PRRSV诱导炎症及氧化应激的研究进展

张文涛，郭艳余，黄金海，张 蕾

（天津大学生命科学学院，天津 300072）

猪繁殖与呼吸综合征病毒（Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus，PRRSV）是引起猪繁殖与呼吸综合征（Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome，PRRS）的病原体［1］。迄今为止，PRRSV主要分为2种基因型：PRRSV-1（欧洲基因型）和PRRSV-2（北美基因型）［2］，分别在1990年和1987年被发现并报道［3］。在中国，自1995年PRRSV首次报道以来，PRRSV-2毒株已占主导地位［4，5］。由于2006年大规模PRRS暴发和高致病性PRRSV（HP-PRRSV）的鉴定，使得PRRSV毒株在中国流行，给国内养猪业造成了巨大的经济损失［5，6］。2013年以后，PRRSV变异株NADC30－like又给中国养猪业造成了严重的打击［7，8］。PRRSV的传播途径主要有以下3种：接触性传播（未感染猪接触含病毒的口鼻分泌物、排泄物等）、精液传播和空气传播［9］，其传染力和引发的临床症状与病毒的致病性、猪的易感性和表型、微生物的感染压力和饲养环境有很大关系［10］。PRRSV毒株的基因型重组、变异及混合感染等特性也为其预防和控制带来了巨大的困难。

PRRSV感染仔猪可以引起严重的系统性炎症、间质性肺炎和发热等症状［11］，而其肺脏组织病理学观察可见肺泡壁增厚，大量炎性细胞浸润间质及肺泡中等间质性肺炎的典型特征［12］，说明炎症反应在PRRSV感染和致病机制等方面扮演着重要的角色。活性氧自由基（Reactive oxygen species，ROS）的增加是引起氧化应激的主要原因，也是发炎组织中致病性氧化损伤的标志［13］。有报道指出，氧化应激和炎性细胞因子的过量会导致PRRSV等多种疾病的组织损伤［14］。这表明炎症和氧化应激反应在PRRSV感染和致病机制等方面起重要作用。因此，研究其致病机制对预防和控制PRRSV给养猪业带来的损害至关重要，本研究就PRRSV引起炎症和氧化应激反应的分子机制进行综述，以期为这方面研究提供参考。

1 PRRSV的基因组结构特征

PRRSV是一种单股正链RNA病毒，属于动脉炎病毒科（Arteriviridae）动脉炎病毒属（Genusarterivirus）［15］。其基因组长度约15 kb，含有11个开放阅读框（Open Reading Frame，ORF），分别是ORF1a、

ORF1a′、ORF1b、ORF2、ORF2b、ORF3、ORF4、ORF5、ORF5a、ORF6和ORF7，其中ORF1a、ORF1a′和ORF1b编码4种已知的复制酶多聚蛋白（pp1a、pp1a-nsp2N、pp1a-nsp2TF和pp1ab），这些多聚蛋白会被4种病毒编码的蛋白酶PLP1α、PLP1β、PLP2和SP共翻译和翻译后加工成至少16个不同的非结构蛋白（Non-structural proteins，Nsps）。其结构蛋白（Structural proteins）则仅通过一组亚基因组RNA（Subgenomic RNA，sgRNA）2-7通过共端不连续转录策略来翻译，共含8个开放阅读框，分别编码糖蛋白2（Glycoprotein 2，GP2）、未糖基化包膜蛋白（E）、GP3、GP4、GP5、ORF5a蛋白、膜蛋白M和核衣壳蛋白（N）［15］。

2 PRRSV诱导机体的炎症反应

炎症反应是机体对微生物感染、外界刺激以及自身组织损伤作出的复杂生物学反应，包括发红、肿胀、发热、疼痛以及组织功能受损等一系列症状。炎症反应既能保护机体，也能对机体造成持续性的伤害。这是因为一方面，炎症反应能够及时清理病原体和受损的细胞并引发愈合过程；另一方面，不受控制的炎症反应会引起组织和细胞的各种病变，诱发自身免疫性疾病及其他炎症性疾病，甚至导致机体死亡。

在炎症反应过程中，由不同细胞群体（主要是免疫细胞）分泌的炎性细胞因子，因其生物学功能不同，主要分为两类：促炎性细胞因子和抗炎性细胞因子，其本质是由免疫细胞分泌的信号蛋白，可以作用于分泌它们的相同细胞（自分泌信号）、邻近细胞（旁分泌信号）或遥远的靶细胞（内分泌信号）［16］，促进细胞之间的相互作用和通信［17］。促炎细胞因子，例如白细胞介素IL-1、IL-2、IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子TNF-α等刺激炎症发生，而抗炎细胞因子，例如IL-4、IL-10、IL-13和转化生长因子（TGF-β）等抑制炎症反应［18］。通常情况下，促炎介质编码基因在健康机体不表达，但是如果由外伤、感染或毒素引起的炎症，会触发促炎介质编码基因的表达［18-21］。病毒感染早期属于急性感染期，机体受到病原刺激后会立即诱导促炎性细胞因子，如TNF-α、IL-1β和IL-6等的表达以启动炎症反应［22］。

2.1 PRRSV通过多条信号通路诱导炎性细胞因子的表达

在很多呼吸道病毒感染中，促炎性细胞因子对于介导炎症反应激发机体免疫应答必不可少，而PRRSV感染会引起细胞因子风暴，诱导大量促炎性细胞因子的释放，这是导致PRRSV感染猪后产生严重的炎症反应的原因之一，也被认为是PRRSV发病机理的原因之一［23，24］。PRRSV通过在鼻甲、扁桃体、肺、淋巴结、脾脏、肝脏、肾脏、胸腺、脑、心脏、骨髓和脉络丛等器官组织中复制，导致促炎细胞因子如IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α等的大量产生，引起呼吸道感染和肺炎等疾病［25-27］。这些促炎性细胞因子在细胞内多条信号通路中起重要作用，表明PRRSV感染可能通过多种不同的信号通路诱导炎性细胞因子的产生。

1）通过Toll样受体信号通路诱导炎性细胞因子的产生。Jing等［28］研究发现，PRRSV感染原代猪肺泡巨噬细胞（Porcine Alveolar Macrophages，PAMs）后，IL-1β的转录和蛋白表达水平均以时间和剂量依赖性方式显著增加，其中，TLR4-MyD88途径和其下游信号传导分子MAPK家族的ERK1/2和p38以及更下游的NF-κB都参与介导了PRRSV感染期间NLRP3的表达和IL-1β的产生（表1），同时宋爽［29］的研究也表明，PRRSV在感染PAM和非洲绿猴肾传代细胞系Marc-145后，可以通过该信号通路诱导了IL-1β、IL-6和IL-8的产生［29］。Chen等［30］也发现在小胶质细胞中，MyD88-ERK1/2-AP-1信号通路在PRRSV诱导的IL-1β产生中起重要作用。Li等［31］的研究显示，PRRSV通过TRIF-PKCβ1-TAK1-NF-κB信号通路上调多效炎症细胞因子IL-15的表达。

表1 细胞信号通路缩略词

2）通过RIG-I样受体信号通路诱导炎性细胞因子的产生。Yu等［32］研究发现，PRRSV通过JNKAP-1和NF-κB信号通路诱导IL-12 p40（IL-12的基本亚基）的表达。还有研究人员发现，PRRSV可以通过JNK/AP-1途径上调IL-8的表达，从而吸引中性粒细胞进入肺，产生炎症［33，34］。Li等［31］的研究显示，PRRSV通过MAVS-PKCβ1-TAK1-NF-κB信号通路上调多效炎症细胞因子IL-15的表达。

2.2 PRRSV多个蛋白诱导炎性细胞因子的表达

研究发现，不同致病性的毒株引起的炎性细胞因子的分泌状况也是不尽相同的［35］，并且不同病毒蛋白在诱发机体炎症反应方面也发挥着不同的作用。

1）通过非结构蛋白诱导炎性细胞因子的表达。Fang等［36］的研究显示，PRRSV（WUH3株）的Nsp2可诱导IκBα降解和NF-κB的核易位并诱导NF-κB依赖性炎性细胞因子，如IL-6、IL-8等，也可能参与病毒对宿主细胞TNF-α反应的调节［37］，同时宁娟［38］的研究也证明了Nsp2在Marc-145细胞中的表达能激活IL-8，但具体的结构域未确定。Ying等［24］发现，PRRSV强毒株VR-2385的Nsp12能够通过p38/MAPK途径诱导STAT1的727位丝氨酸磷酸化水平升高以及IL-1β和IL-8的表达。PRRSV感染还会导致IL-10剂量依赖性表达，其表达与NF-kB信号通路和p38/MAPK通路相关［39，40］，PRRSV感染猪后会导致抗炎性细胞因子IL-10升高，并通过炎性细胞浸润诱导肺部病变［41，42］，而PPRSV的Nsp11和Nsp5是IL-10的强诱导剂，可诱导较强的IL-10反应［43，44］。

2）通过结构蛋白诱导炎性细胞因子的表达。宁娟［38］的研究显示，PRRSV的结构蛋白N蛋白的30～73氨基酸区域对Marc-145细胞中IL-8的激活和表达有作用。PRRSV感染还会导致IL-10剂量依赖性表达，其表达与NF-kB信号通路和p38/MAPK通路相关［39，40］，其结构蛋白N和GP5可显著激活IL-10的启动［43］。综上所述，PRRSV诱导机体产生炎症反应的机制如图1所示。

图1 PRRSV诱导机体产生炎症反应的机制

3 PRRSV诱导机体的氧化应激反应

氧化应激是指机体在遭受外来有害刺激时，体内高活性分子如ROS和活性氮自由基（Reactive nitrogen species，RNS）产生过多，而细胞无法清除过载的氧化物，致使中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增加，氧化中间产物增加，最终导致细胞组织形成损伤［45］。氧化应激是自由基在体内产生的一种负向调节作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素［45，46］。病毒感染会引起细胞ROS的释放，过量的ROS会使生物膜磷脂层发生脂质过氧化反应，从而产生丙二醛（Malondialdehyde，MDA）等代谢产物，激发细胞产生氧化应激反应，因此，ROS可以调节宿主的炎症和免疫反应，也被认为是病毒感染过程中引起细胞氧化应激和氧化损伤的主要原因［47］。但是ROS在病毒性疾病病理进程中也能激活机体免疫系统，在病毒清除和免疫导致的细胞损伤方面起到正面的调节作用［48］。

1）PRRSV通过调控ROS相关通路导致氧化应激。病毒感染期间氧化还原平衡的变化与病毒的发病机制有关［49］，PRRSV作为一种RNA病毒，也可导致猪产生氧化应激反应［50，51］，并且张浩等［52］的研究表明，在高致病性PRRSV感染Marc-145细胞过程中，会使细胞产生氧化应激反应，并且是通过ROS的产生来诱导氧化应激［53，54］，而ROS的上调与线粒体功能障碍有关［54］，也可能归因于细胞中诱导型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）升高，而iNOS的升高与较高的热休克蛋白90（HSP90）表达和较低的微囊蛋白1（Cav-1）表达有关［55］。线粒体ROS的产生还和PRRSV诱导的Marc-145细胞凋亡性死亡有关［13］，宿主细胞的凋亡诱导在PRRSV感染的发病机理中起重要作用［56］。而与PAM相比，PRRSV感染的单核细胞衍生的巨噬细胞（Monocytederived macrophages，MDMs）中产生了更高水平的ROS和促凋亡基因的表达［57］。ROS还可以攻击生物膜上的多种不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化作用，从而诱导诸如NF-κB活化等细胞作用［58，59］。同时Yan等［51］的研究发现，PRRSV感染Marc-145细胞之后会产生ROS并直接激活NF-κB，或通过激活某种细胞信号途径产生ROS，导致IkBα的降解以及随后NF-κB的激活。

2）PRRSV通过抑制抗氧化酶活性导致氧化应激。ROS调节细胞对病毒复制的允许性［60］，在PRRSV感染的猪中观察到了谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione Peroxidase，GSH-Px）的降低［61］，这表明PRRSV感染后会通过抑制抗氧化酶活性导致氧化应激。有研究表明，PRRSV可以下调Marc-145细胞、PAM细胞和受感染猪的肺组织中超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）的表达，降低谷胱甘肽的表达，并增加ROS和MDA的产生［62］。这些结果表明，PRRSV诱导的氧化应激环境可能对于其病毒复制是有益的。而细胞内经典的抗氧化途径，NRF2-ARE信号通路可以通过促进NADPH脱氢酶醌-1（NADPH Dehydrogenase Quinone-1，NQO1）和SOD等抗氧化酶的分泌，维持适当的氧化还原状态，也会从另一方面抑制PRRSV感染引起的组织损伤和氧化应激反应，保护细胞和机体稳态［62］。在感染了PRRSV的PAM细胞和小胶质细胞中也检测到了ROS的上调，他们的产生还增加了这些细胞在细胞因子水平上的炎症反应［63］，氧化应激是病毒感染过程中非常重要的一环，病毒感染过程中也会通过炎症性细胞因子（如TNF-α或IL-1）促进ROS产生，之后ROS激活NF-κB进而诱导SOD的过度表达，来降低线粒体中的氧化还原状态的平衡［64］。这说明PRRSV诱导的炎症和氧化应激反应之间存在复杂的关系，值得深入研究。

4 展望

尽管在过去的30年中，研究人员对PRRSV引起的炎症发病机理的分子机制取得了一些进展，但是针对其诱导的氧化应激反应的分子机制却研究较少。病毒感染后产生的ROS可在机体内引起氧化应激并引起巨噬细胞对炎性细胞因子（如TNF-α和IL-1等）的释放，从而造成广泛的损伤作用，加重疾病进程［65］，而ROS清除剂可显著消除促炎性细胞因子（IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-8）的活化，这表明ROS对于促炎性基因的产生也至关重要［63］。宋爽［29］的研究也发现，ROS也参与PRRSV感染诱导的IL-1β、IL-6和IL-8的产生。而感染猪肺部的旁观者效应是由于病毒引起的促炎性细胞因子和趋化因子的异常和持续分泌，这导致了吞噬细胞释放的ROS的过量产生［66］。这也为研究PRRSV诱导产生的炎症和与氧化应激之间的复杂关系提供了线索。