中国艾滋病病毒1型ae循环重组型毒株env基因的变异和进化分析

·艾滋病预防与控制·
中国艾滋病病毒!型"#循环重组型毒株$%&基因变异和进化分析
梁浩
邢辉
魏民
陈钊
关琪
黄海龙
全宇
冗余备份
陈健平
洪坤学
施侣元
邵一鸣
【摘要】目的
研究中国艾滋病病毒!型(’()*!)"#循环重组型(+,-.!*"#)毒株$%&不同基
因区序列变异的特点及其与进化压力的关系。方法
应用巢式聚合酶链反应(%$/0$1*2+,)
多媒体网络教学对从全国部分省收集来的’()*!感染者血液样本中的’()*!外膜蛋白($%&)基因进行扩增和亚型鉴定后,选择34份+,-.!*"#重组型’()*!毒株$%&基因)3!)4区及其邻近区域的序列进行系统进化树和氨基酸变异分析,并计算和分析氨基酸同义替换(5/)值和非同义替换(56)值及5//56比值。结果基因系统树显示中国的34份样本+,-.!*"#重组型毒株与我国代表株"#789+:;<=-和泰国代表株"#7+>=4.、"#783?’=@3聚集在一起。氨基酸替换主要发生在+3和)4区,而)3区和)3上游区氨基酸序列相对保守,糖基化位点也比较保守。)3环顶端四肽以;2;A 为主(B 97@.C )。大部分毒株的第3.D 和3=.位点上没有出现带正电荷的氨基酸。整个)3!)4区的5/值显著高于56值(!!.7..!),且5//56比值显著高于!(!!.7..!),只有)4区5//56比值显著低于!(!!.7.!)。结论目前多数流行于中国的+,-.!*"#重组型’()*!毒株具有较高的
同源性,在进化上关系密切。氨基酸替换主要发生在+3和)4区,而不是)3区。由于大部分毒株的第3.D 和3=.位点上没有出现带正电荷的氨基酸,推测这些毒株为不引起细胞融合的:E (型,其)3!)4区序列的变异主要受到功能性的限制而与正向选择压力无密切关系,但其中)4区的变异与正向选择压力有关。
【关键词】人类免疫缺陷病毒;基因;变异;进化,分子
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F $K 0F 6%!7.(!!.7..!)7(%O H %0K 6/0,基金项目:=...年度国家科技部基础性工作专项资金资助项目(!=.);国家重点“893”基础研究资助项目(;!888.@4!.9
作者单位:!...@.北京,中国疾病预防控制中心性病艾滋病预防控制中心(梁浩、邢辉、魏民、陈钊、关琪、黄海龙、全宇、陈健平、洪坤学、邵一鸣);华中科技大学同济医学院公共卫生学院(施侣元)
通讯作者:邵一鸣
·D D 8·中华流行病学杂志=..3年!!月第=4卷第!!期+F G %T #P
G 1$N G H R ,:H &$N Q $K =..3,)H R 7=4,:H 7!!万方数据
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艾滋病病毒3型(;<+=3)在体内的独特复制方式(无校正功能)和基因重组以及快速的更新换代致使其基因组具有高度的多样性。目前这方面的机理已有许多研究报道。但宿主的选择压力与;<+基因的变异关系知之较少。此外,不同个体的;<+=3型的进化率是否反映了不同宿主的选择压力,目前尚未明了[3]。最近,我们曾对我国M和M/@亚型;<+=3毒株的#*H基因-?3N5区序列的变异与选择压力的关系进行了研究,结果表明M和M/@亚型毒株具有不同的进化特点[N]。同时,我们通过分子流行病学调查发现,我国@A B53=C D重组型;<+=3型在西南边境和东南沿海地区呈逐年上升趋势[G]。为了探讨目前我国;<+感染人中的@A B53=C D 重组型;<+=3流行株的基因变异是由于正向选择压力所造成、还是病毒本身自然突变的结果,我们对随机收集的@A B53=C D重组型;<+=3流行株的#*H 基因+G!+,区及其临近区域序列进行测序分析,结果报道如下。
材料与方法
34;<+=3血液样本来源:本项研究所分析的G,份@A B53=C D重组型;<+=3毒株为N553!N55N年在我国广东、江西、江苏和湖南,省;<+感染者中采集鉴定的血清样本。感染者在知情同意后进行流行病学调查和采集O!P91静脉血,其中男性N Q例,女性O例,年龄N N!,O岁,感染时间3!O年,均为无症状;<+携带者,经(N R例占R Q4,3S)和性乱(R例占N54O Q S)途径感染。
N4核酸提取:用德国T(&L#*公司的T<C&9 M1))8U(*($(!试剂盒从每位感染者的抗凝全血中提取细胞V J C,核酸最终浓度大约为N5!,5*-/"1,并冻存于W P5X冰柜备用。
G4;<+=3#*H基因的扩增:用巢式聚合酶链反应(*#%!#8=Y@A)对;<+=3#*H基因+G!+,及邻近基因区Z P Z>进行扩增,外侧引物为D J+=V O:O’= C E LL L CE@CC C L@@EC C CL@@C E LE L=G’
和D J+=V3N:O’=C L E L@E E@@E L@E L@E@@ @C=G’,内侧引物为D J+=R:O’=@E L E E C C C E L L@C L E@E C L@=G’和D J+=P:O’=@C@E E@ E@@C C EE L E@@@E@C=G’。第一轮反应体系:总体积G5"1,35[>7//#’G"1,8J E Y浓度N55"9)1/\,E&F酶34O],引物浓度54,"9)1/\,核酸样本O"1及相应的88;
N
6。反应条件:Q,X39(*,O O X 39(*,R N X N9(*,G个循环;Q,X3O%,O O X,O%,R N XQ5%,G N个循环;R N X359(*。第二轮反应体系:总体积O5"1,8J E Y浓度、引物浓度、E&F酶用量及反应条件同第一轮,模板为O"1第一轮扩增产物。
,4扩增片段的回收和纯化:Y@A产物经3S琼脂糖凝胶电泳,与U&’I#’对照判断无误后,切下特异性扩增带,用德国T(&L#*公司的T(&#^试剂,按说明书提纯扩增的#*H基因+G!+,区片段;回收得到的V J C溶于;P4R的3599)1/\E’(%=;@1缓冲液中。
O4序列测定:以V G为测序引物,提纯的Y@A产物为模板,采用美国C M<;公司V2#E#’9(*&!#’循环测定反应试剂盒,在美国Y D公司的Q R55型Y@A仪上进行测序反应,反应条件:Q O X35%,O5X O%,Z5X,9(*,N O个循环;反应产物经提纯后,在美国C M<G R R型V J C全自动测序仪上进行序列测定和分析。
Z4序列分析与数据处理:所测得的序列用美国C M<;公司的K#F D V软件进行编辑校正后,使用_(%0)*%(*Y&0I&-#L@L(+#’%()*3545)软件进行分析。以Y(1#7?程序对样本及国际标准序列进行排列和比较,其中国际标准参考序列来自美国\)% C1&9)%;<+基因数据库;用V(%!&*0#%程序计算序列间的基因离散率;用E’&*%1&!()*和Y’#!!2程序计算氨基酸序列的同源性序列;用U#-软件的J#(-">)’=:)(*(*-法绘制系统树;用V(H#’-#程序计算蛋白质的每个氨基酸位点的同义替换(%2*)*29)7%%7>%!(!7!()*,$%)与非同义替换(&*!)*29)7%%7>%!(!7!()*,$&)的比值[,],采用K Y K K
·
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·
中华流行病学杂志N55G年33月第N,卷第33期@"(*‘D(8#9()1,J)H#9>#’N55G,+)14N,,J)433万方数据
燃油管
软件包对数据进行统计学分析。
结果
!"#$%基因&’!&(区序列的进化关系的分析:将所研究的’(份样本)*+,!-./重组型01&-!毒株和来自中国、泰国、非洲国家的)*+,!-./重组型代表毒株以及国际各亚型标准毒株的#$%基因&’!&(区序列((2!34)进行系统进化树分析。系统树显示我国的’(份样本)*+,!-./重组型毒株与我国代表株./"52)6789+和泰国代表株./" ):9(,、./"5’;09<’聚集在一起,而远离非洲./代表株及其他亚型代表株。其中’!份毒株来源于同一个分支(空心小圆圈),进化关系上非常密切,=>>?@?A B4值为55C,而且进化树水平距离较短。其余’份毒株D E$,9,’、D E$,9,!、F@,!92分散在)*+,!-./重组型构成的大分支树中(实心小圆圈),进化树水平距离较长(图!)。
图!根据’(份)*+,!-./重组型毒株&’!&(区序列及各亚型国际代表株序列绘制的系统树
(系统树节点只显示高于2,C的=>>?@?B4值)
9"#$%基因&’!&(区氨基酸序列变异的分析和核苷酸基因距离的计算:将’(份样本)*+,!-./重组型01&-!毒株#$%基因&’!&(区及其邻近区域氨基酸序列和共享序列与国际标准)*+,!-./重组型氨基酸共享序列进行比较,结果发现我国
)*+,!-./重组型的氨基酸替换主要发生在&’下游区()’)和&(区,而&’区和&’上游区氨基酸序列发生较少的替换。&’环顶端四肽以7G7H为主,占分析毒株的I2"<,C(9!/9(),只有9个毒株(J K,95(和F@,!92)的&’环顶端四肽为7G7*。绝大部分毒株在与生物表型密切相关的’,L和’9,位点上没有出现带正电荷的氨基酸,即精氨酸(*)或赖氨酸(M),只有F@,!92在’,L位点上为带正电荷的精氨酸。同时,我们还发现大部分毒株的糖基化位点(6-N-;和6-N-O)比较保守,只有少数毒株的某些糖基化位点发生丢失,而且主要发生在)’和&(区(图9)。通过对&’!&(区及其邻近区域核苷酸基因距离的计算,结果显示&(区平均基因距离及离散范围最大,其次是)’区、&’区,最小是&’上游区(表!);与上述各区氨基酸序列的变异具有一致性。
’"#$%基因&’!&(区M@值、M B值及M@/M B 比值的计算:为了分析&’!&(区的变异是否与选择压力有关,我们分别计算了整个&’!&(区、&’上游区、&’区、)’区和&(区的M@值、M B值及M@/M B比值(表!)。从表!可见整个&’!&(区、&’上游区和)’区的M@平均值分别显著高于各自基因区的M B(!!,",,!),而且各区的M@/M B比值均显著高于!(!!,",,!)。而&’区M B平均值虽然高于M@,但差异无显著性(!",",<),其M@/M B比值与!比较差异也无显著性(!",",<);&(区M@和M B平均值差异
无显著性(!",",<),但其M@/M B比值显著低于!(!!,",!)。
讨论
最近的研究表明,正向选择压力在01&-!的进化中起着重要的作用[<]。正向选择压力主要作用于01&-!#$%基因高度变异区,致使其氨基酸序列多态性的增高[L]。01&-!#$%基因&’区具有很高的免疫原性,能被中和抗体识别。因此,&’区氨基酸通过有义突变逃避抗体的识别而赋予01&-!选择优势,从而使M B超过M@[L]。但是,另一方面,&’区是01&-!与辅助受体结合的关键部位。所以,&’区的变异除了受到正向选择压力的作用外,同时还受到功能性的限制。由于非融合诱导(6O1)毒株主要受到功能性限制,因此其&’环氨基酸序列的多样性和阳性电荷通常低于融合诱导(O1)毒株[2]。
·
I
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5
·中华流行病学杂志9,,’年!!月第9(卷第!!期)D P$Q/4P K#R P>S,6>%#R3#A9,,’,&>S"9(,6>"!!
万方数据
!"#$%&:国际$’()*#!"毒株的共享序列,$+#$%&:,-份样本的共享序列。三个漏字符号代表糖基化位点,
涉日
下画线表明糖基化位点丢失图!,-份样本.&/基因0,!0-的氨基酸序列及其共享序列和国际$’()*#!"重组型毒株共享序列
表".&/不同基因区平均基因距离、12值、13值及12/13比值
基因区
比较序列数基因距离(!4")
12(!4")13(!4")#*值12/13(!4")#5值0,#67289.3:!0-,-;<*,4,<--)<,),4)<)**)<5=-4)<))>")<))**<)?4)<)5")<))*0,#67289.3:,-5<?;45<=,)<)-54)<))5)<)5*4)<))*")<))**<-@4)<*5")<))*0,,--<,;45<@@)<),?4)<))5)<)-*4)<))*#)<)=*<)@4)<);#)<)=)$,,-=<@=4=<5;)<,-,4)<)*-)<5;54)<))@")<))**<*-4)<)-")<))*0-,-
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·
@;@·中华流行病学杂志5)),年**月第5-卷第**期$A B &C "7B D .:B %E ,F %/.:G .95)),,0%E <5-,F %<*
*万方数据
我们通过应用系统进化树对!"#基因$%!$&区序列分析表明,目前流行于我国的’()*+,-.重组型/0$,+毒株主要通过和性途径由泰国传入我国,而且这些毒株大多数具有较高的同源性,在进化上关系密切。另外%个流行株(12"*3*%、12"*3*+、45*+36)在进化树上的水平距离较大,与这%个毒株的感染者感染时间较长(7年左右)以及其中+名感染者早期在缅甸居住期间(%年)有过性乱史有关。我国’()*+,-.重组型!"#基因$%!$&区氨基酸序列分析发现’%和$&区的氨基酸变异显著高于$%区。核苷酸基因距离的分析亦证实了这一结果。有报道指出,流行于泰国的’()*+,-.重组型890毒株$%环顶端四肽以:;:<;为主[=]。我国大部分’()*+,-.重组型/0$,+毒株$%环顶端四肽为:;:<(=6>7*?),这可能是奠基者效应(@A2"B!C!@@!D E)所造成的结果:即从泰国传入我国的’()*+,-.重组型毒株,还没有经过长时间的流行,各毒株间在基因水平上的差异还很小,而形成这种奠基者效应[F]。有报道$%区某些位点氨基酸的改变与细胞嗜性有关,其中两个重要的位点第%*G 位和%3*位为正电荷时,病毒为90型[+*]。我们的结果显示,绝大部分毒株的第%*G和%3*位点上没有出现带正电荷的氨基酸,推测这些毒株可能为890型。同时我们研究发现,大部分’()*+,-.重组型毒株$%!$&区的糖基化位点比较保守,这与0D1H I2C J等[=]对泰国’()*+,-.重组型890毒株报道结果相似。
那么,上述’()*+,-.重组型毒株$%!$&区的变异是由正向选择压力所造成,还是病毒本身自然突变的结果?为了回答这个问题,我们分别计算了上述各个基因区的K5值、K J值及K5/K J比值。K5或K J值
越高,序列之间的基因离散率越高;K5/K J比值越低,作用于氨基酸变异的选择压力越高,如果K5/K J比值低于+,则表明基因变异是在正向选择压力作用下发生的[++]。由于我国’()*+,-.重组型毒株整个$%!$&区的K5值显著高于K J 值,且K5/K J比值显著高于+,因此,总的来说正向选择压力在我国’()*+,-.重组型毒株整个$%! $&区变异中不起主要的作用,而是病毒本身自然突变的结果。由于目前我国’()*+,-.重组型毒株大部分可能为890型,病毒的变异主要受到功能性的限制,因此,病毒自然突变尽管可以使得核苷酸的多样性(K J值和K5值)增高,但不能导致K J值高于K5值[+3]。值得注意的是,虽然$%区K J值高于K5值,但差异无显著性,$&区K5/K J比值显著低于+,提示$%区的变异可能与正向选择压力无关,而$&区主要受到正向选择压力的作用而发生变异。这与91H H"A等[+%]报道,890病毒$%区序列与其邻近基因区相比受到功能性限制的作用更强相一致。同时,结果还提示分别对单个高度变异区的分析可以更好地揭示他们各自的变异与选择压力的关系。
(本项研究得到广东、湖南、江苏、江西等省疾病预防控制中心万卓越、陈曦、羊海涛、易志强等同仁的大力支持与帮助,深表谢意)
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(收稿日期:3**%,*+,3=)
(本文编辑:尹廉)
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