Các chủng virus cúm A/H1N1, A/H2N2 và A/H3N2 biến đổi thích nghi xâm nhiễm lây truyền và gây ra đại dịch cúm A ở người trong lịch sử, đều có nguồn gốc hình thành từ virus cúm A lưu hành ở chim hoang dã, trực tiếp hoặc qua các loài vật chủ trung gian có mối liên hệ gần gũi với người (gia cầm, lợn) [2], [6], [10].
Khả năng thích nghi xâm nhiễm và lây truyền ở người là kết quả tương tác tổng hợp biến đổi đặc tính di truyền hệ gen virus, do sự tích lũy các đột biến điểm trong mỗi phân đoạn và/hoặc tái tổ hợp các phân đoạn của hệ gen giữa virus cúm
gia cầm với virus cúm A thích nghi ở người trước đó. Trong đó, đột biến điểm và sự tái tổ hợp của các gen PB2, PB1 và PA, có vai trò quan trọng giúp virus thay đổi độc lực gây bệnh, thích nghi nhân lên trong tế bào cảm thụ ở người và ổn định khả năng lây truyền dễ dàng của virus giữa người với người [51], [52], [53].
* Đột biến điểm trong các gen PB2, PB1 và PA của virus cúm A gây đại dịch cúm ở người:
Các kết quả nghiên cứu phân tích so sánh cho thấy, hệ gen của các chủng virus cúm A gây đại dịch cúm ở người có nhiều đột biến khác biệt xảy ra trong các phân đoạn gen, gồm cả các gen PB2, PB1 và PA, so với hệ gen của phân type virus cúm A tương ứng ở gia cầm [1], [2], [6].
+ Nghiên cứu của Taubenberger và cs., (2005) [45] phát hiện, có một số vị trí khác biệt về amino acid trong các gen PB2, PB1 và PA của chủng virus cúm A/H1N1 gây đại dịch năm 1968, cùng với các virus cúm A/H1N1, A/H2N2 và A/H3N2 thích nghi ở người, so với các gen tương ứng của virus cúm A ở gia cầm. Các vị trí sai khác được chứng minh là đột biết làm thay đổi amino acid, bao gồm: 5 vị trí (A199S, L475M, D567N, E627K và K702R) trong trình tự protein PB2, 1 vị trí (N/S/T375S) trong trình tự PB1, cùng với 4 vị trí (D55N, V100A, E382D và T552S) trong trình tự protein PA (Bảng 1.3).
- Các đột biến trên làm thay đổi hiệu quả tương tác giữa các protein PB2, PB1 và PA trong phức hợp enzym polymerase, góp phần thay đổi đặc tính gây bệnh và lây truyền, tạo ra khả năng thích nghi của virus cúm A từ gia cầm sang người [17], [27], [35], [45], [54].
- Vị trí amino acid 627 trong protein PB2 được Subbarao và cs., (1993) [55] phát hiện, như là yếu tố quan trọng xác định giới hạn loài vật chủ của virus A. Theo Massin và cs., (2001) [56], đột biến thay đổi glutamic acid (E) thành lysin (K) tại vị trí 627 (E627K) trong protein PB2, có vai trò như chìa khóa quyết định thay đổi khả năng thích nghi nhân lên của virus cúm A từ gia cầm sang người và động vật có vú, liên quan khác biệt về nhiệt độ cơ thể giữa các loài vật chủ nói trên. Vai trò của đột biến E627K kết hợp với trình tự các amino acid từ vị trí 362 đến 581, hoặc thay đổi aspartic acid (D) thành asparagin (N) tại vị trí 701 (D701N) trong protein PB2, cũng
được chứng minh liên quan đến hoạt tính phức hợp enzym polymerase, phụ thuộc vào nhiệt độ giữa cơ thể gia cầm và động vật có vú (bao gồm cả người) [57], [58].
Bảng 1.3. Các vị trí thay đổi amino acid trong protein PB2, PB1 và PA, giữa virus cúm A ở gia cầm với chủng virus A/H1N1/1918 và virus cúm A ở người [45]
Ghi chú: Các chữ cái kí hiệu quốc tế tên của các amino acid; A: Alanin; L: Leucin; D: Aspartic acid; E:
Glutamic acid; K: Lysin; N: Asparagin; S: Serin; T: Threonin; V: Valin; M: Methionin; R: Arginin.
- Đột biến thay đổi amino acid threonin thành serin tại vị trí 552 (T552S) trong trình tự protein PA, được chứng minh có vai trò quan trọng làm tăng hoạt tính phức hợp polymerase trong tế bào nuôi cấy có nguồn gốc của người và gia tăng độc lực gây bệnh của virus cúm A ở chuột thí nghiệm [42].
+ Gần đây, Bussey và cs., (2010) [59] phát hiện đột biến thay thế threonin (T) thành alanin (A) tại vị trí 271 (T271A) trong protein PB2, làm tăng hoạt tính của enzym polymerase của virus cúm A/H1N1/2009 trong tế bào nuôi cấy của người. Đột biến thay thế glutamic acid (E) thành glycin (G) tại vị trí 158 (E158G) trong protein PB2, cũng được chứng minh làm tăng khả năng nhân lên của virus cúm A ở chuột thí nghiệm [60].
+ Bên cạnh đó, cả 3 chủng virus A/H1N1/1918, A/H2N2/1957 và A/H3N2/1968 gây đại dịch cúm A ở người, đều biểu hiện protein PB1-F2 chứa 87 – 90 amino acid, trong khi ở các chủng virus cúm A thích nghi trên người hiện nay protein này chỉ chứa 57 amino acid [9], [36]. Ngoài ra, protein PB1-F2 của chủng virus cúm A/H1N1/1918, có đột biến thay đổi amino acid từ asparagin (N) thành serin (S) tại vị trí 66 (N66S) so với protein tương ứng của virus cúm A/H1N1 ở gia cầm, làm gia tăng độc lực của virus ở cơ thể người [30], [35]. Tuy nhiên, chủng virus cúm
Protein Vị trí
Virus cúm gia
cầm
Chủng virus
A/H1N1/1918 A/H1N1 ở người A/H2N2 ở người A/H3N2 ở người
199 A S S S S 475 L M M M M 567 D N N N N 627 E K K K K PB2 702 K R R R R PB1 375 N/S/T S S S S 55 D N N N N 100 V A A A A 382 E D D D D PA 552 T S S S S
A/H1N1/2009 có sự bảo tồn gen PB1 có nguồn gốc từ virus cúm A/H3N2 ở người và biểu hiện protein PB1-F2 chỉ chứa 11 amino acid. Đây có thể là nguyên nhân góp phần làm cho độc lực của chủng virus này “ôn hòa” hơn, so với các chủng virus cúm A gây đại dịch cúm ở người trước đó [5], [37], [39], [53].
Như vậy, bên cạnh sự biến đổi của các gen kháng nguyên HA và NA, có vai trò quan trọng giúp cho virus cúm A thích ứng xâm nhiễm dễ dàng tế bào cảm thụ ở đường hô hấp của người, cùng với sự biến đổi của các gen M, NP và NS giúp virus nhân lên và ngăn cản các phản ứng không đặc hiệu của cơ thể chống lại virus [1], [6], [48], [61], [62]. Sự biến đổi đặc tính di truyền của các gen PB2, PB1 và PA trong hệ gen, của các chủng virus cúm A gây đại dịch cúm ở người so với virus cúm gia cầm, là cơ sở giúp virus thay đổi độc lực gây bệnh và thích nghi lây truyền từ gia cầm sang người [51], [52].
* Đặc điểm tái tổ hợp các gen PB2, PB1 và PA trong quá trình hình thành các chủng virus cúm A gây đại dịch cúm ở người
Cho đến nay, vẫn chưa biết rõ nguồn gốc phát sinh chủng virus cúm A/H1N1 gây ra đại dịch cúm Tây Ban Nha ở người năm 1918 (A/H1N1/1918), do thiếu hụt dữ liệu di truyền của virus này ở người và các loài vật chủ giai đoạn trước đại dịch. Tuy nhiên, dữ liệu di truyền của virus A/H1N1 thu thập được từ các mẫu mô lưu giữ của người bệnh tử vong và mẫu hóa thạch của lợn, gia cầm, chim hoang dã trong thời gian đại dịch cho thấy, chủng virus A/H1N1/1918 có nguồn gốc biến đổi trực tiếp từ các virus A/H1N1 ở gia cầm. Hệ gen của chủng virus này tách chiết từ mẫu mô của người bệnh, có sự bảo tồn hầu hết các gen bao gồm cả 3 gen PB2, PB1 và PA, chỉ biến đổi ở 2 gen H1 và NP, so với các virus A/H1N1 phân lập từ các mẫu mô gia cầm hóa thạch (Hình 1.8) [2], [52], [63], [64].
Tiếp đó, chủng virus cúm A/H2N2 gây đại dịch cúm châu Á năm 1957 (A/H2N2/1957), tái tổ hợp thu nhận gen PB1 từ virus cúm gia cầm A/H3N2 lưu hành ở châu Á, với 2 gen PB2 và PA từ virus cúm người A/H1N1. Năm 1968, chủng virus cúm A/H3N2 xuất hiện và gây ra đại dịch cúm Hồng Kông ở các quốc gia châu Á (A/H3N2/1968), có sự tái tổ hợp thu nhận gen PB1 từ virus cúm phân nhóm H3 ở gia cầm, cùng với 2 gen PB2 và PA từ virus cúm A/H2N2 clade 1 ở người (Hình 1.8) [2], [10], [52].
Virus cúm lơn A/H1N1 “cổ điển” Bắc Mĩ A/H1N1/1918 ở người A/H2N2/1957ở người (H2, N2, PB1 từvirus cúm chim) A/H3N2/1968ở người (H3, PB1 từvirus cúm chim) Chủng virus cúm lơn A/H1N1 Âu - Á Tái tổhợp lần 3 hình thành
chủng virus cúm lợn A/H1N2 A/H1N1/2009ở người
Virus cúm mùa A/H1N1ở người Virus cúm mùa A/H3N2ở người Nguồn gen từvirus cúm chim
Một vài trường hợp nhiễm
không phổbiến ở người 230người nhiễm
Tuyệt chủng Tuyệt chủng Tái xuất hiện PB2 PA N2 PB1 H1 NP M NS PB2 PB1 PA H3 – HA NP N2 – NA M NS PB2 PB1 PA HA NP NA M NS PB2 PB1 PA HA NP NA M NS PB2 PB1 PA HA NP NA M NS PB2 PB1 PA H1 – HA NP N2 – NA M NS PB2 PB1 PA H1 – HA NP N1 – NA M NS N1 M PB2 PB1 PA H3 – HA NP N2 – NA M NS 1918 1957 1968 1976 1977 1979 1998 2009
Hình 1.8. Sơ đồ hình thành các virus cúm A gây đại dịch cúm ở người [52]
Ghi chú:PB2, PB1, PA, HA, NP, NA, M và NS: kí hiệu các phân đoạn trong hệ gen virus cúm A. Tên các chủng virus cúm gây đại dịch cúm A ở người được in màu đỏ. Tên các chủng virus cúm A thích nghi lây truyền gây bệnh cúm mùa ở người hiện nay được in màu xanh.
Gần đây, chủng virus A/H1N1/2009 gây tái bùng phát dịch cúm A mới ở người năm 2009, cũng chứa hệ gen là kết quả nhiều lần tái tổ hợp các gen, có nguồn gốc từ các virus cúm người A/H3N2, virus cúm chim A/H1N1 và A/H1N2 của chim hoang dã và lợn, trên vật chủ trung gian là lợn ở Bắc Mỹ và Âu-Á. Trong đó, hệ gen của chủng virus này chứa 2 gen PB2 và PA, từ virus cúm lợn tái tổ hợp trước đó ở Bắc Mỹ giữa virus cúm chim A/H1N1 và virus cúm lợn A/H3N2, cùng với gen PB1 có nguồn gốc từ virus cúm người A/H3N2 (Hình 1.8) [10], [52], [53].
Như vậy, ngoại trừ các gen PB2, PB1 và PA của chủng virus A/H1N1/1918 chưa rõ nguồn gốc, có thể do biến đổi trực tiếp từ các virus cúm gia cầm. Hệ gen của các chủng virus cúm A/H2N2/1957 và A/H3N2/1968, đều chứa gen PB1 có nguồn gốc từ virus cúm gia cầm kết hợp với 2 gen PB2 và PA từ các virus cúm A thích nghi trên người trước đó. Kết quả là hình thành tổ hợp 3 gen PB2, PB1 và PA tương tác với các gen khác trong hệ gen virus tái tổ hợp, tạo ra các sản phẩm gen
thích hợp giúp chủng virus cúm A mới, lây truyền dễ dàng và gây ra đại dịch cúm A ở quần thể người. Đặc biệt, hệ gen của chủng virus A/H1N1/2009, chứa gen PB1 có nguồn gốc từ virus cúm A/H3N2 ở người, tái tổ hợp với 2 gen PB2 và PA từ virus cúm gia cầm, so với các virus gây ra đại dịch cúm A ở người trước đó [5], [53].