畜牧兽医学报  2019, Vol. 50 Issue (3): 611-619. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2019.03.016    PDF    
腹泻仔猪肠道病毒组学分析
沈小娟, 李晶娇, 边疆, 赵婷婷, 华修国, 崔立     
上海交通大学农业与生物学院上海市兽医生物技术重点实验室, 上海 200240
摘要:为了解上海周边地区腹泻仔猪肠道病毒组学特征,特别是冠状病毒流行情况,采用病毒宏基因组学方法对6个猪场的90份疑似病毒感染导致腹泻粪样进行检测,并通过Geneious和MEGA7.0等生物信息学软件对获得的完整的α冠状病毒属中的PEDV ORF3基因序列进行遗传进化分析。数据显示,腹泻仔猪肠道病毒群落组成主要由小RNA病毒科(Picornaviridae)(63.67%)、星状病毒科(Astroviridae)(12.68%)、杯状病毒科(Caliciviridae)(4.07%)、细小病毒科(Parvoviridae)(2.51%)等组成。在唯一一个检测出PEDV阳性的猪场中,腹泻仔猪PEDV阳性率高达43.33%(13/30)。基因序列遗传进化分析显示,在本研究获得的3个PEDV ORF3基因序列中,有1个属于G2基因型,与其他参考PEDV病毒株相似性较高(96.44%~99.70%);另外2个ORF3基因序列属于G1基因型,相似性相对较低(95.11%~99.41%)。与PEDV传统株CV777蛋白序列比较分析发现,除piglet91株产生F2S突变以外,三株PEDV存在一致性突变,分别如下:V21A、I70M、V79I、F80V、L85I、L92F,这一特性,有可能是PEDV传统株与流行株基因型的鉴别依据。上海周边地区腹泻仔猪肠道病毒组成丰富,在不同猪群中,不同病原感染的情况有所差异,除了PEDV外,星状病毒和杯状病毒也是仔猪腹泻的主要病原。PEDV的ORF3基因与传统分离株相比具有独特的分子特征,新检测到的毒株突变位点与病毒毒力的关系有待于进一步研究。研究结果有助于了解腹泻仔猪肠道的病毒谱,并为仔猪病毒病防控提供一定的基础数据。
关键词腹泻仔猪    病毒宏基因组学    冠状病毒    猪流行性腹泻病毒    ORF3    突变    
Metagenomics Analysis of Feces from Diarrhea Piglets Reveals the Viral Composition and Epidemic Characteristics of Coronavirus
SHEN Xiaojuan, LI Jingjiao, BIAN Jiang, ZHAO Tingting, HUA Xiuguo, CUI Li     
Shanghai Key Laboratory of Veterinary Biotechnology, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
Abstract: To clarify the epidemiological characteristics of diarrhea in pigs around Shanghai, especially the prevalence of coronavirus, we used viral metagenomic method to detect viruses in stools from 90 diarrhea piglets from 6 swine farms in parts of Shanghai. And then a multiple sequence alignment was carried out using Clustal W and Geneious, and the phylogenetic trees were generated by the distance-based maximum likelihood method using MEGA 7.0. The data showed that the intestinal virus community of diarrhea piglets was mainly composed of Picornaviridae (63.67%), Astroviridae (12.68%), Caliciviridae (4.07%), and Parvoviridae (2.51%). We found that the farm C was the only farm where PEDV is the main cause of piglet diarrhea, and the positive rate of PEDV infection in farm C was as high as 43.33%(13/30). The genetic evolution analysis showed that one of the three PEDV ORF3 gene sequences obtained in this study belonged to the G2 genotype, and the homology with other reference PEDV strains was higher (96.44%-99.70%), which was relatively conservative; the other two ORF3 gene sequences belong to the G1 genotype, and the homology was relatively lower (95.11%-99.41%). In the comparison analysis of protein sequence with the traditional strain CV777, we found that in addition to the piglet91 strain showed a mutation of F2S, three ORF3 sequences both showed consistent mutations, namely:V21A, I70M, V79I, F80V, L85I, L92F. This characteristic may be regarded as the basis for identification of PEDV traditional strains and the popular strain genotype. The enterovirus of diarrhea piglets from surrounding areas of Shanghai were rich in composition. The infection status in the different pigs were significantly different. Apart from PEDV, astrovirus and calicivirus are also the main pathogens of diarrhea piglets. As one of the main pathogens of piglet diarrhea in this particular region, the ORF3 gene of PEDV has unique molecular characteristics compared with traditional isolates. The relationship between mutation site and viral virulence of the newly detected virus needs further experimental research.
Key words: diarrhea piglets     viral metagenomic approach     coronavirus     porcine epidemic diarrhea virus (PEDV)     ORF3 gene     mutation    

病毒性腹泻已成为世界各地养猪业的常见疾病之一,尤其在仔猪中具有较高的发病率。冠状病毒(特别是PEDV)、杯状病毒、星状病毒等是仔猪腹泻的常见重要病原体。冠状病毒感染人、鼠、猪、鸟等脊椎类动物,具有胃肠、呼吸道、肝和神经系统的嗜性[1]。近年来,冠状病毒感染人和动物导致疾病流行的事件屡有发生,2002—2003年期间,我国暴发的非典疫情即由SARS-CoV引起[2-4]。2012年9月,沙特阿拉伯王国首先出现由MERS-CoV引起的中东呼吸综合征(MERS)病例,继而在中东其他国家及欧洲蔓延[5]。2015年5月29日,我国出现首例输入性MERS确诊病例[6]。这两种高死亡率的新发传染病的出现,引起了人们对冠状病毒的高度重视[7-12]

冠状病毒属于尼多病毒目冠状病毒科,病毒粒子呈球形或不规则形,有囊膜,大小为80~120 nm。其基因组为单股正链RNA,大小为27~32 kb,5′端带有帽子结构,其后包含6~10个开放阅读框(open reading frames,ORFs),3′端有polyA尾[1, 13-16]。在所有冠状病毒的全基因组中,编码复制酶以及纤突蛋白(S)、小包膜蛋白(E)、囊膜蛋白(M)和核蛋白(N)4种结构蛋白的基因序列均相同,即5′-ORF1ab-S-E-M-N-3′,编码辅助蛋白的基因散布在结构蛋白基因之间[17]。根据基因组的特点,目前将冠状病毒分为4个属,即α、β、γ和δ[18]。α冠状病毒包括猪流行性腹泻(PEDV)、人冠状病毒NL63(HCoV-NL63)、犬冠状病毒(CCoV)以及传染性肠胃炎病毒(TGEV)等;β冠状病毒包括SARS、MERS、鼠肝炎病毒(MHV)等;γ冠状病毒包括鸡传染性支气管炎(IBV);δ冠状病毒包括鹦鹉冠状病毒(PaCoV)、猪δ冠状病毒(PDCoV)等[18-19]

近年来基于高通量测序的病毒宏基因组学方法在对自然环境、人和动物的病毒组学分析上已经成为一个高效的工具[20-23]。为了解上海周边地区腹泻仔猪肠道病毒组成情况,特别是从2010年秋季开始,对我国养猪业构成巨大威胁的α冠状病毒中的PEDV[24]的感染情况以及基因型变异情况,本研究对来自上海周边地区6个猪场的90份腹泻仔猪粪便样本进行检测,将为仔猪腹泻的防治提供一定的参考依据[25]

1 材料与方法 1.1 样品采集

从上海周边地区6所猪场采集腹泻仔猪粪便样本,各猪场的样品相关信息见表 1。采集过程均使用一次性用具以避免样本交叉污染。粪便样本用无钙、镁离子的DPBS制备成约20%的悬液,充分混匀后,冻存于-80 ℃。

表 1 各猪场粪便样本信息 Table 1 Information of stool sampled from different pig farms
1.2 试剂和材料

PCR产物纯化试剂盒(Qiaquick PCR purification kit)、病毒核酸提取试剂盒(QIAampMinElute Virus Spin Kit)购自Qiagen公司;逆转录试剂盒(SuperScript Ⅲ reverse transcriptase)购自Life technologie公司;(高通量测序)DNA文库构建试剂盒(Nextera XT DNA Sample Preparation Kit)、DNA文库接头添加试剂盒(Nextera XT Index Kit)购自Illumina公司;核酸纯化试剂盒(AgencourtAMPure XP Kit)购自Beckman公司;核酸消化酶(DNA和RNA消化酶)购自Life Technologie公司;离心管(RNase-free)、一次性手套、移液枪枪头等常用试剂耗材购自上海生工公司以及扬州博瑞公司等。

1.3 样品制备 1.3.1 粪样中病毒基因组提取

每份样本加入0.8~1.0 mL无钙、镁离子的DPBS溶液,涡旋振荡,在4 ℃静置5 min;混合液于4 ℃、12 000 r·min-1离心5 min;取500 μL上清液以相同条件再次离心;再取上清液用0.45 μm Spin Column滤器(Mil-lipore)过滤小型颗粒物和固体漂浮物;每166 μL的滤过液添加20 μL 10×Buffer Cocktail、7 μL Cocktail of DNases、5 μL Micrococcal Nuclease以及2 μL RNase A在37 ℃消化60~90 min;随后用QIAamp MinElute Virus Spin Kit提取核酸(包括RNA和DNA在内)。

1.3.2 基因组RNA反转录及双链DNA合成

为了保证后续试验的稳定进行,对获取RNA样本进行随机反转录,取获得的RNA 12 μL,dNTP(10 nmol·L-1)1 μL,Random 6I primer(100 μmol·L-1)1 μL,涡旋混匀后离心,再置入PRC仪中65 ℃反应5 min,移至冰上,在冰浴中加入以下试剂:Buffer Cocktail 4 μL,SuperScript Ⅲ RT Enzyme Mix I 1 μL,DTT 1 μL,此时总体系为20 μL,涡旋混匀瞬时离心,反转录条件如下:25 ℃,10 min;50 ℃,60 min;85 ℃,5 min;95 ℃,2 min,转移至冰浴冷却。随后进行Klenow反应合成双链:向反转录产物中加入1 μL Klenow酶,混匀,瞬时离心5 s,进行PCR反应,反应条件如下:37 ℃,60 min,75 ℃,20 min,10 ℃保存。

1.3.3 深度测序文库构建和扩增

双链DNA合成后可直接用于深度测序DNA文库的构建,取出制备的双链DNA、ATM试剂、TD试剂、NPM试剂置于冰上融化;取出NT buffer,Illumina Index primer置于室温,融化后涡旋振荡瞬时离心置于冰上待用,取15 μL (每样品用量)的NPM buffer到新试管,取PCR管,加入如下试剂:TD buffer 10 μL,ATM 5 μL,制备好的双链DNA 5 μL,混匀,300 r·min-1离心1 min,再置于PCR仪中,55 ℃反应5 min,温度下降到10 ℃时,迅速加入5 μL NT buffer混匀,300 r·min-1离心1 min,取新的PCR管,每管加入5 μL N primer和5 μL S primer混合成的Illumina index primer,再加入15 μL NPM buffer,摇匀100 r·min-1离心1 min,再向混合液中加入4 μL之前制备好待用的核酸混合液,摇匀,300 r·min-1离心1 min,PCR反应,条件如下:72 ℃,3 min;95 ℃,30 s;扩增反应程序为94 ℃变性10 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s进行15~16个循环;72 ℃,5 min;4 ℃保存。

1.3.4 Misaeq文库深度测序、质控及组装

用Qiaquick PCR purification kit产物纯化试剂盒除去文库中的引物二聚体和用Ampure Beads对产物片段大小进行筛选优化,以保证基因片段满足Miseq测序平台的300~800 bp之间的要求,分别从符合测序要求的文库里取出1 μL DNA核酸混合液,调配成浓度为4 nmol·L-1的DNA溶液,送到上海派森诺公司的Illumina Miseq测序平台进行深度测序;测序要求为Miseq 2×250 bp。输出数据格式设置为FASTAQ。Illumina高通量测序结束后,DNA序列拼接、质控由加州大学旧金山分校协助完成。测序结果表明基因组测序质量较好,具有研究意义,对原始测序数据进行质控,剪切adapter,修剪低质量reads末端和含N比例较高的reads(>10%),去除小片段。

2 结果 2.1 Illumina测序结果概况

通过高通量测序,获得了3 402 918条可注释到病毒的序列,共计注释到70个病毒科,其中有257 525条序列被定义为疑似病毒序列但未被分类。在这70个科中,hits数大于20(视为相关病毒呈阳性)的有46个病毒科,笔者挑取这46个病毒科进行比对分析。其中,69.77%(2 194 335/3 145 264)的序列与脊椎动物病毒相关,包括小RNA病毒科(Picornaviridae)、星状病毒科(Astroviridae)、杯状病毒科(Caliciviridae)、细小病毒科(Parvoviridae)、圆环病毒科(Circoviridae)、冠状病毒科(Coronaviridae)以及小双节RNA病毒科(Picobirnaviridae)等17个病毒科;昆虫病毒相关序列占到了0.40%(12 531/3 145 264),包括双顺反子病毒科(Dicistroviridae)、传染性软化症病毒科(Iflaviridae)和肥大唾液腺病毒科(Hytrosaviridae)等6个病毒科;植物病毒序列占0.25%(7 989/3 145 264),包括豇豆花叶病毒科(Tymoviridae)、矮缩病毒科(Nanoviridae)、番茄丛矮病毒科(Tombusviridae)、帚状病毒科(Virgaviridae)和伴生豇豆病毒科(Secoviridae)等10个病毒科;另外,还有29.58%(930 409/3 145 264)的序列与噬菌体相关,包括微小噬菌体科(Microviridae)、轻小噬菌体科(Leviviridae)等13个科(图 1)。

图 1 Illumina高通量测序获得的重叠序列注释 Fig. 1 Annotation of Illuminac ontigs

对数据分析发现,除去噬菌体外,腹泻仔猪中的病毒主要是由小RNA病毒科主导,冠状病毒在总病毒序列中占比0.51%(图 2)。

图 2 仔猪粪便文库中病毒组成情况 Fig. 2 Composition of virus communities in 90 piglets's feces libraries

通过分析还发现,6个猪场中,星状病毒(PAstV)样本阳性率为53.33%(48/90),杯状病毒(PECV)的样本阳性率为32.22%(29/90)。所有的样本中,PAstV和PECV同时呈阳性的样本有22个,共感染率为24.44%(22/90)。在PAstV阳性样本发现,主要以PAstV-2和PAstV-4混合感染为主。

2.2 冠状病毒阳性样本数据分析

6个猪场中,冠状病毒阳性样本率为15.56%(14/90)。14份冠状病毒阳性样本中,α冠状病毒阳性率为92.86%(13/14),且均为PEDV感染;余下的一份为Bat_Hp-betacoronavirus,属于β冠状病毒(表 2)。

表 2 不同仔猪的冠状病毒感染情况 Table 2 The infection of Coronaviridae in different piglets

对这14个冠状病毒感染呈阳性的样本进行整合分析,发现它们的主要病毒群落组成如下:小RNA病毒科61.58%;星状病毒科11.57%;藻类去氧核糖核酸病毒科8.54%;冠状病毒科6.36%;双顺反子病毒科3.58%等(图 3)。

图 3 14个冠状病毒阳性文库中病毒群落组成 Fig. 3 Composition of virus community in 14 Coronaviridae positive feces libraries

综合分析表 1各猪场粪便信息和表 2检出结果,13份PEDV感染阳性的腹泻仔猪均来源于C猪场,而β冠状病毒阳性的样本来源于F猪场。其中,因检测到的β冠状病毒为蝙蝠冠状病毒,推测仔猪仅为其中间宿主,并不具有持续致病性,因此暂不关注。而C猪场中,PEDV感染阳性率为43.33%(13/30)。

2.3 PEDV ORF3基因遗传进化分析

利用Geneious软件对阳性样品的测序数据进行拼接,获得了全长为675 bp的ORF3全基因序列。根据测序结果,总共获得4个完整ORF3序列读长,来自于4个不同文库的PEDV ORF3基因序列根据分析结果显示,76和77号文库的毒株聚类为同一株,而来源于73号和91号的序列为分别为不同的毒株,三株毒株之间的ORF3的核苷酸序列相似性为97.04%~98.22%,氨基酸相似性为99.11%~99.55%。

参照16个GenBank中登陆的国内外PEDV流行株和经典株的ORF3基因,分析本研究获得的2个ORF3基因的同源性和遗传进化地位。结果显示,4个ORF3基因序列与G1型经典毒株和疫苗株的ORF3基因核苷酸相似性为95.11%~99.41%,与G2型当代流行毒株的ORF3基因核苷酸相似性为96.44%~99.70%(图 4)。本研究获得的三株流行株中,76和77号流行株属于G2亚型,73和91号两个流行株位于G1型。本研究的15株参考株序列分别为10株中国野毒株、2株韩国流行株,2株美国流行株和1株法国流行株。

图 4 3株PEDV分离株的ORF3基因与参考株ORF3基因进化关系分析 Fig. 4 The phylogenetic tree based on ORF3 of 3 PEDV isolates sequences with the reference strains

西北农林科技大学几位学者的研究证实,PEDV ORF3基因序列在病毒进化史上相对而言比较保守[25]。PEDV根据基因型共分为三种毒株,分别为经典毒株、弱毒毒株以及流行毒株,且每种毒株均有各自典型的分子生物学特性[26]。本研究通过PEDV ORF3基因检测分析表明,在PEDV阳性的C猪场中,G1基因型和G2基因型均能检测到阳性结果。

2.4 ORF3基因分子特性

G1基因型包含4株,分别是1株韩国经典株(SM98-5P)和1株韩国弱毒株(DR13),1株欧洲经典株(Br1/87),1株中国经典株(LZC)。本研究测序获得的两个ORF3基因序列,与韩国经典株分支DR13(序列号EU054929)距离较近。G2基因型包含10株中国流行株,2株美国流行株。10株中国流行株里主要流行区域位于中国南部地区,其中各有2株位于上海市内(SH1和PF5),2株位于江苏省(PEDV-LYG和JS-HZ2012),1株位于浙江省(CH/ZJCX-1/2012),1株位于广东省(CHYJ130330),1株位于福建省(CH/FJND-2/2011),1株位于河北省(HeBXTE),1株位于河南省(CH/ZMDZY/11),1株位于山东省(SD/QD/2015)。本研究测序获得的piglet76和piglet77号ORF3基因序列就属于山东株SD/QD/2015(序列号KU641638)分支。在C猪场分离出的3株PEDV ORF3基因均由编码224个氨基酸的675个核苷酸组成。在基因编码过程中,特定位点的核苷酸变化会导致特定的氨基酸变化。

选取本研究测序获得3个ORF3基因序列与传统CV777株ORF3进行序列比对(表 3)。发现与传统CV777株相比,除F2S以外,3株试验所得株存在一致性突变,分别是V21A、I70M、V79I、F80V、L85I、L92F,这一特性,有可能是PEDV传统株与流行株基因型的鉴别依据。这些位点的突变是否影响了ORF3蛋白的结构,改变了其生物学功能还不得而知,需要将来进一步探究。

表 3 ORF3基因特定位点的核苷酸突变引起对应位点的氨基酸变化 Table 3 Specific nucleotide changes resulted amino acid changes in ORF3 gene
3 讨论

病毒宏基因组学旨在挖掘特定环境中的病毒群落,已经在污水处理、海洋、葡萄种植、人类粪便、人肠道、蝙蝠粪便和动物组织等特定的环境中得到应用[27-33]。该方法应用随机引物合成双链cDNA和PCR扩增病毒遗传物质,避免了传统方法的限制[34]。在养猪业中,病毒性腹泻是引起家养猪腹泻甚至死亡的重要病因之一,现有的检测手段,并不能快速高效地明确腹泻猪病因。本试验通过病毒宏基因组学手段,分析了上海周边猪场腹泻仔猪粪便中的病毒群落,结果显示腹泻仔猪粪便中病毒群落主要由小RNA病毒科(Picornaviridae)、星状病毒科(Astroviridae)、杯状病毒科(Caliciviridae)、细小病毒科(Parvoviridae)、圆环病毒科(Circoviridae)、藻类去氧核糖核酸病毒科(Phycodnaviridae)、冠状病毒科(Coronaviridae)等组成,不同文库的组成情况有所差别,但大多由小RNA病毒科主导。而关于健康猪粪便中病毒的组成情况,在笔者实验室的另一篇论文中,已经获得了较为全面的结果[35],可以看出健康仔猪粪便中的病毒主要集中在Kobuvirus、Sapovirus、Teschovirus和Sapelovirus上,且病毒滴度较低,在文中就不做过多讨论。

上海周边地区冠状病毒的整体阳性率为15.56%,其中:α-CoV属中的PEDV阳性率占92.86%,β-CoV属中的Bat_Hp-betacoronavirus阳性率占7.14%。对于在F猪场检测出的一株β-CoV属中的Bat_Hp-betacoronavirus阳性推测为经蝙蝠粪便排出,以仔猪作为中间宿主暂时寄存性感染,本研究不多作讨论。而对于PEDV阳性样本,阳性者全部来自于C猪场,在C猪场中, PEDV阳性率高达43.33%,则C猪场中PEDV是致仔猪腹泻的重要病原之一。对获得的PEDV基因序列进行遗传进化分析,结果显示,在本研究获得3个PEDV ORF3基因序列中,有1个属于G2基因型,与其他参考PEDV病毒株同源性较高,相对保守;另外2个ORF3基因序列属于G1基因型,同源性相对较低。与PEDV传统株CV777蛋白序列比较分析发现,除piglet91株产生F2S突变以外,三株PEDV研究所得株存在一致性突变,分别是V21A、I70M、V79I、F80V、L85I、L92F,这一特性,有可能是PEDV传统株与流行株基因型的鉴别依据。

本研究报道了上海周边地区CoV的感染情况,并对α-CoV属中PEDV的基因序列进行了遗传进化分析,从碱基突变基础上分析了PEDV突变株与传统株之间潜在的差异性。

综上所述,上海虽然不与韩国以及山东地区临近,但作为农畜产品交易大省,畜类交易密集,畜载量过大,而山东属于农畜产品主要生产地,其与上海和韩国农畜产品交易活动频繁,这就为疫病的传播提供了机会。因此,交通运输环节在防止疫病传播方面应该重点考虑,做好交通运输环节的防护和消毒,是控制新病毒的流入和传播的关键[35]。另外,C猪场同时出现G1和G2基因型的PEDV,提示了从事动物疫控的机构和相关研究人员应注意PEDV的跟踪研究,在发展养猪业时一定要考虑到如何加强包括PED在内的传染病的有效控制,在出现新问题时不要违背传染病防治“早快严小”的原则,应及时发现,及时研究,集中全行业的力量攻坚克难,共同解决。

4 结论

上海周边地区腹泻仔猪肠道病毒组成丰富,在不同猪群中,病原感染情况有所差异,除PEDV外,星状病毒和杯状病毒也是仔猪腹泻的主要病原。PEDV的ORF3基因与传统分离株相比具有独特的分子特征,新检测到的氨基酸位点与病毒毒力的关系有待于进一步试验验证。研究结果有助于了解腹泻仔猪肠道的病毒谱,并为仔猪病毒病防控提供一定的基础数据。

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