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基因百变,疫苗难产:丙型肝炎何以成为人类健康的一大杀手? 丙肝疫苗

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2020年诺贝尔生理学或医学奖已经揭晓,三位科学家哈维·詹姆斯·阿尔特(Harvey J. Alter)、迈克尔·霍顿(Michael Houghton)和查尔斯·赖斯(Charles M. Rice)因对丙肝病毒研究的贡献而获此殊荣。

阿尔特首先在70年代发现了一种不是由甲/已肝病毒导致的肝炎,具体致病原因未知;1989年,霍顿研究小组鉴定其为一种新型丙毒,命名为hepatitis C virus,也就是丙肝病毒;赖斯随后又对丙肝病毒展开特征和制备研究,加深了对其的认识。

丙肝对多数人来说即熟悉又陌生,虽然有所耳闻,但是对其并不了解。

丙肝全称丙型肝炎,是由丙肝病毒引起的一种肝脏疾病,因此是病毒性肝炎的一种,是肝癌的一个主要致病因素。该病毒可造成急性或慢性肝炎感染,其严重程度从持续几周的轻微病症到终身严重疾病不等。

其实,病毒性肝炎还有甲型肝炎(HAV)、乙型肝炎(HBV)、丁型肝炎(HDV)、戊型肝炎(HEV)和庚型肝炎(HGV)。

在这几种肝炎中,乙丙丁三型由于其主要传播途径是血液,因此也有血源性肝炎的叫法。

丙肝的发现较晚,从观察到其存在到正式命名,经过了十余年时间。但是其危害却毫不逊色其“前辈”。

在沉默中爆发的“百变病毒”

根据世卫组织发布的2017年全球肝炎报告,2015年全球预计有7100万丙肝患者,2016年,约有39.9万人死于丙肝,主要缘于肝硬化和肝细胞癌(原发性肝癌)。相比之下,非洲、中亚及东亚地区病发率较高。

丙肝的诊断率仅2%,治疗率不到1%,只有25%-30%的成年人感染后可以自行清除。因此,即便其治愈率达到95%,但由于许多患者得不到诊治,死亡人数居高不下。

丙肝的可怕之出在于其隐蔽性,堪称“在沉默中爆发的典型”。感染之后,许多新发感染者通常不会表现出症状,因此也就不会想到需要检查,通常等到十几二十年之后出现肝硬化和肝癌症状时才被发现。在慢性感染者中,20年内出现肝硬化的危险在15%和30%之间。

目前尚无丙肝疫苗。原因有二,一是因为这一病毒只感染人类和黑猩猩,动物实验受限,可选择性不多;二是其基因变种太多,个体病毒之间存在差异,一支疫苗很难解决全部病毒。

丙肝病毒是具有包膜的单股正链小核糖核酸病毒,归类于黄病毒科下的肝炎病毒属。

丙肝病毒主要分为7个基因型,用数字1至7表示,在这些基因型之下又包含很多子型态,子型态通常采用在数字后加小写字母的方式命名(如基因型1a)。不同基因型之间的核酸的差异可以达到30%,丙肝病毒的突变能力堪比艾滋病病毒。

核酸是脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的总称,是生命的最基本物质之一,包含有大量遗传信息,丙肝病毒间遗传信息的差异从一定程度上导致了疫苗的难产。

在美国,70%的病例是由基因1型所引起,20%病例为基因2型导致,第1基因型也普遍于出现在南美洲与欧洲地区。日本也主要是第1型为主;第2型以日本、中国居多;第3型在泰国、新加坡、与印度某些地区较常见;第4型较多分布在埃及、中东与非洲中部地区;而第5型与第6型则是南非与东南亚较常见。

入侵、繁殖和感染

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图1 丙肝病毒入侵和繁殖图(图源:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5627509/)

丙肝病毒无法自我复制繁殖,因此必须与宿主细胞结合,占用宿主细胞的资源实现增殖。丙肝病毒实现感染需要七个步骤:

附着(Attachment):被脂蛋白(Fatty envelop,见图2)包围的病毒颗粒通过与几种受体相互作用而与宿主细胞结合,其中一些受体大部分如图所示,包括蛋白EphA2、EGFR、LDL-R、SR-B1、CD81、OCLN和CLDN1等。

这些蛋白作为受体,相当于粘合剂,使丙肝病毒紧紧附着在宿主细胞上。理论上,如果可以阻断病毒与这些受体的结合,就可以从源头上阻止感染。

进入(Entry):完成附着后,病毒就需要想办法进入细胞内部。一般来说,外部物质进入细胞有三种途径:吞噬作用、吞饮作用、受体介导的内吞作用。前两种分别适用于直径大于1微米的物质和溶质/液体。

丙肝病毒需要通过网格蛋白介导的内吞作用进入。网格蛋白在人体中起运输的作用。病毒与网格蛋白结合形成复合物,该复合物随即向细胞内部凹陷形成小窝,脱离后形成小泡(这一过程和吹泡泡类似),病毒就进入了细胞内部。

病毒借助小泡进入后,被释放出来,小泡(实则为网格蛋白)返回表面继续运输。病毒成功进入,但由于遗传物质在病毒内部,因此病毒必须将其释放出来。

脱膜(Uncoating):释放遗传物质的过程就是脱膜。病毒膜和细胞膜融合,经蛋白酶的降解,先后脱去包膜(Shell of protein)和衣壳(Nucleocapsid)。

丙肝病毒是以膜融合方式侵入的,包膜在与细胞膜融合时即已脱掉,衣壳被移至脱壳部位并在酶的作用下进一步脱壳。整个过程必须要有酶的参与,这些酶有的来自宿主细胞,有的来自病毒的基因编码。脱壳后,丙肝病毒的正链RNA基因组被释放到细胞质中。

翻译(Translation):翻译是蛋白质生物合成过程中的第二步,第一步为转录,就是将DNA合成RNA的过程,丙肝病毒不包含DNA,所以跳过这一步。

翻译将成熟的RNA分子中的“碱基的排列顺序”解码,并生成对应的特定氨基酸序列的过程。丙型肝炎病毒基因组的翻译产生一个大的多蛋白,它被蛋白水解切割并产生10个病毒蛋白。

这一过程是在多蛋白前体(polyprotein precursor)中进行的。多蛋白前体是蛋白质的前体分子,需要在细胞内经各种加工修饰(上图中Processing描述的部分),才转变成有生物活性的蛋白质。

复制(Replication):这一过程的关键是非结构蛋白,这种蛋白在病毒复制或基因表达调控过程中具有一定功能,但其并不结合生成成熟的病毒。

非结构蛋白和某些宿主因子形成复制复合物,该复合物又会合成丙肝病毒 RNA基因组的多个副本。在这一步中,病毒核心遗传物质被复制成功,但是其尚不具有活性,其外部结构还不完整,还需要继续加工。

组装和成熟(Assembly and Maturation):病毒的组装发生在内质网中,这一区域是细胞内除核酸以外的一系列重要的生物大分子和糖类的合成基地。

病毒体从中获取带有E1和E2糖蛋白的包膜(见下图,用于保护遗传物质免遭环境破坏,并作为将遗传物质从一个宿主细胞传递给另一个宿主细胞的载体)。随后立即成熟并与内源脂蛋白结合形成脂病毒颗粒。

释放(Release):经过上述步骤,病毒借助宿主细胞实现了增殖。随后病毒粒子通过胞吐作用从细胞中释放出来,又开始新一轮的传播。

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图2. 完整丙肝病毒示意图(图源:Riaz Ahmad)

从上述过程中我们可以总结出两个要点,一是丙肝病毒是借助细胞自身的代谢机制进入的;丙肝病毒在细胞质中就能完成繁殖(不像艾滋病毒需要进入细胞核)。

虽然肝脏是丙型肝炎病毒复制的主要场所,但有证据表明在包括外周血淋巴细胞在内的肝外细胞也有病毒。丙肝病毒对宿主细胞展开攻击后,人体的免疫作用随即反击。

丙肝病毒与肝细胞之间的相互作用会诱导先天性和适应性免疫反应。病毒感染宿主细胞期间,其RNA会与受感染肝细胞上一些蛋白质分子(如TLR3,RIG-I和MDA5等),这一过程会诱导I型和III型干扰素的分泌。

这两种干扰素会抑制丙肝病毒的复制并激活自然杀伤细胞(Natural Killer Cell)。活化的NK细胞产生干扰素γ和α,它们诱导树突状细胞(Dendritic cells, DC)成熟并加强对病毒复制的抑制(同时不会引起受感染细胞溶解)。

上述免疫手段听起来很完备,但事实上,丙肝病毒具有逃避免疫机制并导致持续性感染的能力。

上面提到,丙肝病毒的变异性极强,这是因为病毒的RNA聚合酶缺乏3′-5’核酸外切酶(相当于复制过程的审核员),这就导致病毒复制的忠实性低, 从而易发生"错误"复制,产生变异。

虽然免疫系统会产生抑制素抑制病毒的复制,但是复制过程中产生的变异会增加病毒的多样性,从而使免疫系统应接不暇,甚至最终崩溃。

丙肝病毒与免疫系统之间的“战争”有三种结果。一是免疫系统胜利,病毒被清除,但这一比例只要25%-30%的人群可以做到;二是免疫系统迅速崩溃,造成急性丙肝炎症;三是双方陷入拉锯,病毒持续感染,发展成慢性丙肝,最终导致肝硬化或者肝癌。

丙肝的防治

丙肝是可以治愈的,其治愈率约95%。这是因为丙肝是RNA病毒,RNA的稳定性较差,存在时间也短,必须不停地复制繁殖,因此只要采取手段抑制病毒复制就可以。

人类目前已经制造出了针对丙肝病毒的抑制剂和相关药物,也收到了不错的治疗效果。

但是,完全消灭丙肝还存在一些困难。

其一是由于其变异性,药物很难做到一劳永逸;

其二是由于其感染基数大(全球感染率约3%),人们的意识也比较薄弱,往往需要等到肝脏出现严重症状是才会进行相关检查;

三是丙型肝炎病毒常会使人体产生胰岛素抵抗,患上糖尿病,同时增加心脑血管疾病的风险,还会诱发一些癌症,如胆道癌、弥漫性大B细胞淋巴瘤等。

丙肝病毒主要通过暴露性血液传播,也通过性行为传播(不常见,导致血液接触的性行为除外),不会通过母乳、食品或水传播,也不会通过与感染者拥抱、接吻以及共用食品或饮料等偶然性接触传播。

因此,日常生活中,只要注意避免血液接触,如不使用未经消毒的针筒针头、不使创口暴露在外部血液之下等就能预防感染。当然,定期的体检也很重要。

参考资料:

Manns, M., Buti, M., Gane, E. et al. Hepatitis C virus infection. Nat Rev Dis Primers 3, 17006 (2017). https://doi.org/10.1038/nrdp.2017.6

Dustin LB, Bartolini B, Capobianchi MR, Pistello M. Hepatitis C virus: life cycle in cells, infection and host response, and analysis of molecular markers influencing the outcome of infection and response to therapy. Clin Microbiol Infect. 2016;22(10):826-832. doi:10.1016/j.cmi.2016.08.025

洪忻, 喻荣彬. 丙型肝炎病毒逃避宿主免疫的机制. 世界华人消化杂志 2005; 13(6): 772-775

https://www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/hepatitis-c

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