Nat?Commun丨王佑春/吳愛平/李倩倩團隊鑒定出主導H5型流感病毒抗原演變的關鍵氨基酸位點

H5 高致病性禽流感病毒 （ H ighly pathogenic avian influenza virus ， HPAI V ） 近期 多次 感染哺乳動物和人類，對全球公共衛生構成重大威脅。 在 2021 年底， 分支 2.3.4.4b 在 歐洲和亞洲野 鳥中 爆發 ，且在家禽和水貂身上發生了溢出事件， 2022 年開始向 紅狐，條紋臭鼬 、水賴、海獅等野生哺乳動物蔓延【1-3】。 2024 年 3 月下旬，美國農業部報告在家養奶牛中爆發了 H5N1 病毒。同月得克薩斯州報道了一名奶牛場工人感染 HPAIV （ H5N1 ）的病例【4】。 流感病毒 的 血凝素蛋白（ H emagglutinin ， HA ） 由于免疫壓力會發生持續的抗原 漂移，因此是疫苗及抗體設計的主要靶標。 關于 H5N1 抗原進化的研究 目前 主要集中在 單個分支 的變異。例如， Koel 等人證明 分支 2.1 H5N1 病毒的抗原變異由緊鄰受體結合位點的 129 、 133 、 151 、 183 、 185 和 189 決定【5】。 Zhong 等人證明 HA 蛋白中 抗原 位點 B 中的三種 突變 ，尤其是 D205K ，是分支 2.3.4 抗原漂移的主要貢獻者【6】。然而， H5 病毒長期進化中的抗原轉變模式及其驅動抗原轉變的關鍵氨基酸取代機制仍有待闡明。 且 疫苗的保護效力主要取決于疫苗株與流行毒株之間的抗原匹配程度【7】， 因此 揭示 H5 病毒抗原進化關系并明確驅動 H5 病毒抗原演化的關鍵氨基酸位點對于評估現有疫苗的有效性和指導未來疫苗株的選擇至關重要。

近日，中國醫學科學院醫學生物學研究所 王佑 春 / 李倩倩 團隊 、 蘇州系統醫學研究所 吳愛平 團隊 在 Nature communications 雜志上在線發表題為 Dominant substitutions underlying the antigenic evolution of H5 influenza virus 的研究論文。該研究 繪制了 H5 亞型 病毒 1996 年至今的完整的抗原圖譜 ，將 H5 病毒根據抗原性劃分為了三個抗原簇 ， 且發現了 H5 病毒抗原進化與遺傳進化的非線性關系 。 后 鑒定出了三個抗原簇之間的轉變主要由 6 種氨基酸的兩種突變模式導致 。 這些發現不僅深化了對 H5 亞型流感病毒抗原進化機制的理解，也為優化 H5 疫苗株 的 選擇和廣譜疫苗研發提供重要的理論依據。

由于流感病毒 突變頻率高、 序列數量巨大， 該團隊選擇了 一定數量 可以代表 H5 病毒 流行 毒株 來研究該病毒的抗原進化 。 根據流行程度以及感染人類的情況，選擇了 N1 、 N6 和 N8 亞型。宿主主要包括人類 、 哺乳動物以及禽類。根據算法最終篩選出 111 條代表株進行假病毒的構建。 且選擇了 WHO 對于 H5 亞型 推薦的候選疫苗毒株 2 5 條 進行 動物免疫 及假病毒構建 。 利用 25 個疫苗株 對所有 136 個假病毒 開展高通量中和實驗， 得到 3400 組數據， 實現了對 H5 亞型流感病毒 抗原進化 的全面覆蓋和系統分析 。 結果 發現 H5 病毒可分為 3 個互不交叉中和的抗原簇： 祖先分支，分支 2.3.4.4* 以及分支 2.3.4.4h 。

H5 亞型病毒的遺傳圖譜顯示， 三個抗原簇在遺傳空間上呈現遞進式分布：從 祖先分支 到 2.3.4.4* 再到 2.3.4.4 h ，遺傳距離逐漸增大， 祖先分支 與 2.3.4.4* 的遺傳距離大于 2.3.4.4* 與 2.3.4.4 h 的遺傳距離。 然而，抗原圖譜中抗原簇的分布呈現出顯著不同的特征： 2.3.4.4h 與 祖先分支 之間的抗原距離比 2.3.4.4* 與 祖先分支 之間的距離更小 。 因此， 祖先分支 與 2.3.4.4h 之間存在較大的遺傳距離，但抗原距離較小，表明 H5 流感病毒的抗原與遺傳進化之間存在非線性關系 。

流行病學數據顯示， 2010 年前 祖先分支 占主導地位， 0~9 、 2.1* 、 2.2* 、 2.3.2* 和 2.3.4* 等 分支 依次出現。大約在 2010 年， 2.3.4.4* 出現，逐漸取代了 祖先分支 ，其中 分支 2.3.4.4b 成為主導。 2.3.4.4h 是一個在有限區域檢測到的小 分支 ， 2020 年后被 2.3.4.4b 取代。自 2021 年以來有記錄的人類感染 分支 包括 2.3.2.1a 、 2.3.2.1c 、 2.3.4.4b 和 2.3.4.4h 。根據現有采樣數據，盡管 2.3.2.1a 、 2.3.2.1c 和 2.3.4.4h 的采樣株較少，但它們的已記錄人類感染比例分別高于 采樣數量最多的 2.3.4.4b （ 0.19% ）。這一觀察表明，低流行病株可能具有較高的人畜共患潛能，流行病學監測 也 應重點關注 分支 2.3.2.1a 、 2.3.2.1c 和 2.3.4.4h 。

該團隊 進一步分析了 分支 2.3.4.4b 、 2.3.4.4h 、 2.3.2.1a 和 2.3.2.1c 的疫苗株 免疫血清對各分支內代表株的 中和能力。 WHO 在過去兩年推薦的 分支 2.3.4.4b 疫苗株 分別是 A/Astrakhan/3212/2020 (AS20) 和 A/American Wigeon/South Carolina/USDA-000345-001/2021 (CR21) ，這兩 個疫苗株免疫血清 對 分支 2.3.4.4b 病毒 表現出高中和活性，滴度范圍為 1000-10 , 000 。此外， 結果也顯示 A/Texas/37/2024 （ TE24 ）免疫血清對 2.3.4.4b 病毒的中和滴度略高于 AS20 和 CR21 。疫苗株 GD18 能夠有效 中和大多數 分支 2.3.4.4h 毒株 ，抗體水平約為 10,000 。 總之， WHO 推薦的候選疫苗株誘導的免疫血清對相應 分支毒株 具有顯著保護力。

接下來 該團隊通過定點突變技術鑒定出了影響三個抗原簇之間轉變的關鍵位點 ， 分別為第 88 、 131 、 139 、 199 、 205 、 289 位。 該研究 分別將這些位點的 單點以及聯合 突變 組合 構建假病毒 ，并進行中和實驗 的雙向驗證 。結果表明這些位點的變化會引起抗原簇的轉變，證實了它們的主導作用。 且發現 這六個關鍵位點呈現出兩種不同的進化模式：第 88 、 199 、 205 位為持續性突變，而第 131 、 139 、 289 位則為回復性突變。將這些位點映射到 HA 蛋白的三維結構模型上，發現它們分布在多個已知的抗原表位上， 進一步 印證了這些位點的改變會直接影響病毒被抗體識別和中和的能力。

綜 上，該 研究系統揭示了 H5 病毒的抗原進化規律，并確定了驅動其抗原演化的關鍵氨基酸位點。這些發現不僅加深了對 H5 亞型流感病毒抗原進化機制的理解，也為優化 H5 大流行儲備疫苗的選擇和開發 H5 廣譜疫苗提供了重要的理論依據。

原文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-65730-y-availability

制版人：十一

參考文獻

1. Xie R., Edwards K. M., Wille M., et al. The episodic resurgence of highly pathogenic avian influenza H5 virus [J].

Nature

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3. Alkie T. N., Cox S., Embury-Hyatt C., et al. Characterization of neurotropic HPAI H5N1 viruses with novel genome constellations and mammalian adaptive mutations in free-living mesocarnivores in Canada [J].

Emerg Microbes Infect

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5. Koel B. F., Van Der Vliet S., Burke D. F., et al. Antigenic variation of clade 2.1 H5N1 virus is determined by a few amino acid substitutions immediately adjacent to the receptor binding site [J].

mBio

6. Zhong L., Zhao Q., Zhao K., et al. The antigenic drift molecular basis of the H5N1 influenza viruses in a novel branch of clade 2.3.4 [J].

Veterinary Microbiology

7. Chen L. M., Donis R. O., Suarez D. L., et al. Biosafety risk assessment for production of candidate vaccine viruses to protect humans from zoonotic highly pathogenic avian influenza viruses [J].

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