猴痘病毒（MPXV）的基因組分析

猴痘病毒（MPV）屬于痘病毒科正痘病毒屬，可引起一種類似于天花的人類疾病。對MPV基因組196858bp進行了結構特征和開放閱讀框分析，基因組的每一端都包含一個完全相同但方向相反的長為6379bp的末端反向重復序列、一個假定的端粒分辨序列和短串聯(lián)重復序列。MPV包含已知正痘病毒的基本基因，但只包含免疫調節(jié)和宿主范圍基因的一個子集。序列比較證實MPV是一種獨特的正痘病毒，不是天花病毒的直系祖先或直系后代。

1. 簡介

痘病毒科由復雜的雙鏈DNA病毒組成，其特點是在脊椎動物或無脊椎動物細胞的細胞質中復制。痘病毒屬于正痘病毒屬，包括天花病毒（VAR）、猴痘病毒（MPV）、牛痘病毒（CPV）和痘苗病毒（VAC）。VAR是人類天花的病原體，天花是一種死亡率為10%-40%的傳染病，通過活體VAC預防性接種戰(zhàn)略性消除了天花。根除天花后，停止接種疫苗，導致對其他正痘病毒的免疫力下降。因此，現(xiàn)在人們對MPV、CPV和VAC等人畜共患病毒的易感性增加。這些病毒在人群中潛在傳播可能導致其致病性或傳染性的適應性增加。

猴痘和天花的相似臨床表現(xiàn)導致了MPV是VAR進化祖先的假說。根據(jù)基因組限制性內切酶圖譜或單個病毒基因的核苷酸序列比較VAR和MPV分析MPV和VAR的進化圖譜。對人類MPV分離株ZAI-96-I-16 （MPV- ZAI）進行了DNA測序，通過比較全基因組，得出結論：MPV不是VAR的直系祖先或后代。對MPV-ZAI的DNA序列進行了詳細分析，并與VAC、VAR相應的全基因組序列和CPV的部分序列進行了比較，發(fā)現(xiàn)該序列包括除部分共價末端發(fā)夾環(huán)外的整個基因組。

2. 基因組圖譜

正痘病毒基因組的末端包含一個完全相同但方向相反的序列，稱為末端反向重復序列（ITR），其中包括一組短串聯(lián)重復序列和末端發(fā)夾。MPV-ZAI基因組包含一個6379bp的ITR。通過S1核酸酶水解和DNA聚合酶Ⅰ聚合，成功克隆了MPV-ZAI DNA中兩條互補的、不完全堿基配對的發(fā)夾環(huán)鏈之一。該序列與其他正痘病毒的序列比對表明，該序列具有相當大的保守性，并只缺失組成環(huán)的四個核苷酸（圖1）。

圖1. MPV與其他正痘病毒末端區(qū)域的比較

注釋：上行顯示了MPV-ZAI終端循環(huán)的排序部分。核苷酸與VAC-WR序列不同。ZAI、BSH和WR分別代表Zaire-96-I-16、孟加拉國和西部保護區(qū)的病毒株。

MPV的端粒解析序列與VAC、VAR相同。MPV-ZAI基因組末端發(fā)夾附近的串聯(lián)重復序列區(qū)域較短，由NR Ⅰ（85bp）和NR Ⅱ（322bp）組成。MPV-ZAI DNA這一區(qū)域的組織結構與VAR-GAR最相似（圖2）。然而所有VAR毒株的末端區(qū)域都有非常短的ITR，缺少ORF，并且左右末端的重復序列集不同。

圖2. MPV和其他正痘病毒ITR區(qū)域內串聯(lián)重復模式

注釋：白色矩形表示獨特的ITR序列：NR I和NR II以及編碼區(qū)。黑色菱形對應于70個堿基的串聯(lián)重復序列，其數(shù)量如上所示?；疑切螌?4個堿基的重復序列，其數(shù)量如下所示。VAc-COP和VAc-WR ITR序列中的五邊形表示125個堿基的重復。開放的方塊和三角形表明，這些重復序列通過刪除、替換或插入而不同于共識序列。黑色的圓圈表示末端的發(fā)夾。虛線表示缺少相應的DNA。

3. 編碼區(qū)

MPV-ZAI基因組左側的四個ORF（圖3A）位于ITR內，因此在基因組右側也有對應的ORF（圖3B）。所有已知在其他正痘病毒中至關重要的基因都存在于MPV中，并占據(jù)基因組的中心區(qū)域（ORFs C10L到A25R）。這些ORF與其他正痘病毒的序列同源性大于90%。MPV-ZAI與正痘病毒之間的大多數(shù)物種和毒株特異性差異存在于左側和右側的末端區(qū)域（圖3A和圖3B）。MPV-ZAI缺少CPV-GRI中發(fā)現(xiàn)的25個ORF和VAR-IND的19個潛在ORF。雖然其中一些基因的作用仍然未知，但它們可能包括許多涉及免疫逃避、宿主范圍和細胞增殖的基因。

圖3. MPV左側(A)和右側(B)末端可變區(qū)內的ORF與其他正痘病毒相應基因組片段的比對

注釋：ORF的大小和方向用箭頭標出。一種病毒的DNA和蛋白質相對于另一種病毒的缺失，分別超過150bp和50個氨基酸，用圓點標記。黑色方塊標記ITR區(qū)域內的序列。核苷酸編號顯示在右邊。

之前比較了MPV和VAR兩類基因，在表1. 中添加了VAC和CPV的生長因子和免疫逃避基因，后者包含了正痘病毒中存在的所有此類已知基因。根據(jù)完整且未被廣泛截斷的毒力基因的數(shù)量（括號中所示），得到：CPV-GRI（17）＞VAR-IND（11）=VAR-GAR（11）＞MPV-ZAI（10）＞VAC-COP（9）＞VAC-MVA（6）。因此，MPV-ZAI也比CPV含有更少的錨蛋白重復基因。

注釋：*表示在左側和右側反向末端重復區(qū)域（ITR）中復制的ORF。與CPV-GRI的相應ORF在功能上有重要差異的ORF用?表示。

CPV-GRI編碼Kelch族6-500個功能未知的氨基酸，彼此之間的相似性為22-26%。雖然VAC-COP編碼3個Kelch族蛋白，與CPV-GRI蛋白同源性分別為99.4%、97.9%和98.6%，但MPV-ZAI基因組只編碼1個C9L，與CPV-GRI蛋白G3L同源性為97.3%。在VAR的基因組中，這些ORF似乎都被破壞了，這表明它們在復制中不是必需的。

VAC含有兩個帶有磷脂酶D序列的ORF：F13L是形成細胞外病毒和有效的細胞間感染傳播所必需的，而K4L對于組織培養(yǎng)中的復制是必不可少的。MPV-ZAI包含這三個ORF的完整版本（C4L、C5L和C19L），而VAR株由于DNA片段的缺失而缺乏C4L和C5L同源物（圖3A）。C4L和C5L蛋白的功能尚不清楚，但它們都是由MPV和CPV這兩種正痘病毒編碼的且宿主范圍相對較廣。

4. 系統(tǒng)發(fā)育分析

根據(jù)末端可變區(qū)DNA序列，認為CPV的組織結構與祖先的正痘病毒種類最為相似，VAR與MPV的距離比VAC的略遠。然而，通過分別分析左側和右側的可變區(qū)，情況似乎更加復雜。VAC毒株似乎比他們的左側更接近MPV-ZAI末端可變區(qū)和VAR菌株相對于右側末端可變區(qū)（圖4），這種差異可能是由于VAC的復雜重組起源引起的。

圖4. 系統(tǒng)發(fā)育分析

5. 總結

綜上所述，MPV的基因組似乎是典型的正痘病毒，它包括一個中央保守區(qū)，更多可變的左端和右端區(qū)域，以及一個具有串聯(lián)重復的ITR。對MPV、VAR、CPV和VAC基因組的比較分析證實，MPV是一個離散的物種，表現(xiàn)出與其他致病的正痘病毒的多種不同。由于VAC有復雜重組的起源，所以物種之間的重組是可能的，正痘病毒很可能是從類似牛痘的祖先病毒獨立進化而來。

參考文獻

Shchelkunov SN, Totmenin AV, Safronov PF, et al. Analysis of the monkeypox virus genome[J].?Virology. 2002, 297(2): 172-194.

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