在嬰幼兒呼吸道健康的“頭號殺手”，呼吸道合胞病毒（RSV）的研究戰(zhàn)場上，科學家們一直面臨著一個核心困境：常用的實驗小鼠對RSV不敏感，無法模擬人類感染后的嚴重癥狀。這使得疫苗和藥物研發(fā)屢屢受挫。然而，一種名為棉鼠 的野生嚙齒類動物，因其感染RSV后能高度模擬人類疾病，被視為該領(lǐng)域的“黃金模型”，但其遺傳背景卻一直是個“黑箱”。

近日，一項由高福院士聯(lián)合深圳市兒童醫(yī)院麻曉鵬院長、中國科學院微生物研究所趙欣副研究員、中國疾病預(yù)防控中心盧選成研究員等人的最新研究成功繪制了棉鼠的完整基因組圖譜，并首次通過動態(tài)單細胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，實時解析了RSV感染肺部引發(fā)的“細胞戰(zhàn)爭”全過程。這項研究不僅為我們提供了無比珍貴的研究“地圖”，更揭示了從棉鼠到人類高度保守的免疫應(yīng)答機制與病毒致病原理，為下一代抗RSV策略的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)。該研究題為“A complete Sigmodon hispidus genome and dynamic single-cell transcriptomics reveal evolutionarily conserved responses to RSV infection”，發(fā)表在《Science Translational Medicine》雜志。

RSV的全球負擔與科研瓶頸

呼吸道合胞病毒（RSV）是導致全球嬰幼兒及老年人下呼吸道感染的主要原因，每年造成數(shù)千萬例病例和數(shù)萬至數(shù)十萬例死亡，帶來沉重的公共衛(wèi)生負擔。盡管其危害巨大，但近七十年來，針對RSV的特效藥和高效疫苗研發(fā)卻步履維艱。這背后的關(guān)鍵原因之一，在于缺乏能夠精準模擬人類感染過程的理想動物模型。

“黃金模型”棉鼠的困境與機遇

標準實驗室小鼠對RSV天然不敏感，病毒感染后癥狀輕微，無法用于真實評估藥物和疫苗效果。而棉鼠，則被發(fā)現(xiàn)對RSV高度易感，其肺部病理變化與人類患兒驚人地相似，因此成為RSV研究的“黃金標準”動物模型。然而，由于棉鼠并非傳統(tǒng)模式生物，科學家們一直缺乏其高質(zhì)量的參考基因組。沒有這份“遺傳密碼”，研究人員就如同在黑暗中摸索，無法精確定位關(guān)鍵的致病基因和通路，也無法將棉鼠的研究成果與人類生物學直接關(guān)聯(lián)，極大地限制了這一寶貴模型的潛力。

S.hispidus的染色體水平基因組和進化地位

為破解棉鼠（Sigmodon hispidus）作為RSV理想動物模型的遺傳學基礎(chǔ)，本研究成功完成了其染色體級別高質(zhì)量基因組的構(gòu)建。研究人員采用PacBio HiFi長讀長測序、Hi-C技術(shù)及二代測序進行組裝，獲得了一個大小為2.67 Gb、包含26對染色體的高質(zhì)量基因組，其Scaffold N50達到118.71 Mb。評估顯示該基因組完整度高，共注釋出21,620個高可信度蛋白編碼基因。

為進一步明確棉鼠的進化地位及其與人類的保守性，研究者進行了進化基因組學分析。系統(tǒng)進化樹顯示，棉鼠與常用的實驗小鼠和大鼠處于不同的進化分支。更重要的是，基因組共線性分析揭示了棉鼠與人類染色體之間存在廣泛的對應(yīng)關(guān)系，特別是其3號染色體與人類X染色體關(guān)聯(lián)緊密，暗示了其在進化上的保守性。這些發(fā)現(xiàn)從遺傳學層面有力支撐了棉鼠作為人類RSV感染研究“黃金模型”的優(yōu)越性。

棉鼠為何是RSV研究的“天選之子”？

科學家們通過基因組比對揭示了關(guān)鍵奧秘：棉鼠與人類在基因功能模塊上存在高度相似性。研究發(fā)現(xiàn)，棉鼠擁有704個擴張基因家族（主要富集于細胞死亡、糖代謝等通路）和2170個收縮基因家族。更重要的是，跨21個組織的基因表達譜分析顯示，棉鼠與人類在絕大多數(shù)組織中表現(xiàn)出保守的基因表達模式。

這種保守性在肺部尤為突出：研究人員鑒定出兩個在棉鼠和人類肺組織中共同高表達的基因模塊。其中一個主導肺組織發(fā)育，另一個掌控免疫應(yīng)答，二者均與炎癥反應(yīng)和感染過程密切相關(guān)。此外，棉鼠體內(nèi)多種潛在RSV受體（如CX3CR1、TLR4等）的組織分布也與人類相似。這些從基因到功能的層層證據(jù)，完美解釋了為何棉鼠能如此精準地模擬人類RSV感染過程。

呼吸道細胞圖譜：棉大鼠呼吸道合胞病毒感染后

為揭示RSV感染的動態(tài)過程，研究人員在感染后第2、5、8天對棉鼠鼻腔和肺部組織進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，成功繪制出呼吸道細胞圖譜。研究在肺部精準鑒定出22種主要細胞類型，包括上皮細胞、基質(zhì)細胞、淋巴細胞和髓系細胞四大類。其中基質(zhì)細胞占比高達42%，內(nèi)皮細胞是最豐富的類型。

更令人驚喜的是，在鼻腔組織中發(fā)現(xiàn)了33種細胞類型，不僅包含常見免疫細胞，還識別出分泌細胞、嗅覺相關(guān)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞等特殊細胞。這些細胞類型與人類呼吸道細胞高度對應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，Bpifb3等抗菌蛋白在感染早期顯著上調(diào)。這份超高分辨率的“細胞地圖”，為了解RSV感染提供了前所未有的視角。

在病毒捕獲的基礎(chǔ)上，在單細胞水平上識別RSV 靶細胞

通過單細胞測序技術(shù)，研究團隊成功繪制了RSV在棉鼠體內(nèi)的精準靶細胞圖譜。研究發(fā)現(xiàn)：在鼻腔中，纖毛細胞和分泌細胞是主要靶點，同時星形膠質(zhì)細胞也攜帶高病毒載量，提示RSV可能存在神經(jīng)侵襲能力。在肺部，Club細胞和間皮細胞成為新的關(guān)鍵靶點，而肺泡區(qū)感染主要集中于AT1細胞。

研究還發(fā)現(xiàn)兩個重要現(xiàn)象：RSV感染會誘導肺泡II型細胞向I型細胞分化，這可能是肺部損傷的新機制；同時，高病毒載量會顯著抑制宿主細胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯活動，揭示了病毒劫持宿主細胞資源的分子機制。這些發(fā)現(xiàn)為理解RSV致病機制提供了全新視角。

RSV感染引發(fā)呼吸道細胞"大洗牌"與關(guān)鍵靶點確認

研究人員進一步揭示了RSV感染期間的動態(tài)變化：肺部AT1細胞和免疫細胞比例顯著改變，鼻腔基底細胞減少而免疫細胞增多。單細胞分析顯示幾乎所有呼吸道細胞都啟動抗病毒應(yīng)答，上皮細胞也表現(xiàn)出強大防御能力。

研究發(fā)現(xiàn)CX3CR1和TLR4是保守的RSV感染促進受體，同時篩選出8個宿主限制因子（如ISG20）和5個促進因子（如Pmel）。其中Pmel表現(xiàn)出最強的感染促進作用，為開發(fā)新型抗RSV藥物提供了重要靶點。

總之，本研究成功構(gòu)建棉鼠高質(zhì)量基因組，首次揭示其與人類在進化、基因表達和細胞組成上的高度保守性，完美解釋其作為RSV理想模型的優(yōu)勢。通過單細胞圖譜精準鎖定病毒靶細胞、關(guān)鍵受體及宿主因子，為RSV致病機制研究和藥物靶點開發(fā)提供了寶貴資源。

來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adw7535

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