2019年12月爆發(fā)的新型冠狀病毒，給我國人民生活帶來了巨大的影響。那么，什么是新型冠狀病毒呢？人類如何科學防御并治療冠狀病毒呢？相信大家對這個問題既熟悉又陌生，熟悉的是我們身處其中，每天都對這個病毒戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，陌生的是我們對新冠病毒的了解并不是很透徹，致使截至目前，我們依然沒有辦法完全消除他的存在。知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。要防御和治療2019-nCoV，我們需要對其感染和免疫機制有深入的了解。

 

1、冠狀病毒是什么

 

冠狀病毒（CoV）是屬于Nidovirales的最大病毒組，其中包括冠狀病毒科，Arteriviridae, Mesoniviridae和Roniviridae家族。冠狀病毒進一步可細分為四個屬，即α，β，γ和δ冠狀病毒，其中α和β冠狀病毒會引起人類的呼吸道和腸道感染，有四種Human-CoV （HCoV 229E、NL63、OC43和HKU1）在全球流行，占成人呼吸道感染的10%至30%。

 

冠狀病毒屬的病毒是具有外套膜（envelope）包裹的RNA病毒，其直徑約100-160nm，遺傳物質在所有RNA病毒中最大。包裹病毒粒子的脂肪膜表面有三個糖蛋白：棘突糖蛋白（S, SpikeProtein,是受體結合位點、溶細胞作用和主要抗原位點）；小包膜糖蛋白（E, EnvelopeProtein，較小，與胞膜結合的蛋白）；膜糖蛋白（M，MembraneProtein，負責營養(yǎng)物質的跨膜運輸、新生病毒出芽釋放與病毒外包膜的形成）。少數(shù)種類還有血凝素糖蛋白（HE蛋白，Haemaglutinin－esterase）。病毒主要通過Spike蛋白（S蛋白）與宿主細胞受體結合來介導病毒的入侵，并決定病毒的組織或宿主嗜性。冠狀病毒S蛋白S1亞單位的N端結構域（S1-NTD）和C端結構域（S1-CTD）都能作為受體結合域（RBD）。一般認為S1-NTD結合糖類受體，S1-CTD結合蛋白類受體。

 

圖1 冠狀病毒結構示意圖（引自Jie Cui et al. 2019）

 

冠狀病毒的核酸為非節(jié)段單鏈（+）RNA，長27-31kb，是RNA病毒中最長的RNA核酸鏈，具有正鏈RNA特有的重要結構特征：即RNA鏈5’端有甲基化“帽子”，3’端有PolyA“尾巴”結構。這一結構與真核mRNA非常相似，也是其基因組RNA自身可以發(fā)揮翻譯模板作用的重要結構基礎，因而省去了RNA－DNA－RNA的轉錄過程。冠狀病毒的RNA和RNA之間重組率非常高，病毒出現(xiàn)變異正是由于這種高重組率。重組后，RNA序列發(fā)生了變化，由此核酸編碼的氨基酸序列也變了，氨基酸構成的蛋白質隨之發(fā)生變化，使其抗原性發(fā)生了變化，因此疫苗的研發(fā)也受到了限制。

 

2019年12月在湖北武漢出現(xiàn)的不明原因肺炎病例，經(jīng)序列測定，專家發(fā)現(xiàn)，其與2003年爆發(fā)的SARS-CoV病毒存在79.5%的序列同源性，結合電鏡下觀察的圖片，中國疾控中心將引起不明原因肺炎病毒命名為2019-nCoV。2019-nCoV具有冠狀病毒的基本特征，是β冠狀病毒屬。研究者對2019-nCoV樣本進行了RNA全長測序，研究發(fā)現(xiàn)2019-nCoV在整個基因組中與蝙蝠冠狀病毒RaTG13非常相似，整體基因組序列一致性為96.2%。截至目前，專家認為病毒的來源可能為菊頭蝠，但最終導致人傳人情況的發(fā)生，是由于中間宿主的存在以及病毒變異致使其適應人類細胞的生存而導致的。

 

2、SARS-CoV, MERS-CoV, 2019-nCoV特征及聯(lián)系

 

圖2 不同冠狀病毒基因組，基因和蛋白質（引用Jie Cui et al. 2019）

 

冠狀病毒形成直徑為100-160 nm的包膜球形顆粒。它們包含大小為27-32 kb的正鏈單鏈RNA（ssRNA）基因組�；�因組的5’端三分之二編碼一個多蛋白pp1ab，該蛋白進一步被切割成16個非結構蛋白，它們參與基因組的轉錄和復制。3’末端編碼結構蛋白，包括包膜糖蛋白（S），包膜（E），膜（M）和核衣殼（N）。除了編碼結構蛋白的基因外，還有一些輔助基因，這些輔助基因是物種特異性的，對于病毒復制是不可或缺的。該圖比較了四種冠狀病毒屬的典型菌株和代表性菌株：貓傳染性腹膜炎病毒（FIPV），犀牛蝙蝠冠狀病毒HKU2，嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）菌株SAR02和SZ3來自流行早期感染的人，分別來自在SARS流行病的中期和晚期感染的人類的SARS-CoV毒株hTor02，蝙蝠SARS相關冠狀病毒（SARSr-CoV）毒株，中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV），小鼠肝炎病毒（MHV），傳染性支氣管炎病毒（IBV）和球莖冠狀病毒HKU11。

 

嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）、中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）是曾引起大規(guī)模傳染病爆發(fā)的冠狀病毒。SARS-CoV、MERS-CoV和2019-nCoV同屬于冠狀病毒。對于2019-nCoV新發(fā)病毒而言，我們對已有相關病毒的了解和研究策略對我們研究2019-nCoV有著重要的意義。

 

我們知道，SARS冠狀病毒（SARS-CoV）是以血管緊張素轉化酶（ACE2）作為受體，主要感染纖毛支氣管上皮細胞和II型肺細胞。SARS-CoV S蛋白形成了三葉草形的三聚體，具有三個S1頭和一個三聚體S2莖。RBD位于每個S1頭的尖端。 RBD綁定到ACE2的外表面，遠離其鋅螯合酶位點。有研究表明，不同的SARS-CoV菌株對人血管生成素受體蛋白（ACE2）的親和力不同，感染力和傳播力也不同。有些菌株感染人類，但并不在人類之間傳播，而有些菌株卻對人細胞具有高感染力，形成跨物種傳播。

 圖3 SARS- CoV和MERS- CoV的受體識別（引自Jie Cui et al 2019）

 

1. SARS-CoV使用其受體結合域（RBD）（如hTor02菌株的結構所示，包含核心結構（青色）和受體結合基序（RBM;品紅色）結合ACE2（綠色）。 ACE2是一種肽酶，其活性中心帶有鋅（藍色）。
2. 宿主和病毒受體中的幾個殘基，以及兩個穩(wěn)定結構（虛線）形成兩個結合熱點的連接，這對于SARS流行株hTor02的結合至關重要。
3. 相比之下，SARS相關冠狀病毒（SARSr-CoV）株bWIV1是從蝙蝠中分離出來的，可以感染靈貓和人細胞，其殘基442、472和487不同。蘇氨酸突變?yōu)樘於�酰�?87號殘基中的A引入極性側鏈，并會干擾353位點的結合。此處顯示的模型是基于hTor02 RBD與人ACE2復合的結構建立的，其中442、472和487位殘基從hTor02菌株突變?yōu)閎WIV1菌株。  
4. 蝙蝠SARSr-CoV株bRsSHC014也可以感染人和果子貍細胞。它在487位上帶有丙氨酸，并且該殘基的短側鏈不支持353的結合。其中442、480和487位殘基從cOptimize菌株突變?yōu)閎WIV1菌株。
5. 中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）RBD（青色的核心結構和洋紅色的RBM）結合人二肽基肽酶4（DPP4；綠色）。

 

而MERS-CoV是以二肽激肽酶4（DPP4;也稱為CD26）作為受體，感染未分化的支氣管上皮細胞和II型肺細胞。DPP4蛋白作用于物種間氨基酸序列的大量轉化。其致病機制是感染下呼吸道并使下呼吸道上皮細胞高度易感，促進巨噬細胞和樹突狀細胞中病毒的復制生產(chǎn)，誘導促炎細胞因子的產(chǎn)生，靶向T淋巴細胞并導致其凋亡。到目前為止，科學家對于SARS-CoV、MERS-CoV對人體的侵襲研究并沒有終止，而如今2019-nCoV的突然爆發(fā)加速了科學家對冠狀病毒的研究。

 

2019-nCoV的爆發(fā)，是偶然也是必然。根據(jù)測序數(shù)據(jù)顯示，它與SARS-CoV有著很高的同源性，它們擁有共同的祖先，其共同祖先與蝙蝠冠狀病毒HKU9-1類似。研究發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV和SARS-CoV都是通過病毒Spike蛋白與人體ACE2受體蛋白結合與宿主發(fā)生作用，二者的受體結構域（RBD）高度同源。這里提到的ACE2是個什么蛋白呢？它又有著怎樣的功能呢？

 

在20世紀初的時候Donoghue發(fā)現(xiàn)了一種與人類ACE相關的羧肽酶，它是由805個氨基酸組成的I型膜結合糖蛋白，其活化位點位于第374-378位氨基酸殘基上，形成一個HEXXH鋅結合區(qū)，后來我們稱之為ACE2，即血管緊張素轉化酶2，它是一種能催化血管緊張素I轉化為血管緊張素-（1-9）或血管緊張素II轉化為血管緊張素-（1-7）的外肽酶，ACE基因表達廣泛分布于全身，而ACE2具有高度的組織特異性，主要分布于心臟，腎臟，肺內皮細胞和腎小管上皮細胞，作為一種單羧基肽酶，ACE2能被乙二胺四乙酸（EDTA）抑制。我們發(fā)現(xiàn)，ACE2在心腦血管疾病，腎臟疾病中被廣泛研究，也作為SARS-CoV和CoV-NL63冠狀病毒的受體被研究。

 

因此，當研究者發(fā)現(xiàn)2019-nCoV與SARS-CoV的相關性之后，迅速展開了對ACE2蛋白的探究。我們是否可以在這個受體蛋白中找到突破口使得2019-nCoV即使存在在我們身體里也僅僅只是個過客呢？我們是否能在與病毒Spike變異的競賽中搶先一步呢？這些都有待于進一步的研究。

 

3、我們如何防御并治療2019-nCoV

 

知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。要防御并治療2019-nCoV，我們需要對其感染和免疫機制有深入的了解。

 

2020年1月25日，廣州中醫(yī)藥大學吳建國團隊從免疫的角度提供了新冠狀病毒感染和防御的信息，研究者詳細表述了病原體識別受體（PRR）、Toll樣受體（TLR）、RIG-I樣受體（RLR）、NOD-樣受體（NLRs）、C型凝集素樣受體（CLR）、干擾素以及防御素等作用機制，并列舉了細胞參與免疫反應時的響應方式。作者指出，由于冠狀病毒周期性地，不可預測地出現(xiàn)，迅速傳播并誘發(fā)嚴重的傳染病，對人類健康造成極大的威脅。近年來，人們對病毒的固有免疫反應有了深刻的理解。這種類型的免疫反應抑制病毒復制，促進病毒清除，誘導組織修復，并引發(fā)針對病毒的長期自適應免疫反應。在大多數(shù)情況下，與CoV相關的肺部和全身炎癥反應是由先天免疫系統(tǒng)在識別出病毒時觸發(fā)的。

 

文中還提到靶向免疫療法，這是一個新的熱點。我們知道，基因靶向免疫療法即利用基因工程，利用多靶點排毒技術快速識別病毒，強力抑制并破壞病毒DNA核心，破壞病毒的同時采用基因免疫藥物，促進宿主細胞抗原打破病毒免疫耐受，使病毒無法再次侵入。目前免疫療法在癌癥中應用很多，我們以這種方式為突破點，或許可以應對目前的2019-nCoV病毒，并對新產(chǎn)生的病毒不再手忙腳亂。

 

對于病毒與宿主的結合，人類還有哪些探索呢？有研究通過將2019-nCoV蛋白序列與SARS-CoV和BatSL-CoV序列對比，預測生成S1和S2亞基的切割位點位于R694/S695。如下圖所示。

 

圖4 2019-nCoV S蛋白功能性結構域圖示（引自Shibo Jiang et al. 2020）

 

• RBD，受體結合結構域； FP，融合肽；HR1，七肽重復1； HR2，七肽重復2； TM，跨膜結構域； CP，胞質結構域。

 

S1亞基包含兩個功能域，N端結構域（NTD）和受體結合結構域（RBD），兩者均負責病毒體與宿主細胞上的受體結合。S2亞基包含三個功能域，融合肽（FP）和肽重復序列（HR1和HR2），在S1中的RBD與受體結合后，S2亞基通過將FP插入宿主細胞膜而改變構象，HR1和HR2形成六螺旋束（6HB），導致病毒膜與細胞膜融合。病毒遺傳物質通過融合孔進入宿主細胞并在細胞中復制。SARS-CoV S蛋白HR2結構域的肽（SC-1）可以與病毒S蛋白中的HR1區(qū)相互作用形成異源6-HB，從而抑制了HR1和HR2結構域之間同源6-HB的形成病毒S蛋白，從而阻斷了病毒與宿主細胞的融合。由于2019-nCoV S-HR2序列與SARS-CoV序列具有高度同源性，而在S-HR1區(qū)域中只有少數(shù)非關鍵氨基酸突變，因此SC-1肽也有望對2019-nCoV感染有效。研究還發(fā)現(xiàn)，中和性單克隆抗體（mAbs）和具有保護功效的納米抗體是S蛋白的S1亞基的特有化合物，特別是RBD，因此，2019-nCoV S-RBD也可作為2019-nCoV中和單抗的研究目標。

 

下面講講免疫逃逸。為什么要提到這個？因為病毒侵入宿主，其實就是宿主先天免疫與病毒固有免疫的對抗。病毒會抑制先天免疫反應以獲得自身有效的復制方式和建立感染的機會。而宿主免疫反應系統(tǒng)又會出現(xiàn)延遲或減弱，或者表現(xiàn)出延遲后過強的誘導作用，導致組織損傷。受影響的先天免疫應答會影響隨后的適應性應答，因此病毒先天免疫逃逸常常破壞宿主的保護性免疫，也就構成了感染及發(fā)病的過程。

 

病毒到底行使的是怎樣的一個策略呢？病毒會將具有危險性可識別特征的復制中間體與漫游在細胞質中的先天免疫傳感器隔離開來。實際上，具有+ RNA基因組的病毒只能在胞質溶膠中復制，例如侵入肺的冠狀病毒和鼻病毒，通常會精心修飾細胞內膜以形成病毒RNA復制的總部，也稱為“復制細胞器”（RO）。病毒的免疫逃逸機制是如此機智聰明，機體免疫系統(tǒng)不能全部幫我們防御的話，那我們還有些什么策略可以對抗它呢？

 

病毒很強大，但并不是毫無辦法。除了上述提到的靶向免疫療法、SC-1肽，以及2019-nCoV S-RBD中和單抗，人類在積極的研發(fā)疫苗，篩選新的抗病毒藥物以及利用基因工程靶向免疫的方式去對抗病毒。這是一場比賽也是一場戰(zhàn)爭。

 

首先，對于疫苗的研發(fā)，我們要對病毒本身、病毒侵入宿主的方式、宿主的免疫反應要有充分的了解。其次，藥物篩選，聯(lián)合用藥要考慮到對機體造成的副反應，即最大程度減少后遺癥。再次，我們可以從基因功能層面研究病毒，精準地治療病毒感染。針對2019-nCoV，有研究表明，冠狀病毒Spike蛋白與人類受體ACE2結合之后侵入肺細胞并對呼吸道進行破壞。通過對基因功能分析，研究者發(fā)現(xiàn)ACE2+II型肺泡細胞表達多個與病毒組裝復制相關的功能基因，具體包括SLC1A5, CXADR, CAV2, NUP98, CTBP2, GSN, HSPA1B, STOM, RAB1B, HACD3, ITGB6, IST1, NUCKS1, TRIM27, APOE, SMARCB1, UBP1,CHMP1A, NUP160, HSPA8, DAG1, STAU1, ICAM1, CHMP5, DEK, VPS37B, EGFR, CCNK, PPIA, IFITM3, PPIB, TMPRSS2, UBC, LAMP1, CHMP3等。研究者認為，這些基因可能被病毒“劫持”之后，以各種模式幫助病毒感染人體。例如CAV2表達Caveolin蛋白，可幫助細胞膜內陷而使得細胞表面的病毒更容易被吞噬到細胞內部。如果能設法基于現(xiàn)有的藥物或者研發(fā)新的藥物干預這些基因的功能，或許可以起到阻斷病毒感染的作用。

 

4、新病毒疫情爆發(fā)給我們的啟示

 

微生物與人類的戰(zhàn)爭從人類誕生起就開始了。人體免疫系統(tǒng)在進化過程中逐漸完善，微生物尋找宿主并利用宿主的能力也變得強大。隨著科學技術的發(fā)展，人類對生命本身的了解越來越深刻，我們擁有了去應對各種變異病毒和細菌的能力，但是面對新病毒的爆發(fā)，我們依然要小心謹慎。管理是人類可為之的一個重要方面，科技特別是現(xiàn)在基因研究的成果應用也是非常重要的一個方面，在努力配合國家指示的同時，我們要更努力的去了解2019-nCoV這個病毒，知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。

 

對于疫情，筆者有更重要的心得，便是，人與自然和諧相處，我們不驚擾了人世的安寧，大自然必饋贈與我們一世的美景。

 

后記：

 

病毒研究是個艱巨的探索過程。不論是疫苗研發(fā)、新藥篩選還是基因治療，均需要精準的動物模型來驗證疾病的發(fā)病機制和免疫機制。賽業(yè)生物作為一家成熟的動物模型服務商，自疫情爆發(fā)以來便緊急召集公司的研發(fā)人員全力研發(fā)與新型冠狀病毒研究相關的動物模型。賽業(yè)生物承諾會盡全力開發(fā)各種精準的動物模型支持科研人員的研究。眾志成城，有愛必勝，相信我們一定能打贏這場沒有硝煙的戰(zhàn)爭。

 

參考文獻：

1. Xintian Xu et al. Evolution of novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission. Science china life sciences.2020.
2. Catharine I. Paules,MD et al. Coronavirus infections-more than just the common cold. JAMA. 2020.
3. Jasper Fuk-Woo Chan,MD et al. A familial cluster of pneumonia associated with the 2019 novel coronavirus indicating person-to person transmission: a study of a family cluster. THE LANCET. 2020.
4. Chen Wang et al. A novel coronavirus outbreak of global health concern. THE LANCET.2020.
5. Qian Guo et al. Host and infectivity prediction of Wuhan 2019 novel coronavirus using deep learning algorithm. The NEW ENGLAND JOURNAL of MEDCINE. 2020.
6. Geng Li et al. Coronavirus infections and immune responses. Journal of medical virology. 2020.
7. Jie Cui et al. Origin and evolution of pathogenic coronaviiruses. Nature reviews. 2020.
8. Shan-Lu Liu et al. Emerging viiruses without borders: The Wuhan coronavirus. Viruses. 2020.
9. Yu Zhao et ao. Single-cell RNA expression profiling of ACE2, the putative receptor of Wuhan 2019-nCoV. BioRxiv. 2020.
10. Marjolein Kikkert. Innate immune evasion by Human respiratory RNA viruses. Journal of innate immunity. 2020.
11. Shibo Jiang et at. An emerging coronavirus causing pneumonia outbreak in Wuhan, China: calling for developing therapeutic and prophylactic strategies. Emerging microbes&infections. 2020.