科研丨PNAS(IF:12.7): 包膜病毒显示出跨物种传播和人畜共患病的倾向增加

编译：微科盟听雪斋，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读   病毒在不同宿主物种之间的传播是新出现疾病的一个主要来源，在哺乳动物向人类的人畜共患病传播情况下尤其令人关注。已经确定了几种人畜共患病风险因素，但目前尚不清楚哪些病毒特性主要决定了这一过程，因为之前的研究集中在几百种病毒上，这些病毒并不能代表实际的病毒多样性。本研究通过查询超过12000个哺乳动物病毒-宿主关联的数据库，研究了影响跨物种传播性和人畜共患病倾向的基本病毒学特征。我们的分析表明，与非包膜病毒相比，包膜病毒倾向于感染更多的宿主物种，更有可能成为人畜共患疾病，而其他病毒特征，如基因组组成、结构、大小或病毒复制室，则发挥不太明显的作用。这与之前的观点形成了对比，即病毒包膜不会显著影响甚至降低人畜共患病风险，应该有助于更好地确定疫情预防工作的优先顺序。本研究提出了几种病毒包膜促进跨物种传播的机制，包括受体结合蛋白的结构灵活性和病毒进入障碍的规避。    

论文ID

原名：Enveloped viruses show increased propensity to cross-species transmission and zoonosis

译名：包膜病毒显示出跨物种传播和人畜共患病的倾向增加

期刊：PNAS

IF：12.779

发表时间：2022.12

通讯作者：Rafael Sanjuán

通讯作者单位：西班牙瓦伦西亚大学

DOI号：10.1073/pnas.2215600119    

实验设计

结果

1 数据集

我们从Global Virome in One Network (VIRION)数据库中提取了5149种病毒，隶属于20个目中的36个科和1599种宿主物种，共包含12888个病毒-宿主关联(数据集S1)。所有病毒都得到了国家生物技术信息中心(NCBI)分类网站的批准，并被分配到一个病毒家族。大多数(77.8%)不是ICTV批准的病毒，因此可能是真正的物种、高阶分类群或病毒亚型。大约一半的病毒(52.6%)在NCBI Entrez中有单个序列记录，而有些病毒有数千个(图1A)。正如预期的那样，发现病毒的宿主物种的数量很大程度上依赖于该病毒可用的序列记录的数量N(图1B)。因此，我们在所有后续分析中都将N作为协变量。 考虑了定义病毒基本特征的五个二分变量和一个连续变量：基因组是由RNA还是DNA组成，单链还是双链，分段还是非分段，病毒是在细胞质还是细胞核中复制，病毒是包膜还是非包膜，以及病毒基因组大小。这些特征在病毒家族中是保守的，因此，即使只有很少的短序列可用而没有进一步的特征，它们的推测也很简单。

图1 病毒发现模式。(A)最近发现的大多数病毒都有少量的序列记录。X轴显示了包含在我们的分析中所需的最小序列数量(截止值N)，Y轴显示了满足此条件的病毒数量。(B)与非包膜病毒相比，包膜病毒的每种病毒的平均宿主物种数量随着截止值N的增加而增加得更快。点的大小与每个截止点中包含的不同病毒的数量成比例。点显示为N≥2，N≥3，依此类推。点表示N≥1对于可视化而言太大，因此被省略。(C)包膜病毒往往比非包膜病毒更具人畜共患性。对于具有许多可用序列的一小部分病毒，非包膜病毒与包膜病毒相比具有相似甚至更强的人畜共患性，这重现了先前的发现。

2 跨物种传播

由于人畜共患病是病毒跨物种传播的一种特殊情况，我们首先检查了每种病毒的宿主宽度，并测量了发现病毒的宿主物种数量，排除了人类以减少偏差。一项探索性分析显示，包膜病毒的宿主物种数量随N的增加比非包膜病毒增加得更快，约为前者的两倍(图1B)。当我们将包膜因子与所考虑的其他二分病毒特征相结合时，也可以检测到这种差异(SI附录，图S1)。 为了正式评估不同病毒特征对宿主物种数量的影响，我们进行了负二项回归分析。为此，我们首先设置序列的截止数N≥ 5以避免探索不足或定义不明确的病毒，1305种病毒符合这一条件，其中近一半(42.4%)未获得ICTV批准。该模型解释了与截距模型相比53.0%的偏差，并揭示了病毒包膜对每种病毒的宿主物种数量的显著影响(P<0.0001)。我们还检测到与在细胞质中复制的病毒相关的宿主物种数量增加(P=0.013)，而所有其他因素均未显示出显著影响(SI附录，表S1和图2A)。如前所述，基因组较小的病毒往往在较少的宿主物种中发现，但这种影响的原因是这些病毒通常是非包膜病毒。

图2 对有N≥5个可用序列的病毒进行回归分析。(A)散点图显示了本次分析中1305种病毒中每种病毒的负二项回归预测的宿主物种数量。橙色圆点表示包膜病毒，绿色圆点表示非包膜病毒。白点和虚线表示模型预测的边际均值(即，将所有其他变量设置为其均值)。显示了每个预测变量的P值。N在分析中作为协变项，但未显示。SI附录表S1中提供了模型统计汇总。(B)人畜共患病概率相同。使用二元逻辑回归分析该响应变量。SI附录表S4中提供了模型统计汇总。 通过对所有5149种病毒重复上述分析，验证了我们的结论对于所使用的截止值N是可靠的，这些病毒满足N≥ 2，N≥3，依此类推，直到样本量变得太小而无法检测到任何影响(图3)。我们还检查了包膜病毒和非包膜病毒之间的差异是否由特定病毒家族驱动(图4)。为了评估这一点，我们将每个病毒家族作为分类因子纳入了使用N≥5截止值的二项回归分析中。尽管失去了统计能力，但证实了包膜病毒和非包膜病毒之间宿主物种的平均数量差异(P=0.008；SI附录，图S2和表S2)。 上述回归分析因宿主物种计数显示的强烈过度分布而变得复杂(SI附录，图S3)。为了采取一种更简单、可能更稳健的方法，我们将这些计数转换为一个二进制变量，指示是否在多宿主物种(多宿主病毒)中发现了病毒。使用二元逻辑回归分析了这一二分响应变量，再次证实了包膜病毒比非包膜病毒更可能发生跨物种传播(P<0.0001)，而检查的所有其他病毒特征要么不显著，要么边缘显著(P>0.04；SI附录，图S4和表S3)。

图3 使用不同截止N值的回归分析结果。Y轴显示每个解释变量的P值。对具有N≥ 1，2，…，1000个序列的病毒进行分析。协变量log(N)的P值以比例显示，以帮助可视化相关P值。左图：宿主物种数量；右图：人畜共患病病毒。

图4 每个病毒家族的每种病毒的平均宿主物种数作为N的函数。显示了29个科，其中有5种或更多不同的病毒，每个科有N≥5个序列记录，并用数字标识。包膜病毒呈橙色，非包膜病毒呈深绿色。气泡的大小与属于每个科的不同病毒的数量成正比。最大的气泡对应于疱疹病毒科(Herpesviridae)，包括127种不同的病毒N≥5，而最小的气泡对应于Hepeviridae，有五种病毒。右边是数字和科之间的对应关系，以及我们分析中考虑的六种病毒特征。SI附录表S2中提供了模型统计汇总。

3 人畜共患病倾向

然后，我们关注这些哺乳动物病毒是否具有人畜共患性，即是否能够感染人类。如上所述，对于给定的N，包膜病毒的人畜共患病毒比例往往高于非包膜病毒(图1C)。对有N≥5个序列记录的病毒进行二元逻辑回归分析证实了病毒包膜的显著作用，与非包膜病毒相比，估计人畜共患病倾向增加2.5倍(图2B和SI附录，表S4)。当我们考虑数据集中所有5419种病毒(即N≥2、N≥3和N≥65以下的病毒)时，所使用的截止值N具有统计学意义就证明了这一点(图3)。此外，根据之前的研究，我们发现，在细胞质中复制的病毒比在细胞核中复制的病毒更容易发生人畜共患病。我们还发现，与非分段病毒相比，分段病毒的人畜共患病倾向略高，这也与之前的建议一致，基因组较大的病毒的人畜共患病概率降低。由于这两个特征总体上对跨物种传播性没有显著影响，因此它们对人畜共患病倾向的影响可能是由于人类特定因素，或者更有可能是人类感染病毒数据集的偏差。

讨论

本研究的结果与先前的研究结果形成对比，表明包膜病毒与非包膜病毒相比，具有相似甚至更少的人畜共患病倾向，与人畜共患病最明显相关的病毒特征是在细胞质中复制。我们的分析确实捕捉到了细胞质中复制对宿主宽度和人畜共患病倾向的影响，但表明病毒包膜的影响更强。这种差异可能是因为之前的分析集中在大约350种经过高度研究的病毒上，但这可能不能代表实际的病毒多样性。事实上，当我们仅对353种具有N≥ 100个可用序列记录的病毒进行逻辑回归分析时，细胞质中的复制成为对人畜共患倾向有显著影响的唯一特征，重现了先前的发现。 细胞质复制影响的另一个可能的警告是，这一特征是RNA病毒的典型特征(ICTV病毒和我们的数据集的一致性分别为93.1%和96.5%)，因此很难区分这两个特征的贡献。因此，我们建议谨慎判断促进物种间传播的因素是细胞质复制还是RNA基因组。 先前的研究还表明，包膜病毒在人类中的传播能力往往低于非包膜病毒，这可能是因为它们在环境中的稳定性较低。我们认为，这一观察结果可以被视为包膜病毒跨物种传播能力增强的结果。宿主体内混杂着古老的垂直遗传病毒和最近通过跨物种传播获得的病毒。根据我们的结果，包膜病毒比非包膜病毒更容易引起外溢感染。此外，即使溢出现象频繁发生，这些事件中只有一小部分会在新宿主中成功传播。因此，没有实现持续人际传播的人类感染病毒中，包膜病毒的比例应该更高。 最近的一项研究基于专家意见的系统分析，根据动物对人类的溢出风险对889种野生动物病毒进行了排名。有趣的是，尽管在这项分析中病毒包膜被评为负分，但在50种排名靠前的病毒中有47种是包膜病毒，尽管这些病毒仅占所考虑病毒总数的一半左右。这强调了包膜病毒的重要性是如何被忽视的。事实上，人类历史上大多数显著的人畜共患病病毒都是包膜病毒，包括痘病毒(例如猴痘)、麻疹病毒(例如麻疹)、rhabdoviruses(例如狂犬病)、冠状病毒(例如COVID)、黄病毒(例如寨卡)、正粘病毒(例如流感)和逆转录病毒(例如HIV)。 毫不奇怪，我们发现病毒家族之间的跨物种传播能力存在很大差异。这可能部分是由于方法论的原因。例如，在某些哺乳动物物种中对沙粒病毒和冠状病毒进行了密集的调查，但其他物种则没有，这可能会导致宿主宽度估计的偏差。然而，家族之间的差异也可能服从于生物学原因。例如，hepeviruses的宿主物种数量特别高。尽管这些病毒传统上被归类为非包膜病毒，但它们也产生源自外泌体途径的准包膜病毒颗粒。虽然这里没有讨论，但在特定家族内的病毒之间，跨物种传播性和人畜共患病潜力也可能存在很大差异。例如，中东呼吸综合征冠状病毒似乎已经从骆驼跳到人类身上数百次，而其他冠状病毒只跨越了物种屏障一次或几次。如上所述，除了纯粹的病毒学特征外，人畜共患病倾向还取决于多种因素，例如，中间驯化宿主的可用性。 包膜病毒表现出更大宿主宽度的机制基础仍有待研究。受体介导的病毒进入是病毒感染和跨物种传播的关键阶段。与衣壳蛋白相比，包膜蛋白在结构上受限制较少，这可能使包膜病毒以更灵活的方式结合来自不同宿主物种的细胞受体，结合更多的替代受体，或更好地适应宿主转换突变而不损害其他功能。

此外，包膜病毒可以通过凋亡拟态进入宿主细胞，在这个过程中，病毒颗粒被伪装成具有特定膜脂质构象的凋亡小体的细胞吞噬。这一过程与许多包膜病毒有关，包括阿尔法病毒、埃博拉病毒和痘病毒，所有这些病毒都具有广泛的宿主范围。最后，包膜也有可能通过帮助病毒逃避宿主免疫而促进跨物种传播。未来的工作可能会阐明这些或其他过程是否会增加包膜病毒感染不同宿主并导致人畜共患病的能力。