National Science Review | 廖明/曹罡/亓文宝/史卫峰团队首绘H5亚型高致病性禽流感病毒跨物种感染的原位空间全景图谱

H5亚型高致病性禽流感病毒（H5-HPAIV）通常感染禽类，但近年来跨物种感染哺乳动物频发，那么H5亚型高致病性禽流感病毒是如何突破物种屏障感染不同宿主？不同宿主被其感染后又是如何展开“免疫反击”的呢？近日，我国科学家在National Science Review杂志（中科院一区TOP，IF：18.1）发表研究论文，首次揭开了这个谜题的一角。

看不清的“战场”：H5禽流感跨物种感染之谜

H5-HPAIV是全球瞩目的重要人兽共患病原体。自1996年在广东被首次报道以来，它每年在全球范围内造成家禽和野鸟的大量死亡。并且，这个“老牌”病毒持续变异，不断突破物种屏障感染猪、猫、水貂、奶牛，甚至人类，累计超过60种哺乳动物“中招”。更让人警惕的是，人类感染H5-HPAIV的病死率高达50%，对公共卫生安全构成严峻威胁。然而，面对同一病毒，不同物种乃至不同个体的易感性差异及其背后的免疫机制至今仍不明晰。受限于技术限制，以往研究难以全景解析病毒感染后的宿主免疫反应与致病过程。单细胞测序虽能解析细胞异质性，却丢失了空间位置信息；常规病理检测可呈现组织损伤，却读不懂细胞的“分子语言”。因此，亟需新兴分子生物学技术解析宿主体内感染和免疫响应的真实情况。

一把“分子放大镜”：MiP-seq技术

为了解决这个难题，研究团队利用“分子放大镜”（MiP-seq原位空间转录组技术）解析H5-HPAIV跨物种感染和免疫应答的分子机制。这把“分子放大镜”究竟如何发挥作用？打个比方：如果把传统的单细胞测序比作把一个复杂的大积木拆成单个小块，再分类清点存放；那么MiP-seq技术不仅能清点单个小块，还能把每一块放回原位，告诉研究人员它们在整个大积木中扮演什么角色。MiP-seq技术可以在单细胞分辨率下精准定位组织切片中宿主和病毒的基因表达，还可以检测任何SNP，从而实现了病毒变异的原位空间定位。这意味着，研究人员不仅知道哪些细胞被病毒感染了，还能知道这些细胞在组织的哪个“街区”，不同感染生态位区域的细胞间相互作用能力如何，以及病毒在体内发生了怎样的变异。

不同物种感染H5-HPAIV后的“免疫地形”有何不同？

研究团队选取了鸡、鸭、鸽子、小鼠和猪五种代表性动物感染全球最新流行的2.3.4.4b分支H5-HPAIV，评估新型病毒对不同禽类和哺乳动物的致病性。随后，对肺脏组织进行单细胞测序和MiP-seq原位测序，绘制了H5-HPAIV感染鸡、鸭、鸽子、小鼠和猪五种动物近150万细胞的肺脏免疫微环境的原位全景空间图谱，精准地原位解析了病毒跨物种感染后宿主免疫应答和病毒适应性变异的分子机制。

研究发现，病毒在鸡体内主要攻击内皮细胞和中性粒细胞，但鸡的抗病毒应答却相对较弱，病毒感染后导致肺泡上皮细胞大量脱落，病毒高度感染区域出现T细胞富集，这像是免疫系统在“战线”崩溃后的紧急增援。与鸡不同，鸭和鸽子感染后并未引起免疫细胞富集和过度的炎症反应；而小鼠的免疫系统展开了猛烈反击，病毒主要感染上皮细胞和巨噬细胞，宿主表现出显著的抗病毒应答。病毒高度聚集于肺泡结构，感染区域出现巨噬细胞大量富集，关键抗病毒基因Ifit2的表达从肺脏感染核心区向外围呈梯度递减。虽然病毒在猪体内的复制相对有限，但大多数免疫细胞却广泛上调了干扰素刺激基因，表明免疫系统似乎提前拉响了警报，在病毒大规模复制之前就筑起了防线。

病毒感染宿主内“空间进化规律”被破译

如果说“免疫地形图”展示的是宿主的“战场布局”，那么研究团队接下来的发现则揭示了病毒的“进化策略”。通过对五个物种体内病毒基因组进行二代测序，研究团队共鉴定出19种宿主内单核苷酸变异（iSNV，禽类10种，哺乳动物9种），其中哺乳动物的9种iSNV中有8种都位于病毒聚合酶基因。研究人员利用反向遗传学技术构建了19种突变毒株，功能验证发现PB2-E627K、PB2-E192K和PA-T97I三种突变显著增强病毒在哺乳动物细胞中的聚合酶活性和复制能力，但对禽源细胞无显著影响。借助MiP-seq技术优势，研究人员进一步在单细胞水平上定位了不同突变的空间分布，其中PB2-E627K突变主要富集于小鼠肺泡壁周围的上皮细胞和成纤维细胞区域，而且这些区域恰恰也是干扰素刺激基因高表达的区域。这一发现将跨物种感染风险标志基因的变异与其在组织中的精确位置、细胞类型偏好和原位免疫响应关联起来。

这项研究能为我们带来什么？

这项研究的价值，远不止于绘制一张“免疫地形图”，而在于构建了三大核心支柱：一是数据基石，研究构建了目前规模最大的H5-HPAIV跨物种感染肺脏单细胞原位图谱，首次在“细胞经纬度”层面揭示了病毒入侵的空间轨迹。二是理论突破，团队解析了病毒在禽与哺乳动物间的细胞嗜性差异及免疫逃逸机制，为理解“物种跳跃”提供了分子证据。三是应用导向，基于发现的宿主易感因子和影响病毒复制能力的变异位点，研究为开发靶向宿主的广谱抗病毒疗法指明了新靶点，同时也为流感疫苗研发提供了关键理论支撑。

该研究由华南农业大学、华中农业大学、深圳理工大学、中国科学院深圳先进技术研究院、上海交通大学、中国农业科学院长春兽医研究所、仲恺农业工程学院等多家单位合作完成。论文首要通讯作者为廖明教授，共同通讯作者包括华南农业大学亓文宝教授、深圳理工大学曹罡教授、上海交通大学史卫峰教授，共同第一作者包括华南农业大学张家豪教授和黄丽红副教授、华中农业大学蔡怀源博士生和满婷婷硕士生。研究得到国家自然科学基金重点项目、青年科学基金项目，以及广东省自然科学基金杰出青年等项目资助。

论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwag380/8716371?searchresult=1