甲型流感病毒迅速适应环境压力的颗粒形状

通过定量流动病毒学方法测量不同条件下病毒颗粒的形状，揭示了流感病毒感染根据病毒效率动态调整子代颗粒的形状分布。

　　

流感病毒粒子形态的动态变化与环境适应性研究解读

美国国立卫生研究院国家过敏和传染病研究所病毒疾病实验室的 Edward A. Partlow 等人在《Nature Microbiology》期刊上发表了题为 “Influenza A virus rapidly adapts particle shape to environmental pressures” 的论文。该研究揭示了甲型流感病毒（IAV）粒子形态可快速响应环境压力而变化，这一发现对理解流感病毒的传播、进化及防控具有重要意义，为后续开发更有效的抗病毒策略提供了关键理论依据。

一、研究背景

许多包膜病毒采用混合形状策略（多形性），如 IAV、呼吸道合胞病毒、麻疹病毒等，这些病毒对人类健康构成严重威胁。IAV 可引发周期性大流行，其产生的病毒粒子形状多样，从 100nm 的球体到数微米长的丝状。构建更大的丝状病毒粒子需要更多细胞资源，但丝状在多种病毒家族中普遍存在，其形成机制却尚不明确。此前研究表明，丝状形成可能与宿主外部压力有关，且病毒突变会影响粒子形状，但具体机制仍未得到解释。理解病毒粒子形状调控至关重要，因其可抵抗抗体灭活并承受其他细胞进入压力。

二、研究材料与方法

（一）材料

1. 细胞系：使用 Madin-Darby 犬肾（MDCK）-2,6 - 唾液酸转移酶（SIAT1）细胞、MDCK.2 细胞、人胚肾（HEK）293T 细胞、Calu3 细胞、A549 细胞、Caco2 细胞和 HEK293F 细胞等，在不同培养基中培养。

2. 抗体：多种针对 IAV 不同蛋白的单克隆抗体，如针对血凝素（HA）、神经氨酸酶（NA）、核蛋白（NP）和基质蛋白 2（M2）等的抗体，用于病毒感染实验和检测。

3. 病毒：A/Puerto Rico/8/1934（PR8）、A/Udorn/307/1972（XUdorn）、A/Hong Kong/1/1968（HK68）和 A/California/07/2009（Cal0709）等 IAV 毒株，部分毒株在 Calu3 细胞中传代，通过血凝试验（HA）、感染性试验和流式病毒计量法进行滴定。

（二）方法

1. 病毒感染实验：在不同细胞系中，以高、低感染复数（MOI）感染病毒，控制感染条件，如添加胰蛋白酶或氯化铵以控制病毒传播，设置不同处理组进行时间进程实验、MOI 实验、抗体扫描实验、抑制剂实验等。

2. 病毒纯化与标记：通过蔗糖梯度超速离心等方法纯化病毒，对病毒进行荧光标记以便检测。

3. 检测方法：运用流式病毒计量法测量病毒粒子的紫罗兰侧散射（VSSC），结合荧光标记抗体区分病毒信号与背景噪音，确定病毒粒子浓度和丝状粒子相对比例；利用电子显微镜观察病毒粒子形态；采用定量逆转录聚合酶链反应（RT-qPCR）检测病毒基因组复制情况。

（三）技术路线

研究人员首先开发了定量流式病毒计量法，用于在多种感染条件下测量病毒粒子形状。通过对不同 IAV 毒株和细胞系组合进行感染实验，观察病毒粒子形状分布随时间的动态变化。探究感染效率、细胞系、病毒株等因素对粒子形状的影响，利用抗体和抑制剂处理，确定感染过程中影响丝状粒子形成的阶段。研究抗体诱导的形状变化机制，通过短时间进程实验和改变膜生物物理条件，分析病毒粒子形状变化的快速性和可逆性。

三、研究结果

（一）IAV 形状分布是动态的

研究人员运用流式病毒计量法，对未纯化的感染上清液进行检测。通过与电子显微镜和 HA 试验对比，验证了该方法测量 IAV 病毒粒子形状和产量的准确性。研究发现，在感染过程中，不同 MOI 下产生的病毒粒子形状分布会随时间动态变化。一般先产生一定比例的丝状粒子，随后球形粒子占主导，最后丝状粒子又有所增加。不同毒株在不同细胞系中的形状表现不同，如 PR8 在低 MOI 感染时丝状粒子比例先降后升，XUdorn 在 MDCK 细胞中虽预期产生大量丝状粒子，但感染早期也会出现球形粒子，且在 Calu3 细胞中 PR8 和 XUdorn 主要呈球形。这表明病毒基因型与形状的关系不固定，受细胞感染环境影响。

（二）感染效率影响病毒粒子形状

研究人员扩大了对不同病毒株和细胞系组合的研究。结果显示，细胞系和病毒株对产生的病毒粒子形状有一定影响，但都不是决定性因素。感染产生的病毒粒子形状多样，且病毒粒子形状与感染性、总病毒产量和基因组复制率之间无明显相关性。然而，低 MOI 时的感染效率（产生的病毒粒子数与初始添加的病毒粒子数之比）与产生的病毒粒子形状有很强的相关性，高 MOI 时这种相关性虽存在但不明显，这表明细胞对感染的允许性是影响丝状粒子形成的重要因素。

（三）附着后的衰减驱动丝状粒子组装

研究人员滴定不同早期感染步骤的抑制剂，在保持病毒粒子输入恒定的情况下，发现所有处理都增加了丝状粒子的比例。允许病毒粒子内吞的处理（MEDI8852 和巴洛沙韦）比抑制附着的处理（Sb H36-26）更能诱导丝状粒子形成。通过改变感染复数和使用巴洛沙韦调整病毒粒子输出与输入比例的实验进一步证实，感染效率与丝状粒子形成相关，感染后期的衰减会促进丝状粒子组装。

（四）进入后添加抗体强烈诱导丝状粒子形成

研究人员用 12 种单克隆抗体在 3 种孵育条件下处理感染细胞，结果表明，进入后添加抗体普遍且强烈地诱导丝状粒子形成。不同抗体诱导丝状粒子形成的能力不同，NA 抗体比 HA 抗体诱导形状变化的作用更强。抗体诱导的丝状粒子具有感染性，基因组含量与未处理病毒相当，且不是抗体诱导的球形粒子聚集体。这说明抗病毒抗体在病毒粒子进入后仍是丝状粒子的有效诱导剂。

（五）抗体诱导的形状动态变化很快

研究人员在感染后期添加抗体进行短时间进程实验，发现抗体处理后丝状粒子比例迅速且呈剂量依赖性增加，且这种现象在多种细胞系和病毒株中普遍存在。通过检测发现，靶向病毒表面蛋白的抗体可被感染细胞内化，暗示抗体结合感染细胞可能通过诱导内吞作用影响病毒组装。对感染细胞进行渗透压冲击实验表明，改变膜生物物理条件可快速且可逆地影响病毒粒子形状，说明膜动力学或其他条件的瞬时变化可能影响病毒粒子的组装。

四、研究结论与讨论

本研究表明，IAV 病毒粒子组装是动态的，可快速适应感染环境，而不是由特定毒株固定决定的。丝状粒子的组装受宿主细胞允许性和外部衰减因素（如抗体压力）的影响。这种适应性多形性使病毒能够对环境变化做出即时反应，对病毒的进化具有重要意义。如果病毒粒子形状分布完全由基因决定，丝状变异体的选择性存活会限制病毒种群的遗传多样性，影响其获取逃逸突变的能力。而表型调节使整个病毒种群能够转变为更有利的形式，增加逃避选择压力的机会，一旦病毒通过基因变化逃避当前压力，就能迅速转变为更高效的球形粒子。

研究还发现，感染效率是预测病毒粒子形状的重要指标，尽管不同病毒 - 细胞对的感染效率降低机制可能不同，但整体复制效率与病毒粒子形状密切相关。这表明形状是 IAV 各毒株共有的遗传特征，而不是特定毒株特有的。抗体结合感染细胞后引发的形状变化比早期抑制更为迅速和强烈，且渗透压冲击实验证实形状变化可快速可逆，暗示形状动态变化可能在病毒粒子释放步骤受到调控。虽然目前尚未明确抗体内化与形状变化之间的因果关系，也未区分抗体结合对膜动力学和感染效率的直接和间接影响，但这些发现为后续研究奠定了基础。

该研究的重要意义在于，揭示了 IAV 粒子形状调控的新机制，为理解流感病毒的传播、免疫逃逸和进化提供了关键线索。有助于重新分析以前发表的遗传形状突变体，区分由感染效率变化引起的形状变化和对病毒粒子组装及出芽的直接影响。这对于开发针对流感病毒的新型抗病毒策略具有重要指导价值，未来可基于病毒粒子形状调控机制，探索阻断病毒适应环境变化的方法，为防控流感疫情提供新的思路和靶点。