受Nature、Science高度關注新型致病性冠狀病毒系統性介紹

　　中國農歷新年臨近，正在準備過新年的人們也越來越擔心新出現的病毒的感染。近日，Science、Nature雜志相繼在線發表評論，再次高度關注中國武漢發現的新型冠狀病毒感染疫情。

圖1（圖片來源：nature）

圖2 工作人員正在監視到達香港國際機場乘客的跡象。（圖片來源：nature）

　　2019年12月31日：中國向世界衛生組織通報湖北武漢發現不明原因肺炎病例。

　　2020年1月9日：初步鑒定新型冠狀病毒，隨后將病毒基因序列向全球共享。

　　截至1月21日中午，中國境內累計報告新型冠狀病毒感染的肺炎病例224例，其中確診病例218例。北京、廣東、上海先后出現確診病例，四川、云南、廣西、山東、湖南等地也出現疑似病例。在中國香港、日本、韓國和泰國有出口型病例。

圖3 Science最新社論：中國報告武漢感染新冠狀病毒200多例（2020-1-20，圖片來源：Science）

圖4 Nature社論：中國新型病毒的控制需要國際通力合作（2020-1-19，圖片來源：Nature）

圖5 Science社論：世界警惕中國可能發現新的SARS樣新病毒（2020-1-14，圖片來源：Science）

圖6 Nature社論：中國新型病毒導致神秘肺炎（2020-1-08，圖片來源：Nature）

　　武漢是中國中部的主要城市和旅游樞紐，感染爆發始于12月中旬，許多最初的患者曾在該市的華南海鮮批發市場（有1000多家商鋪）工作或購物，那里的攤販還出售活禽和其他動物（如野雞、蛇、虎斑蛙），攤主和顧客都有機會接觸野生動物攜帶的冠狀病毒，這些冠狀病毒通過變異獲得感染人體的能力，成為全新品種，這為這種感染從動物傳播到人類提供了契機。

　　1月8日，中國科學家確定冠狀病毒家族的新成員可能是罪魁禍首并很快進行了測序并釋放了其基因組，以方便全世界的科學家能夠進行診斷測試。武漢CoV的代表基因組序列于2020年1月10日首次發布，隨后又發布了另外五個武漢CoV的基因組序列。

　　當前的公共衛生突發事件部分類似于2002年在中國南部爆發的SARS疫情。這兩次都是在冬季發生的，最初的病例與接觸在動物市場上出售的活體動物有關，都是由以前未知的冠狀病毒引起的。

　　結合之前發表在武漢病毒所發表在Nature Reviews Microbiology上題為Origin and evolution of pathogenic coronaviruses（致病性冠狀病毒的起源和進化），以及1月21日《中國科學：生命科學》英文版發表的中科院、軍事醫學研究院的最新論文Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreakand modeling of its spike protein for risk of human transmission（武漢爆發的新型冠狀病毒的進化及其對人類傳播風險的刺突蛋白的建模），小編對致病性冠狀病毒的起源進化進行了梳理。

（圖7）（圖8）

　　冠狀病毒具有包膜，在系統分類上屬冠狀病毒科（Coronaviridae）冠狀病毒屬（Coronavirus，CoV）。冠狀病毒屬的病毒是具外套膜(envelope)的正鏈單股RNA病毒，只感染人、鼠、豬、貓、犬、禽類脊椎動物。CoV基因組是正義單鏈RNA病毒，大小為27-32 kb，大小在所有RNA病毒基因組中排名第二。通常，基因組三分之二的RNA編碼兩個大的重疊多蛋白，它們被加工成病毒聚合酶（RdRp）和其他參與RNA合成或宿主反應調節的非結構蛋白。基因組的另外三分之一編碼四種結構蛋白棘突（S），包膜（E），膜（M）和核衣殼（N）。

　　根據基因組序列的同源性，冠狀病毒可分為4個屬，α，β，γ和δ。γ和δ冠狀病毒屬只感染動物，α冠狀病毒屬包括人冠狀病毒29E和NL63，β冠狀病毒屬包括4個家系，HKU1和OC43屬于A家系；B家系包括SARS，與重癥肺炎有關；MERS則屬于β冠狀病毒C家系。

　　嚴重急性呼吸系統綜合癥冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸系統綜合癥冠狀病毒（MERS-CoV）是21世紀初在人類中出現的兩種高傳播性和致病性病毒。SARS-CoV起源于中國，然后傳播到世界其他地方，在2002-2003年大流行期間感染了大約8000人，總死亡率為10％；MERS-CoV自2012年在中東出現以來傳播至27個國家，導致2249例確認感染病例，平均死亡率為35.5％。

　　除了這兩種病毒外，α-CoV229E和NL63以及β-CoVOC43和HKU1也可以引起人類呼吸道疾病。而且，冠狀病毒也會引起家畜和野生動物的大流行性疾病，如SADS-CoV被確認為是造成中國2萬多頭仔豬死亡的大規模爆發致命性疾病的病原體。

圖9：不同冠狀病毒的基因組，基因和蛋白組成（圖片來源：Nature ReviewsMicrobiology）

　　冠狀病毒可通過短距離飛沫、接觸呼吸道分泌物等途徑傳播。人群普遍易感，醫護人員更是高危人群。

　　不論是SARS還是中東呼吸綜合征，蝙蝠都是重要的自然宿主，是最可能的傳染源。比如，武漢病毒所已經確認SARS-CoV的自然宿主是中華菊頭蝠，中東呼吸綜合征MERS的病原體MERS-CoV，也是是經過蝙蝠到駱駝再到人的一個過程。

　　蝙蝠擁有大量高度多樣化的冠狀病毒，而且冠狀病毒基因組在感染期間會定期重組，而豐富的冠狀病毒基因庫也會促進這一過程。其次，蝙蝠種類廣泛分布并且生活在人類附近。廣闊的疆域加上多樣化的氣候帶來了巨大的生物多樣性，大多數CoV可以在中國找到，可能會將病毒傳播給人類和牲畜，包括蝙蝠和蝙蝠傳播的病毒-ICTV冠狀病毒的大多數物種（22/38）都是由研究蝙蝠或其他哺乳動物的中國科學家發現命名的。此外，中國的飲食文化認為，宰殺的活畜更具營養，這種信念也可能會增強病毒的傳播。

圖10：人冠狀病毒的動物起源。（圖片來源：Nature Reviews Microbiology）

　　冠狀病毒S蛋白的多樣性高、機制復雜。S蛋白是病毒和人體細胞受體結合的橋梁，目前發現的6種冠狀病毒，S蛋白以及在細胞表面和病毒蛋白結合的受體都各不相同；另外病毒可以產生micrRNA誘導T抗原表達的減低，改變宿主細胞狀態以使感染細胞躲避T細胞的攻擊，以利于病毒本身復制和存活。

　　武漢發現新型肺炎病例后，科學家從住院患者那里獲得了病毒樣本，當在室溫下用電子顯微鏡檢查觀察時發現，分離的病毒在形態上以及病毒基因組的序列都幾乎相同。研究發現，6個樣品的武漢新型冠狀病毒序列幾乎完全一致，其與SARS的同源性更高（相似性約為70%），與MERS相似性約為40%。序列差異主要在ORF1a和編碼S-蛋白的棘突基因上，這是冠狀病毒與宿主細胞作用的關鍵蛋白。

　　為了了解武漢冠狀病毒的起源及其與其他冠狀病毒的遺傳關系，科學家們對各種來源的冠狀病毒序列的收集進行了系統發育分析。結果顯示武漢冠狀病毒聚集在系統發育樹中，屬于Betacoronavirus。Betacoronavirus可感染野生動物、畜群和人類，導致偶發性疾病爆發，并且常見感染中沒有明顯癥狀。武漢冠狀病毒群位于SARS/SARS樣冠狀病毒群中，而蝙蝠冠狀病毒HKU9-1是最近外類群。它與感染人類的冠狀病毒SARS或SARS樣冠狀病毒在發育樹上聚在一起，武漢冠狀病毒與SARS/SARS樣冠狀病毒共享類似于蝙蝠冠狀病毒HKU9-1的共同祖先。

　　蝙蝠很可能也是武漢冠狀病毒的原生宿主，盡管從蝙蝠到人類的傳播級聯中仍然可能存在中間宿主，而且進化過程中頻繁發生的重組事件可能會模糊其進化路徑。

圖11 基于全長基因組序列的冠狀病毒的系統樹（已知的人類感染性β-冠狀病毒以紅色星號表示）。（圖片來源：SCIENCE CHINA LifeSciences）

　　總體而言，武漢冠狀病毒與人類感染SARS-CoV之間存在相當大的遺傳差異，而與MERS-CoV的差異更大。冠狀病毒的S蛋白分為兩個功能單元S1和S2。S1通過結合宿主受體促進病毒感染。它包含兩個域，即與宿主受體直接相互作用的N端結構域和C端RBD結構域。

　　與冠狀病毒的ORF1a和ORF1b相比，已知S蛋白通常具有最多的氨基酸序列。然而，盡管武漢冠狀病毒S蛋白與SARS-CoV的總體同源性較低，但武漢冠狀病毒S蛋白在RBD結構域中具有與該序列具有多個高度同源性的互補序列。

　　據報道，SARS-CoV的S蛋白中442、472、479、487和491位的殘基位于受體復合物界面，被認為對SARS-CoV的跨物種和人際傳播至關重要。盡管除了Tyr491，武漢冠狀病毒S蛋白RBD結構域中高度保守的區域出現了替換，但置換氨基酸的極性和疏水性相似。此外，MERS-CoV S蛋白在RBD結構域中與SARS-CoV的同源性非常低，這是由于其S蛋白（人二肽基肽酶4）的結合靶點不同。

　　為了評估武漢冠狀病毒人類傳播的風險，科學家們對其S蛋白進行了結構建模，并評估了其與人類ACE2分子相互作用的能力。基于計算機指導的同源性建模方法，以SARS冠狀病毒S蛋白（氨基酸序列同一性為76.47％）的晶體結構為模板構建了武漢冠狀病毒S蛋白的結構模型。然后根據SARS-CoV S-蛋白RBD結構域與其受體ACE2復合的晶體結構，對武漢CoV S-蛋白與人ACE2結合的3-D復合結構進行建模及分子剛性對接。

圖12 新型冠狀病毒的RBD結構域的關鍵氨基酸以及與人ACE2受體蛋白結合的預測模型（圖片來源：SCIENCE CHINA Life Sciences）

　　武漢新型冠狀病毒S-蛋白與人ACE2之間的結合自由能為-50.6 kcal/mol，比SARS的-78.6 kcal/mol 高28 kcal/mol。因此，盡管替換了五個重要的界面氨基酸殘基中的四個，但武漢CoV S蛋白與人ACE2仍然具有顯著的結合親和力。

　　進一步觀察發現，武漢CoV S蛋白中442、472、479和487位的替換殘基沒有改變整體結構。武漢冠狀病毒S蛋白和SARS冠狀病毒S蛋白在RBD結構域中共享幾乎相同的3-D結構，因此在相互作用界面中保持相似的范德華力和靜電性質。

　　武漢冠狀病毒S蛋白的RBD結構域盡管與SARS-冠狀病毒S蛋白具有序列多樣性，但仍支持與人ACE2分子的強相互作用。因此，武漢冠狀病毒通過S蛋白-ACE2結合途徑對人類傳播構成了重大的公共衛生風險。還需要提醒人們，冠狀病毒跨物種或人際傳播的風險和動態也受許多其他因素的影響，例如宿主的免疫反應，病毒復制效率或病毒突變率。

　　原文鏈接：

　　1. Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission

　　2. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses