【项目申报书】重要病毒跨种间感染与传播致病的分子机制研究

【项目申报】重要病毒跨种间感染与传播致病的分子机制研究 项目名称: 重要病毒跨种间感染与传播致病的分子 机制研究 首席科学家: 高福 中国科学院微生物研究所 起止年限: 2011.1至2015.8 依托部门: 中国科学院 二、预期目标 总体目标 本项目根据国家新发人类传染病防治上的战略需求～聚焦国际上病毒病研究的前沿～立足于我国重要病毒性传染病发生与流行的现状～选择新型冠状病毒、乙脑病毒、登革病毒、狂犬病毒和流感病毒等对我国具有严重危害或潜在危害的代表性病毒为主要研究对象～运用病毒学、分子生物学、细胞生物学和结构生物学等现代生命科学技术手段～揭示重要病毒尤其是新型病毒在动物宿主中的生态分布特征,解析病毒基因变异和进化规律～阐明病毒跨种间感染与致病的分子基础～在病毒跨种间传播研究基础理论方面有突破～进一步推动我国在该领域的研究达到国际先进水平～为我国新发传染病的防治提供科学支撑。通过该项目的实施～将不仅培养一批在病毒学研究领域国际创新型拔尖人才和学术骨干～形成具有国际竞争力的团队～而且将建立分子病毒学、分子免疫学和病毒生态学研究等科研基地～为我国新发人传染病的预防与控制水平的持续提升奠定稳固的科学基础。 五年预期目标 ,(建立自然贮存宿主重要病毒病原生态学研究平台 从野生动物中分离新型冠状病毒、尼帕或类似副粘病毒、汉坦病毒、流感病毒,弄清楚SARS病毒直接动物溯源和生态传播链,阐明我国境内蝙蝠体内感染和携带的几种已知人类重要病毒的种类、分布和病毒在蝙蝠等重要贮存动物贮存和传播的分子机理～揭示乙脑病毒在不同动物宿主之间的传播机制与传播关系,明确高致病性禽流感病毒主要疫源地,青海湖流域、洞庭湖,生态的分布、储存方式、生存及消长规律～以及流感病毒在家禽和哺乳动物的生态分布～建立自然宿主动物病毒资源库。 ,(阐明重要病毒分子变异和进化的规律以及生物学特性 通过对新型冠状病毒、乙脑病毒、尼帕或类似副粘病毒、流感病毒等进行病毒的全基因组序列测定～揭示功能基因组的遗传变异特征,通过基因组信息学特征分析～揭示病毒基因组进化规律。确定登革病毒在蚊子细胞中复制所必须的5’UTR和3’UTR顺势作用元件～鉴定出在登革病毒复制过程中起重要作用的种属特异顺势作用元件和细胞因子。阐明重要病毒尤其是新型病毒的生物学特性～包括病毒的致病性、传播性和感染性～揭示病毒基因变异对病毒致病性与传播性的影响等～奠定病毒种间传播研究的分子基础。 3、揭示跨种间传播中病毒配体与受体的作用机制 用现代分子生物学技术和反向遗传操作 技术构建系列假病毒及嵌合病毒～结合蛋白质生物大分子相互作用研究～阐明病毒配体与不同物种宿主细胞受体的相互作用机制～病毒侵入宿主细胞过程的囊膜蛋白,受体结合与融合机制,揭示部分新型冠状病毒的受体类型及性质～奠定型冠状病毒跨物种感染研究的基础,通过体外真核表达病毒识别宿主细胞受体蛋白～弄清基因重要结构位点的改变～对其受体结合功能和侵入细胞功能的影响～以及与病毒高致病力的关系,应用细胞转染等现代技术～在不操作活病毒的基础上～找寻黄病毒受体。 4、解析重要病毒在不同宿主细胞中的复制机制 利用现代生命组学等技术解析新型冠状病毒、乙型脑炎病毒等基因组复制、转录、表达以及组装的机理～弄清病毒蛋白在不同宿主细胞复制过程中的作用基础,解析病毒在不同宿主细胞复制过程中病毒及宿主细胞MicroRNA表达谱改变～以及MicroRNA表达谱对不同病毒复制转录的影响与结构基础～探讨病毒感染的种属与组织嗜性及复制的共性与特性,鉴定出和登革热病毒的蚊子细胞蛋白因子～确定它们在病毒RNA复制过程中的作用。解析流感病毒聚合酶基因突变、插入、缺失等对病毒复制和致病性的影响。 ,、揭示宿主限制性因子在病毒跨种间传播中的作用机制 筛选鉴定出与流感病毒、汉坦病毒、狂犬病毒和逆转录病毒蛋白互作的宿主细胞限制性因子,通过研究不同种属的宿主限制性因子对病毒感染性的影响～阐明宿主限制性因子在病毒感染、致病及跨种属感染中的分子机制。并通过研究病毒蛋白与宿主细胞内蛋白的相互作用～筛选与病毒相关蛋白发生相互作用的细胞内靶蛋白～探讨相关新蛋白与靶蛋白之间的相互作用对病毒机能的影响～并为将来研制小分子药物奠定理论基础。 6、建立新型病毒感染动物模型 建立不同生理和免疫状态下流感病毒或新型冠状病毒等病毒感染动物模型～揭示实验动物病毒感染、复制、传播能力、机体免疫应答水平变化、机体病变和进程等～结合感染前生理和免疫状态的本底情况～揭示免疫应答水平的不同与病毒致病能力的关系～解析不同免疫状态导致病毒不同致病能力的分子作用机制。建立人MHC转基因小鼠感染模型,揭示CD8+T和CD4+T淋巴细胞比例及分布规律、细胞因子释放情况等免疫反应变化规律～阐明MHC限制性在病毒跨种间传播中的作用,建立新型病毒体内分布实时监测小鼠模型。 7、人才培养与基地建设 培养一批在病毒学研究领域国际创新型拔尖人才和学术骨干～形成具有国际竞争力的团队～造就一支跨学科、跨领域、精诚合作、团结奋进的科研队伍～而且将建立分子病毒学、分子免疫学和病毒生态学研究等科研基地～在新型病毒生态学、病毒生理与病理学、病毒结构学、病毒基因组学等研究领域取得重大突破～发表百篇以上具有国 际前沿水平的科研论文～为我国重要传染病的防治提供理论和科学支撑。 三、研究 学术思路: 本项目立足于我国重要病毒传染病产生与跨种间传播的现状与国家在传染病防控方面的重大需求～综合现代病毒生态学、分子病毒学、分子生物学、生物信息学、细胞生物学和生物化学等～以解析病毒跨种间传播机理为目标～以新型冠状病毒、黄病毒、狂犬病毒、流感病毒等为重点研究对象～利用学科交叉～发挥多学科优势～从病毒的生态分布、遗传变异与进化、病毒与宿主细胞相互作用等层面揭示重要病毒跨种间传播与致病的分子机制,见图1,。通过本项目实施～造就一支在病毒跨种间传播研究领域具有国际竞争力的优秀团队～在新发传染病发生机制研究方面取得重大突破～为国家应对突发公共卫生事件、构筑公共安全体系、保障人民健康提供理论依据和技术支撑。 技术路线: 详见图,图1,。本研究将系统地研究新型冠状病毒、乙脑病毒、狂犬病毒、流感病毒等重要病毒的生态分布、变异进化规律、病毒与受体的识别、病毒在细胞内的复制机制、宿主限制性因子对病毒复制的影响等～围绕病毒跨种间感染传播与致病的分子机制开展研究工作。 四、年度 研究内容 预期目标 1( 在全国各地大量采集蝙蝠、啮齿类动1( 采集蝙蝠样本500份,家畜样本 物、食虫目动物的血清、咽拭子和肛拭500份, 子样品,采集不同地区～不同动物～包2( 获得流感病毒、新型冠状病毒、乙 括野生动物、动物园动物和特种养殖经脑病毒等的分离毒株和序列,获得 济动物、以及包括鸡、猪和犬等家畜和分离毒株的致病性和传播性特点。 家禽的棉拭子、组织和血液样品. 3( 获得不同基因型的乙型脑炎病毒、 2( 进行流感病毒、新型冠状病毒、乙脑病登革病毒、流感病毒囊膜蛋白,获 毒等的分离和病毒流行病学调查研究～得部分囊膜蛋白的晶体结构。 研究病毒的宿主特征～对分离鉴定的病4( 对病毒目的基因进行定点突变～观 毒进行全基因组测定与分析,观察新型察病毒突变株和野生株对不同宿 病毒的生物学特征～重点是对动物的致主细胞及不同组织来源细胞中复 病性和传播性流感病毒在不同宿主中制能力的差别～寻找决定病毒在不 的复制及跨种属传播机制, 同种属宿主细胞中复制的关键位 3( 利用原核或真核细胞表达乙型脑炎病点。 毒、登革病毒、流感病毒囊膜蛋白,利5( 筛选出5-10种分别与流感病毒、第 用分子筛层析、离子交换等技术分离纯汉坦病毒及狂犬病病毒蛋白相互 化蛋白,病毒囊膜蛋白的晶体筛选,建作用的宿主细胞因子。 立自噬途径研究细胞模型。 6( 获得人HLA-A2/DR1和 4( 冠状病毒在不同宿主中的复制及跨种HLA-A11/DR1转基因小鼠。完成一 属传播机制,登革病毒在不同宿主中的5-10株高致病性禽流感病毒、狂 复制及跨种属传播机制,病毒在不同组犬病毒等新型病毒的生物学特征 织中复制的miRNA表达谱对病毒复制鉴定～获得至少4株具有不同神经 的调控及分子机制, 嗜性新型病毒。 年 5( 以成熟的病毒蛋白与宿主因子互作平7( 发表研究论文10篇以上 台为基础～寻找流感病毒的宿主限制性 因子;筛选与汉坦病毒主蛋白,核蛋白 为主,相互作用的宿主细胞因子;通过 蛋白质互作手段～找出种间毒株差异的 宿主相关蛋白～并获得不同毒力狂犬病 毒株感染的潜伏期早期和感染中、晚期 免疫相关细胞和中枢神经组织材料。 6( 人MHC转基因小鼠构建,高致病性禽流 感病毒、西尼罗病毒等新型病毒嗜神经 生物学特征鉴定 研究内容 预期目标 1. 检测新型冠状病毒、新型汉坦病毒、1. 获得10株以上病毒的部分基因组序 新型副粘病毒新型感病毒在动物中的列, 确定新型病毒与人类病毒在在血 感染情况,对病毒检测为阳性样品进清学和基因序列上的差异。 行病毒培养和分离,分析新检测的病2. 获得流感病毒、新型冠状病毒、乙脑 毒序列与已知人类同类病毒的差异和病毒等的分离毒株和全基因组序列, 进化关系。 获得流行毒株的遗传变异规律和生物2. 继续进行病毒的分离和调查,研究病学特性,建立病毒的反向遗传操作系 毒在经过不同宿主传播后病毒生物学统1套。 特性的改变特征和规律,对分离鉴定3. 获得乙脑病毒、登革病毒细胞候选受 的病毒进行全基因组测定～利用基因体,获得一些影响流感病毒HA蛋白 组信息学分析技术～研究病毒的遗传与唾液酸受体的重要蛋白残基,初步 变异和分子进化规律和特征～并建立了解流感病毒如何影响细胞自噬的信 病毒的反向遗传操作技术系统。 号通路。 3. 分离病毒易感细胞膜蛋白～利用GST 4. 获得目的重组病毒,建立人冠状病毒 pull-down的方式筛选候选受体,质谱库,揭示不同突变对病毒RNA翻译 鉴定候选受体,研究不同流感病毒和复制的影响,获得宿主细胞miRNA第 HA蛋白与受体的作用特征,在细胞与病毒miRNA表达谱。 模型上研究自噬影响流感病毒侵入的5. 筛选出2-6种分别与流感病毒和汉坦 分子机制。 病毒相互作用的宿主限制性因子,阐4. 流感病毒在不同宿主中的复制及跨种明部分宿主限制性因子对流感病毒和二 属传播机制,冠状病毒在不同宿主中汉坦病毒复制的影响及其作用机制, 的复制及跨种属传播机制,登革病毒获得狂犬病病毒感染前后宿主在蛋白 在不同宿主中的复制及跨种属传播机质水平的差异点 制,病毒在不同组织中复制的miRNA6. 明确高致病性禽流感病毒对在年 表达谱对病毒复制的调控及分子机HLA-A2/DR1、HLA-A11/DR1转基因 制, 小鼠体内感染特性～初步揭示MHC5. 运用蛋白-蛋白互作以及病毒学方法限制性在高致病性禽流感病毒跨物种 探索宿主限制性因子在流感病毒复制感染过程中的作用,完成新型病毒的 过程中的调控机制; 追踪宿主限制性基因组测序～利用生物信息学方法并 因子与病毒核蛋白相互作用后对病毒发现嗜神经性相关毒力位点～通过反 复制、装配及成熟释放的影响和生物向遗传学手段进行验证。 学意义; 通过色谱质谱技术对外周免7. 发表研究论文20篇以上 疫相关细胞和中枢神经组织进行蛋白 质组学分析～发现狂犬病病毒感染前 后宿主在蛋白质组水平表现出的差异 点, 6. 建立病毒体内分布实时监测动物模 型～对高致病性禽流感病毒等病毒的 感染动力学进行初步探讨。 研究内容 预期目标 1. 对检测为阳病毒性的进行病毒分离培1. 获得3-5株新分离病毒的全基因 养,开展新分类病毒的细胞和动物敏组序列,揭示野生动物或家畜冠状 感性实验～评价病毒的宿主范围和对病毒的遗传变异情况。 实验动物的致病能力; 2. 建立病毒的毒株库和基因库,确定2. 继续进行病毒分子流行病学的调查与影响病毒致病性和传播性的关键 研究～分析病毒的进化和变异规律,基因位点。 利用构建的反向遗传操作技术平台～3. 获得1-2个乙脑病毒、登革病毒受 研究病毒基因点变异、基因突变、基体或辅助受体,从分子结构水平揭 因重配等对病毒致病性和传播性的影示流感病毒HA蛋白与唾液酸受 响～重点探讨影响病毒传播特性尤其体相互作用影响流感病毒跨种间 是跨种间传播特性的关键因子或因传播的机制,阐明流感病毒表达蛋 素。 白如何影响细胞自噬水平。 3. 在细胞模型上对筛选的乙脑病毒、登4. 揭示病毒在不同宿主上生长能力 革病毒候选受体进行进一步的验证,的动态变化,获得人冠状病毒感染第 流感病毒突变体的表达纯化、与唾液性克隆,获得四种病毒RNA上的 酸受体复合体的晶体结构,在细胞模细胞蛋白因子。 型上研究自噬影响流感病毒侵入的分5. 深入阐明宿主限制性因子在流感 子机制。 病毒及汉坦病毒复制过程中的调三 4. 流感病毒在不同宿主中的复制及跨种控机制,筛选出1-2个与狂犬病病 属传播机制,冠状病毒在不同宿主中毒相互作用的宿主限制性因子。 的复制及跨种属传播机制,登革病毒6. 通过转基因技术获得流感病毒体 在不同宿主中的复制及跨种属传播机内分布实时监测动物模型,通过细年 制,病毒在不同组织中复制的miRNA胞学和动物学实验～初步阐明新型 表达谱对病毒复制的调控及分子机病毒嗜神经性相关毒力位点的作 制, 用机制 5. 继续探索宿主限制性因子在流感病毒7. 发表研究论文20篇以上 及汉坦病毒复制过程中的调控机制, 探索弱毒诱导的早期抗感染因子,宿 主限制性因子,的本质和强毒诱导的 早期致病因子对宿主限制性因子的影 响, 6. 病毒体内分布实时监测动物模型构 建,新型病毒嗜神经性相关毒力位点 的功能研究。 研究内容 预期目标 1. 研究新型病毒的受体及其跨种物种感1. 揭示蝙蝠、啮齿类动物、食虫目动 染的分子机理研究,分析我国汉坦肾出物在病毒跨种群传播的关键基因 血热疾病主要疫区疾病流行情况与病序列, 初步弄清楚我国犬流感病 毒遗传变异的关系,检测犬流感病毒的毒的可能的来源。 流行情况。 2. 丰富病毒毒株库和基因库,阐明新2. 持续进行病毒的分离～密切关注动物临型病毒的基因和生物学特点,确定 床和人医临床新型病毒的出现和新型病毒非编码区的功能位点。 病毒的基因组特征,并利用构建的反向3. 获得重组表达的受体蛋白,阐明病 遗传操作技术平台～研究病毒基因非编毒囊膜蛋白与受体直接的相互作 码区的作用和功能～探讨病毒基因非编用能力。 码区核苷酸的改变对病毒致病性和传4. 揭示病毒在体内不同部位的复制 播性重点是跨种间传播特性的影响。 能力的差别,揭示病毒突变株和野3. 根据前三年研究结果～如果未按原计划生株对不同种属细胞感染～复制能 获得病毒的受体或辅助受体～将采用其力的差别,分析影响病毒在宿主中第 他方法进一步筛选,对已筛选到的受体复制能力的结构基础。 进行体外表达～研究病毒囊膜蛋白与受5. 阐明不同种属宿主细胞限制性因 体的相互作用。 子对流感病毒和汉坦病毒感染及4. 流感病毒在不同宿主中的复制及跨种致病的分子基础和调控机制,确定四 属传播机制,冠状病毒在不同宿主中的狂犬病病毒结构蛋白中哪种成分 复制及跨种属传播机制,登革病毒在不在影响宿主限制性因子方面发挥 同宿主中的复制及跨种属传播机制,病主要作用 毒在不同组织中复制的miRNA表达谱6. 完成高致病性禽流感病毒在小鼠年 对病毒复制的调控及分子机制。 体内的感染动力学研究～揭示高致5. 比较不同种属的宿主限制性因子对流病性禽流感病毒在哺乳动物体内 感病毒感染、致病影响的差异,比较导的组织嗜性和感染过程,通过蛋白 致HFRS和HPS、重型和轻型HFRS质组学、生物芯片等技术发现与新 的来源于不同宿主的不同型别的汉坦型病毒嗜神经性相关的宿主蛋白 病毒分别与不同类型宿主细胞的相互/MicroRNA 作用异同～探讨不同种属宿主细胞限制7. 发表研究论文25篇。 性因子对病毒感染及致病的分子基础 和调控机制,进一步解析狂犬病病毒结 构蛋白中哪种成分在影响宿主限制性 因子方面发挥主要作用。 6. 新型病毒体内感染动力学研究,新型病 毒嗜神经性相关宿主蛋白/MicroRNA 的筛选与鉴定。 研究内容 预期目标 1. 新型病毒体内感染动力学研究,新型1. 阐明动物携带的新型冠状病毒、汉坦 病毒嗜神经性相关宿主蛋白病毒、流感病毒等与人类疾病的关系。 /MicroRNA的筛选与鉴定。 2. 完善病毒毒株库和基因库,病毒2. 持续进行病毒的分离和病毒基因组信流行规律和影响生物学特性的功能位 息学研究和病毒生物学特性研究,综点。 第 合分析课题组几年的研究结果～分析3. 获得病毒囊膜蛋白与受体复合体的晶 病毒基因组的变异在病毒跨种间传播体结构～阐明病毒与受体的相互作用 中的作用, 机制～揭示病毒跨种间传播机制。 3. 筛选病毒囊膜蛋白与受体复合体的晶4. 阐明宿主限制性因子在流感病毒感五 体结构, 染、致病及跨种属感染中的作用及分4. 新型病毒嗜神经性相关宿主蛋白子机制,阐明汉坦病毒感染后大量包 /MicroRNA的功能研究 涵体形成的分子机制及免疫病理意5. 对前4年的研究成果进行进一步的补义,阐明机体中枢神经系统对狂犬病年 充和完善～进行项目的总结验收。 病毒的固有免疫机制和狂犬病病毒对 中枢神经系统的致病机制 5. 发表论文25篇以上。 6. 完成项目验收。 一、研究内容 1、重要病毒在自然宿主中的生态分布 在前期对我国不同地域、不同时间、不同宿主动物病毒如新型冠状病毒、乙脑病毒和汉坦病毒研究的调查研究基础上～进一步扩大地域与宿主调查～确定我国境内蝙蝠体内感染和携带的几种已知人类重要病毒的种类、分布和病毒在蝙蝠等重要贮存动物贮存和传播的分子机理～研究乙脑病毒在不同动物宿主之间的传播机制与传播关系,研究生态环境因素对病毒感染宿主范围的影响,评价新型病毒对人与动物的潜在危害,调查流感病毒在野禽、家禽和哺乳动物的生态分布～研究侯鸟迁徙与疫病流行的关系～为疫病防控政策的制定提供理论依据,建立病毒在自然宿主的生态分布数据库～奠定重要病毒跨种间传播研究与分析的物质基础。 ,(重要病毒分子变异、进化规律及其生物学特性 在对重要病毒进行生态学和流行病学调查研究的基础上～以新型冠状病毒、乙脑病毒、狂犬病毒、流感病毒等重要病毒为研究对象～进行病毒的全基因组序列测定研究～研究功能基因组的变异和进化特征,同时研究重要病毒尤其是新型病毒的生物学特性～包括病毒的致病性、传播性和感染性～研究病毒基因变异对病毒种间传播作用的影响等。由于近年来的研究发现病毒非结构蛋白和病毒非编码区在致病性和传播性也起到非常重要的作用～因而在全基因组序列研究中～要注重研究病毒非编码区变异和进化特征～观察病毒非编码区变异对病毒生物学特性的影响。 3、病毒跨种间传播中病毒与受体的相互作用 以乙型脑炎、流感病毒等为突破口～研究病毒与受体的亲和特性以及细胞受体和配体的相互作用机制,用现代分子生物学技术和反向遗传操作技术构建系列假病毒及嵌合病毒。结合蛋白质生物大分子相互作用研究～研究病毒与不同物种宿主细胞的相互作用,同时利用昆虫细胞表达病毒表面蛋白及各种突变体蛋白～从结构层面研究受体与配体的作用～以此为基础～用物理方法,SPR,和生物学检测手段研究病毒表面蛋白的突变对受体结合能力的影响。并利用反向遗传学技术包装病毒～在细胞及动物水平评价病毒的变异对宿主嗜性及致病力的影响～以此揭示病毒跨种间的传播机制。 4、重要病毒在不同宿主中的复制机制 以新型人冠状病毒、登革热病毒和流感病毒为突破口～利用反向遗传学平台～采用分子生物学、细胞生物学等各种手段～研究病毒蛋白在不同宿主细胞复制过程中调控、变异、重 组、嗜性的作用基础～研究病毒在不同宿主细胞复制过程中病毒及宿主细胞MicroRNA表达谱改变～以及MicroRNA表达谱对不同病毒复制转录的影响与结构基础～探讨病毒感染的种属与组织嗜性及复制的共性与特性,研究登革热病毒在蚊细胞系中复制的顺式作用元件～确定它们在病毒RNA复制过程中的作用。 5、宿主限制性因子在病毒跨物种传播中的作用 运用酵母双杂交和病毒学研究技术～探索宿主限制性因子在流感病毒复制过程中的调控机制,比较不同种属的宿主限制性因子对流感病毒感染、致病影响的差异～研究分析宿主限制性因子在流感病毒感染、致病及跨种属感染中的作用及分子机制。筛选与汉坦病毒、狂犬病病毒重要蛋白相互作用的宿主细胞因子～追踪宿主限制性因子与病毒核蛋白相互作用后对病毒复制、装配及成熟释放的影响和生物学意义～分析病毒感染细胞后包涵体形成的分子机制及免疫病理意义～探讨不同种属宿主细胞限制性因子对病毒感染及致病的分子基础和调控机制。 6、新型病毒跨物种感染的动物模型 以不同年龄的小鼠,成年鼠和老年鼠,为实验对象～明确生理和免疫基础水平的差异～选择流感病毒或新型冠状病毒等对小鼠进行感染～建立不同生理和免疫状态动物感染模型,研究病毒感染、复制、传播能力、机体免疫应答水平变化、机体病变和进程等～结合感染前生理和免疫状态的本底情况～分析生理和免疫状态、免疫应答水平的不同与病毒致病能力的关系～阐述不同免疫状态导致病毒不同致病能力的分子作用机制。建立人MHC转基因小鼠感染模型。动态检测CD8+T和CD4+T淋巴细胞比例及分布规律、细胞因子释放情况等免疫反应变化规律～分析MHC限制性在病毒跨种传播中的作用。