畜牧兽医学报  2021, Vol. 52 Issue (5): 1337-1348. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2021.05.019    PDF    
云南省蓝舌病病毒血清7型毒株的分离与基因组序列分析
李占鸿1, 宋子昂2, 廖德芳1, 杨振兴1, 谢佳芮1, 高翔3, 胡忠燕3, 李卓然1, 李华春1, 杨恒1     
1. 云南省畜牧兽医科学院, 云南省热带亚热带动物病毒病重点实验室, 昆明 650224;
2. 云南农业大学动物医学院, 昆明 650201;
3. 云南省景洪市动物疫病预防控制中心, 景洪 666100
摘要:2014年,我国广东省的哨兵牛上分离出蓝舌病病毒血清7型(BTV-7)毒株,但该血清型病毒在我国的流行情况尚不清楚,本研究旨在分离我国流行的BTV-7型毒株并掌握其遗传特征。作者在云南省景洪市勐罕镇设立哨兵牛,每周定时采血,并接种C6/36、BHK-21细胞分离虫媒病毒,通过病毒蚀斑试验与增殖曲线分析病毒在细胞上的感染特性,采用高通量测序获取分离毒株的全基因组序列,通过qRT-PCR与血清中和试验对哨兵牛血液中的病毒核酸与中和抗体变化进行回溯分析。结果表明:2020年5月,分离到1株能引起BHK-21细胞发生细胞病变的病毒(毒株号V303/YNJH/2020),经鉴定为BTV-7型。分离毒株的基因组全长19 154 bp(GenBank收录号MW046280至MW046289),与广东省2014年分离的BTV-7型GDST008毒株具有最近的亲缘关系,基因节段1至6,基因节段9与10的核酸与编码蛋白氨基酸序列(nt/aa)相似度分别大于98%、99%;V303/YNJH/2020毒株的基因的节段7和基因节段8属Western地域型,与广东GDST008毒株对应基因节段的nt/aa序列相似度仅为71.5%/81.6%、79.6/%84.4%。病毒蚀斑与增殖曲线比较显示,V303/YNJH/2020在BHK-21细胞的增殖能力明显强于GDST008。回溯分析显示,感染V303/YNJH/2020的哨兵牛未出现临床症状,血液中的病毒核酸持续存在长达12周;在病毒感染后第4~9周,血液中的中和抗体滴度水平维持在1∶256。云南省2020年分离的BTV-7型V303/YNJH/2020毒株与广东省分离的BTV-7型GDST008毒株具有最近的亲缘关系,在BHK-21细胞上的增殖能力强于GDST008毒株;V303/YNJH/2020虽未引起感染动物的临床症状,但病毒核酸与中和抗体在感染动物血液中长时间存在。研究结果为开展BTV-7型在我国的演化规律、病毒变异以及致病性等方面的研究奠定了基础。
关键词蓝舌病病毒    血清7型    全基因组测序    基因重配    感染特性    
Whole Genome Sequence Analyses of Bluetongue Virus Serotype 7 Strain Isolated from Yunnan Province
LI Zhanhong1, SONG Ziang2, LIAO Defang1, YANG Zhenxing1, XIE Jiarui1, GAO Xiang3, HU Zhongyan3, LI Zhuoran1, LI Huachun1, YANG Heng1     
1. Yunnan Tropical and Subtropical Animal Virus Disease Laboratory, Yunnan Veterinary and Animal Science Institute, Kunming 650224, China;
2. College of Veterinary Medicine, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
3. Animal Disease Control Center of Jinghong, Jinghong 666100, China
Abstract: Bluetongue virus serotype 7 (BTV-7) was firstly isolated from sentinel cattle in Guangdong Province in 2014; however, the epidemic situation of this serotype was still not clear in China. The objective of the present study is to isolate and analyze the genomic characterization of BTV-7 epideictic in China. Sentinel cattle were placed in Jinghong County, Yunnan Province, and blood samples were collected weekly for arbovirus isolation by inoculating cells. Complete genome sequence of the isolated virus was obtained by high-throughput sequencing. The infection feature of the isolated virus on cells were analyzed by virus plaque assay and proliferation curve analysis. The dynamics of viral nucleic acids and antibodies in the blood of infected sentinel cattle were monitored by serum neutralization test (SNT) and qRT-PCR. In May 2020, a virus strain (V303/YNJH/2020) causing cytopathic effects (CPE) on BHK-21 cells was isolated from the blood sample collected from sentinel cattle, which was serotyped as BTV-7. The genome of V303/YNJH/2020 was 19 154 bp in length (GenBank accession numbers: MW046280 to MW046289), which showed the closest relationship to the BTV-7 GDST008 strain isolated in Guangdong Province in 2014, with nucleic acid (nt) and encoding protein amino acid (aa) sequence identities of segment 1 to 6, segment 9 and 10 higher than 98% and 99%. However, the segment 7 and 8 of V303/YNJH/2020 belonged to the Western topotype, shared nt/aa sequence identities of 71.5%/81.6% and 79.6%/84.4% with the corresponding segment of GSDT008. Results of virus plaque assay and proliferation curve analysis showed that the proliferation ability of V303/YNJH/2020 in BHK-21 cells was significantly robust than that of GDST008. Sentinel cattle infected with V303/YNJH/2020 did not show observed clinical symptoms, but viral nucleic acids in the blood persisted up to 12 weeks, and neutralization antibodies in blood remained at titers of 1:256 during 4-9 weeks after virus infection. The BTV-7 strain V303/YNJH/2020 isolated in Yunnan Province in 2020 has the closest relationship with BTV-7 strain of GDST008, and possessed robust proliferation ability on cells than GDST008. The infection of V303/YNJH/2020 did not cause clinical symptoms in cattle, but viral nucleic acids and neutralization antibodies existed in the blood of infected cattle for a long time. The results of this study laid the foundation for the research on evolution, viral mutation caused by reassortment and pathogenicity of BTV-7 strains.
Key words: bluetongue virus    serotype 7    whole genome sequencing    gene reassortment    infection characteristics    

动物蓝舌病(bluetongue, BT)是反刍动物的一种烈性传染病,其病原蓝舌病病毒(bluetongue virus, BTV)主要通过库蠓(Culicoides spp.)传播,可感染牛、羊、鹿和骆驼等多种家养与野生反刍动物。BT的暴发、流行严重危害牛羊养殖业,造成严重的经济损失的同时,还会制约牛、羊出口贸易,影响畜产品国际贸易[1]。2006年,非洲来源的BTV-8型毒株侵入欧洲,给欧洲各国的牛、羊养殖业带来巨大的经济损失[2-3]。世界动物卫生组织(OIE)将BT列为法定报告的动物疫病,我国也将其列为一类动物疫病。

BTV属呼肠孤病毒科(Reoviridae)环状病毒属(Orbivirus),其基因组为双链RNA(dsRNA),由Seg-1到Seg-10 10个基因节段构成,约20 kb,可编码VP1~VP7等7种结构蛋白以及NS1、NS2、NS3、NS3a与NS4等5种非结构蛋白[4-5]。BTV病毒粒子由内部核心、内层衣壳与外层衣壳3个部分构成:内部核心由Seg-1编码的RNA依赖RNA聚合酶(VP1蛋白)、Seg-4编码的加帽酶(VP4蛋白)、Seg-9编码的解旋酶(VP6蛋白)与基因组dsRNA组成;内层衣壳由Seg-3与Seg-7编码的VP3与VP7蛋白共同构成,其氨基酸序列高度保守,VP7蛋白是诱导产生BTV群特异性抗体的主要蛋白;外层衣壳由Seg-2与Seg-6编码的VP2与VP5蛋白构成,该部分氨基酸序列高度变异,其中VP2是诱导中和抗体的主要蛋白,决定BTV的血清型,VP5可通过影响VP2蛋白的构象间接影响中和抗体的产生[4-5]。BTV各个基因节段构建的系统发生树显示,不同国家/地区的分离的BTV毒株分为东方型(Eastern)与西方型(Western)两种地域型[6]

目前,世界范围已报道了28种血清型的BTV(BTV-1至BTV-28) [7-8],不同血清型BTV的分布范围不同,对动物的致病性也存在较大差异。BTV-7型主要流行于非洲与澳大利亚,目前,对该血清型毒株在易感动物上的致病性尚不完全清楚。我国BTV-7型毒株于2014年首次分离于广东省汕头市设置的哨兵牛中[9],全基因组测序结果显示,该毒株的Seg-1、-2、-3、-4与-6属Western型,与非洲BTV毒株具有最近的亲缘关系;而Seg-5、-7、-8、-9与-10属Eastern型,与中国流行BTV毒株序列相似度最高,表明非洲来源的BTV侵入了我国,在其传播过程中与中国流行毒株通过基因重配(reassortment)产生了变异毒株[10]

目前GenBank中仅公布了3株BTV-7型毒株的全基因组序列,分别来自中国(GDST008毒株)[10]、非洲(1504毒株)与澳大利亚(v6963毒株)[11]。分离我国流行的BTV-7型毒株,掌握其全基因组序列与感染特性,不仅可丰富世界范围对BTV-7型毒株的了解,也有助于追溯我国BTV-7型毒株的来源,加深对BTV基因重配多样性的认知,为BTV诊断与疫苗研究提供基础。因此,作者拟报道于2020年在我国云南省哨兵牛血液中分离到的1株BTV-7型毒株,并分析其全基因组序列及其感染特征。

1 材料与方法 1.1 细胞与毒株

C6/36细胞(白纹伊蚊细胞)、BHK-21细胞(仓鼠肾细胞)均由云南省热带亚热带动物病毒病重点实验室保存,以含10%胎牛血清的MEM培养基分别培养于27与37 ℃;BTV-7型毒株(GDST008)于2014年分离自广东省汕头市设立的哨兵牛血液中[9-10],由云南省热带亚热带动物病毒病重点实验室保存。

1.2 主要试剂

细胞培养用材料(胎牛血清、MEM与DMEM培养基)购自美国Gbico公司;RNA提取试剂RNAiso Plus、逆转录酶、高保真DNA聚合酶、DNA纯化试剂盒、一步法RT-PCR试剂盒、实时荧光定量qRT-PCR试剂盒均为大连宝生物公司产品;RNA纯化试剂盒、T4 RNA Ligase I均为北京NEB公司产品;磁珠法病毒RNA抽提试剂盒为美国Thermo Fisher公司产品;DNA文库构建试剂盒购至美国Illumina公司;低熔点琼脂糖与结晶紫购自杭州碧云天公司;BTV抗体C-ELISA检测试剂盒[12]由云南省热带亚热带动物病毒病重点实验室制备并保存。

1.3 哨兵动物的设立与血样采集

2020年5月,在云南省景洪市勐罕镇(经纬度:E100°59′53″,N21°54′58″,海拔550 m)选择3头1周岁云南黄牛作为虫媒病毒监测的哨兵动物。哨兵牛BTV与动物流行型出血病病毒(EHDV)血清学检测为阴性,采用放牧的方式单独饲养,期间不使用任何疫苗与驱虫剂。从5月初开始,每周定时采集肝素钠抗凝血、EDTA抗凝血与全血等三种血液样本,进行虫媒病毒的检测与分离。

1.4 血液样本中BTV的检测与病毒分离

取采自哨兵牛的全血分离血清,以BTV抗体C-ELISA检测试剂盒[12]进行检测;取采集的EDTA抗凝血提核酸,使用BTV群特异性qRT-PCR[13]检测病毒核酸。取BTV感染动物的肝素钠抗凝血,离心收集红细胞(red blood cells, RBCs)。以PBS洗涤RBCs一次,加入灭菌水裂解RBCs。取RBCs裂解液接种C6/36细胞培养1代,随后在BHK-21细胞上连续盲传3~5代,当观察到细胞病变(cytopathic effect, CPE)时,收获细胞培养上清鉴定分离的病毒。

1.5 分离病毒的RT-PCR鉴定

使用病毒RNA/DNA提取试剂盒按说明书操作提取待鉴定病毒的核酸,使用一步法RT-PCR试剂盒,以针对BTV、EHDV与帕利亚姆病毒(PALV)的特异性引物进行一步法RT-PCR扩增检测[14-16];若待鉴定毒株为BTV,使用云南省热带亚热带动物病毒病重点实验室建立的BTV血清型特异性RT-PCR[17]进行分离BTV毒株的血清型鉴定。

1.6 病毒基因组dsRNA的提取及检测

将所分离的BTV毒株接种BHK-21细胞,待开始出现CPE时,刮取病变细胞,8 000 r·min-1离心20 min,收集细胞,加入RNAiso Plus,按说明书操作提取细胞的总RNA。按照文献[18]报道的方法纯化病毒基因组dsRNA。取5 μL纯化后病毒核酸,进行2%的高分辨率琼脂糖凝胶电泳,检测dsRNA的质量与完整性。

1.7 病毒基因组cDNA的合成与PCR扩增

取纯化后的BTV毒株基因组dsRNA作为模板,参照Maan等[19]报道的全长cDNA扩增(full-length amplification of cDNAs, FLAC)技术合成病毒基因组cDNA,使用GXL高保真DNA聚合酶扩增病毒基因组,按说明书推荐方法配制PCR反应体系,扩增程序:94 ℃预变性3 min;94 ℃变性30 s,60 ℃复性30 s,68 ℃延伸4 min,35个循环。反应结束后,取PCR扩增产物进行电泳,检测扩增产物的完整性。

1.8 高通量测序获取病毒的全基因组序列

取“1.7”病毒全基因组PCR扩增产物,纯化,然后使用Illumina公司的TruSeq DNA Sample Prep Kit DNA文库构建试剂盒构建文库。将所构建的文库在高通量测序平台Illumina Novaseq 6000上进行高通量测序。使用Trimmomatic软件[20]对获取的原始reads数据进行质量控制与滤过处理,滤过后的reads使用Edena(v3.131028) [21]、SOAPdenovo(v2.04)软件[22]进行病毒基因组的de nove组装。

1.9 序列分析与系统发育树的构建

从GenBank数据库中下载相关BTV毒株序列,使用Mafft-win序列比对软件[23]与本研究中获取的基因组序列进行比对,使用BioEdit软件计算核酸(nt)与氨基酸(aa)序列的相似度;使用MEGA X软件[24]构建系统发生树,模型选择邻近法(Neighbor-join),参数选择P-distance,将自举检验值(bootstraps)取值设为1 000。

1.10 病毒在细胞上的感染特性比较

将适当稀释的病毒液接种BHK-21细胞,37 ℃吸附1 h,弃病毒液,并覆盖含2%胎牛血清和1%低熔点琼脂糖的DMEM培养基。在感染后第5天,用含0.03%的结晶紫染液对细胞进行染色,镜下观察病毒形成的蚀斑形态,并进行蚀斑计数。

在24孔板预先培养BHK-21细胞,取病毒液,以0.01的感染复数(multiplicity of infection, MOI)接种BHK-21细胞。在感染后的24~120 h,间隔24 h收取细胞培养上清(每个时间点设3个重复孔),暂存于4 ℃。待收集完所有时间点的样品,通过病毒蚀斑计数法测定各时间点细胞上清中的病毒含量,并绘制病毒的增殖曲线。试验数据以“x±s ”表示,采用SAS软件中的单因素方差分析(one-way ANOVA)方法进行统计分析,P < 0.05为差异显著,P < 0.01为差异极显著,使用GraphPad Prism软件绘制病毒的增殖曲线。

1.11 病毒在动物上的感染回溯分析

取5—8月份采集的哨兵牛EDTA抗凝血50 μL,使用磁珠法病毒RNA抽提试剂盒提取病毒核酸。使用本实验室建立的BTV-7型血清型特异性实时荧光定量(qRT-PCR)检测方法对感染动物血液中BTV-7型毒株的核酸(靶基因Seg-2)进行检测,按说明书推荐方法配制反应体系,反应条件:45 ℃ 5 min,95 ℃ 30 s;95 ℃ 5 s,60 ℃ 34 s,40个循环。待检血液中病毒的核酸含量以qRT-PCR反应产生荧光信号的循环阈值数(cycle threshold,Ct)表示采用Karber法[25]测定分离毒株的TCID50;将采集的动物血清56 ℃灭活处理30 min,倍比稀释后备用。取100 TICD50的病毒悬液与稀释的动物血清作用2 h,在96孔板上采用“固定病毒-稀释血清”的方法测定梯度稀释的血清对细胞CPE的抑制作用。通过Karber法计算血清中和抗体的效价,分析感染哨兵牛血清中和抗体水平的动态变化。

2 结果 2.1 病毒的分离与鉴定

3头哨兵牛,每周定时采血,持续监测血样中的BTV抗体和核酸。1号哨兵牛5月19日采集的血液样本经qRT-PCR检测为BTV核酸阳性,5月25日采集的血清样本经C-ELISA检测为阳性,从哨兵牛的血液样本中检测到BTV的核酸与群特异性抗体的存在,表明该哨兵动物感染了BTV。

取5月19日自1号哨兵牛采集的肝素钠血液样本,接种C6/36与BHK-21细胞进行BTV分离。在BHK-21细胞上盲传至第3代,接种细胞出现明显的CPE,表现为细胞皱缩、脱落与裂解(图 1)。提取病变细胞的核酸,分别进行BTV、EHDV和PALV的RT-PCR鉴定,BTV群特异性RT-PCR可扩增出预期的约1 kb Seg-7片段;BTV血清型RT-PCR鉴定结果显示,仅BTV-7型引物可扩增约1 kb的Seg-2片段,测序结果BLAST比对显示与BTV-7型毒株的序列相似度为92.7%~98.8%。以上结果表明在感染BTV的哨兵牛血液中分离出1株BTV-7型毒株,将其命名为V303/YNJH/2020。

图 1 V303/YNJH/2020感染BHK-21细胞引起的细胞病变(100×) Fig. 1 Cytopathic effect (CPE) of V303/YNJH/2020 on BHK-21 cells (100× magnification)
2.2 BTV-7型毒株在细胞上增殖特性的比较

将BTV-7型V303/YNJH/2020与GDST008毒株分别感染BHK-21细胞,在细胞层面分析两个毒株感染特性的差异。蚀斑试验的结果(图 2)显示,V303/YNJH/2020毒株在细胞上造成的蚀斑明显大于GDST008毒株造成的。病毒的增殖曲线(图 3)显示,感染后的48 h,感染细胞上清中V303/YNJH/2020与GDST008的含量基本一致;感染后72~96 h,V303/YNJH/2020在细胞上的增殖水平明显高于GDST008(P < 0.05);在120 h后,两种病毒在细胞增殖基本达到平台期,但细胞上清中V303/YNJH/2020的病毒滴度(106.28PFU·mL-1)明显高于GDST008毒株(105.19PFU·mL-1),差异极显著(P < 0.01)。以上结果提示,V303/YNJH/2020在BHK-21细胞上的增殖能力明显强于GDST008。

图 2 V303/YNJH/2020与GDST008毒株在BHK-21细胞上形成蚀斑比较 Fig. 2 Compare viral plaque formations of GDST008 and V303/YNJH/2020 strains on BHK-21 cells
*.差异显著,P < 0.05;**.差异极显著P < 0.01 *. Difference is significant, P < 0.05; **. Difference is extremely significant, P < 0.01 图 3 BTV-7型GDST008与V303/YNJH/2020在BHK-21细胞上增殖曲线比较 Fig. 3 Viral growth curves of BTV-7 GDST008 and V303/YNJH/2020 strains on BHK-21 cells
2.3 BTV全基因组扩增

提取V303/YNJH/2020毒株的dsRNA进行琼脂糖凝胶电泳,结果(图 4A)显示病毒基因组dsRNA在凝胶上的电泳带型特征呈现“3-3-3”的迁移特征。通过FLAC技术[19]进行病毒基因组的RT-PCR扩增,电泳结果(图 4B)显示,扩增的病毒基因组DNA在琼脂糖凝胶上的电泳带型特征与基因组dsRNA电泳带型一致,表明成功扩增了病毒全基因组。

M. DL 5000 DNA相对分子质量标准;1. V303/YNJH/2020毒株全基因组扩增产物 M. DL5000 DNA marker; 1. RT-PCR products of V303/YNJH/2020 genome 图 4 病毒基因组dsRNA(A)与全基因组RT-PCR扩增产物(B)电泳 Fig. 4 Agarose-gel electrophoresis genomic dsRNA of V303/YNJH/2020 (A) and its whole genome RT-PCR products (B)
2.4 NGS测序

V303/YNJH/2020毒株的基因组PCR产物的高通量测序结果显示,得到1.4 G的原始测序数据,共产生49 375 600条reads。经数据过滤处理后得到42 804 300条高质量的reads,其中, 98.3%的reads可被进一步组装形成10个contigs,每个contig上单碱基位点的平均测序深度达5 000~20 000,测序结果表明对V303/YNJH/2020毒株的基因组进行了深度测序(基因组序列特征见表 1)。

表 1 V303/YNJH/2020毒株基因组序列特征 Table 1 Genome sequence characteristics of V303/YNJH/2020
2.5 BTV毒株基因组序列特征分析

获取的V303/YNJH/2020毒株的基因组序列全长为19 154 bp,10个基因节段的G+C含量在41.84%~47.62%,长度为3 944 bp (Seg-1)至822 bp (Seg-10),各基因节段编码蛋白氨基酸残基数为1 302(VP1)至216(NS3a)。基因组非编码区(non-coding regions, NCR)占整个基因组的4.07%,各基因节段5′端NCR的长度为34 bp(Seg-5)至8 bp(Seg-4)之间,3′ NCR的长度均大于5′端NCR,长度为133 bp(Seg-10)至27 bp(Seg-1)(表 1),各个节段的5′与3′ NCR区均具有5′-GUUAAAA-------ACACUUAC-3′的保守序列。

BLAST比对分析结果显示,V303/YNJH/2020毒株的Seg-1至Seg-6、Seg-9与Seg-10等8个基因节段与BTV-7型GDST008毒株[9]的对应基因节段有着最近的亲缘关系,核苷酸与编码蛋白氨基酸(nt/aa)序列的相似度在98.8%/99.0%(Seg-2/VP2)至100.0%/100.0%(Seg-5/NS1)之间。V303/YNJH/2020毒株的Seg-7/VP7与Seg-8/NS2则分别与澳大利亚BTV-7型V6963毒株和BTV-15型DPP192毒株[11]具有最近的亲缘关系,序列相似度分别为94.8/99.1%和94.3/94.9%,与GDST008毒株的序列相似度仅为71.5/81.6%和79.6/84.4% (表 1)。以上结果表明,云南省与广东两省分离的BTV-7型毒株虽有着最近的亲缘关系,但Seg-7与Seg-8基因节段出现了遗传多样性。

2.6 Seg-7与Seg-8的系统发生树

为分析BTV-7型V303/YNJH/2020与GDST008毒株Seg-7与Seg-8的遗传进化关系,分别构建两个基因节段的系统发生树。Seg-7构建的系统发生树显示,GDST008毒株与印度和中国分离的BTV毒株聚为Eastern 3地域亚型;而V303/YNJH/2020毒株则与澳大利亚、南非等地分离的BTV-7型和BTV-19型毒株聚为Western 6地域亚型(图 5A)。Seg-8的系统发生树显示,V303/YNJH/2020毒株属Western型,与澳大利亚BTV-15型DPP192毒株聚为一簇,而GDST008毒株属Eastern型,与中国BTV-4、-15与-21型毒株聚为一簇(图 5B)。以上结果提示,V303/YNJH/2020与GDST008毒株的Seg-7与Seg-8在进化上有着不同的来源。

图中节点处的数字为各进化分支的自举检验值,比例尺为每个位点的核苷酸替代数。本研究分离的V303/YNJH/2020毒株以点表示,广东省分离的BTV-7型GDST008毒株以方块表示。Seg-7的Eastern-1~3、Western-1~7地域型与Seg-8的Western、Eastern地域型标注参照Maan等[3]的报道进行命名 The number at the point of each branch indicates a bootstrap value. Scale bars indicate nucleic acid substitutions per site. V303/YNJH/2020 strain isolated in present study was indicated by dot and BTV-7 GDST008 strain isolated in Guangdong Province was indicated by squares. Eastern-1 to Eastern-3 and Western-1 to Western-7 toptypes of Seg-7, and Western and Eastern topypes of Seq-8 of BTV strains were assigned as per Maan[3] 图 5 基于邻近法构建的BTV Seg-7、Seg-8系统发生树 Fig. 5 Phylogenetic tree of BTV Seg-7, Seg-8 constructed by Neighbor-join (NJ) method
2.7 BTV-7型毒株在哨兵牛上感染的回溯分析

通过qRT-PCR与血清中和试验对感染动物血液中的BTV核酸含量与血清中和抗体效价进行监测,对V303/YNJH/2020在哨兵牛上的感染情况进行回溯分析。将首次检测到BTV-7型病毒核酸的采血时间点设为第1周(Ct值:33.4),在感染后第2、3周,血液中病毒核酸含量处于高峰(Ct值:30.4);从第4周开始,病毒核酸含量虽呈下降趋势,但直到监测结束的第12周,血液中病毒的检测结果仍为阳性(Ct值:35.6)(图 6)。

左边Y轴表示血液中病毒核酸的qRT-PCR检测结果的Ct值(实线表示Ct值曲线);右边Y轴表示血清中针对V303/YNJH/2020毒株的中和抗体滴度(虚线表示中和抗体滴度曲线) The Y axis on the left represents the qRT-PCR detection results of viral nucleic acids in the blood (Solid line indicates the curve of the Ct value); the Y axis on the right represents the titers of neutralization antibody against the V303/YNJH/2020 strain in serum (Dotted line indicates the neutralization antibody titers) 图 6 自然感染V303/YNJH/2020毒株哨兵牛血液中病毒核酸与中和抗体动态监测结果 Fig. 6 Detection of viral nucleic acids and neutralization antibodies in blood samples collected from sentinel cattle naturally infected with V303/YNJH/2020

血清中和抗体检测结果显示,病毒感染哨兵牛的第2周,可检测到BTV-7的特异性中和抗体的产生(抗体效价1∶32),感染后的3周,血清中病毒中和抗体已到达最高点(抗体效价1∶256)并持续约6周时间,在检测期结束的第12周,抗体水平仍维持在较高水平(1∶113) (图 6)。为分析V303/YNJH/2020是否感染同群的其他哨兵动物,取另两头哨兵牛5—8月每月最后一次采集的血液样本,分别进行BTV核酸的回溯检测,发现其中一头牛感染了BTV-4型,而另一头牛感染了BTV-1型,未检测到BTV-7型病毒的核酸。

3 讨论

2012—2017年,在国家公益性行业(农业)专项的资助下,本实验室在我国云南省、广东省、广西壮族自治区以及江苏省相继分离出到12种血清型的BTV,分别为BTV-1、-2、-3、-4、-5、-7、-9、-12、-15、-16、-21与-24 [26-29],显示我国南方地区流行BTV血清型的高度多样性。BTV-7型毒株于2014年在广东省设立的哨兵牛中首次分离[9],但在为期5年的监测过程中,其他省份设立的哨兵动物中均未分离出BTV-7型毒株,因此BTV-7型在我国的扩散、流行特征、演化规律与在动物上的感染特性尚不清楚。本研究在云南省景洪市设立的哨兵牛中分离出BTV-7型毒株,一方面确认了BTV-7型毒株在云南省的流行,另一方面也为比较分析我国不同地域流行BTV-7型毒株的遗传特征,进而推测病毒的演化提供了条件。

基因重配是BTV进化的主要动力,其发生频率很高,不同血清型毒株之间、弱毒疫苗毒株与野毒株之间、本地流行毒株与外来毒株之间均可发生重配,是引起BTV高度遗传多样性的主要原因[30]。对BTV-7型V303/YNJH/2020毒株全基因组序列比较分析显示,V303/YNJH/2020毒株的8个基因节段(Seg-1至Seg-6, Seg-9与Seg-10),与广东2014年分离的GDST008毒株序列高度相似,核酸序列相似度为98.8%(Seg-2)至100%(Seg-5),氨基酸序列相似度为99.0%(VP2)~100%(VP3、VP5与NS1)(表 1),提示两个毒株之间有着最近的亲缘关系。V303/YNJH/2020毒株与GDST008毒株的Seg-7与Seg-8基因节段却有着明显的差异:Seg-7序列相似度仅为71.5%,分属Western-6与Eastern-3地域型;Seg-8的序列相似度为79.6%,分属Western与Eastern地域型(图 5)。以上结果表明我国流行的BTV-7型毒株很可能通过基因重配产生遗传多样性。

基因组分节段RNA病毒的基因重配,对病毒的传播、致病性、感染特性与免疫原性等方面均有着深刻的影响,历史上几次大范围流感病毒的暴发与流行,均与基因重排产生变异毒株有关[31-32]。为分析基因重配是否改变我国BTV-7型毒株的感染特性,作者首先在细胞层面通过比较病毒蚀斑与增殖曲线,分析病毒在感染特性上的差异,发现V303/YNJH/2020毒株在BHK-21细胞上形成的蚀斑明显大于GDST008毒株的,同时增殖曲线分析也显示,V303/YNJH/2020毒株在感染BHK-21细胞后的72~96 h增殖能力明显强于GDST008(图 23)。在基因组层面,V303/YNJH/2020与GDST008毒株的Seg-7与Seg-8序列差异最大,2个毒株在细胞上增殖特性的差异是由病毒的Seg-7与Seg-8差异所导致,亦或是病毒蛋白某些关键氨基酸位点的突变所引起,这是一个值得探讨的问题。

BTV的Seg-7与Seg-3编码的VP7与VP3蛋白共同构成病毒的内层衣壳[4],研究已证实Seg-7是BTV的毒力基因之一[33]。V303/YNJH/2020毒株的Seg-3与Seg-7均为Western型,而GDST008毒株的Seg-3与Seg-7分属Western型与Eastern型。作者推测,Eastern型Seg-7编码的VP7蛋白与Western型Seg-3编码的VP3蛋白的结合能力较弱,导致了GDST008毒株内层衣壳蛋白组装效率低于V303/YNJH/2020毒株,引起GDST008病毒增殖能力减弱。BTV Seg-8编码的NS2蛋白在感染细胞中形成病毒包涵体,是BTV病毒粒子的组装“工厂”[34]。V303/YNJH/2020毒株的Seg-8为Western型,与欧洲强致病性BTV-8型毒株[3]具有更近的亲缘关系,核酸/氨基酸序列相似度为90.8%/96.3%;而GDST008毒株的Seg-8为Eastern型,与BTV-8型强致病性毒株亲缘关系较远,序列相似度仅为80.3%/86.2%。这可能也是导致V303/YNJH/2020毒株在细胞上增殖能力强于GDST008病毒的原因之一。以上只是初步推测,要证实这种推测,可通过BTV反向遗传体系[35]进行验证。

虽然早在2014年即从我国的哨兵牛上分离出了BTV-7型毒株,但该血清型病毒在易感动物上的感染特性是怎样的,尚无相关报道。因此作者对V303/YNJH/2020在哨兵牛上的病毒的核酸与中和抗体产生进行了回溯分析。结果显示,BTV-7型感染哨兵牛后,未观察到可见的临床症状,因此可认为牛在BTV-7型的传播链中起着存储宿主的作用,由于无临床症状的出现,因此BTV十分容易通过活牛的贸易进行扩散。对血液样本中BTV-7型病毒核酸的监测结果显示,V303/YNJH/2020感染动物后的两周病毒达到增殖的高峰,随后随着中和抗体的产生,虽然血液中病毒核酸含量有所下降,但是在为期12周的监测期内,血液中始终可检测到病毒核酸的存在。由于BTV-7型病毒核酸在血液中长期存在,是否意味着在较长时期内,库蠓叮咬感染动物后仍可继续传播病毒,值得进一步分析。

4 结论

本研究从云南省哨兵牛上分离获得1株BTV-7型毒株V303/YNJH/2020,全基因组测序结果显示,该毒株与广东BTV-7型毒株之间有最近的亲缘关系,但Seg-7与Seg-8发生了基因重配,形成了新的变异毒株,导致其在细胞上的增殖能力明显增强。V303/YNJH/2020感染的哨兵牛上检测到病毒的复制与中和抗体应答,但未观察到临床症状。本研究结果将有助于开展我国BTV-7型毒株的演化规律和致病性研究。

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