Protein hemagglutinin (HA) và neuraminidase (NA) là kháng nguyên bề mặt đặc trưng cho bản chất của từng chủng virus cúm A [73], có vai trò đặc biệt quan trọng
trong quá trình gây nhiễm và góp phần rất lớn quyết định tính gây bệnh của virus. Gen
mã hóa kháng nguyên HAlà một glycoprotein có khả năng gây ngưng kết hồng cầu gà
trong ống nghiệm (in vitro), kháng thể đặc hiệu với HA có thể ngăn cản sự ngưng kết đó, được gọi là kháng thể ngăn trở ngưng kết hồng cầu (HI, Hemagglutinin Inhibitory test). Có 16 phân type HA đã được phát hiện, trong đó có 3 phân type (H1, H2 và H3) thích ứng lây nhiễm gây bệnh ở người liên quan đến các đại dịch cúm đã xảy ra trong lịch sử [91].
Hình 1.5 Mô hình cấu trúc hemagglutinin (lipid bilayer of envelope: Lớp màng bao lipid kép, 4 Major antigenic variable regions: 4 vùng biến đổi kháng nguyên chính, Receptor site: vị trí gắn với receptor) [116].
Phân tử HA có dạng hình trụ, dài khoảng 130 ăngstrom (Å), cấu tạo gồm 3 đơn phân (trimer) (Hình 1.5), mỗi đơn phân (monomer) được tạo thành từ hai tiểu đơn vị
HA1 (36 kDa) và HA2 (27 kDa). Các đơn phân sau khi tổng hợp đã được glycosyl hóa
(glycosylation) và gắn vào mặt ngoài capsid là tiểu đơn vị HA2, phần đầu tự do hình chỏm cầu được tạo bởi dưới đơn vị HA1 chứa vị trí gắn thụ thể thích hợp của HA trên bề mặt màng tế bào đích [27].
Gen HA gồm 2 đoạn là HA1 và HA2 nối với nhau bằng chuỗi oligopeptide, mã
hóa cho gồm một dãy các amino acid là arginine và lysine (-RRRKK-), tạo nên điểm cắt của protease. Đây là vùng quyết định độc lực của virus hay tính gây bệnh của
H5N1. Phần HA1 và HA2 bộc lộ ra ngoài màng và có khả năng làm ngưng kết hồng cầu
HA1
HA2
và chịu trách nhiệm cho việc gắn kết virus vào thụ thể trên bề mặt tế bào chủ trong giai
đoạn đầu tiên của quá trình xâm nhiễm[109].
Trên phân tử HA có hai vùng kỵ nước ở tận cùng đầu N và đầu C. Vùng kỵ nước ở đầu tận cùng N định hướng cho protein ra khỏi màng tế bào và bị cắt bỏ khỏi
HA trưởng thành, còn vùng tận cùng đầu C (gốc amino acid từ 186-211 của HA2) có
nhiệm vụ neo giữ phân tử protein trên vỏ virus [38]. Sự biến đổi trong gen mã hoá cho kháng nguyên HA là nguyên nhân gây ra các vụ dịch hằng năm.
Sự kết hợp của HA với thụ thể đặc hiệu (glycoprotein chứa sialic acid) trên bề mặt màng tế bào, khởi đầu quá trình xâm nhiễm của virus trên vật chủ giúp cho virus xâm nhập, hòa màng và giải phóng RNA hệ gen thực hiện quá trình nhân lên ở trong tế bào cảm nhiễm. Quá trình kết hợp phụ thuộc vào sự phù hợp cấu hình không gian của thụ thể chứa acid sialic của tế bào đích với vị trí gắn với thụ thể này trên phân tử HA của virus cúm, quyết định sự xâm nhiễm dễ dàng của virus ở các loài vật chủ khác nhau [116].
Nghiên cứu cấu trúc không gian ba chiều của gen kháng nguyên hemagglutinin H5 của virus gây bệnh ở gà và H9 ở lợn, cũng như H5 của virus thích ứng gây bệnh trên người cho thấy : virus cúm gà thích hợp với loại tế bào có thụ thể HA chứa acid sialic liên kết với đường galactose góc quay α-2,3, trong khi ở lợn và người virus cúm có thụ thể thich hợp ở góc quay α-2,6. Vị trí amino acid 226 (aa 226) của tiểu đơn vị HA1 được xác định là vị trí quyết định phù hợp gắn HA với thụ thể đặc hiệu. Ở hầu hết các chủng virus cúm A lưu hành trong tự nhiên vị trí này là glycine, thích ứng với thụ thể Gal α-2,3 sialic acid (chứa sialic acid liên kết với nhóm hydroxyl (4-OH) của galactose ở góc quay α-2,3) của tế bào biểu mô đường hô hấp của chim và gia cầm (vật chủ tự nhiên của virus cúm A). Ở các chủng virus cúm A/H1N1, A/H2N2 và A/H3N2 gây bệnh ở người, vị trí này trên protein HA là leucine, thích ứng với thụ thể Gal α-2,6 sialic acid có mặt ở tế bào biểu mô đường hô hấp dưới của người [108]. Các tế bào cảm thụ với virus cúm A của lợn có cả hai loại thụ thể này, do đó lợn được coi là vật chủ trung gian để virus cúm A tiến hóa thích ứng lây nhiễm sang người [108].
Ngoài ra, một số vị trí amino acid khác: glutamine 222, glycine 224, hay cấu
trúc SGVSS và NGQSGR cũng có sự liên quan chặt chẽ đến khả năng thích ứng với
thụ thể chứa sialic acid bề mặt màng tế bào chủ [73]. Đặc biệt, một số chủng virus cường độc A/H5Nx, A/H7Nx lưu hành hiện nay có thể xâm nhiễm trên người, khi chúng có tải lượng cao trong đường hô hấp (do tiếp xúc trực tiếp với chất thải hay gia cầm nhiễm bệnh) [25], [68].
Trình tự mã hóa chuỗi nối và thành phần chuỗi nối trên protein HA cũng như các vị trí amino acid liên quan đến khả năng gắn với thụ thể thích ứng, được coi là các chỉ thị phân tử trong nghiên cứu phân tích gen kháng nguyên HA [73]. Protein HA kích thích cơ thể sinh ra đáp ứng miễn dịch dịch thể đặc hiệu với từng type HA và tham gia vào phản ứng trung hòa virus. Vì thế HA được coi là protein vừa quyết định tính kháng nguyên, vừa quyết định độc lực của virus vừa là đích của bảo vệ miễn dịch nhằm ngăn chặn sự xâm nhiễm của virus ở cơ thể nhiễm và là cơ sở trong điều chế các vaccine phòng cúm hiện nay [64], [73].
Chuỗi oligopeptide nối giữa HA1 và HA2 thuộc loại hình riêng biệt, đặc trưng cho các biến thể H trong quá trình tái tổ hợp tạo nên biến chủng [58], [115]. Chuỗi này chứa một số amino acid mang tính kiềm (basic amino acid) làm khung, thay đổi đặc hiệu theo từng loại hình phân type. Sự biến đổi thành phần của chuỗi nối quyết định tính độc lực của virus thuộc biến chủng mới [66]. Nếu ở điểm cắt của protease càng có nhiều amino acid kiềm (arginine và lysine) thì khả năng HA được phân cắt càng lớn, và quá trình xâm nhập nội bào nhanh dẫn đến tăng độc lực của virus cúm A [27], [115].
Đối với phân type H5N2 chuỗi nối này có cấu trúc VPQRKRKTR. Đối với các
phân type H vô độc (hoặc nhược độc) của H5N1, H5N2, H5N3, H4N6 và H11N1, loại
hình của chuỗi nối này có cấu trúc là VPQRETR [65], [129]. Đối với các chủng H5
cường độc, cấu trúc của chuỗi nối là TPQRERRRKKR, trong đó RRRKK quyết định
tính gây bệnh của H5N1. Sự đột biến „„giãn nở” chuỗi nối giữa HA1 và HA2 mã hóa cho các amino acid kiềm có liên quan đến tiến trình tăng cường độc lực của virus và ở các chủng thuộc phân dòng Quảng Đông (Guangdong-like sublineage), các amino acid thông
thường là -RRRKK- [39], [86] còn ở các chủng thuộc phân dòng Phúc Kiến (Fujian-like sublineage) các amino acid của vùng chuỗi nối là -RRRK- [6], [9].
Mức độ gây bệnh của virus cúm A còn phụ thuộc rất lớn đến chức năng hoạt động của vùng tiếp nhận enzym protease để cắt rời HA khỏi thụ thể sialic
acid [108]. Virus cúm A không có gen tổng hợp enzym protease, mà phải nhờ vào
hỗ trợ của tế bào cơ thể bị nhiễm virus. Càng có điểm cắt protease hoàn chỉnh và cắt đặc hiệu, càng có nhiều enzym tham gia cắt thụ thể, thì virus mới nhanh chóng xâm nhập vào tế bào thực hiện quá trình nhân lên tạo nhiều virus mới và mức độ gây bệnh cũng vì thế mà nặng nề hơn. Khi cơ thể gia cầm bị đa nhiễm nhiều vi khuẩn, đặc biệt là tụ cầu khuẩn Staphylococcus và liên cầu khuẩn
Streptococcus, thì hoạt động tương tác gây bệnh của virus cúm A càng mạnh mẽ hơn, do các loại cầu khuẩn này có nhiều protease trợ giúp cho virus cúm trong
quá trình thực hiện cắt hemagglutinin khỏi thụ thể để gây bệnh [35].