H5亞型高致病性禽流感病毒（H5-HPAIV）通常感染禽類，但近年來跨物種感染哺乳動物頻發(fā)，那么H5亞型高致病性禽流感病毒是如何突破物種屏障感染不同宿主？不同宿主被其感染后又是如何展開“免疫反擊”的呢？近日，我國科學(xué)家在National Science Review雜志（中科院一區(qū)TOP，IF：18.1）發(fā)表研究論文，首次揭開了這個謎題的一角。

看不清的“戰(zhàn)場”：H5禽流感跨物種感染之謎

H5-HPAIV是全球矚目的重要人獸共患病原體。自1996年在廣東被首次報道以來，它每年在全球范圍內(nèi)造成家禽和野鳥的大量死亡。并且，這個“老牌”病毒持續(xù)變異，不斷突破物種屏障感染豬、貓、水貂、奶牛，甚至人類，累計超過60種哺乳動物“中招”。更讓人警惕的是，人類感染H5-HPAIV的病死率高達50%，對公共衛(wèi)生安全構(gòu)成嚴峻威脅。然而，面對同一病毒，不同物種乃至不同個體的易感性差異及其背后的免疫機制至今仍不明晰。受限于技術(shù)限制，以往研究難以全景解析病毒感染后的宿主免疫反應(yīng)與致病過程。單細胞測序雖能解析細胞異質(zhì)性，卻丟失了空間位置信息；常規(guī)病理檢測可呈現(xiàn)組織損傷，卻讀不懂細胞的“分子語言”。因此，亟需新興分子生物學(xué)技術(shù)解析宿主體內(nèi)感染和免疫響應(yīng)的真實情況。

一把“分子放大鏡”：MiP-seq技術(shù)

為了解決這個難題，研究團隊利用“分子放大鏡”（MiP-seq原位空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)）解析H5-HPAIV跨物種感染和免疫應(yīng)答的分子機制。這把“分子放大鏡”究竟如何發(fā)揮作用？打個比方：如果把傳統(tǒng)的單細胞測序比作把一個復(fù)雜的大積木拆成單個小塊，再分類清點存放；那么MiP-seq技術(shù)不僅能清點單個小塊，還能把每一塊放回原位，告訴研究人員它們在整個大積木中扮演什么角色。MiP-seq技術(shù)可以在單細胞分辨率下精準定位組織切片中宿主和病毒的基因表達，還可以檢測任何SNP，從而實現(xiàn)了病毒變異的原位空間定位。這意味著，研究人員不僅知道哪些細胞被病毒感染了，還能知道這些細胞在組織的哪個“街區(qū)”，不同感染生態(tài)位區(qū)域的細胞間相互作用能力如何，以及病毒在體內(nèi)發(fā)生了怎樣的變異。

不同物種感染H5-HPAIV后的“免疫地形”有何不同？

研究團隊選取了雞、鴨、鴿子、小鼠和豬五種代表性動物感染全球最新流行的2.3.4.4b分支H5-HPAIV，評估新型病毒對不同禽類和哺乳動物的致病性。隨后，對肺臟組織進行單細胞測序和MiP-seq原位測序，繪制了H5-HPAIV感染雞、鴨、鴿子、小鼠和豬五種動物近150萬細胞的肺臟免疫微環(huán)境的原位全景空間圖譜，精準地原位解析了病毒跨物種感染后宿主免疫應(yīng)答和病毒適應(yīng)性變異的分子機制。

研究發(fā)現(xiàn)，病毒在雞體內(nèi)主要攻擊內(nèi)皮細胞和中性粒細胞，但雞的抗病毒應(yīng)答卻相對較弱，病毒感染后導(dǎo)致肺泡上皮細胞大量脫落，病毒高度感染區(qū)域出現(xiàn)T細胞富集，這像是免疫系統(tǒng)在“戰(zhàn)線”崩潰后的緊急增援。與雞不同，鴨和鴿子感染后并未引起免疫細胞富集和過度的炎癥反應(yīng)；而小鼠的免疫系統(tǒng)展開了猛烈反擊，病毒主要感染上皮細胞和巨噬細胞，宿主表現(xiàn)出顯著的抗病毒應(yīng)答。病毒高度聚集于肺泡結(jié)構(gòu)，感染區(qū)域出現(xiàn)巨噬細胞大量富集，關(guān)鍵抗病毒基因Ifit2的表達從肺臟感染核心區(qū)向外圍呈梯度遞減。雖然病毒在豬體內(nèi)的復(fù)制相對有限，但大多數(shù)免疫細胞卻廣泛上調(diào)了干擾素刺激基因，表明免疫系統(tǒng)似乎提前拉響了警報，在病毒大規(guī)模復(fù)制之前就筑起了防線。

病毒感染宿主內(nèi)“空間進化規(guī)律”被破譯

如果說“免疫地形圖”展示的是宿主的“戰(zhàn)場布局”，那么研究團隊接下來的發(fā)現(xiàn)則揭示了病毒的“進化策略”。通過對五個物種體內(nèi)病毒基因組進行二代測序，研究團隊共鑒定出19種宿主內(nèi)單核苷酸變異（iSNV，禽類10種，哺乳動物9種），其中哺乳動物的9種iSNV中有8種都位于病毒聚合酶基因。研究人員利用反向遺傳學(xué)技術(shù)構(gòu)建了19種突變毒株，功能驗證發(fā)現(xiàn)PB2-E627K、PB2-E192K和PA-T97I三種突變顯著增強病毒在哺乳動物細胞中的聚合酶活性和復(fù)制能力，但對禽源細胞無顯著影響。借助MiP-seq技術(shù)優(yōu)勢，研究人員進一步在單細胞水平上定位了不同突變的空間分布，其中PB2-E627K突變主要富集于小鼠肺泡壁周圍的上皮細胞和成纖維細胞區(qū)域，而且這些區(qū)域恰恰也是干擾素刺激基因高表達的區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)將跨物種感染風險標志基因的變異與其在組織中的精確位置、細胞類型偏好和原位免疫響應(yīng)關(guān)聯(lián)起來。

這項研究能為我們帶來什么？

這項研究的價值，遠不止于繪制一張“免疫地形圖”，而在于構(gòu)建了三大核心支柱：一是數(shù)據(jù)基石，研究構(gòu)建了目前規(guī)模最大的H5-HPAIV跨物種感染肺臟單細胞原位圖譜，首次在“細胞經(jīng)緯度”層面揭示了病毒入侵的空間軌跡。二是理論突破，團隊解析了病毒在禽與哺乳動物間的細胞嗜性差異及免疫逃逸機制，為理解“物種跳躍”提供了分子證據(jù)。三是應(yīng)用導(dǎo)向，基于發(fā)現(xiàn)的宿主易感因子和影響病毒復(fù)制能力的變異位點，研究為開發(fā)靶向宿主的廣譜抗病毒療法指明了新靶點，同時也為流感疫苗研發(fā)提供了關(guān)鍵理論支撐。

該研究由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、深圳理工大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院、上海交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院長春獸醫(yī)研究所、仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院等多家單位合作完成。論文首要通訊作者為廖明教授，共同通訊作者包括華南農(nóng)業(yè)大學(xué)亓文寶教授、深圳理工大學(xué)曹罡教授、上海交通大學(xué)史衛(wèi)峰教授，共同第一作者包括華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張家豪教授和黃麗紅副教授、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)蔡懷源博士生和滿婷婷碩士生。研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目、青年科學(xué)基金項目，以及廣東省自然科學(xué)基金杰出青年等項目資助。

論文鏈接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag380/8716371?searchresult=1