National Science Review |?廖明/曹罡/亓文寶/史衛峰團隊首繪H5亞型高致病性禽流感病毒跨物種感染的原位空間全景圖譜

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，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，我國科學家在National Science Review雜志（中科院一區TOP，IF：18.1）發表研究論文，首次揭開了這個謎題的一角。

看不清的“戰場”：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造成家禽和野鳥的大量死亡。并且，這個“老牌”病毒持續變異，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%，對公共衛生安全構成嚴峻威脅。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。受限于技術限制，以往研究難以全景解析病毒感染后的宿主免疫反應與致病過程。單細胞測序雖能解析細胞異質性，卻丟失了空間位置信息；常規病理檢測可呈現組織損傷，卻讀不懂細胞的“分子語言”。因此，亟需新興分子生物學技術解析宿主體內感染和免疫響應的真實情況。

一把“分子放大鏡”：MiP-seq技術

為了解決這個難題，研究團隊利用“分子放大鏡”（MiP-seq原位空間轉錄組技術）解析H5-HPAIV跨物種感染和免疫應答的分子機制。這把“分子放大鏡”究竟如何發揮作用？打個比方：如果把傳統的單細胞測序比作把一個復雜的大積木拆成單個小塊，再分類清點存放；那么MiP-seq技術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”，不同感染生態位區域的細胞間相互作用能力如何，以及病毒在體內發生了怎樣的變異。

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答和病毒適應性變異的分子機制。

研究發現，病毒在雞體內主要攻擊內皮細胞和中性粒細胞，但雞的抗病毒應答卻相對較弱，病毒感染后導致肺泡上皮細胞大量脫落，病毒高度感染區域出現T細胞富集，這像是免疫系統在“戰線”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；而小鼠的免疫系統展開了猛烈反擊，病毒主要感染上皮細胞和巨噬細胞，宿主表現出顯著的抗病毒應答。病毒高度聚集于肺泡結構，感染區域出現巨噬細胞大量富集，關鍵抗病毒基因Ifit2的表達從肺臟感染核心區向外圍呈梯度遞減。雖然病毒在豬體內的復制相對有限，但大多數免疫細胞卻廣泛上調了干擾素刺激基因，表明免疫系統似乎提前拉響了警報，在病毒大規模復制之前就筑起了防線。

病毒感染宿主內“空間進化規律”被破譯

如果說“免疫地形圖”展示的是宿主的“戰場布局”，那么研究團隊接下來的發現則揭示了病毒的“進化策略”。通過對五個物種體內病毒基因組進行二代測序，研究團隊共鑒定出19種宿主內單核苷酸變異（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技術構建了19種突變毒株，功能驗證發現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制能力，但對禽源細胞無顯著影響。借助MiP-seq技術優勢，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域，而且這些區域恰恰也是干擾素刺激基因高表達的區域。這一發現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關聯起來。

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”，而在于構建了三大核心支柱：一是數據基石，研究構建了目前規模最大的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。三是應用導向，基于發現的宿主易感因子和影響病毒復制能力的變異位點，研究為開發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提供了關鍵理論支撐。

該研究由華南農業大學、華中農業大學、深圳理工大學、中國科學院深圳先進技術研究院、上海交通大學、中國農業科學院長春獸醫研究所、仲愷農業工程學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業大學亓文寶教授、深圳理工大學曹罡教授、上海交通大學史衛峰教授，共同第一作者包括華南農業大學張家豪教授和黃麗紅副教授、華中農業大學蔡懷源博士生和滿婷婷碩士生。研究得到國家自然科學基金重點項目、青年科學基金項目，以及廣東省自然科學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