2011年仅有的冬春季流行峰主要流行甲型H1N1型流感病毒,2013年的双峰同期主要流行甲型H1N1型流感病毒。

表 1 2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒流行高峰期检测结果 Table 1 Detection results of influenza A (H3N2) virus during epidemic peak in Hubei, 2010 -2015
流行高峰
序号
流行期时间段
(年.周)
核酸阳性数
(件)
毒株分离数
(株)
峰值核酸阳
性率(%)
2010.30-2010.40 766 243 34.28
2012.06-2012.17 563 256 22.74
2012.27-2012.37 619 336 42.36
2013.02-2013.04 68 40 11.20
2013.49-2014.06 595 251 20.70
2014.28-2014.37 836 322 36.34
2014.52-2015.07 492 209 26.40
2015.23-2015.34 812 181 25.95
图 1 2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒核酸检测阳性率周分布 Figure 1 Weekly distribution of positive nucleic acid rate of influenza A (H3N2) virus in Hubei, 2010-2015
2.2 湖北省H3N2亚型流感病毒HA和NA氨基酸进化树分析

HA氨基酸进化树表明4株2010年毒株分别隶属1、5和3A进化簇;2株2012年毒株均隶属3C.1进化簇;1株2013年和2株2014年毒株隶属3C.3b进化簇;5株2014年毒株隶属3C.3a进化簇;4株2015年毒株隶属3C.2a进化簇;另外2株2014年毒株则属于早期的3C.3进化簇。NA氨基酸进化树表明4株2010年毒株分别隶属3和4进化簇;2株2012年毒株分别隶属3C.2和3C.3进化簇;1株2013年、4株2014年和4株2015年毒株隶属3C.3b进化簇;1株2014年毒株隶属3C.2a进化簇;另外4株2014年毒株则属于3C.2b进化簇。20株湖北省H3N2亚型流感病毒在HA和NA氨基酸进化树上的进化簇分布存在差异见图 2,这种差异在欧洲CDC报告中的H3N2亚型流感病毒HA和NA氨基酸进化树分布也有报道[15]

图 2 2010-2015年湖北省H3N2亚型流感病毒HA和NA氨基酸进化树 Figure 2 Phylogenetic tree of HA and NA amino acid of influenza A (H3N2) virus in Hubei, 2010-2015 注:参考株为黑体;1~7,3A-3C.3b等为进化簇分支号[14-15];S214I等为对应进化簇代表突变位点
2.3 湖北省H3N2亚型流感病毒HA蛋白抗原表位氨基酸突变位点分析

20株湖北省H3N2亚型流感病毒分离株和A/Perth/16/2009参考株进行HA蛋白抗原决定簇比对分析发现A、B、C、D和E抗原决定簇上均有氨基酸突变[11],其突变位点数占其总氨基酸数的比例分别为A(5/19)、B(6/22)、C(8/27)、D(3/41) 和E(6/22)。同一流行高峰内75%(15/20) 分离株的进化簇相同,虽然A/Hubei-Wuchang/1271/2010属于第Ⅰ流行高峰,但却属于进化簇5。A/Hubei-Enshi/1250/2010(3A簇)、A/Hubei-Hongshan/1437/2013(3C.3b簇)、A/Hubei-Caidian/34/2014(3C.3a簇)和A/Hubei-Dongbao/1205/2015(3C.2a簇)则都在非流行高峰期发现。相隔A/Hubei-Caidian/34/2014(3C.3a簇)9周后发现的A/Hubei-Yunxi/31/2015隶属3C.2a进化簇且属于第Ⅶ流行高峰,两毒株间7个不同的氨基酸变异分布于3个抗原决定簇上,见表 2。第Ⅶ和第Ⅷ流行高峰分离到的毒株均为3C.2a簇,且3C.2a簇病毒均携带了其特征氨基酸突变位点158N-159Y-160T[6-7]

表 2 湖北省H3N2亚型流感病毒HA蛋白抗原表位氨基酸突变位点和样本信息 Table 2 Haemagglutinin antigenic substitution site and information of influenza A (H3N2) virus samples in Hubei
毒株名 采集日期
(年/周)
进化簇 流行
高峰a
A B C D E
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 2 2 3 3 2 2 2 0 0 0 0 2 2
2 3 4 4 4 2 5 5 6 6 9 4 4 5 7 8 0 1 1 1 3 6 8 9 9 6 6
4b 8 2 4 5 8 8 9 0 5 8 5 8 3 8 0 4 1 2 4 0 2 1 2 4 0 1
A/Perth/16/2009c 1 - Sd A R K N T N F K N A S T D N E A Q T S I K N K Y I R
A/Hubei-Qiaokou/1271/2010 10/36 1 . . . . . . . . . Ke . . . . . . . . . I . . D . . M Q
A/Hubei-Jiangan/1737/2010 10/36 1 . . . . . . . . . . . . . . . . V . . I . . D . . M Q
A/Hubei-Wuchang/1271/2010 10/40 5 . . . N . . . . . . . . . N . A . . A I V E . . H . .
A/Hubei-Enshi/1250/2010 10/28 3A - . . . N . T/I . . . . . . A . . . . . A I . E . R . . .
A/Hubei-Jiangan/163/2012 12/07 3C.1 . . . N . . . . . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Jiangan/192/2012 12/10 3C.1 . . . N . . . . . . S N I N K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Wuchang/191/2014 14/04 3C.3 . . . N S . . . . . S N I . K . . . A I . E . . H . .
A/Hubei-Wuchang/192/2014 14/04 3C.3 . . . N S . . . . . S N I . K . . . A I . E . . H . .
A/Hubei-Hongshan/1437/2013 13/40 3C.3b - . . G N S A . . . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Wuchang/170/2014 14/03 3C.3b . . G N S A . . . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Echeng/31/2014 14/01 3C.3b . . G N S A . . . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Wujiagang/1702/2014 14/32 3C.3a . S G N S A . S . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Hongshan/1670/2014 14/37 3C.3a . S G N S A . Y . . S N I N K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Yunxi/35/2014 14/32 3C.3a . S G N S A . S . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Wujiagang/1806/2014 14/36 3C.3a . S G N S A . S . . S N I . K . . . A I . E . . . . .
A/Hubei-Caidian/34/2014 14/46 3C.3a - . S G N S A . S . . S N I . K . . . S I . E . . . . .
A/Hubei-Yunxi/31/2015 15/03 3C.2a . . . S S . . Y T . S N I . K . . H A I . E . . . . .
A/Hubei-Dongbao/1205/2015 15/15 3C.2a - . . . S S . . Y T/I . S N I . K . . H A I . E . . . . .
A/Hubei-Dongbao/1661/2015 15/36 3C.2a R . . S S . . Y T . S N I . K . . H A I . E . . . . .
A/Hubei-Jiangan/1714/2015 15/37 3C.2a . . . S S . . Y T . S N I . K . . H A I . E . . . . .
注:a流行高峰下的“Ⅰ~Ⅷ”表示各流行高峰,“-”表示不属于各流行高峰; b分别代表HA蛋白抗原决定簇A、B、C、D和E上的氨基酸位点; c和d对比参考株和对应氨基酸位点上的氨基酸突变位点; e毒株与对比参考株不同的氨基酸,“.”为毒株与参考株相同的氨基酸。
2.4 湖北省H3N2亚型流感病毒3C.2a和3C.3a簇毒株HA蛋白三维建模分析

3C.2a和3C.3a病毒在HA蛋白抗原表位上存在差异的7处氨基酸突变位点主要集中抗原决定簇A(138、142和144位点)、B(128、159和160位点)和C(311位点)。为了分析这些突变位点在HA蛋白抗原表位区域上的差异,在SWISS-MODEL蛋白质结构数据库(http://swissmodel.expasy.org)获得3C.3a病毒株A/Hubei-Caidian/34/2014和3C.2a簇病毒株A/Hubei-Yunxi/31/2015的HA蛋白共同建模模板(PDB ID:4we8) 并分别建模,采用PyMOL软件编辑HA蛋白单体,每个单体均采用表面模式(Surface)输出,2种病毒的HA单体结构分别利用顶端图、侧方图A和侧方图B分析7处突变氨基酸构象的不同。

3C.2a和3C.3a病毒株间7处氨基酸突变位点在表面模式结构图中差异明显。158-159-160连续氨基酸位点处于抗原表位B的顶端,HA蛋白顶端图表明3C.2a簇病毒的159Y的突起比3C.3a病毒的159S大,160T突起比3C.3a病毒的160K小,3C.2a簇病毒的159Y-160T和3C.3a病毒的159S-160K肽平面存在差异。142~144氨基酸位点在抗原决定簇A的空间结构上是连续的,且3C.2a簇病毒的142R-144S的突起结构比3C.3a病毒的142G-144N更大,但抗原决定簇A的138位点、抗原决定簇B的128位点和抗原决定簇C的311位点在2种病毒HA蛋白构象上的差异不大,见图 3

图 3 湖北省H3N2亚型流感病毒HA单体模拟图 Figure 3 Simulated monomer of HA protein of influenza A (H3N2) virus in Hubei
3 讨论

2010-2015年全球主要流行的人季节性流感病毒型别分别是甲型H1N1亚型、H3N2亚型和乙型Yamagata系,但H3N2亚型的进化和传播速度更快,造成的疾病负担更重[18-19]。2009年以来H3N2亚型病毒持续流行,抗原漂移不断发生,已进化出7个基因簇,而2014年后发生抗原漂移的H3N2亚型流感依次流行3C.3a和3C.2a簇病毒[10, 20]。它们的流行导致应用了2年的A/Texas/50/2012(2013年2月21日推荐)疫苗推荐株失效,使得WHO更新北半球H3N2亚型流感疫苗推荐株为A/Hong Kong/4801/2014(2016年2月25日推荐)[20-21]

2010-2015年湖北省H3N2亚型流感有8个流行季,其中8个流行高峰的核酸检测阳性数和毒株分离数分别占流行季的80.48%和79.57%,H3N2亚型流感流行高峰会受到同时期其他型别流感流行的影响。同一流行高峰内75%的H3N2亚型流感病毒的进化簇相同,但也存在多个进化簇属于同一流行高峰,一些3A、3C.3b、3C.3a和3C.2a簇病毒在其对应流行高峰的前后被发现。自2015年第3周湖北省3C.2a簇病毒在第Ⅶ流行高峰被发现后,其流行态势一直延续第Ⅷ流行高峰,而同期却未发现3C.3a病毒,这和国内外报道2015年冬春季后3C.2a簇病毒数量明显多于3C.3a簇病毒的现象一致[4-5, 10, 22]

2009年以来湖北省H3N2亚型流感病毒在5处HA抗原决定簇上不断发生氨基酸突变,其中各抗原决定簇上突变位点数占其总氨基酸数的比例分别为A(5/19)、B(6/22)、C(8/27)、D(3/41) 和E(6/22)。这些突变使流感病毒的抗原性不断发生变化,相应的疫苗株也不断更新,2010-2016年全球H3N2亚型流感推荐使用的疫苗株有:A/Perth/16/2009 (H3N2)(2010-2012年),A/Victoria/361/2011 (H3N2)(2013年),A/Texas/50/2012(2013-2014年),A/Switzerland/9715293/2013(H3N2)(2015年)和A/Hong Kong/4801/2014(2016年)。2015年和2016年的疫苗株分别为3C.3a簇病毒和3C.2a簇病毒[20-21],两种簇病毒抗原性的差异不大[10],但对湖北省9株毒株HA蛋白抗原表位上氨基酸变异的分析表明,这两种簇病毒在抗原决定簇B(128位点,159~160位点)、A(138、142和144位点)和C(311位点)均存在差异。3C.3a簇病毒株A/Hubei-Caidian/34/2014和3C.2a簇病毒株A/Hubei-Yunxi/31/2015间7处位于3个抗原决定簇上的氨基酸突变在HA蛋白表面模式结构模拟图中有明显差异,这些结构上的差异可能和3C.2a簇病毒的抗原漂移相关。

本文对湖北省H3N2亚型流感病毒的流行情况和进化树分布情况做了深入分析,结合HA蛋白抗原决定簇氨基酸突变位点和结构模拟分析,探讨了3C.2a簇病毒和3C.3a簇病毒结构差异,建议加强流感病毒进化学监测和抗原漂移分析,从而提高H3N2亚型流感病毒的病原学和流行病学监测。

作者贡献:

方斌  ORCID:0000-0003-4963-3960

方斌:负责文章的设计,测序,分析和文章撰写

余晓:负责实验毒株复核工作,参与文章的修改

李翔:负责实验毒株的分离工作,参与文章的修改

叶国军:负责流感检测数据的统计,参与文章的修改

刘琳琳:负责文章的理论指导和修改

参考文献
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