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【研究】新冠病毒起源之谜:人类制造or自然选择?

2020-02-19  zjshzq

作者:Walter
导读:武汉封城25天以来,全国新冠肺炎累计确诊高达72530例。疫情如此严重,迫使研究者们追溯其背后真凶:有学者认为新冠病毒源自自然宿主蝙蝠,经中间宿主穿山甲传播给人类,另有学者表示新冠病毒的进化起源尚无法确定;更有甚者提出“非自然起源论”……这场争论中,有人一头雾水,有人气急败坏,而新冠病毒的起源,至今存疑。

  2月17日,美国斯克里普研究所的Kristian Andersen、英国爱丁堡大学的Andrew Rambaut、哥伦比亚大学的Ian Lipkin等国际知名病毒学家联合在virological.org网站上发表一篇长文,通过分析SARS-CoV-2基因组中的显著特征,排除了新冠病毒由人为构建或散布的可能性。
  新冠病毒是已知能够感染人类的第7种冠状病毒。依据目前的基因测序和结构生物学实验得出,新冠病毒具有两个显著特征:(1)SARS-CoV-2对人ACE2受体具有高度亲和力;(2)SARS-CoV-2的刺突(S)蛋白是高度变异的,因其S1和S2亚基之间存在12个核苷酸的插入,形成了多碱基(弗林)切割位点,进而造成了这附近多了3个氧原子连接的多糖。
  1. SARS-CoV-2受体结合域的突变
  冠状病毒S蛋白与ACE2受体结合的关键部分为受体结合域(RBD),RBD中的6个氨基酸残基决定了冠状病毒感染宿主的物种范围。与具有96%基因序列相似度的菊头蝠冠状病毒相比,新冠病毒的6个残基(对应为L455、F486、Q493、S494、N501和Y505)有5个发生了突变,这解释了新冠病毒与人类、非人灵长类、雪貂、猪、猫等ACE受体具有高亲和性,但菊头蝠冠状病毒却不感染人类的现象。
  但是,新冠病毒的突变在自然界有相似的例子。例如,新冠病毒S蛋白中第486位残基的苯丙氨酸(F486)突变,在实验室培养SARS-CoV的过程中也出现了,在另外几种蝙蝠冠状病毒中也发现同一位点的突变。可以说,这种突变是向着感染人ACE2方向进化而去的自然选择的结果。
  并且,新冠病毒与ACE2的亲和力虽高,但其RBD还不是最完美的结合构象。此前,研究者曾对ACE2受体蛋白进行结构生物学分析,并预测了与其匹配程度最高的配体氨基酸序列,这与在新冠病毒RBD中发现的不同。人类工匠追求完美,其作品往往精巧工整、蓄意雕琢,新冠病毒的不完美恰恰自证其并非人类实验室构建的产物,但偶然进化的病毒如此强悍,更令人敬畏自然的威慑力。
  2. SARS-CoV-2的多碱基切割位点插入
  新冠病毒在刺突蛋白S1和S2亚基交界处插入了一个多碱基切割位点(RRAR),其附近还有3个与氧原子连接的多糖,这在其他乙型冠状病毒中从出现过,其作用也尚未可知。此前对SARS-CoV的研究表明S1/S2亚基接头与细胞融合有关。
  禽流感病毒中的血凝素蛋白(HA)也负责细胞融合和病毒入侵,其中多碱基切割位点常见,能被弗林和其他蛋白酶快速识别并切割,进而促进病毒的快速复制和传播;RRAR越多,病毒致病性越高。3个氧原子连接的聚糖可以产生一个“粘蛋白样结构域”,以屏蔽SARS-CoV-2刺突蛋白上的某些潜在表位或关键残基,但其生理作用尚不清楚。
  综上,研究者们排除了病毒由实验室构造的可能性,主要因为:如果新冠病毒是人造的,那么(1)它与ACE2受体的结合能力应该比现在强得多;(2)病毒主链的基因序列应该大部分基于某个已知序列,然而这样的序列并不存在。于是,研究者们提出了三种新冠病毒进化的可能性:
  1. 在传播给人类之前,新冠病毒已经在动物中进行自然选择并发生变异
      鉴于新冠肺炎爆发中心位于武汉的华南海鲜市场,那么新冠病毒首先应该是从动物传播到人身上的;又鉴于SARS-CoV-2与蝙蝠中的SARS样病毒(尤其是RaTG13)序列相似度极高,那么蝙蝠来源这一点也是可靠的。但需注意的是,SARS-CoV-2从蝙蝠到人类之前,很可能已在多个物种的中间宿主中流传。
  最确切的证据是,最近在非法进口到广东的马来穿山甲中发现冠状病毒,其中S蛋白RBD的6个重要残基均与SARS-CoV-2一致。但穿山甲冠状病毒不含多碱基切割位点,这种突变需要病毒在较高种群密度、并且ACE2基因类似于人类同源蛋白的生物集群中大量复制才有可能产生。对各种可疑动物的冠状病毒筛查,将是溯源的重点。
  2. 无症状的新冠病毒祖先已在人类群体中广泛而隐秘地传播开来,在人体发生突变后转为肺炎症状的疫情爆发
      由于穿山甲冠状病毒中的RBD与SARS-CoV-2相似度极高,因此合理怀疑类似的病毒能够并已经感染了人类。但由于缺乏其他必要特征,病毒祖先感染人类并在一部分人群中复制、传播、变异但不表现出症状。日积月累和机缘巧合之下,某个人体内的病毒恰好具备了所有致病特征,于是爆发开来。目前,不同样本中的新冠病毒基因序列具有高度同源性,也说明具有共同祖先。
  对目前的基因组序列推算新冠病毒的变异史,表明这些病毒最近的共同祖先出现在2019年11月下旬至12月上旬,这与最早的确诊病例出现时间一致。并且研究发现,冠状病毒血清阳性率在动物进出口贸易商中为13%,在中国南方一村庄为3%,说明这些人均感染过冠状病毒。
  3. 实验室泄漏冠状病毒
  世界各地的多个实验室进行SARS样蝙蝠冠状病毒在细胞和生物体中的培养和传代,理论上说,冠状病毒RBD有可能在这个过程中变异成如今这样。而实验室泄漏该种病毒的可能性也是存在的。但这样一来,多碱基切割位点的产生就说不通了,这仅当低致病性的禽流感病毒在细胞或动物中长时间多代传播后才能产生。而且氧原子连接多糖结构的产生,要求免疫系统的参与,仅靠细胞培养无法产生。
  如果病毒果真来自这条途径,则需要事先分离出与SARS-CoV-2高度相似的祖病毒,在具有人类同源ACE2的雪貂等动物中大量传代,要求同时获得多碱基位点和氧原子连接多糖的结构,可能性不大。
  在目前如此严峻的公共卫生情势下,我们确实有必要调查清楚新冠病毒爆发的起源究竟是什么。本文通过SARS-CoV-2的基因组信息排除了新冠病毒由实验室构造的可能性,但也没有证据支持或驳斥以上任何一条可能的进化路径。
  因此,亟需获得更多样本中新冠病毒基因测序数据,研究新插入的多碱基切割位点和氧原子连接的多糖的生理作用,并且持续对新冠病毒潜在的中间宿主和早期病例进行监测和排查,将有助尽快追溯到新冠病毒的真正起源。

参考文献:
http://virological.org/t/the-proximal-origin-of-sars-cov-2/398

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    来自: zjshzq > 《肺》

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