Еволюція та поява астровірусу

Ніколас Вольгемут

відділення інфекційних хвороб, Дитяча дослідницька лікарня Сент-Джуд, Мемфіс, TN 38105, США

Ревека Гонсе

відділення інфекційних хвороб, Дитяча дослідницька лікарня Сент-Джуд, Мемфіс, TN 38105, США

b Відділ мікробіології, імунології та біохімії Університету штату Теннессі Науковий центр охорони здоров'я, Мемфіс, TN 38105, США

Стейсі Шульц-Черрі

відділення інфекційних хвороб, Дитяча дослідницька лікарня Сент-Джуд, Мемфіс, TN 38105, США

Анотація

Астровіруси - це невеликі, без оболонки, одноланцюгові РНК-віруси, що мають позитивний сенс, що належать до сімейства Astroviridae. Астровіруси заражають різних господарів і, як правило, асоціюються із шлунково-кишковими захворюваннями; хоча захворювання може коливатися від безсимптомного до енцефаліту залежно від генотипу хазяїна та вірусу. Астровіруси мають високу генетичну мінливість внаслідок схильної до помилок полімерази та частих подій рекомбінації між штамами. Одного разу, коли вважали, що вони специфічні для виду, останні дані свідчать про те, що астровіруси можуть поширюватися між різними видами господарями, хоча частота, з якою це відбувається, та обмеження, що регулюють процес, невідомі. Події рекомбінації можуть призвести до різких еволюційних змін та сприяти подіям міжвидової передачі. У цій роботі розглядається сучасний стан досліджень еволюції та появи астровірусів, особливо, оскільки це стосується перехресної передачі та рекомбінації астровірусів.

1. Вступ

Таблиця 1

Дослідження вірусу та виявлення вірусів, які виявили астровіруси.

HostSampleReference
КажанКишечникХу та ін. (2017)
Мазок з калуВу та ін. (2012)
КалЛі та ін. (2010)
ВерблюдМазок з носоглоткиЛі та ін. (2017)
КішкаКалЧжан та ін. (2014)
Нг та ін. (2014)
КуркаКишечникДевані та ін. (2016)
Дей та ін. (2015)
КалЛіма та ін. (2018)
КороваМозокВутріч та співавт. (2016)
ПесЗразки калуМорено та ін. (2017)
ЛюдинаМіські стічні водиФернандес-Кассі та ін. (2018)
СироваткаГонзалес-Густавсон та ін. (2017)
Зразки калуOude Munnink та ін. (2016)
Лінсуванон та ін. (2015)
Мазок з носоглотки, плазмаУайлі та співавт. (2012)
СвиняМазок з калуChen et al. (2018)
Зразки калуТеунс та ін. (2016)
Амімо та ін. (2016)
Шань та ін. (2011)
КишечникКарлссон та співавт. (2016)
ГолубКалPhan та співавт. (2013)
Авоцет з червоною шиєюКалВілле та ін. (2018)
ШліфувальникКалХонкавуорі та ін. (2014)
Морський левКалЛі та ін. (2011)
ТуреччинаКишечникШах та ін. (2014)
Невстановлене хребетнеМіські стічні водиНг та ін. (2012)

2. Генетика та геноміка

Про геном астровірусу відомо мало що в порівнянні з іншими, краще охарактеризованими вірусами. Хоча кілька процесів реплікації вірусу та структурних елементів було відображено в геномі (рис. 1), існують ймовірні додаткові, невстановлені ролі вірусних неструктурних білків у життєвому циклі вірусу (Méndez and Arias, 2013).

астровірусу

Астровірусна геномна архітектура. Окремі ділянки кодування білка з відомою ідентичністю позначені вставними коробками. У ORF2 темніші області вказують на гіперваріабельну область білка капсиду. Сигнал зсуву кадру між ORF1a та ORF1b складається із слизької послідовності, за якою йде шпилька. На 3 ′ кінці генома є високозбережена шпилька.

2.1. Організація геному

Астровіруси мають геноми + ssRNA довжиною приблизно 6–8 kb (Мендес та Аріас, 2013). Геном включає 5 'і 3' неперекладені області та три відкриті рамки зчитування (ORF). Перші два, ORF1a та ORF1b, розташовані до 5 ′ кінця геному і кодують неструктурні білки, важливі для реплікації астровірусу та генерації інфекційних частинок (рис. 1) (Cortez et al., 2017; Méndez and Arias, 2013) . Сюди входять кодована вірусом серинова протеаза, зв’язаний з геномом вірусний білок (VPg) та РНК-залежна РНК-полімераза (RdRp). ORF1b транслюється через механізм зсуву кадру. Остання відкрита рамка зчитування позначається ORF2 і кодує структурний білок (рис. 1). На основі подібності між структурою та організацією геномів астровірусу та альфавірусу вважається, що астровірус ORF2 кодується на субгеномній РНК. Дійсно, у заражених астровірусом клітинах виявлено два види + ssRNA: геномну РНК у повний зріст і приблизно 2,4 кб субгеномну (sg) РНК (Monroe et al., 1991). Припускаючи, що астровіруси реплікують і транскрибують свою РНК за подібним механізмом, як альфавіруси, геномна РНК у повний зріст використовується для синтезу РНК повнорозмірного негативного сенсу, що, в свою чергу, служить шаблоном для транскрипції геномної РНК та сгРНК (Мендес та Аріас, 2013).

2.2. Класифікація

Філогенетичне дерево астровірусу. Astroviridae поділяється на два роди, які далі поділяються на геногрупи, види та генотипи. Дерево, сформоване за допомогою амінокислотних послідовностей ORF2. Класифікація, запропонована у Bosch et al., 2012. Назви вірусів скорочуються таким чином: вірус пташиного нефриту (ANV), астровірус індички (TAstV), астровірус качок (DAstV), астровірус людини (HAstV), астровірус котів (FAstV), астровірус свиней (PAstV), астровірус каліфорнійського морського лева (CslAstV) ), астровірус собак (CaAstV), астровірус дельфінів афаліс (BdAstV), астровірус людини Мельбурн (HAstV-MLB), астровірус Capreolus capreolus (CcAstV), астровірус щурів (RaAstV), астровірус кажанів (BatAstV), астровірус людини-HAst -VA), астровірус овець норок людини (HMOAstV), астровірус овець (OAstV) та астровірус норок (MAstV).

3. Еволюція

Як і всі РНК-віруси, астровіруси можуть генерувати генетичну мінливість і швидко еволюціонувати, дозволяючи їм швидко адаптуватися до нових ніш. Їх високий рівень мутації, здатність їх геномів піддаватися рекомбінації та міжвидова передача сприяють високому генетичному різноманіттю популяцій астровірусів. Позитивний відбір мутацій та еволюція цих популяцій може бути результатом імунного тиску на епітопи (особливо в капсиді) (Strain et al., 2008) або для кращого збігу складу нуклеотидів-господарів та використання кодону після подій міжвидової передачі (De Benedictis et al., 2011; van Hemert et al., 2007a; van Hemert et al., 2007b).

3.1. Швидкість мутації

3.2. Міжвидова передача

Події міжвидової передачі є критичними для еволюційної історії більшості вірусів РНК. Однак еволюційна історія РНК-вірусів, як правило, слідує еволюційній історії їх господарів, вказуючи, що події міжвидових передач є винятком, а не правилом, навіть для таких відомих зоонозних вірусів, як віруси грипу та еболавіруси (Zhang et al., 2018 ). Однак глобальні екологічні та соціальні зміни можуть змінити взаємодію видів і видів та збільшити вплив вірусів із зоонозним потенціалом (Mendenhall et al., 2015; Redding et al., 2016). Це особливо справедливо для кишкових вірусів, таких як астровіруси, у яких відсутня тендітна ліпідна оболонка, і тому вони стійкі протягом довгих періодів у навколишньому середовищі (Mendenhall et al., 2015; Méndez and Arias, 2013). Відповідно, астровіруси є загальними забруднювачами води, і вважається, що передача відбувається фекально-оральним шляхом (Abad et al., 1997; Bosch et al., 1997). Астровіруси тварин і людини регулярно зустрічаються як у стічних водах, так і в очищених стічних водах (Boujon et al., 2017; Gyawali et al., 2018; Hata et al., 2015; Le Cann et al., 2004; Lizasoain et al., 2015a; Lizasoain et al., 2015b; Prevost et al., 2015; Qiu et al., 2015; Zhou et al., 2016). Потенційним джерелом зараження для людей є споживання забрудненого напою або їжі, таких як молюски (Le Guyader et al., 2000) або неправильно вимиті фрукти та овочі (Bosch et al., 2014; Bosch et al., 1997; Boujon et al., 2017).

Астровіруси були виявлені у понад 80 видів-господарів, при цьому кожен штам астровірусу може заражати лише один або кілька близькоспоріднених видів (Mendenhall et al., 2015). Однак даний вид господаря часто може заразитися широким колом штамів. Серед видів, що дозволяють заразитися астровірусом, є люди, домашні тварини, такі як собаки, коти, свині, кури та корови, а також дикі тварини, такі як олені, миші, щури, гепарди, морські леви, дельфіни, кажани та піки (De Benedictis et al., 2011). Астровіруси особливо страждають від менш традиційно вирощуваних тварин, таких як індики, миші та норки (De Benedictis et al., 2011).

Через високу екологічну стабільність та поширеність серед численних видів тварин, можливості для переливу є великі. Тварини-копрофаги, такі як свині та кабани, можуть заразитися безпосередньо через потрапляння фекалій від іншого зараженого виду (Соав та Бранд, 1991). Крім того, кажани, що ночують у коморах та інших сільськогосподарських житлах, можуть дефекувати та заражати худобу, особливо велику рогату худобу та свиней (Fischer et al., 2017) (рис. 3). Вода, яка використовується для відпочинку людей або пиття, може забруднюватися або стоком сільськогосподарських продуктів, або зараженими дикими тваринами (рис. 3). Описано один із прикладів підозри на передачу астровірусу між видами астровірусу з курки чи індички на норку (Sun et al., 2014).

Потенційні шляхи міжвидової передачі та рекомбінації астровірусів. Доведено, що люди, дикі тварини, такі як індики, водоплавні птахи та кажани, а також сільськогосподарські тварини, такі як свині та корови, заражені астровірусами. Люди та тварини часто живуть близько один до одного в сільському та сільському середовищі. Враховуючи високу стабільність астровірусів в умовах навколишнього середовища, воду, забруднену фекальними відходами з будь-якого з цих джерел, можна вживати як неправильно оброблену питну воду або випадково потрапляти в організм під час водних видів спорту, що призводить до перехресної передачі. Якщо джерело води забруднений двома різними штамами астровірусів з двох різних джерел (наприклад, свиней та людей), тоді люди або інші дозвільні тварини, що зазнали дії обох вірусів, можуть заразитися. Якщо клітина господаря заразиться обома штамами, то може відбутися рекомбінація.

За допомогою геномних інструментів, включаючи філогенетичні реконструкції, дослідники виявили, що нові астровіруси людини філогенетично тісніше згруповані зі штамами астровірусів тварин, ніж класичні штами HAstV-1 (Finkbeiner et al., 2008a, 2009a, 2008b, 2009b, Kapoor et al., 2009 ). Один з цих астровірусів, HAstV-MLB, виявляється більш тісно пов’язаний з астровірусом щурів, ніж астровіруси людини (Chu et al., 2010). Інший, HAstV-VA, виявляється дуже тісно пов’язаний з астровірусами овець та норок. Разом вони утворюють монофілетичну групу, відому під назвою «астровіруси овець норок людини» (HMO-AstV). Ця група була пов'язана з неврологічними захворюваннями у людей (Lum et al., 2016; Naccache et al., 2015; Quan et al., 2010; Wunderli et al., 2011), норка (Blomstrom et al., 2010), та великої рогатої худоби (Hirashima et al., 2018; Li et al., 2013; Perot et al., 2017). Елементарне пояснення поліфілетичної природи астровірусів людини полягає в тому, що в якийсь момент їх історії еволюції принаймні деякі види астровірусів або перейшли від тварин до людей, або навпаки.

На відміну від інших вірусів, які також інфікують різних господарів, астровірус, схоже, не має загального резервуару (як водоплавна птиця для вірусів грипу А (Wright et al., 2013) або кажанів для філовирусів (Gonzalez et al., 2007; Smith and Wang, 2013)), що ускладнює визначення джерела побічних ефектів. Однак у приматів, що не є людьми, є різні штами астровірусу, включаючи штами, пов'язані з інфекціями людини (Karlsson et al., 2015). Хоча прямого зараження не було продемонстровано, у людей, які перебувають у тісному контакті з індиками, виявлено позитивний тест на астровірус-індичку-2 - до 26% осіб, які були позитивно оцінені серологічно в одній когорті (Meliopoulos et al., 2014) - припускаючи, що люди мають тривалий контакт з астровірусами тварин і, отже, можливість заразитися.

Розпізнавання рецептора господаря - це добре відомий фактор, який визначає, чи є клітини дозвільними чи рефрактерними до вірусної інфекції. В даний час рецептор астровірусу невідомий. Будь-яка подія передачі астровірусу між видами повинна покладатися на гомологію між старою та новою молекулою рецептора господаря. Після події міжвидової передачі вірус, швидше за все, еволюціонує для оптимального зараження нового господаря, включаючи оптимальне розпізнавання рецептора нового господаря.

3.3. Рекомбінація

Через їх високу поширеність серед неповнолітніх тварин та достатню генетичну схожість (у заповідних регіонах) було охарактеризовано багато прикладів рекомбінації астровірусів. Рекомбінація геномів вірусу РНК, як правило, є гомологічними подіями рекомбінації, хоча можливі аберантна гомологічна рекомбінація та негомологічна рекомбінація (Lai, 1992; Worobey and Holmes, 1999).

Також серед астровірусів тварин були виявлені рекомбінантні віруси. Свині в США часто (13,9%) інфікуються множинним штамом астровірусів, що демонструє високий ризик рекомбінації (Mendenhall et al., 2015; Xiao et al., 2013). Подія рекомбінації, ймовірно, сталася під час еволюції астровіруса великої рогатої худоби та козулі (Tse et al., 2011). Кілька незалежних досліджень також продемонстрували події рекомбінації серед астровірусів індички (Pantin-Jackwood et al., 2006; Strain et al., 2008). Нещодавно виявлений тачунський астровірус, схоже, є рекомбінантом астровіруса великої рогатої худоби та козулі (Guan et al., 2018). Підозрюється, що додаткові події рекомбінації мали місце в астровірусі великої рогатої худоби (Hirashima et al., 2018), астровірусі собак (Li et al., 2018), астровірусі свиней (Ito et al., 2017) та астровірусі верблюдів дромадерів (Woo et al. ., 2015).

4. Поява

5. Висновки та перспективи на майбутнє