流感病毒抗原变异与耐药性的关联机制研究

Antigenic drift and production of drug-resistant variants are two key factors for continual epidemics of influenza viruses. Their collaboration is necessary for the virus to survive the double challenges of antibody pressure and antiviral drugs. Lots of efforts have been devoted to clarify their respective mechanisms, however, little attention has been focused on their relationship. Here, we propose a new strategy of combining computational analyses and experimental efforts to investigate the relationship between antigenic variation and neuraminidase inhibitor (NAI) resistance for human influenza A(H1N1) and A(H3N2) viruses. Firstly, a nucleotide co-occurrence network would be constructed for each influenza virus based on the nucleotide sequences of hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA). Then, the correlation between the changes of network elements, including the nodes, edges and modules, and variation of antigenicity or NAI resistance would be conducted, which could identify the sites and site interactions contributing significantly to antigenic variation or NAI resistance. Finally, the HA and NA inhibition experiments would be used to confirm the contribution of sites or site interactions to antigenic variation or NAI resistance. This work could not only help to clarify the mechanisms underlying the association between antigenic variation and drug resistance, but also help for influenza vaccine design and drug usage.

流感病毒的抗原变异和耐药性产生是其生存至关重要的两种手段。面对来自免疫系统与药物的双重压力，两者需要相互协同才能使病毒获取更大的生存优势。然而目前很少有人研究两者的关系。在本项目中，我们将以人流感H1N1和H3N2病毒为模型，通过计算和实验相结合的策略来研究病毒的抗原变异和神经氨酸酶抑制剂耐药性之间的关联及其分子机理。具体来说，我们将从病毒的表面蛋白血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)的基因序列出发，为每株病毒构建共进化网络；通过分析网络中节点、边和模块的差异与病毒抗原变异和耐药性变化的关联，并整合网络结构信息，确定出对该病毒抗原变异和耐药性变化具有显著影响的位点和位点间相互作用；最后通过血凝抑制实验和NA功能实验来证实关键位点的作用。本项目的实施将不仅有利于加深对于流感病毒适应性机制的理解，具有重要的理论意义，同时也对流感病毒的疫苗设计与抗流感药物的使用提供指导。

流感病毒的抗原变异和耐药性产生是其生存至关重要的两种手段，前者主要由HA蛋白导致，而后者主要由NA蛋白引起。面对来自免疫系统与药物的双重压力，HA蛋白和NA蛋白需要相互协同才能使病毒获取更大的生存优势。然而目前对于两者的关联程度与关联机制还不够清楚。本项目首先基于位点共进化网络发展了新的度量位点间共进化的方法RCOS，并开发构建位点共进化网络的R软件cooccurNet，为本项目研究HA和NA蛋白的关联提供了新的方法和便捷的工具；在此基础上，我们把流感病毒亚型按照其适应度分为三类，分别是感染人类的病毒，广泛流行的禽流感病毒以及流行相对较少的禽流感病毒，然后构建了每种类型的流感病毒亚型中HA和NA蛋白构成的共进化网络，分析比较网络属性，发现不同亚型流感病毒的共进化网络的属性差别较大，没有看到网络属性与病毒所属类别的相关性；为了方便流感病毒抗原变异预测与监测，本项目开发了H1N1亚型流感病毒的抗原变异预测软件PREDAV-H1，并整合了A型H3N2亚型,H5N1亚型和A型通用抗原变异预测软件，以及B型抗原变异预测软件，建立了流感病毒抗原变异预测与监测平台PREDAC；为了对新发突发流感病毒进行快速预测预警，本项目开发了A型流感病毒一站式预测预警平台FluPhenotype，可以从流感病毒基因组或蛋白组序列出发预测病毒的抗原特性、宿主偏好性、致病性和耐药性等表型。综上所述，本项目的研究不仅为研究基因共进化以及流感病毒抗原变异预测与预警提供了便捷的软件工具，而且对于流感病毒HA和NA相互作用的关联网络研究有助于理解HA和NA的关联机制。