登革热（Dengue fever）是全球传播最广泛的蚊媒传染病，全世界范围内已有100多个国家和地区出现了登革热的爆发和流行，全球每年大约有3.9亿人被登革病毒（Dengue virus）感染，造成约50-100万人入院治疗。登革病毒在蚊虫媒介与哺乳动物宿主之间循环传播，其在自然界中的传播效率取决于病毒适应宿主的能力。登革病毒按照抗原性不同分为四种血清型（serotype，DENV1-DENV4），同一血清型内又可以细分为多个基因型（genotype）。登革病毒进化分支更替频繁，一个进化分枝在循环数年后消失，并被一个新分支所取代，这种复杂的更替特点是推动登革热持续流行的重要原因之一。
2022年10月5日，清华大学医学院程功教授团队在《EMBO Reports》杂志发表题为“Neighboring mutation-mediated enhancement of dengue virus infectivity and spread”（邻近突变介导的登革病毒感染和传播增强）的研究论文(DOI: 10.15252/embr.202255671)。该研究发现，登革病毒包膜蛋白（E蛋白）上两个相邻位点的氨基酸突变—第226位从苏氨酸（T）突变到赖氨酸（K）和第228位从甘氨酸（G）突变到谷氨酸（E），可协同促进登革病毒感染蚊虫及哺乳动物宿主，从而导致登革病毒进化分支的更替，并促进登革2型病毒在东南亚的传播流行。
在这项研究中，研究人员通过对18,715条登革病毒包膜E蛋白的氨基酸序列进行分析，鉴定出了10个稳定存在的氨基酸位点突变，利用反向遗传学手段构建并包装出单个氨基酸的突变病毒，并比较它们在蚊虫媒介与哺乳动物宿主中的感染与传播能力。研究发现，DENV2亚洲I型（DENV2-Asian I）包膜E蛋白上的两个相邻氨基酸的突变—第226位点从苏氨酸（T）突变到赖氨酸（K）（T226K）促进了病毒在蚊虫中的复制，但减弱了病毒在哺乳动物上的感染；而第228位点从甘氨酸（G）突变到谷氨酸（E）（G228E）极大促进了登革病毒在哺乳动物宿主上的传染性和致病性。同时，T226K/G228E双突变病毒协同促进了其在蚊虫、人类免疫细胞和小鼠模型中的感染。在“媒介-宿主-媒介”传播循环模型中，该双突变病毒（T226K/G228E）同样表现出了更高的传播效率及更强的感染能力（图1）。
机制研究发现，T226K/G228E双突变病毒同时增强了登革病毒与哺乳动物和蚊虫上的C型凝集素（DC-SIGN和mosGCTL-AAEL011408）的结合。通过对包膜蛋白与C型凝集素结构的分子对接发现，第226位和第228位残基分别与mosGCTL-AAEL011408和DC-SIGN上的带电残基相邻。进一步的研究表明，第226位和第228位残基的带电性质调控了登革病毒与C型凝集素的结合能力，从而促进病毒进入细胞，使突变后的登革病毒对哺乳动物宿主和蚊虫的感染能力上升（图1）。
包膜蛋白上T226K/G228E双突变的适应性增强使DENV2-Asian I具有更高的传播性，导致了东南亚地区DENV2基因型更替和登革热的进一步流行。通过对登革病毒其他基因型的包膜蛋白进行序列比对，发现除了DENV2-Asian I外，DENV2世界型（DENV2-Cosmopolitan）中也开始出现了T226K突变。随后研究人员通过数学建模的方式，预测在自然选择的压力下G228E突变在DENV2-Cosmopolitan中发生的可能性。预测模型显示，T226K/G228E双突变将导致登革2型病毒进化分支再次发生更替，并导致由DENV2-Cosmopolitan引起的下一轮登革热大流行。
该研究鉴定了登革病毒包膜蛋白上的两个相邻突变增强了登革2型病毒一种基因型的适应性，这种适应性增强促使东南亚地区发生登革病毒基因型更替，造成登革2型病毒在东南亚的广泛流行。说明登革病毒的适应性进化是促使病毒进化分支更替和登革热流行的重要原因之一。这一研究为登革热的大规模持续流行做出了遗传进化上的解释，同时也对登革热的大流行提供了早期预警。
图1. 登革病毒包膜蛋白T226K/G228E双突变促进登革2型病毒感染与传播机制示意图
清华大学医学院程功教授为本论文通讯作者。清华大学医学院博士研究生陈璐，深圳湾实验室传染病研究所副研究员张櫶文，清华大学医学院博士后郭璇，清华大学医学院临床医学八年制博士研究生彭文余为本论文共同第一作者。美国康涅狄格大学医学院王朋华教授，清华大学医学院助理研究员朱毅斌，清华大学医学院博士后王朝阳、施绘程，清华大学医学院博士研究生余茜、李雨晗、张礼铭，深圳湾实验室传染病研究所科研助理王磊为本论文合作者。该研究获得科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金基础科学中心、国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重点项目、清华大学春风基金、深圳市“三名工程”、佛山-清华产学研合作协同创新专项、中国科协青年人才托举工程、云南省专家工作站联合资助。
原文链接： http://doi.org/10.15252/embr.202255671
