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流感是由流感病毒引起人类和动物发生的急性呼吸道传染病，历史上几次大流感曾给人类带来重大灾难，令人谈之色变。流感何以防不胜防，究其原因是流感病毒极易变异，产生能够避过人类免疫系统的新毒株，从而有可能演变成严重的疫病。让我们来看看流感病毒究竟是如何变异，又是如何传播的？

流感的历史

流感并不是近代才开始困扰我们的。早在2400年前，希腊名医希波克拉底（Hippocrates）就描述了人类流感的症状。之后历史上有许多关于流感流行的记录，但是这些记录并不都十分确切，因为流感病毒表现的症状同其他一些流行疾病，例如白喉、肺炎、伤寒、登革热以及斑疹伤寒征等疾病的症状非常相似。最早有依据的流感流行发生在1580年，疫情在俄罗斯开始发生，接下来经非洲传播到欧洲，最终美洲也未能幸免。这次疫情非常严重，几乎在6周之内横扫了整个欧洲，罗马报道大约有8000人死于该次疫情，西班牙的一些城市几乎遭到灭顶之灾。在17～18世纪，流感病毒的流行一波接一波，特别是在1830～1833年间，疫情的流行比较严重。但上述疫情都没有1918～1919年的“西班牙流感”剧烈。

1918年，疫情最开始在春天以非常温和的形式出现，感染者的发病率和死亡率都不高。由于病毒出现的症状非常轻，甚至有科学家在《柳叶刀》杂志发表文章提出疫情并不是由流感病毒引起。戏剧性的是，在文章刊登的几周之后，第二轮疫情袭来，这次，病毒摘掉了它温柔的面纱，露出致命本色，并且在1919年出现了第三波致命的疫情，这是人类历史上最严重的一次由流感病毒感染所致的疫情，疫情在全球范围流行，包括北极以及遥远的太平洋岛国。据估计全球大约有2.5%～5%的人死于这场疫情。

一直致力于流感病毒研究的诺贝尔奖得主Frank Macfarlane Burnet教授认为，这次疫情至少导致了5000万～1亿人死亡。在这之后又发生了两次人类流感病毒的流行，1957年亚洲流感和1968年香港流感。虽然这两次疫情远远没有1918西班牙流感剧烈，但也导致了数百万人的死亡。

流感病毒长啥样？

流感病毒在分类学上属于正粘病毒科（Orthomyxoviridae），是分节段的单股负链RNA病毒。各种亚型的流感病毒粒子在形态上没有很大的区别。通常，病毒粒子为球形，直径一般为80～120纳米。在电镜下可见球形的病毒粒子被囊膜包裹，在囊膜表面有许多放射状排列的纤突。一种纤突为血凝素（Hemagglutinin，HA），另外一种纤突为神经氨酸酶（Neuraminidase，NA）。这两种蛋白是流感病毒的特征性蛋白，是流感病毒的分型依据。在球形病毒粒子的中心是直径40～60纳米的锥状核心，这个核心是由病毒的8个RNA片段组成。

根据流感病毒的核蛋白（Nucleoprotein, NP）和基质蛋白（Matrix 1, M1）抗原性差异，流感病毒被分作甲、乙、丙型流感病毒。甲型流感病毒进化速度非常快，并且具有非常广的感染谱，能够感染禽类、人类和其他哺乳动物。乙型流感病毒几乎只感染人类，偶尔能从受感染的海洋动物和雪貂中分离到。乙型流感病毒的突变率远远低于甲型流感病毒，并且目前只分离到一种亚型的乙型流感病毒。丙型主要在人际间传播，也可以在猪体内分离到。丙型流感病毒不常见，只是偶尔引起儿童感染，产生轻微症状。虽然这3种类型的流感病毒都能感染人，但是只有甲型流感病毒同大规模流感疫情的暴发有关，是引起人类流感的主要病原。甲型流感病毒由于其高的进化率，根据流感病毒表面血凝素和神经氨酸酶抗原性的不同被分作很多亚型。

血凝素是流感病毒最重要的表面抗原。由于其在体外能够凝集红细胞，并且使红细胞聚集成团，故得名“血凝素蛋白”。在电子显微镜下观察病毒粒子，血凝素是棒状的纤突，位于病毒表面，每个血凝素纤突是由3个血凝素单体分子组成，每个血凝素单体可分成两部分，一部分是呈球状的头部，病毒通过这个部分完成识别宿主细胞的过程；另一部分为柄，用来帮助病毒完成入侵过程。因此，可以说血凝素是流感病毒所有蛋白中最重要的一个，在病毒的入侵过程中，它能够将病毒吸附在宿主细胞上，并且帮助病毒穿过细胞膜。血凝素是具有抗原活性的糖蛋白，目前至少有16种不同抗原性的血凝素，用H1～H16来表示，上述亚型并不是同时在人和动物中流行。到目前为止，在人群中流行的血凝素只有3个亚型—H1、H2和H3。在猪群中流行的亚型主要有H1和H3。但是所有的16个血凝素亚型均能从水禽中分离到，因此，水禽被认为是流感病毒的储存宿主，也称为基因储存库。有学者认为，所有哺乳动物的流感病毒最初都来源于禽类的流感病毒。

神经氨酸酶是流感病毒另外一个主要的表面抗原，它以四聚体的形式存在于流感病毒囊膜表面。4个神经氨酸酶单体的头部聚在一起形成一个盒状结构，下面连接的是一个细的颈部区，因此，整体的外形非常像蘑菇。在病毒粒子的表面，血凝素和神经氨酸酶的分布并不是均匀地按照1:1的比例分布，血凝素的数量大约是神经氨酸酶数量的3～4倍。并且与血凝素不同，在病毒粒子表面，神经氨酸酶一般是呈簇状存在的。神经氨酸酶在病毒的整个生命周期中同样发挥着重要作用，它能够帮助已经成熟的病毒从感染的宿主细胞表面释放出来，新生成的病毒才能够去感染新的健康宿主细胞。目前分离到的流感病毒的神经氨酸酶亚型有9种，用N1～N9来表示。在人类中分离到的流感病毒的神经氨酸酶只有两种亚型，N1和N2，而所有不同的9种神经氨酸酶亚型均已在禽类流感病毒中分离到。

不同流感病毒粒子表面可能具有不同的血凝素和神经氨酸酶组合，并根据这种组合来命名。人流感病毒根据其H1、H2和H3，以及不同的N1和N2，常流行的病毒亚型组合有H1N1、H3N2和H2N1亚型。猪流感病毒常见的血凝素亚型有H1和H3，神经氨酸酶亚型有N1和N2，其中常流行的病毒亚型组合是H1N1和H3N2。猪群中流感的流行比较普遍，多数情况下会导致病猪体重减轻，但致死率不高，一般发病7～10天后就会康复。在禽类中有16种血凝素亚型，9种神经氨酸酶亚型，主要流行的亚型组合有136种之多。按其致病性，禽流感分为非致病性、低致病性和高致病性3大类。非致病性禽流感不会引起明显临床症状，仅使染病的禽鸟体内产生抗体。低致病性禽流感可使禽类出现轻度呼吸道症状、食量减少、产蛋量下降，并出现零星死亡。高致病性禽流感发病率和死亡率高，可引起鸡100%死亡，大多数高致病性禽流感的暴发流行是由H5或H7亚型病毒引起。

流感病毒如何入侵？

流感病毒进入宿主细胞要经历两个过程，一是病毒识别细胞表面的受体，二是病毒粒子的囊膜同感染细胞的膜结构发生膜融合。那么，病毒到底如何完成入侵细胞的整个过程？这一问题的阐明有赖于流感病毒囊膜表面血凝素蛋白晶体结构的解析。

流感病毒的受体结合位点位于血凝素分子顶端的球状区域，流感病毒感染宿主细胞的第一步就是要用头部的受体结合位点去识别宿主细胞表面的唾液酸受体，这样的结合过程使病毒能够吸附到宿主细胞上，并且为下一步入侵做好准备。

接下来，病毒通过细胞内吞作用，被包裹在吞噬泡（Vesicle）中进入细胞。随后，吞噬泡与细胞溶酶体发生膜融合，形成一个叫吞噬小体（Endosome）的膜结构。在吞噬小体膜和病毒囊膜上有离子通道，细胞质中的H+离子通过这些通道进入吞噬小体和病毒粒子内部，使得吞噬小体内液体环境的pH值不断降低，当pH值低至5.0时，HA蛋白发生了不可逆的变形以帮助病毒完成病毒囊膜与宿主的膜融合过程，进而完成入侵过程。

膜融合发生后，病毒粒子内部的遗传物质也随之释放到细胞质内，病毒开始转录与复制的一系列过程之后，新的子代病毒被制造出来。这些新包装出的子代病毒是唾液酸化的，聚集在感染宿主的细胞膜上，还没有感染性，必须借助于神经氨酸酶的唾液酸酶活性水解唾液酸后，才能将病毒粒子从细胞表面释放，进一步感染临近的正常细胞。

目前应用最多的抗流感病毒药物，正是针对于这一过程设计的。药物抑制了神经氨酸酶蛋白的唾液酸酶活性，这样新合成的子代病毒，不能从感染细胞上释放出来，从而失去了继续感染正常细胞的能力，从而也就中止了流感病毒感染的进一步发生。病毒感染细胞产生子代病毒的过程可持续几个小时，产生的病毒粒子形态不均一，且常有复制缺陷性病毒粒子的产生。病毒完全释放后的感染细胞并不会裂解，但细胞的最终结局是走向死亡。

抗原漂变、抗原漂移与基因重配

在流感病毒入侵时，人类机体并不是被动地接纳，相反，机体的免疫系统为了清除病毒会充分调动起来。血凝素和神经氨酸酶作为病毒粒子表面的糖蛋白，就像纤突状防护衣，包围在病毒粒子周围，最容易被宿主的免疫系统识别，作为免疫系统的靶标，从而导致病毒被清除。因此，当流感病毒处在宿主机体的免疫压力下，必须改变血凝素或者神经氨酸酶抗原性，才能逃脱宿主免疫系统的追杀。

流感病毒可能经历两种不同改变来逃脱宿主的免疫压力。首先，病毒可以改变它的“防护衣”，也就是要改变病毒表面的血凝素和神经氨酸酶蛋白。

当病毒的蛋白外衣发生点突变，并且不断累积导致氨基酸序列改变，从而改变了血凝素的抗原位点时，就会产生具有新的抗原性的毒株，从而逃脱了宿主机体免疫系统的识别，这种变化被称为抗原漂移（antigenic drift）。由于禽类生命周期比较短，因此受到的免疫压力小，所以在禽类，特别是在其野生水禽宿主中，流感病毒处于一个相对静止的状态，发生抗原漂移的频率并不高。但是在人体内流感病毒的抗原漂移却不断发生，每年引起人类流感发生的流行株的血凝素大约发生40%左右的变异。因此人类会反复感染流感病毒，并且每年必须接种重新构建的人流感病毒疫苗株。

除了这种小幅度变化之外，流感病毒也会非常彻底改变它的糖蛋白外衣，从而产生一个具有新的血凝素，或是同时具有新的血凝素和神经氨酸酶的病毒粒子。由于抗原突变幅度较大，导致了新亚型的产生，这种变异被称为抗原转变（antigenic shift）。

另外，流感病毒的球形外壳就像是房子，里面容纳着8个单独的病毒RNA片段。当病毒在宿主细胞中繁殖复制时，这8个片段会编码成11种不同的蛋白，每一种蛋白都发挥着不同的功能，从而保证病毒粒子在这个宿主细胞中成功繁殖，并且从感染细胞中释放出去，再去感染其他细胞。但当不同的流感病毒同时感染了一个细胞，不同病毒粒子中的RNA片段就有机会进入到其他病毒粒子的房间内，这样由于互相交换了病毒片段，就会产生不同的病毒后代。回顾历史，引起人类历史上流感病毒大流行的流行株大多是通过这种病毒片段进行交换，也就是“基因重配”而来。引起1957年“亚洲流感”的H2N2病毒，编码它的PB1、血凝素和神经氨酸酶基因均来自于禽流感病毒，而其他基因则来源于当时流行于人群中的H1N1亚型流感病毒。引起1968年“香港流感”的H3N2亚型流感病毒的PB1 和血凝素基因来自于禽流感病毒，而其他基因则来自于当时人群中流行的H2N2 病毒。

猪：病毒混合器

流感病毒具有严格的宿主特异性，不同宿主的流感病毒，尤其是人与禽流感病毒之间，一般情况下不能相互传播。不带有人宿主病毒基因特征的流感病毒不能在人群中长期流行。那么，人流感病毒与禽流感病毒在自然条件下究竟是如何发生基因重配的？

流感病毒入侵宿主细胞的第一步，是病毒的血凝素要识别细胞上特异性的唾液酸受体。人和动物感染的流感病毒识别宿主细胞上的特异性受体不同，人的流感病毒识别的细胞特异性受体是唾液酸a2,6半乳糖的唾液寡糖（SAa2，6Gal），主要存在于人的呼吸道中；禽流感病毒识别的特异性受体唾液酸a2，3半乳糖的唾液寡糖（SAa2，3Gal），主要存在于水禽的消化道以及呼吸道中。因此，人流感病毒以及禽流感病毒具有较强的宿主特异性，人的流感病毒一般情况下不能感染禽类，而禽类的流感病毒也不能感染人类。因此，理论上，不同来源的流感病毒发生基因重排的机会很低。但是，由于猪体内同时具有SAa2,6Gal和SAa2,3Gal两种受体，因此猪的种间屏障相对较低, 既能够被人流感病毒感染，也能够被禽流感病毒感染。猪体为不同来源流感病毒的重配提供了非常好的场所，因此，通常被称为流感病毒的混合器（mixing vessel）。可以说在流感病毒进化过程中，猪就像是病毒中途休息的小旅馆，在这个“小旅馆”中，不同来源的病毒可以交换彼此内部基因，从而成为一个新的流感病毒。如果猪同时感染猪流感病毒、禽流感病毒和人流感病毒，很容易产生二源重配病毒，甚至三源重配病毒。由于这个新的重配病毒具有不同的抗原性，因此很多人对这个病毒只有部分免疫力或者是没有免疫力。当这个病毒获得了在人与人之间有效传播的能力，很可能就会导致一场新的流感疫情的暴发。

正是由于流感病毒粒子能够改变其表面的抗原性逃脱宿主的免疫系统，并且病毒粒子的8个片段还可以在它的混合器中不断重组产生新的病毒粒子。因此，虽然从1933年分离到第一株人类流感病毒以来已经过去了70多年，但科学家对于流感病毒的研究却从未间断过，人类对抗流感病毒的脚步也从未停止过。

（本文发表于《科学世界》2009年第6期）