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近年湖南省豬圓環病毒2型感染狀況的調查及遺傳演化分析

2025-04-04 00:00:00范杰邰易潤朱艷麗陳志雄胡巧云陳智劉甜甜李欣范仲鑫葛猛
畜牧獸醫學報 2025年3期

摘 要: 本研究旨在掌握近期湖南省各地區豬圓環病毒2型(PCV2)最新的感染和遺傳演化情況。本研究運用qPCR方法對2021—2023年采集自湖南省長沙市、岳陽市、懷化市、常德市、株洲市等14個地級市的1 244份肥豬的淋巴結、拭子、腦組織及血樣通過qPCR進行了病毒核酸檢測,篩選出PCV2陽性樣品,再通過PCR擴增及測序對PCV2的ORF2基因序列進行分析。結果顯示,1 244份樣品中有778份為PCV2陽性,總陽性率達62.54%,其中邵陽市的PCV2陽性率最高,達92.55%(87/94),郴州市最低,為18.28%(17/93);57株PCV2 ORF2基因測序結果表明,PCV2a、PCV2b和PCV2d占比分別為12.28%、7.02%和80.70%;測序毒株間的ORF2基因核苷酸、氨基酸序列相似性分別為88.5%~100.0%和86.3%~100.0%,存在45個氨基酸差異位點,PCV2d間存在15個差異氨基酸位點,選擇壓力分析表明,PCV2存在3個陽性選擇位點。研究表明:目前,PCV2的突變速率較快,各毒株之間存在較多的氨基酸位點差異,與既往報道相同,本研究中PCV2d已成為絕對優勢的流行毒株,PCV2的這些變異可能使現有疫苗保護效果減弱,應予以重視。

關鍵詞: 豬圓環病毒2型;分子流行病學調查;遺傳變異;ORF2基因;選擇壓力

中圖分類號:

S852.659.2"""" 文獻標志碼:A"""" 文章編號: 0366-6964(2025)03-1376-10

收稿日期:2024-05-06

基金項目:國家自然科學基金面上項目(32072871);湖南省重點研發計劃項目(2023NK2017);云南省重大科技專項計劃(202202AE090032)

作者簡介:范 杰(2000-),男,湖南岳陽人,碩士生,主要從事動物傳染病流行病學研究,E-mail:1327502061@qq.com

*通信作者:范仲鑫,主要從事動物疫病防控研究,E-mail:fzx225@163.com;葛 猛,主要從事動物傳染病診斷及防控研究,E-mail:gmg02@126.com

Investigation of Porcine Circovirus 2 Infection Status and Analysis of Genetic Evolution

in Hunan Province in Recent Years

FAN" Jie1, TAI" Yirun1, ZHU" Yanli1, CHEN" Zhixiong1, HU" Qiaoyun2, CHEN" Zhi3,

LIU" Tiantian1, LI" Xin1, FAN" Zhongxin2*, GE" Meng1*

(1.College of Veterinary Medicine, Hunan Agricultural University, Changsha 410128," China;

2.Hunan Province Animal Disease Prevention and Control Center, Changsha 410014," China;

3.Changsha Animal and Plant Disease Control Center, Changsha 410000," China)

Abstract: This study aims to understand the latest infection and genetic evolution of porcine circovirus type 2 (PCV2) in various regions of Hunan Province. Using qPCR methods established in the laboratory, this study conducted viral nucleic acid detection on 1 244 samples of lymph nodes, swabs, brain tissue, and blood collected from 14 prefecture-level cities in Hunan Province, including Changsha, Yueyang, Huaihua, Changde, and Zhuzhou, from 2021 to 2023. PCV2-positive samples were then screened out, and the ORF2 gene sequences of PCV2 were analyzed through PCR amplification and sequencing. The results showed that 778 of the 1 244 samples were PCV2-positive, with an overall positive rate of 62.54%. Among them, Shaoyang City had the highest PCV2 positive rate of 92.55% (87/94), while Chenzhou City had the lowest positive rate of 18.28% (17/93). Sequencing analysis of the ORF2 gene of 57 PCV2 strains revealed that the proportions of PCV2a, PCV2b, and PCV2d were 12.28%, 7.02%, and 80.70%, respectively. The nucleotide and amino acid sequence homologies of the ORF2 gene among the sequenced strains ranged from 88.5% to 100.0% and 86.3% to 100.0%, respectively. There were 45 amino acid variant sites among 57 PCV2 strains, and 15 variant amino acid sites among PCV2d strains. Selection pressure analysis indicated that there were three positive selection sites in PCV2. This study suggests that PCV2 is currently mutating rapidly, with significant amino acid site differences among various strains. Consistent with previous reports, PCV2d has become the absolutely dominant epidemic strain in this study. These variations of PCV2 may weaken the protective effect of vaccines, which deserves attention.

Keywords: porcine circovirus type 2 (PCV2); molecular epidemiological investigation; genetic variation; ORF2 gene; selection pressure

*Corresponding authors:" FAN Zhongxin, E-mail: fzx225@163.com; GE Meng, E-mail: gmg02@126.com

豬圓環病毒(porcine circovirus type 2,PCV)是圓環病毒科圓環病毒屬的一種病毒,無囊膜,結構為14~17 nm的二十面體結構,是當前最小的單鏈DNA病毒1。目前,PCV包含四種不同的病毒類型,無致病性的PCV1[2、具有致病性的PCV2[3,以及從患有皮炎腎病綜合征(PDNS)和繁殖障礙的母豬及其流產胎兒體內檢測到的PCV3[4和最新檢測到的PCV4[5。PCV2會引起豬圓環病毒相關疾病(PCVAD),包括斷奶仔豬多系統衰歇綜合征,豬皮炎和腎病綜合征,豬呼吸道疾病綜合征和仔豬先天性震顫等。其中斷奶仔豬多系統衰竭綜合征的臨床癥狀以多系統進行性功能衰弱為特征,包括生長發育不良,漸進性消瘦,體重減輕,皮膚與可視黏膜蒼白或黃疸,貧血,肌肉萎縮、衰弱無力,呼吸困難、呼吸過速等,對全世界的養殖業造成了重大經濟損失[6

PCV2目前主要有3種基因型,即PCV2a、PCV2b和PCV2d。PCV2a是早期主要流行的基因型,2003年后,PCV2b開始逐漸取代了PCV2a,成為優勢流行毒株7-8,而近年來PCV2d基因型的檢出逐漸提高,成為我國PCV2的主導基因型9。目前,大多數市售疫苗是基于PCV2a和PCV2b而研發10。然而,隨著PCV2毒株的不斷變異,特別是PCV2d基因型的出現,可能使原有PCV2a和PCV2b基因型疫苗的保護效果降低,給豬圓環病毒病的防控造成一定影響11。為了更好地了解湖南省PCV2的流行和變異情況,本研究采用已建立的qPCR方法檢測了湖南省14個地級市的1 244份臨床樣本,并通過PCR擴增及測序對部分PCV2毒株進行了遺傳進化分析,以期為湖南省PCV2的防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

病料來自湖南省14個地級市的1 244份臨床樣品,包括血清樣品、肛門拭子樣品、淋巴結樣品以及腦組織樣品,樣品均來源于肥豬;病毒核酸提取試劑盒購自杭州博日科技有限公司;2×Taq Master Mix購自南京諾維贊生物科技股份有限公司;M2000 Marker Ⅱ DNA Ladder購自北京索萊寶生物科技有限公司。

1.2 樣品的qPCR檢測

根據博日核酸提取試劑盒說明書對臨床樣品進行核酸提取,并使用實驗室已建立的PCV2的qPCR體系12,進行qPCR的檢測,引物探針序列分別為QF1:TGACGGAGACGTCGGGAAAT,QR1:CGGTTTACCCAACCCCATCA,Probe:FAM-GGGCGGGGTTTGCGTGATTT-BHQ1。分別在反應管中加入DNA模板5 μL、上游引物(10 μmoL·L-1)0.5 μL、下游引物(10 μmoL·L-1)0.5 μL,Taq探針0.25 μL,Mix 12.5 μL,最后加無核酸酶水至體積為25 μL。qPCR程序為37 ℃2 min;95 ℃30 s,95 ℃10 s,60 ℃30 s,40個循環;每次延伸完成后進行熒光信號的采集,通過采集的熒光信號進行曲線繪制及計算Ct值。

1.3 PCR引物設計與合成

根據GenBank公布的PCV2全基因組基因序列于ORF2基因兩側保守區域設計一對特異性引物,引物序列為PCV2-Cap-898-F:CAGTTCGTC-ACCCTTTCCCC,PCV2-Cap-898-R:CACTCTT-CTTGCTGGGCATGTT。PCR引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。

1.4 PCV2陽性樣品的PCR擴增及測序

選取部份qPCR結果陽性的樣品進行普通PCR擴增,分別在反應管中加入DNA模板1 μL、上游引物(10 μmoL·L-1)1 μL、下游引物(10 μmoL·L-1)1 μL,Mix 12.5 μL,最后加無核酸酶水至體積為25 μL,PCR程序為98 ℃5 min;98 ℃15 s,56 ℃15 s,72 ℃15 s,38個循環;72 ℃5 min。使用1.5%凝膠電泳檢測擴增產物,并將擴增產物送至上海生工生物工程股份有限公司測序。

1.5 ORF2基因的比對與分析

對測序獲得的序列進行拼接,利用MegAlign軟件對各測序毒株間及其與GenBank中登錄的PCV2參考毒株ORF2基因序列進行同源性比對分析,構建系統發育樹。參考毒株信息見表1。

1.6 ORF2氨基酸選擇壓力分析

將測序所得序列以及往年湖南省發布在NCBI上的部分序列使用Datamonkey進行選擇壓力分析,使用BUSTED、 MEME和FEL三種方法對PCV2 Cap蛋白進行陽性位點篩選,Plt;0.1時,結果具有顯著性。

2 結 果

2.1 樣品qPCR檢測結果

結果顯示(表2),所采集的1 244份樣品中,PCV2的陽性率為62.54%,其中,淋巴結樣品總陽性率為68.93%(579/840),腦組織樣品總陽性率為38.30%(18/47),血樣總陽性率為42.95%(64/149),肛門拭子樣品總陽性率為56.25%(117/208)。各地級市陽性率最低為郴州市,為18.28%,最高為邵陽市,高達92.55%。說明目前PCV2在湖南省各地區豬群中仍然廣泛存在。

2.2 ORF2的PCR擴增及測序

從各地級市樣品中隨即選取了部分qPCR檢測陽性的樣品,對其中57份進行了ORF2的PCR擴增及測序,其中,益陽市7份、常德市5份、衡陽市2份、岳陽市12份、邵陽市4份、長沙市7份、湘西3份、張家界市3份、湘潭市1份、婁底市4份、郴州市1份、永州市2份、株洲市3份、懷化市3份。部分PCR擴增結果如圖1,測序后截取ORF2基因片段進行分析,顯示其長度為702~705 nt。

2.3 ORF2核苷酸序列的系統發育樹分析

將測序結果與NCBI上所選取的PCV2參考序列(表1)使用MegAlign進行比對,并使用Mega7.0生物軟件構建進化樹(圖2)。

根據本研究中的57株PCV2毒株和GenBank中的11株參考毒株的ORF2序列構建系統進化樹。結果顯示,57株湖南株分為三個基因型(PCV2a、PCV2b、PCV2d),其中 PCV2a占比12.28%(7/57),PCV2b占7.02%(4/57),PCV2d占80.70%(46/57)。以上結果表明湖南省PCV2的流行毒株以PCV2d為主,PCV2a和PCV2b少量存在。

2.4 ORF2氨基酸同源性比較及遺傳變異分析

氨基酸序列分析表明(圖3),57株測序毒株Cap蛋白存在45處氨基酸差異位點,其中Y8F、I53F、R/A59K、K63R、T86S、K88P、K/R89L、R/S90T、I91V、T131P、P151T、S169 G/R、A/S190T、V215I、243K為主要氨基酸差異位點,主要位于Cap蛋白已確定的四個線性表位,分別為CPA、CPB、CPC和CPD,其中 CPA表位氨基酸變異較大,這些區域的氨基酸變異極有可能對PCV2抗原性產生較大的影響。而所測46株PCV2d的 Cap蛋白氨基酸變異共包含15個氨基酸變異位點,其主要位于NLS區和CPB、CPC、CPD表位,表明PCV2目前仍處于持續變異之中。

2.5 ORF2氨基酸選擇壓力分析

通過FEL法篩選的陽性位點為169;BUSTED法篩選的陽性位點為59、68、88、131、169、232、234,其中169的陽性置信度遠高于其它可能位點;MEME法篩選的陽性位點為59、88、130、169。結合三種計算方法可得,三種方法均篩選出169號為陽性位點,兩種方法將59、88篩選為陽性位點。使用Pymol對測序所得的一株PCV2d進行同源建模,將所篩選的陽性位點進行標注(圖4)。

3 討 論

PCV2自1990年發現以來,已經對全球養豬業造成了較大的經濟損失,并成為全球重點研究豬病之一。PCV2在全球流行過程中,有兩大重要的進化事件,即從PCV2a到PCV2b的流行優勢毒株的轉變以及新的mPCV2b的出現和快速傳播,并且PCV2至今仍在不斷的進化13。中國是世界上第一養豬大國,而湖南省是中國的養豬大省,對湖南省PCV2分子流行病學和遺傳進化的調查對PCV2的監測及防控有著重要意義。

本研究對來自湖南省14個地級市1 244頭豬的淋巴結、血清、肛門拭子和腦組織樣品進行qPCR檢測篩選PCV2陽性樣品,并對部分陽性樣品進行PCR擴增及測序分析,以了解湖南省PCV2毒株最新感染及變異情況。結果顯示,在普遍免疫疫苗的背景下,PCV2感染仍普遍存在,并且PCV2d已成為湖南省PCV2的絕對優勢毒株。在以往的研究中,Qu等14對湖南省2006—2016年的674份樣品的分子流行病學調查表明PCV2總體陽性率為62%,在所測序的53份樣品中PCV2a、PCV2b和PCV2d分別占陽性樣本的0%、44.7%和67%,且2008年后,PCV2d的檢出率明顯升高。黃英等15對我國8省2017—2021年的樣品進行PCR檢測的結果顯示,2 357份樣品的總體陽性率為60.92%,其中50份測序樣品結果表明PCV2d 占80%,PCV2a占4%,PCV2b占16%。王翠等16對2020—2022年柳州地區的1 597份樣品進行qPCR檢測,結果表明柳州地區PCV2陽性率約為50.47%,其中28份樣品測序結果中3株屬于PCV2a亞型,6株屬于PCV2b亞型,19株屬于PCV2d亞型。Dei Giudici等17對意大利撒丁島2020—2022年的樣品流調表明,57株PCV2中有56株屬于PCV2d,只有1株屬于PCV2b。本研究測序所得的2021—2023年PCV2中,PCV2d為主要流行毒株,相較于Qu等14對湖南省PCV2的研究,PCV2d的比例顯著升高,與近幾年研究相符。綜合本研究結果和各個報道表明目前中國乃至世界的PCV2優勢基因型均已為PCV2d[15,18-20,這可能與目前使用的PCV2疫苗普遍為PCV2a及PCV2b疫苗,疫苗抗體對PCV2d的免疫效果相對PCV2a和PCV2b較弱,PCV2d在這個過程中占據了生存優勢有關21-22

PCV2結構簡單,其中ORF2所編碼的 Cap蛋白為PCV2的唯一結構蛋白,具有高度變異性,因此被廣泛用于PCV2的系統發育分析和基因型鑒定23。PCV2a、PCV2b、PCV2d為PCV2的三種主要基因型,分別有其特征基序,通過特征基序可以進行PCV2快速簡便的分型,如PCV2的86TNKISI91,PCV2b的86SNPRSV91,PCV2d的86SNPLTV91,但該分型方法僅能進行粗略區分,具體的分型需要通過系統發育樹等方法進行確定。既往研究表明,Cap蛋白區域較少的氨基酸變異即可使得PCV2的復制、感染和致病性出現顯著的改變,如PCV2 Cap蛋白P110A和R191S位點的變異使得PCV2體內外復制能力發生了顯著改變24;PCV2b中的151和191的T-P的變異使得PCV2的抗原性發生了顯著的改變25。本次的分子流行病學調查測序結果顯示,湖南省流行的PCV2毒株間共有45個氨基酸位點的差異,這些差異位點主要位于53-91 aa、121-136 aa、 169-191 aa以及200-215 aa之間,而PCV2已確定的四個CP表位分別為位于69-83位的CPA,113~131位氨基酸的CPB,169-180位氨基酸的CPC和193-207位氨基酸的CPD[26,以上四個主要突變區域即位于其中。而對于目前優勢流行毒株PCV2d所得氨基酸序列的分析表明,在PCV2d間的15個差異位點中,5個位于NLS區,1個位于CPB,2個位于CPC,3個位于CPD,CPA、CPB和CPD是PCV2特異性的抗原表位,而CPC在PCV1和PCV2間高度保守,是共有的一個抗原表位,包裹在病毒衣殼內部,基本不會產生針對PCV2的保護性抗體,但是暴露時會產生大量的非保護性抗體[27。通過選擇壓力分析,得到了59、88和169三個陽性選擇位點,其中置信度最高的169號位點即為CPC表位的第一個氨基酸,根據Pymol軟件同源建模圖(圖4)可見,59號位點位于衣殼表面,該位點的變異可能會影響病毒衣殼表面結構,從而影響到特異性抗體對PCV2的識別。而88和169號位點位于衣殼內部,169號位點的突變可能導致CPC的暴露,從而誘導機體產生大量的非保護性抗體,PCV2極有可能通過這些位點的變異使得現有疫苗免疫效果減弱。

PCV2在進化歷史上展示出了與ssDNA病毒不符的進化速度,更接近ssRNA病毒28。目前PCV2疫苗使用極為廣泛,且能較好地控制PCVAD的發病情況,但在豬群中仍可檢測到如此高的病原陽性率,說明現有疫苗并不能完全阻斷PCV2的感染,無法阻止一些PCV2毒株的復制及排毒29,而隨著ORF2上氨基酸變異的不斷累加,很可能使得現有疫苗的免疫效果不斷降低。對PCV2分子流行病學的調查和Cap蛋白的氨基酸變異的監測,為PCV2的防控和PCV2疫苗更新迭代的原始積累具有重要意義。

4 結 論

本研究全面的調查了2021—2023年湖南省PCV2感染及遺傳演化情況,發現感染率高達63.55%,表明湖南省各豬場PCV2的感染較為普遍。通過DNA測序及序列比對和系統發育樹分析發現,PCV2d成為湖南省流行PCV2的絕對優勢基因型。氨基酸序列分析表明湖南省PCV2毒株間Cap蛋白有45個氨基酸位點的差異,其中PCV2d的Cap蛋白氨基酸存在15個差異位點,且主要位于NLS區和CP表位區,選擇壓力分析表明PCV2有三個陽性選擇位點,表明PCV2仍保持著較高水平的突變速度。本研究結果將為了解PCV2感染、毒株流行、演變和疫苗免疫提供重要參考。

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(編輯 白永平)

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