基本信息
- 项目名称：
- 轮状病毒种属限制性机制研究以及人源轮状病毒小型猪腹泻模型的建立
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为突破轮状病毒种属限制建立人源轮状病毒动物模型，本项目依据分子进化理论，运用生物信息学方法，证实了非结构蛋白NSP1与种属限制相关。进化分析发现猪可能是人源轮状病毒模型的理想动物，选择小型猪建立了人源轮状病毒感染模型，并从临床症状、免疫学、组织病理学、病毒生物学等方面进行了评价。该模型敏感性高、敏感期长、临床症状明显、免疫应答稳定，优于其他动物模型。本模型的建立为轮状病毒研究及疫苗的研制奠定基础。
- 详细介绍：
- 轮状病毒是导致5岁以下婴幼儿腹泻的重要病原体，目前尚缺乏安全有效的药物和疫苗。大量关于轮状病毒感染的研究均用实验小鼠作为动物模型，但其本身存在敏感性差、敏感期短等问题，限制了其在评价轮状病毒主动免疫等方面的研究。人源轮状病毒模型难以建立的关键问题是它具有较强的宿主种属限制性。因此对轮状病毒宿主种属限制性的研究有利于突破种属限制性，从而建立人源轮状病毒感染的动物模型。 本课题组在长期对轮状病毒致病机制、疫苗开发的基础上，依据分子进化理论，运用生物信息学手段，证实了轮状病毒保守性最低的一种非结构蛋白NSP1与其种属限制性机制的关系。并在基因调控方面，证实了NSP1 3’端非翻译区对种属限制性的调控作用。在进化分析中，我们发现猪源轮状与人源轮状病毒最为接近，猪可能是人源轮状病毒模型的理想动物。 基于此，我们选择了我国自行选育的小型猪建立了人源轮状病毒感染模型，并在临床症状、小肠组织病理、免疫应答等方面对该模型进行了评价，结果证实小型猪是人源轮状病毒模型的理想动物，其临床症状、小肠病理变化以及免疫应答方面均优于其他动物模型。本模型的建立为推动轮状病毒感染的免疫保护机制和致病机制的进一步研究及疫苗的研制奠定基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 创作目的：针对人源轮状病毒感染动物模型难以建立这一科学难题，为揭示轮状病毒种属限制性机制，建立人源轮状病毒感染模型。 基本思路：依据分子进化理论，运用生物信息学等方法对轮状病毒非结构蛋白NSP1二级结构进行分析，发现其与轮状病毒的种属限制性相关。进化分析发现，猪可能是人源轮状病毒模型的理想动物。用人源轮状病毒接种小型猪，并对该模型进行评价，结果成功建立了人源轮状病毒感染的动物模型。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：人源轮状病毒模型难以建立的关键问题是它具有较强的种属限制性。对种属限制性机制的研究有利于突破种属限制，建立人源轮状病毒感染的动物模型。 先进性：国内外文献均未见NSP1与种属限制性机制的相关性报道，并首次使用小型猪成功建立了人源轮状病毒感染模型。 独特之处：从进化角度寻找理想的动物模型的思路为其他病毒动物模型的建立提供了借鉴。
应用价值和现实意义
- 本研究从分子进化的理论研究种属限制性，为相关研究提供借鉴，并为建立和完善人源轮状病毒动物模型提供了理论支持。该模型的成功建立为轮状病毒致病机制、疫苗及药物开发等研究奠定了基础。对种属限制性的研究，为筛选合适毒株，研制减毒活疫苗提供了参考。具有广阔的应用前景。
学术论文摘要
- 轮状病毒是导致5岁以下婴幼儿腹泻的重要病原体，目前尚缺乏安全有效的药物和疫苗。大量关于轮状病毒感染的研究均用实验小鼠作为动物模型，但其存在敏感性差、敏感期短等问题，限制了在评价轮状病毒主动免疫等方面的研究。人源轮状病毒模型难以建立的关键问题是它具有较强的宿主种属限制性。对轮状病毒宿主种属限制性的研究有利于突破种属限制性，建立人源轮状病毒感染的动物模型。 本课题组在长期对轮状病毒致病机制、疫苗开发的基础上，依据分子进化理论，运用生物信息学手段，证实了轮状病毒非结构蛋白NSP1与其种属限制性机制的关系。并在基因调控方面，证实了NSP1 3’端非翻译区对种属限制性的调控作用。在进化分析中，发现猪源轮状与人源轮状病毒最为接近，猪可能是人源轮状病毒模型的理想动物。 基于此，选择了我国自行选育的小型猪建立了人源轮状病毒感染模型，并在临床症状、小肠组织病理、免疫应答等方面对该模型进行了评价，结果证实小型猪是人源轮状病毒模型的理想动物，其临床症状、小肠病理变化以及免疫应答方面均优于其他动物模型。本模型的建立为推动轮状病毒感染的免疫保护机制和致病机制的进一步研究及疫苗的研制奠定基础。
获奖情况
- 1. 本作品部分内容以第一作者发表在2009年免疫学重要期刊Immunology letters第127卷上，该杂志为英文SCI收录期刊，2009年影响因子为2.906。 Liu KJ, Yang X, Wu YZ, Li JT. Rotavirus strategies to evade host antiviral innate immunity. Immunol Lett. 2009; 127:13-18. 2. 本作品部分内容以第一作者或共同第一作者分别发表在2008、2009年国家统计源期刊《第三军医大学学报》、《生命的化学》、《中国免疫学杂志》上。 刘凯军，李晋涛. 细胞毒性T淋巴细胞表位预测[J] 生命的化学 2008; 28(3):331-335. 刘凯军， 李晋涛. 轮状病毒非结构蛋白NSP1与宿主的相互作用[J] 生命的化学 2008； 28（5）：563-565。 刘凯军, 李晋涛. 轮状病毒非结构蛋白NSP1与种属限制性机制相关性研究[J] 第三军医大学学报 2009；31(3):194-197. 杨霞*，刘凯军*，李晋涛等 人Izumo蛋白的二级结构及B细胞抗原表位预测[J] 中国免疫学杂志 2009;12（25）：899-902 (*共同第一作者) 3. 本作品摘要在2008年11月在西安举行的第六届全国免疫学大会会议论文集刊登，并被邀请在感染与免疫学分会场进行口头汇报交流。摘要题目：轮状病毒非结构蛋白NSP1与种属限制性机制相关性研究。感染与免疫学分会场口头报告 题目：NSP1: a weapon for rotavirus to fight against host innate immunity。 4. 本作品摘要在2009年第七届全军免疫学大会会议论文集刊登。题目为：Rotavirus strategies to evade host antiviral innate immunity。
鉴定结果
- 查新（1）NSP1与种属限制性关系的研究，检索范围内未见其他文献报道。（2）国外有使用无菌小猪建立轮状病毒腹泻动物模型的文献报道，检索未见其他使用我国自行选育的小型猪建立人源轮状病毒腹泻模型的报道。
参考文献
- [1] Mario Barro, John T. Patton. Rotavirus nonstructural protein 1 subverts innate immune response by inducing degradation of IFN regulatory factor 3. PNAS, 2005, 102(11): 4114-19. [2] Karen Kearney, Dayue Chen, Zenobia F Taraporewala, et al. Cell-line-induced mutation of the rotavirus genome alters expression of an IRF3-interacting protein. EMBO, 2004, 23: 4072-4081 [3] Pina-Vazquez C, De Nova-Ocampo M, Guzman- Leon S, et al. Post-translational regulation of rotavirus protein NSP1 expression in mammalian cells. Arch Virol, 2007, 152: 345-68. [4] Graff JW, Ewen J, Ettayebi K, et al. Zinc-binding domain of rotavirus NSP1 is required for proteasome-dependent degradation of IRF3 and autoregulatory NSP1 stability. J Gen Virol, 2007, 88: 613-20. [5] Barro M, Patton JT. Rotavirus NSP1 inhibits expression of type I interferon by antagonizing the function of interferon regulatory factors IRF3, IRF5, and IRF7. J Virol, 2007, 81: 4473-81.
同类课题研究水平概述
- 轮状病毒种属限制性机制一直都是人源轮状病毒感染模型建立的最大障碍。人们试图通过各种手段寻找与种属限制性机制相关的病毒蛋白，如Stephen J 等对5个种属12株在印度分离的轮状病毒NSP1进行过序列比对，但当时对NSP1的功能还不清楚，同时由于样本量过少，且受地域限制，只提出了NSP1与种属限制性机制相关的假设，并没有得到充分的证明，也没有找到决定种属限制性的关键区域。此外，Schroeder等对RV结构蛋白VP4与VP7进行过序列比对试图找出保守序列，阐明RV的种属限制性机制，但是结果并不理想，VP4与VP7在种属内保守性和种属间的变异性没有明显的规律，通过VP4和VP7绘制的进化树和种属并无关联。M. Ciarlet等对轮状病毒其它非结构蛋白如NSP4与种属限制性的相关性进行过研究，但是研究资料仅限于一个区域，一个时间段，且样本量过少，结果并不理想，只是说明了某几个种系来源的RV存在同源性（如兔、马、牛），也没能阐明其核心机制。近年来，人们对NSP1的研究不断深入，其作用机制也逐步明确。Barro和Patton等人对NSP1作用机制的深入研究奠定了本研究的基础，为寻找保守的基因和蛋白质序列提供了参考依据。 在轮状病毒感染模型的建立方面，大量关于轮状病毒感染的免疫保护机制研究均用实验小鼠作为动物模型，但其本身存在很大局限性：1)轮状病毒种属特异性强，人源轮状病毒对小鼠不敏感，因此只能用动物来源轮状病毒作为替代进行研究；2)轮状病毒对小鼠致腹泻的敏感期特别短(出生后约15天)，从而限制了其在评价轮状病毒主动免疫等方面的研究；3） Ward等建立了成年小鼠轮状病毒感染模型，即成年小鼠接种同源轮状病毒EDIM株后，虽不出现临床症状，但于接种后的1-14天，粪便中可检测到病毒抗原的排出，然而成年小鼠接种感染轮状病毒EDIM株后，其致病过程、病理变化及免疫系统的发育时限均与婴幼儿迥异，因此，用其作为模型只能起到有限的参考。国外有用悉生猪(Gnotobiotic piglets, GnP)作为轮状病毒感染的动物模型方面的报道，并且取得了较大进展。但用悉生猪作为轮状病毒感染的动物模型存在繁殖能力弱、饲养费用昂贵、作为实验动物其基因纯合度低等问题，限制了在轮状病毒研究中的进一步广泛应用。
