细胞宿主微生物。作者手稿；PMC 2011年6月25日发布。
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美国国立卫生研究院：美国国立卫生研究院213943
流感病毒进化、宿主适应与大流行形成
美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院国家过敏症和传染病研究所传染病实验室病毒发病机制和进化科
摘要
新出现或“重新合并”的病毒性疾病继续对全球公共卫生构成重大威胁。流感病毒是人类呼吸道感染和死亡的主要原因。流感病毒可以引起人畜共患感染，并适应人类，导致持续传播和新病毒的出现。病毒在一个宿主体内进化、引起人畜共患感染和适应新宿主物种的机制尚不清楚。在这里，我们回顾了甲型流感病毒在其宿主宿主中的进化，并讨论了与将新病毒引入人类导致大流行和季节性病毒建立相关的基因变化。
引言
动物传染病是一种病原体适应另一种动物而引起人类疾病，它可能是不适应人类的散发性、致死性感染(例如埃博拉病毒和汉塔病毒）。其他人畜共患感染可以稳定地适应人类，导致持续的人传人(例如、HIV和SARS）。甲型流感病毒（IAV）属于后一类，其中报告了多次稳定的主机切换事件。病毒稳定适应新宿主物种的机制（通常是远亲）在很大程度上仍不清楚。与IAV一样，许多已证明有能力引起人畜共患感染和/或在宿主物种之间传播的病毒都有RNA基因组(霍姆斯，2010年).
IAV是一种低保真度的病毒RNA聚合酶，缺乏核酸外切酶校对能力，并且固有的错误率很高，因此它以准种的形式存在(Domingo等人，1998年). 随机突变可以根据所施加的进化压力，包括新的宿主环境，快速选择支持或反对(兰多尔特和奥尔森，2007年)，对原有免疫的反应导致抗原漂移(Smith等人，2004年)或抗病毒药物压力导致耐药性(Ong和Hayden，2007年).
IAV的主要自然宿主物种包括野生水禽和滨鸟(韦伯斯特等人，1992年). IAV已经能够稳定地适应多种动物，包括鸟类和哺乳动物，在过去100年中，新型的人类适应性IAV已经出现多次引发流行病(陶本伯格和莫伦斯，2009年). 导致这些流行病的每一种病毒都以不同的方式出现，这使得很难概括人畜共患IAV对人类的适应性。随着数据的积累，IAV主机切换事件显然是多基因的，代表了主机中复制和传输常见问题的不同解决方案(陶本伯格和莫伦斯，2009年). 从禽类水库到人类和家畜的稳定IAV宿主转换事件相对较少，这进一步支持了该过程的复杂性，并严重限制了我们预测未来出现的能力。
流感大流行综述
流感病毒是人类呼吸道感染的最常见原因之一，也是最重要的原因之一，因为它们的发病率和死亡率都很高。流感爆发显然至少从中世纪开始，如果不是从古代开始的话(陶本伯格和莫伦斯，2009年). 在老年人、婴儿和慢性病患者中，流感与特别高的死亡率相关。在美国，流感在一个典型的流行季节导致大约200000人住院，36000人死亡。除了每年冬季爆发的疫情外，IAV大流行偶尔也会出现，因为至少几个世纪以来，IAV每隔8至41年爆发一次。IAV大流行是由具有新抗原亚型的病毒引起的全球性疫情。在一年的大流行中，高达50%的人口会被感染，这可能与死亡人数的急剧增加有关。
在过去500年中，自1510年以来，大约发生了14次IAV大流行；在过去的120年中，1889年、1918年、1957年、1968年、1977年和2009年都发生了流行病(陶本伯格和莫伦斯，2009年). 1918年，有记录以来最严重的疫情在美国造成约675000人死亡，全世界有5000万人死亡(约翰逊和米勒，2002年). 1957年和1968年的疫情分别导致美国约70000人和34000人死亡(诺贝尔，1982年). 虽然现在评估2009年流感大流行的全面影响还为时过早，但在第一年，美国大约有12000人死亡，其中绝大多数是65岁以下的人。
甲型流感病毒生物学综述
流感病毒（家族正粘病毒科)是一种被包裹的负链RNA病毒，其分段基因组包含7到8个基因片段。该科的五个属包括流感病毒A、流感病毒B、流感病毒C、Thogoto病毒和Isavirus（传染性三文鱼贫血病毒）(Palese和Shaw，2007年;Wright等人，2007年). 这三个流感病毒属在宿主范围和致病性方面存在差异，并且可能在至少几千年前发生进化分歧。甲型流感和乙型流感病毒具有相似的结构，而丙型流感则有较大差异。流感A型和B型病毒包含八个离散的单链RNA基因片段，每个片段编码至少一种蛋白质。只有甲型流感病毒（IAV）具有人畜共患感染、宿主转换和大流行性IAV产生的重大风险。
IAV由宿主细胞衍生的脂质膜包裹。8个基因片段编码至少11个开放阅读框(). IAV由三种蛋白质组成：血凝素（HA）、神经氨酸酶（NA）和基质2（M2）。HA是一种糖基化I型完整膜蛋白，兼有病毒受体结合蛋白和融合蛋白的功能。基质1（M1）蛋白位于膜下，与表面糖蛋白的细胞质域以及病毒核糖核蛋白（RNP）复合物相互作用。HA识别唾液酸（N-乙酰神经氨酸）与宿主细胞糖蛋白顶端的底层糖结合。IAV对由唾液酸（SA）和倒数第二糖（半乳糖或N-乙酰氨基半乳糖[GalNAc]）组成的具有不同糖苷键异构化的二糖具有不同特异性的HA。禽源IAV对α2,3 SA具有HA受体结合特异性，而人源IAV的HA对α2,6 SA具有较高特异性（见下文）。病毒与受体结合后，病毒被内化，内胚体室中的酸性pH值导致HA的构象变化，介导病毒膜和内胚体膜的融合，使病毒核糖核蛋白（RNP）释放到细胞质中。成熟HA是一个三聚体，每个单体在活化之前都会经历蛋白水解裂解，生成二硫键HA1和HA2多肽链。IAV需要外源丝氨酸蛋白酶（胰蛋白酶样酶）进行激活，识别HA切割位点发现的保守的Q/E-X-R基序(Chen等人，1998年). 在人类和其他哺乳动物中，这可能是由细支气管上皮细胞产生的类胰蛋白酶Clara。HA的裂解激活可能需要禽类肠道和/或呼吸细胞中的类似蛋白酶。H5和H7亚型IAV可在HA裂解位点获得插入突变，将其蛋白酶识别位点改变为类似呋喃的识别序列R-X-R/K-R。这种多基裂解位点拓宽了蛋白酶特异性，允许细胞内裂解激活，并在家禽中系统复制这类病毒，导致高致病性禽流感（HPAI），如在过去十年中广泛传播的H5N1型HPAI的欧亚血统，在家禽中造成高死亡率，但也会导致人类感染和死亡。
甲型流感病毒的图示。两种主要的表面糖蛋白，血凝素（HA）和神经氨酸酶（NA），以及少量基质2（M2）离子通道蛋白嵌入在脂质双层中。基质1（M1）蛋白位于包膜下方，与表面蛋白以及核糖核蛋白（RNP）相互作用。RNP由八个负链RNA片段和核蛋白（NP）以及聚合酶复合物异源三聚体（PB2、PB1和PA）组成。核输出蛋白（NEP或非结构蛋白2，NS2）包含在病毒粒子中，但非结构蛋白1（NS1）不包含在病毒中。
NA是一种具有唾液酸酶（神经氨酸酶）酶活性的II型完整膜糖蛋白，需要它来裂解宿主细胞SA，从而释放新产生的病毒粒子，并将SA从病毒糖蛋白中分离出来，以防止新生病毒颗粒的聚集。HA结合SA和NA去除SA之间的互补功能可能需要进化协同适应。HA和NA是IAV体液免疫应答的主要抗原靶点，NA是抗病毒药物奥司他韦和扎那米韦的靶点。小蛋白M2是病毒复制所必需的质子通道，是金刚烷类抗病毒药物的靶点。
每个IAV RNA片段由核蛋白（NP）包被。在病毒粒子中，病毒RNA包裹在NP单体周围，并与三种聚合酶蛋白（聚合酶碱性蛋白2[PB2]、PB1聚合酶碱性蛋白1[PB1]和聚合酶酸性蛋白[PA]）一起包装成病毒RNP。聚合酶蛋白形成一个异源三聚体，与每个RNA片段的部分互补末端5'和3'非翻译区（UTR）形成的短发夹结构结合。PB1是RNA依赖的RNA聚合酶。PB2通过结合宿主mRNA帽在mRNA合成中发挥作用。虽然PA对于功能性聚合酶复合体是必要的，包括宿主RNA的内切核裂解，但其生物学作用仍知之甚少。它可能具有额外的蛋白水解活性，也可能在RNA合成过程中作为延伸因子。NP主要作为单链RNA结合蛋白发挥作用，并作为RNP中的结构蛋白。此外，它在转录和RNP在细胞质和细胞核之间的运输中起着重要作用。IAV RNA转录和复制发生在宿主细胞核中，因为IAV依赖于宿主细胞的RNA加工机制。输入细胞核、输出细胞质、然后阻止再次进入细胞核的过程似乎都依赖于NP与宿主蛋白质的相互作用。
非结构1（NS1）蛋白具有多个功能域，包括包含核定位信号（NLS）的N末端dsRNA结合（1–73）、包含核输出信号的中央效应域（73–207）和包含PDZ域的C末端区域（207–230(Hale等人，2008年). NS1具有多效性功能，包括dsRNA结合、增强病毒mRNA翻译、抑制宿主mRNA处理和I型干扰素拮抗(Palese和Shaw，2007年). NS2蛋白（也称为核输出蛋白，NEP）存在于病毒粒子中，有助于病毒RNP复合物的核输出。另一种小病毒蛋白PB1-F2通过另一个阅读框在PB1基因中可变编码，靶向线粒体内膜，可能在IAV感染期间的细胞凋亡中发挥作用。最近，也有报道称PB1基因编码第三种多肽，该多肽通过不同的AUG密码子用法表达，称为N40(怀斯等人，2009年).
虽然B型和C型流感病毒已从海豹身上分离出来，C型流感也已从猪和狗身上分离出(Wright等人，2007年). 然而，与此相反，IAV感染了多种热血动物，包括鸟类、猪、马和人类。水生鸟类中的禽IAV可能是所有已知亚型的主要天然宿主，也可能是所有人类大流行性IAV毒株的最终来源(韦伯斯特等人，1992年).
IAV通过HA和NA表面糖蛋白的抗原特性进行细分。已知16种HA和9种NA亚型，所有这些亚型都是从鸟类宿主中分离出来的。因此，理论上可能有144种可能的HA-NA亚型组合，并且已经在鸟类中分离出至少116种表达这些亚型组合的IAV(克劳斯等人，2004年;Munster等人，2007年). 世界卫生组织流感病毒命名指南如下。首先，指定病毒类型（A、B或C），然后指定宿主（如果非人类）、隔离地点、隔离编号和隔离年份（用斜线分隔）。对于IAV，HA（H1–H16）和NA（N1–9）亚型在括号中注明。例如，美国2010年至2011年季节最新三价疫苗中包含的菌株为：A/California/7/2009（H1N1）、A/Perth/16/2009（H3N2）和B/Brisbane/60/2008。
`“抗原漂移”和“抗原转移”
IAV是进化动态病毒，具有高突变率（约1×10−3至8×10−3每年每个站点的替换）(陈和霍姆斯，2006). 改变表面糖蛋白HA和NA抗原部分的氨基酸的突变可能通过使病毒株逃避预先存在的免疫而产生对病毒株的选择性优势。这在适应人类的IAV中尤其重要，因为人类受到强大的群体免疫压力。针对HA蛋白的抗体可阻止受体结合，可中和，并有效防止同一菌株再次感染(墨菲和克莱门茨，1989年). HA和NA定位抗原域中的这种选择性突变被称为抗原漂移。
由于IAV基因组由八个离散的RNA片段组成，因此一个宿主细胞与两个不同的IAV共同感染可能导致子代病毒包含两个亲本病毒的基因片段。当这种基因重组过程涉及编码HA和/或NA基因的基因片段时，这被称为抗原转移。理论上有256（28)两个亲本病毒之间重组的八个基因片段的可能组合。在IAV进化中，重新分类已被证明是常见且重要的(Dugan等人，2008年;Holmes等人，2005年)和主机交换机事件(Garten等人，2009年;Scholtissek等人，1978年). 同源重组在IAV等负义RNA病毒中并不常见(Boni等人，2008年)，但是通过模板切换进行重组已经被描述过，并且在改变一些IAV的毒力或适合性方面发挥了作用(Wright等人，2007年).
野生鸟类中的甲型流感病毒
遗传和抗原多样性IAV广泛分布于世界各地的野生鸟类物种中。它们主要由无症状感染（称为低致病性禽流感，LPAI）维持，最常见于目的水鸟安塞里形目（鸭子、鹅、天鹅等）和Charadriiformes公司（海鸥、燕鸥等）。至少有105种野生鸟类被确定为IAV的宿主(Munster等人，2007年). 野生水鸟体内的IAV主要通过粪-口途径传播，并感染下肠道上皮细胞，在那里几乎不会引起明显的疾病。
HA和NA亚型在野鸟IAV分离株中的分布不均匀，某些HA亚型比其他更常见。虽然大多数HA亚型已从鞍马目，HA亚型H13和H16主要从Charadriiformes公司(Munster等人，2007年). IAV已从其他鸟类目中分离出来(例如，大量订单雀形目包含一半以上的鸟类），但大多数监测工作都集中在安塞里形目（水生水禽）和较小程度Charadriiformes公司（滨鸟），因为IAV在这些物种中的感染率很高，特别是在涉水鸭中。除了具有H13和H16 HA亚型的IAV主要从海鸥中分离出来的观察结果外，几乎没有可用数据来评估特定IAV亚型或毒株是否对特定野生鸟类宿主物种具有适应性。生态差异，如进食行为、地理定位和迁徙模式的差异，都可能在鸟类IAV的复杂生态生物学中发挥作用。
两种进化模型可以解释野生鸟类中IAV多样性的全球模式，类似于物种形成的异地和同地模型，很可能两者都在野生鸟类的IAV进化中发挥了作用(Dugan等人，2008年). 系统发育分析表明，虽然所有IAV HA亚型都有一个共同的祖先，但HA亚型并非起源于单一辐射，而是包括高阶聚类。亚型间遗传多样性较高，但亚型内遗传多样性较低。因此，禽IAV HA的遗传结构具有高度分化的亚型特征，其内部遗传多样性相对较少。这也是9个NA亚型的进化情况。有趣的是，分析表明这种多样性反映了一种非常新的起源，在过去几百年中不同HA亚型的最新共同祖先（TMRCA）的范围(Chen和Holmes，2010年). 鸟类IAV中的NS基因片段的特征是a和B等位基因之间存在深度差异，这强烈表明这两个等位基因受到某种形式的平衡选择(Dugan等人，2008年). 野生鸟类中剩下的5个IAV基因片段（PB2、PB1、PA、NP和M）的遗传多样性要少得多。系统发育分析还揭示了鸟类IAV序列与东、西半球的明显分离，支持异域进化压力(Dugan等人，2008年;Munster和Fouchier，2009年). 混合感染和重组在野鸟IAV中也极为常见(Wang等人，2008)几乎没有证据表明特定片段之间存在遗传连锁。大量不同的HA-NA亚型组合的恢复也突显了禽IAV重组的频率，并且几乎没有证据表明特定HA-NA组合的适应性提高。与HA、NA和NS中广泛的遗传多样性相反，其余5个内部基因片段编码在氨基酸水平高度保守的蛋白质，表明它们受到广泛的纯化选择。因此，这些基因的适应环境不是由交叉免疫决定的，而是由功能生存能力决定的，因为修复有利突变的选择性压力较小。鉴于氨基酸序列的高度保守性，大规模重组可能涉及功能等效片段的交换，对整体适应性影响不大。杜根，等假设野生鸟类中的IAV是一个功能相当且经常是可相互转换的基因片段的大库，这些基因片段形成了短暂的基因组星座，而没有强大的选择压力保持为连锁基因组(Dugan等人，2008年).
野鸟体内保持的IAV与稳定的宿主向新宿主（包括家禽、马、猪和人类）的转移事件有关，导致出现可在新宿主中传播的病毒谱系。对家禽品种的适应是最常见的(Wright等人，2007年). 稳定的宿主转换可能涉及到根据病毒和物种获得一些突变，这些突变用于从大型野鸟IAV基因库中分离单个克隆衍生IAV毒株。因为适应新宿主可能会限制这些病毒返回野鸟IAV基因库的能力(Swayne，2007年)，这些新出现的病毒必须在新宿主内进化为不同的八段基因组星座(Dugan等人，2008年;陶本伯格和莫伦斯，2009年).
哺乳动物中的甲型流感病毒
IAV已被分离出许多哺乳动物宿主物种，包括人类、家猪、马和狗，以及多种宿主，如鳍足类（海豹）、鲸目动物（齿鲸）、水貂和食蚁兽等(兰多尔特和奥尔森，2007年). 系统发育证据表明，所有哺乳动物的IAV毒株最终都来自鸟类的IAV库(Wright等人，2007年). IAV毒株一直从猪和马中分离，但仅从其他家畜和野生哺乳动物中零星分离。目前尚不清楚是否存在稳定的野生哺乳动物IAV宿主，或者偶尔的人畜共患感染是否会导致局部疫情，但疫情不会持续。只有额外的监视才能回答这个问题。
猪的IAV
1918年与1918年大流行相关的猪IAV首次临床检测(Taubenberger等人，2001年)目前尚不清楚猪是否在此之前感染了IAV。自那时以来，猪IAV一直被人们所认识，是一种具有重大经济和公共卫生意义的疾病(Landolt和Olsen，2007年). 全球范围内已从猪中分离出若干亚型IAV，少数导致地方性感染，许多只导致有限的疫情，没有持续传播。自20世纪30年代Shope从猪中分离出第一株IAV以来，这些“经典”猪H1N1病毒很可能来源于1918年流行的IAV(Taubenberger等人，2001年)在北美和全球范围内引起猪流行季节性疾病(《汇辑》等，2009年). 从1998年起，H3N2、H1N2和H1N1亚型的“三重”重配病毒的几个不同谱系，包含来自经典猪H1N1、人类H3N2-和禽IAV的基因，在美国和全球范围内出现了猪流行性疾病(奥尔森，2002). 在欧洲，20世纪70年代末，一种新的H1N1血统出现了，它将禽IAV适应于猪，导致了欧亚大陆的地方性疾病(Dunham等人，2009年;Pensaert等人，1981年). 其他全禽或全人类IAV衍生的分离物或含有禽、猪和/或人IAV起源基因的重组病毒与猪中较不广泛的疾病有关(Reperent等人，2009年).
由于猪已被证明容易感染禽和人IAV毒株，因此该宿主物种被认为是产生对人类具有大流行潜力的IAV的主要“混合容器”或中间宿主(韦伯斯特等人，1992年). 这种双重敏感性与猪气管衬里上皮细胞糖萼上的α2,3和α2,6 SA键的存在有关，但最近的凝集素组织化学研究显示，鼻、气管和支气管上皮中的α2,3SA很少(Van Poucke等人，2010年)SA受体模式与人类呼吸树相似(Nicholls等人，2007年). 这些数据，以及禽IAV在猪中有限复制和传播的证据，进一步使我们对IAV禽-哺乳动物宿主转换事件机制的理解复杂化。显然，HA受体结合特异性的变化起着重要作用，但控制新宿主有效复制和传播的基因群也至关重要。
马的IAV
与猪IAV不同，马IAV已经被认可了数百年(陶本伯格和莫伦斯，2009年)有趣的是，这往往与人类IAV流行或大流行密切相关。在病毒学时代，1956年在一次动物流行病中首次从马身上分离出IAV。这种马H7N7血统现在可能已经灭绝，但一种H3N8马IAV血统，首次发现于20世纪60年代初，继续流行，给马业带来了巨大的疾病和经济负担。1989年，在中国马流行后，分离出一种独立的类禽H3N8病毒，但这种血统并没有持续存在。现有的系统发育证据表明，所有这些马科血统都来自禽IAV(Horimoto和Kawaoka，2001年).
人类中的甲型流感病毒
我们在病毒水平上对IAV大流行的理解是有限的。自1957年起，大流行病毒被分离出来，1918年的大流行病毒是用“考古”方法重建的(Taubenberger等人，2007年)但我们还不知道1918年之前大流行的亚型或基因组成。自1918年以来的所有大流行病毒都含有源自1918年病毒的基因片段()因此，可以认为过去91年是一个更大的“大流行时代”的一部分(Morens等人，2009年).
1918-2009年人类和相关猪流感病毒之间的遗传关系。灰色箭头反映了A型禽流感病毒基因库中一个或多个基因片段的衍生（尽管每个病例出现的时间和机制尚不清楚）。红色虚线箭头表示H1N1病毒在人体内没有传播的时期。实心红色箭头表示人类甲型流感病毒谱系的进化路径；实心黑色箭头，为甲型猪流感病毒谱系；以及猪源2009年甲型H1N1流感大流行病毒的黑到红箭头。流感A病毒包含八个基因片段（如). 黑色虚线下降箭头反映了人畜共患甲型猪流感病毒感染。图修改自(Morens等人，2009年).
1918-1919年的大流行病毒
据估计，“西班牙”流感大流行导致5000多万人死亡(约翰逊和米勒，2002年). 从几名受害者的组织中重建病毒基因组表明，病原体是禽源性H1N1病毒(Rabadan等人，2006年;Taubenberger等人，2005年). 由于目前没有1918年以前的人类IAV序列可用，大流行病毒的起源，包括其在人类中出现的时间以及是否涉及中间宿主，仍悬而未决(Smith等人，2009年a). 与1918年病毒相关的高死亡率似乎是细菌性肺炎的结果，但导致这种致命细菌性疾病的共同致病机制尚不清楚(Morens等人，2008年). 这场大流行病的流行病学特征也是前所未有的，包括在第一年内出现了多达三波，以及“W形”（三模态）年龄特异性死亡率曲线，其特征是健康年轻人出现了无法解释的峰值。
到1920年左右，该病毒开始以季节性地方性复发的模式传播，并且在近40年的时间里，它一直以抗原“漂移”的方式传播。当1957年出现下一次大流行时，H1N1病毒从流通中消失了。然而，20年后，也就是1977年，它又重新流行起来，引发了一场（低度）流行病，对20岁以下的人造成了不成比例的影响。1918年H1N1流感病毒与1968年流行的H3N2流感病毒以及2009年以来新的H1N1流感大流行病毒一起继续在全球共同传播。值得注意的是，不仅1918年病毒的直接（全八基因片段）后代仍作为流行性H1N1病毒在人类中传播，作为典型的猪H1N1病毒以动物流行病的形式传播，而且在过去50年里，原始病毒及其后代不断向新病毒捐赠基因，以引起新的大流行、流行病，和动物流行病(). 与2009年持续大流行相关的新型H1N1病毒是1918年病毒的第四代后代。
1957-1958年流行性病毒
1957年出现的H2N2“亚洲”大流行病毒是1918年H1N1大流行病毒的直系后代，该病毒通过与一种未知禽流感病毒重组获得了三个新的基因片段。编码HA和NA的基因片段被类鸟类H2亚型HA和N2亚型NA取代(Scholtissek等人，1978年)分别保留了1918年H1N1血统中的其他五个基因片段。编码PB1聚合酶的基因片段也被类似鸟类的基因片段取代(Kawaoka等人，1989年). 尽管此次大流行发生在流感病毒学时代，但尚不清楚重组事件发生在哪一宿主。还不知道从最初的重组事件到病毒演变为可有效传播、人类适应的IAV（导致大流行）需要多长时间。其病理学和临床表现与1918年的病毒相似或相同，尽管上述1918年大流行病的不寻常流行病学特征在1957年没有出现。正如1918年的大流行一样，大约两年后，该病毒成为季节性流行和散发，在11年内完全消失。到目前为止，它还没有回来。
1968年大流行病毒
与之前的大流行一样，1968年H3N2“香港”大流行是由一种流通的人类H2N2病毒和一种禽IAV之间的重组事件引起的，它获得了新的HA（H3亚型）和PB1基因片段(Kawaoka等人，1989年;Scholtissek等人，1978年). 其他六个基因片段，包括NA基因片段，是从1957年H2N2病毒中保留下来的（包括五个片段PB2、PA、NP、M和NS，是从1918年H1N1血统中保留下来）。抗NA抗体虽然不能预防感染，但已被证明可以减少疾病的持续时间和严重程度。有人认为，1968年大流行的相对温和是由于先前循环的N2-NA被保留的结果(基尔本，1997年). 1968年的大流行对死亡率的影响非常轻微，以至于在某些地方，死亡人数比某些非流行年份少(Morens等人，2009年). 与1957年的情况一样，该病毒很快成为地方性和季节性病毒，目前已在全球传播42年。自相矛盾的是，过去几十年来，H3N2家族抗原漂移变体的发病率和死亡率负担一直很高(Morens等人，2009年). 随着2009年新型H1N1流感大流行的出现，几乎没有发现H3N2循环的证据。然而，截至2010年5月，H3N2在世界各地继续处于低水平。
1977年至1978年的大流行病毒
1977年，1918年H1N1流感病毒的一个后代在20年来一直没有传播，该病毒于1977年再次出现，从定义上来说，这是一场大流行，但它通常被视为“技术性”大流行，代表了1918年大流行的不寻常尾声。奇怪的是，1957年自行消失的同一种病毒在重新引入后，在被认为与其消失相关的免疫压力同样大或更大的情况下，仍能存活30多年(即，对自然感染的高人群免疫力和对年度疫苗接种的额外免疫力，现在比1957年更常见）。人们认为，人类IAV不可能在自然界中维持20年而不积累突变，这表明1977年的流行是由20世纪50年代的一种冰冻毒株的释放造成的。分子遗传学分析证实，1977年的毒株在所有八个基因片段上与20世纪50年代早期的H1N1毒株非常相似(Nakajima等人，1978年). 面对高人群免疫力，H3N2和H1N1病毒在30多年内共同流行(Rambaut等人，2008年). 据报道，这两种亚型同时感染，偶尔还出现H1N2重组病毒的传播。与H3N2一样，尽管新的2009年H1N1病毒出现，季节性H1N1也继续以低水平被隔离（截至2010年5月）。季节性H3N2和/或H1N1病毒是否会与2009年H1N1大流行病毒的衍生物一起继续传播尚不清楚。
2009-2010年大流行病毒
目前的大流行是由两种不相关的猪H1N1病毒衍生的新型H1N1病毒引起的(Garten等人，2009年)其中一个是1918年人类病毒的“经典”猪衍生病毒，另一个是欧洲禽流感样H1N1血统(Dunham等人，2009年)，增加了大流行病毒出现的复杂性(). 当前H1N1大流行源于欧洲类禽H1N1血统的NA和M基因片段，其余6个基因片段（PB2、PB1、PA、HA、NP和NS）源于北美猪H1N2“三重”重组血统。该谱系的HA、NP和NS基因片段来自经典猪H1N1（1918起源）谱系，而聚合酶基因片段有不同的起源——PB2和PA来自禽IAV来源，而PB1来自人类季节性H3N2病毒，当时“三重”重组猪谱系于20世纪90年代末出现(Smith等人，2009年b). 尽管IAV监测和基因测序最近爆发，但我们不知道新型大流行病毒何时何地起源，也不知道重组事件发生在什么物种，尽管猪的进化是一个受欢迎的假设。TMRCA分析表明，大流行病毒在2009年初被检测到之前，已经在人类中传播了至少几个月(Smith等人，2009年b).
甲型流感病毒主机切换事件
鸟类至哺乳动物宿主转换事件
禽IAV跨物种传播障碍感染人类或其他哺乳动物的机制尚不清楚，这些障碍要么导致死亡感染，要么导致随后在新型哺乳动物宿主中传播。此外，具有最大医疗和公共卫生相关性的IAV的特性，如人类传染性、传播性和致病性，似乎是复杂的多基因的，人们对其了解甚少(Parrish等人，2008年;陶本伯格和莫伦斯，2009年).
猪和马中的禽IAV感染：尽管从全球猪群中分离出了许多不同亚型的全禽IAV（未与人或猪IAV病毒重组）(布朗，2000). 这些传播事件大多是自限的，并没有导致新型猪瘟适应型IAV的稳定、长期传播。自20世纪70年代末以来，H1N1猪就在猪中传播，这种类似欧洲禽类的血统是一个重要的例外(Dunham等人，2009年)并在2009年H1N1大流行血统的出现中发挥了作用(Garten等人，2009年). 这两种稳定的马IAV血统都被认为来源于禽类，1989年在中国马中检测到禽源H3N8病毒的流行。
人类中的禽IAV感染：在过去十年中，发生了大量记录在案的人畜共患禽IAV传染病，主要与欧亚大陆和非洲H5N1禽流感疫情有关(Peiris等人，2007年)以及荷兰H7N7 HPAI的小型动物流行病(Fouchier等人，2004年)加拿大H7N3 HPAI(Tweed等人，2004年)和LPAI感染H9N2(Lin等人，2000年)都没有稳定适应或持续人际传播的证据。在此之前，基于少量实验性人类志愿者感染LPAI，很少有证据表明禽流感病毒直接接触人类(Beare和Webster，1991年)或通过血清学监测(佩里斯，2009年).
H5N1感染：H5N1高致病性禽流感病毒在几个大洲的家禽种群中持续传播，伴随着越来越多的人畜共患感染，这与公众对未来大流行的强烈关注和担忧有关(Wright等人，2007年). H5N1高致病性禽流感病毒最初于1996年在中国南部引起禽类疫情，随后在一年内在香港发生疫情，造成18例人间病例和6例死亡(Claas等人，1998年;Subbarao等人，1998年). 此后，H5N1毒株继续在中国传播，并于2003年以流行病形式再次出现，之后广泛传播。证据表明H5N1病毒正在迅速进化；然而，这种由不完全理解的选择压力驱动的进化方向尚不清楚。虽然目前的东南亚H5N1型HPAI病毒株是1996年中国流行病毒的后代，但自那以后发生了重大的基因和抗原进化(Guan等人，2004年)涉及H5 HA中的抗原漂移、其他基因的突变以及与其他禽IAV的重组(Chen等人，2006年). 目前尚不清楚这些变化中的哪一个与野生鸟类的致死性有关，或与家禽或其他物种的致病性和传播性有关。同时，与家鸭无症状、地方性感染相关的H5N1型HPAI毒株的适应可能会导致持续的禽流感病毒外溢，导致人类持续接触的致病病毒库得以维持(Sturm-Ramirez等人，2005年). 然而，关于是否有任何H5N1 IAV毒株朝着人类适应的方向进化的数据有限。
禽H7和H9亚型感染：尽管H5N1的传播给禽流感疫情蒙上了阴影，但在过去十年中，至少发生了八起其他主要的禽类疫情，要么是由与亚洲H5N1病毒无关的新型H5或H7亚型HPAI病毒的出现引起的，要么是一例由H9N2 LPAI病毒引起的(亚历山大，2007). 其中一些动物流行病的特点是人类感染，很少有人死亡。自20世纪90年代中期以来，H9N2 LPAI菌株已在多个大陆的家禽种群中流行(亚历山大，2007)导致少数人感染。像H5N1一样，H9N2的不同遗传谱系已经建立，其中一些与H5N1病毒的内部基因片段密切相关。一些H9N2病毒甚至对人类形式的HA受体具有更强的特异性(Matrosovich等人，2001年). 2003年，一种H7N7 HPAI病毒在荷兰引起家禽流行病，并在区域范围内传播。在疫情得到控制之前，至少有86名家禽饲养工人及其三名接触者感染了禽流感病毒，并出现了结膜炎，无论是否患有流感样疾病；其中一人死了(Fouchier等人，2004年). 同样，2004年加拿大H7N3高致病性禽流感爆发期间，有两人患上了流感性结膜炎(Tweed等人，2004年). 然而，H5N1疫情是独特的，它会导致大量野生鸟类的感染和死亡(亚历山大，2007)野生和家畜偶尔感染，严重和致命的人类溢出感染(Peiris等人，2007年)以及在极少数情况下限制人与人之间的传播。
人类适应的分子相关性
尽管进行了大量研究，但IAV如何切换主机的基本问题仍未得到解答。人类适应的基础是病毒的基因变化，但人们对此也知之甚少；人与人之间的传播和发病机制。对于不同基因片段组合的病毒适合性的生物屏障仍知之甚少；然而，毒力/致病性、宿主适应性和宿主对宿主的遗传性可能是与不同的、可能是竞争的突变相关的独立属性。因此，毒力和致病性在病毒-宿主关系中的作用尚不清楚；相对较低的大流行性病毒(例如，1968年和2009年），中级(例如1889年和1957年）和更高(例如，1918）致病性均已适应人类并表现出有效的遗传性。
另一个复杂因素是，1918株IAV（PB2、PA、NP、M和NS）引入的八个基因片段中有五个片段在导致1957年H2N2和1968年H3N2大流行的重组事件中被保留()因此，从1918年至2010年，在大流行和季节性人类H1N1、H2N2和H3N2 IAV中持续传播(Morens等人，2009年). 许多研究小组进行了比较分析，提出了人类IAV适应特征的突变(Finkelstein等人，2007年;Taubenberger等人，2005年)，这与1918年的单主机交换机事件有关。然而，对独立的鸟类-哺乳动物宿主转换事件的研究表明，缺乏平行进化(Dunham等人，2009年). 2009年H1N1流感大流行病毒的意外出现进一步支持了IAV中这些宿主适应事件的独立性和多基因性(Herfst等人，2010年;Jagger等人，2010年;Mehle和Doudna，2009年).
血凝素受体结合特异性
IAV感染是通过其HA蛋白与携带SA的细胞表面受体结合介导的病毒粘附启动的。结合相互作用很弱，通过病毒上的多个HA分子与靶细胞上的SA受体之间的结合相互作用实现高亲和力(Matrosovich等人，2009年). HA糖蛋白与宿主糖蛋白尖端的某些SA异构体结合，强烈支持在确定宿主范围中的作用(Nicholls等人，2007年;陶本伯格，2006年).
HA受体结合域（RBD）在鸟类HA中是保守的，但那些适应人类的IAV在RBD的几个关键残基中有突变，包括位点138、190、194、225、226和228（H3编号）(Wright等人，2007年). 据认为，这些位点的突变增加了从α2–3到α2–6 SA的结合。对于适应人类或猪的H1亚型IAV，E190D和G225D（H3编号）被证明是增强α2-6结合的关键变化，而对于H2和H3亚型HA，Q226L被证明是关键变化(Wright等人，2007年). 已从海鸥而不是鸭子中分离出H13和H16 HA亚型IAV，这可能反映了宿主适应，因为H13和H16 HA都在RBD中发生突变(Matrosovich等人，2009年). 最近的研究使主机交换机的HA RBD要求更加复杂。大多数H5N1病毒感染都发生在对α2–3 SA具有RBD特异性的病毒中，尽管一些分离株已获得突变，使其与α2–6 SA的结合增强(Wright等人，2007年). 一些H7N2、H7N3禽IAV(Belser等人，2008年)和H9N2亚型(Matrosovich等人，2001年)已显示对α2-6 SA的特异性增强，但仅在人类中偶尔引起人畜共患感染。1918年大流行HA的序列分析（直接来自临床资料）表明，分离株在HA残基225处存在差异（3例含有人天冬氨酸，2例保留禽甘氨酸(Reid等人，2003年). 聚糖阵列和结构分析(Chandrasekaran等人，2008年;Stevens等人，2006年)结果表明，Gly为225的1918变异体具有混合α2–3/α2–6 SA结合特异性，而天冬氨酸为225时的序列具有α2–6SA结合特性，但两个病例之间的临床病程或尸检结果没有明显差异(Reid等人，2003年). 显然，增强与α2-6 SA的结合本身并不足以将禽流感适应型IAV的宿主切换到人类，也不足以满足人类感染的需要。携带1918 HA的IAV具有不同RBD配置（α2–3、α2–6和混合α2–3/α2–7特异性），均在小鼠中表现出毒性(Qi等人，2009年)和雪貂，但1918 HA仅具有α2–3特异性的病毒构建物在雪貂之间没有传播(汤佩等人，2007年). 有趣的是，2009年H1N1流感大流行病毒在225个位点的可变氨基酸也被分离出来。
显然，一些基本问题仍未得到回答。结构研究表明，在确定不同IAV HA的特异性时，仅考虑末端SA的连锁是不够的。这些不同聚糖在呼吸树上的分布是什么？个体之间的表达模式有多大差异，或者聚糖表达是否随年龄或其他生理状态而变化？H1–H3以外的HA亚型呢？据报道，有几种突变可以增强H5与α2-6的结合，但在数千人接触H5N1病毒至少11年后，这种突变并没有固定下来，这表明宿主适应期间HA RBD的变化极其复杂，不同亚型之间的变化必然不同(Ayora-Talavera等人，2009年).
H5或H7 HPAI病毒的HA具有多碱基裂解位点，是家禽的主要毒力因子。1918年大流行病毒的HA没有多碱基裂解位点，但在哺乳动物模型中已被证明是一种毒力因子(Kash等人，2004年;Kash等人，2006年;Kobasa等人，2004年). 然而，没有证据表明哺乳动物模型中的HA毒力与宿主适应有关。
剩余IAV基因
评估NA、M和NS编码基因中IAV拟人适应性变化的重要性的实验数据少得多。同样，NS基因中与宿主适应相关的突变尚不清楚。虽然鸟类有两个NS等位基因（A和B），但哺乳动物病毒只包含等位基因A，用禽等位基因B NS替代等位基因A-NS，显著限制了非人类灵长类动物的病毒复制(Treanor等人，1989年). 据报道，1918年病毒的NS基因是培养的人肺细胞中抗病毒和I型干扰素反应的一种非常有效的抑制剂(Geiss等人，2002年)，但与来自许多LPAI序列的NS1具有>98%的同一性。此外，1918年NS基因减弱了一种致命的小鼠适应病毒(Basler等人，2001年); 然而，1918年的病毒在小鼠中具有极高的毒性(Tumpey等人，2005年). 一些H5N1 NS1突变与复制和毒力增加有关，但它们在宿主转换中的作用尚不清楚。Seo等人报告说，含有NS基因和H5N1 HPAI的人类H1N1病毒在猪中的毒力增强需要用Asp取代氨基酸92的Glu(Seo等人，2002年)这种突变与干扰素耐药性增加有关(Lipatov等人，2005年). 在H5N1型HPAI病毒中发现了与毒力增加相关的其他突变，但其对宿主向人类转移的意义尚不清楚(Hale等人，2008年).
结论
IAV中的主机切换事件，即大流行性IAV的形成，或新型猪IAV谱系的出现，已被证明是独立进化的多基因过程。进化分析表明，很少有证据表明此类事件中存在平行或聚合突变，这表明历史偶然性在任何特定宿主开关基因型的起源中起着重要作用。相反，根据每个事件的病毒和宿主遗传背景，在一个宿主转换事件中被确定为重要的突变可能在其他此类事件中观察到也可能没有。因此，确定突变集作为替代物来确定未来IAV是否正在获得对哺乳动物适应至关重要的变化的实用性可能会受到限制。未来的进展将需要更好地了解所有IAV蛋白的结构-功能关系。
致谢
这项工作得到了NIH和NIAID的内部研究计划的支持。
脚注
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