冠状病毒研究进展

冠状病毒仅感染脊椎动物, 引起人和动物呼吸道、 消化道、肝脏和神经系统的许多疾病, 特别是类似于鼠 肝炎病毒的 JHM 病毒可以引起小鼠的脱髓鞘性脑脊 髓炎, 因而成为研究人类多发性硬化病的良好模型; 冠 状病毒mRNA 的转录机制的特殊性又成为分子生物 学家的另一种 RNA 拼接机制研究模式; 所以, 冠状病 毒在分子病毒学中有相当重要的地位, 受到医学、兽医 学、生物化学和分子生物学家的广泛重视。

 1 冠状病毒的分类地位及种类

在国际病毒分类委员会 ( International Comm ittee on Taxonom y of V iruses, ICTV ) 2001 年公布的病毒和命名第 7 次报告的病毒分类系统中, 冠状病毒的分类 地 位 为: 套 病 毒 目 (N idovirales) , 冠 状 病 毒 科 (Coronaviridae) , 冠状病毒属 (Coronav irus)。冠状病毒 科有 2 个属, 另一个属为环曲病毒属(T orov irus)。

在冠状病毒属(Coronav irus) 中已经发现的成员有: 人呼吸道冠状病毒 (H um an resp iratory coronav irus) - 229E; 人 呼 吸 道 冠 状 病 毒 ( H um an resp iratory coronav irus) - OC43; 火 鸡 冠 状 病 毒 ( T urkey coronav irus); 兔肠道冠状病毒 (R abbit coronav irus); 牛 冠状病毒 (B ov ine coronav irus); 猪凝血性脑脊髓炎病 毒 ( P orcinehem aeg g lutinating encep halom y elitisV irus) ;大鼠诞泪腺炎病毒(S ialod acy oad enitis V irus); 小鼠肝炎 病 毒 (M ouse hep atitis V irus); 兔 冠 状 病 毒 (R abbit coronav irus); 猫传染性腹膜炎病毒 (Feline inf ectious p eritonitis V irus); 猫 肠 道 冠 状 病 毒 ( Feline enteric coronav irus); 犬冠状病毒 (Canine coronav irus); 猪传染 性 胃 肠 炎 病 毒 ( P orcine transm issible g astroenteritis V irus) 和传染性支气管炎病毒共 14 个成员。

在环曲病毒属(T orov irus) 中仅发现了 5 个成员, 这 些成员是: 马环曲病毒 (Equine torov irus); B reda 病毒 (B red a v irus); 牛呼吸道环曲病毒 (B ov ine resp iratory torov irus); 猪环曲病毒(P orcine torov irus) 和猫环曲病毒 (Feline torov irus)。

2 病毒粒子的形态结构

冠状病毒粒子的负染色标本在电子显微镜下呈现 相当多形性的圆形或椭圆形颗粒, 各种冠状病毒粒子 直径差别甚大, 直径范围为 70～ 200 nm , 该类病毒有包 膜, 包膜上有独特的棒棍状突起, 这些包膜突起基部较 窄, 顶部较宽, 在电子显微镜下呈日冕或皇冠状, 冠状 病毒因此而得名。1975 年国际病毒命名和分类委员会 正式定名为冠状病毒科(Coronaviridae)。

冠状病毒包膜表面可见到 3 种包膜突起, 分别由 3 种包膜糖蛋白构成, 即膜蛋白(M em brane p rotein,M ); 突 起 蛋 白 ( Sp ike p rotein, S ) 和 血 凝 素—— 酯 酶 (Hem agglutinin2esterase, HE)。S 蛋白构成长杆状包膜 突起, 每个突起是由 3 个 S 蛋白通过非共价连接而成, 其 S 蛋白三聚体突起具有多方面的功能, 它负责结合 敏感细胞受体, 诱导病毒包膜和细胞膜以及细胞之间 的膜融合, 刺激机体产生中和抗体和介导细胞免疫反 应;M 糖蛋白横穿包膜, 它通过其 C 末端与核衣壳结 合, 可使核衣壳和病毒包膜联系在一起, 从而决定和影 响了病毒出芽。利用针对M 糖蛋白包膜外区的抗体, 在 补体的协助下, 可以中和病毒的感染， 某些冠状病毒的 M 糖蛋白还可以诱导产生干扰素。HE 糖蛋白由两个 HE 糖蛋白单体经二硫键共价结合形成并构成病毒包 膜的短突起, HE 二聚体蛋白的氨基酸序列与丙型流感 病毒的HE 同源, 推测这些冠状病毒的 HE 基因可能是 由某个原始冠状病毒基因组 RNA 同丙型流感病毒 HE mRNA 重组而获得的, HE 现在认为是冠状病毒的吸附 蛋白, 决定了病毒的宿主范围, HE 蛋白还能够引起红 细胞凝集以及对红细胞产生吸附。

冠状病毒的核衣壳蛋白构成的核衣壳呈管状卷曲 螺旋, 位于病毒包膜之内, 直径大约 9～ 10 nm , 核衣壳 蛋白N 是一种碱性磷蛋白, 其中央区与基因组RNA 结 合, 形成卷曲的核衣壳螺旋。N 蛋白有两个方面的功 能: 其一为与病毒 RNA 复制有关, 其二为通过与M 糖 蛋白 C 端相互作用, 可以在子代病毒粒子形成时引起 病毒出芽以获得包膜。

3 冠状病毒的基因组

冠状病毒基因组为单链正链 RNA , 长约 27～ 32 kb, 在所有RNA 病毒中, 冠状病毒的基因组最大。该基 因组 5′端有帽子结构, 3′端有聚腺苷尾 (poly A ) , 具有 mRNA 的功能和感染性, 导入真核细胞后能引起感染。 冠状病毒感染细胞后, 其基因组既可作为mRNA 转译 出病毒特异的蛋白质; 又可作为模板转录互补的负链 RNA。转录出的病毒特异性负链RNA 可作为模板转录 出新的具有mRNA 功能的基因组 RNA 和几种大小不 等的亚基因组mRNA 以及基因组的前导序列。在成熟 的病毒粒子中只存在基因组正链 RNA , 其他几种大小 不等的亚基因组mRNA 只能在被感染细胞中检测到, 这是一套 3′末端序列相同而分子量大小不同的mRNA 分子, 其中有几种亚基因组mRNA 分子比真核细胞的 mRNA 分子大得多, 这些感染后合成的mRNA 可以指 导合成各种不同的特异性结构蛋白多肽和非结构蛋白 多肽。在所有的冠状病毒基因组中, 聚合酶基因(Pol) 和 3 种结构蛋白基因的排列次序均相同, 即 5′2pol2S2M 2 N 23′, 其他几个编码病毒非结构蛋白和 HE 的基因在基 因数目、核苷酸序列和基因排列次序上往往依不同的 冠状病毒而有较大的差异, 有些冠状病毒的一些非结 构蛋白基因不是病毒复制所必需的, 但与病毒的致病 性关系密切。

4 冠状病毒的感染和增殖周期

冠状病毒的宿主范围较狭窄, 一般只能感染一种 或几种亲缘关系较近的动物细胞, 但也有个别冠状病 毒的宿主范围较宽。冠状病毒的宿主范围与病毒特异 的细胞受体直接相关,M HV 的受体为M HVR (一种胆 汁糖蛋白) 和几种癌胚相关糖蛋白, TGEV 的细胞受体 为猪氨肽酶N , HCV 2229E 的细胞受体为人氨肽酶N , BCV 的细胞受体为 9202乙酰神经氨酸。

病毒粒子经受体介导吸附于敏感细胞的细胞膜 上, 包膜上含有 HE 蛋白的冠状病毒通过 HE 或 S 蛋白 结合于细胞膜上的糖蛋白受体, 不含 HE 蛋白的冠状病 毒则以 S 蛋白直接结合细胞膜表面的糖蛋白受体。吸 附在敏感细胞膜上的病毒粒子通过膜融合或胞吞作用 侵入细胞。冠状病毒侵入宿主细胞后, 病毒的复制完全 在细胞质中进行。

冠状病毒基因组进入细胞质后, 首先以其自身的 基因组 RNA 作为 mRNA , 进行早期翻译, 产生病毒 RNA 复制所需的 RNA 聚合酶, 这个过程是先翻译成 1 个分子量为 700～ 800 的多蛋白, 多蛋白在翻译过程中 或翻译后被细胞和病毒蛋白酶切割, 产生各种蛋白质, 其中之一即为依赖于 RNA 的 RNA 聚合酶。在 RNA 聚合酶的 催 化 下, 以 病 毒 基 因 组 正 链 RNA (+ SS RNA ) 为模板, 转录生成负链 RNA , 再以负链 RNA 为 模板转录生成病毒mRNA 或基因组 RNA , 此外, 在不 同的冠状病毒中, 负链 RNA 还转录形成 5～ 7 个亚基 因组mRNA , 其大小从基因组 RNA 5′→3′依次递减, 形 成 3′端带有共同序列的一组mRNA , 这些mRNA 负责 翻译膜蛋白M、突起蛋白 S、血凝素- 酯酶 HE、核衣壳 蛋白N 等结构蛋白以及其他一些非结构蛋白。核衣壳 蛋白N 和几种非结构蛋白是在胞浆基质中的多聚体上 合成的。非结构蛋白的功能尚不清楚; N 蛋白被磷酸 化, 但是磷酸化的机制也不清楚; 膜蛋白M 和突起蛋白 S 在附于粗面内质网的多聚体上合成, 转译后便插入内 质网膜并通过高尔基体从粗面内质网转运到细胞膜 上。

新合成的基因组 RNA 和衣壳蛋白N 分子相互作 用而合成冠状病毒的螺旋形核衣壳, 然后在粗面内质 网或高尔基体上以出芽的方式装配成完整的子代病毒 粒子, 在通过含有膜蛋白M 的细胞膜时, 核衣壳与粗面 内质网或高尔基体膜相互作用, 冠状病毒只在膜蛋白 M 存在的细胞膜处出芽以释放出子代病毒粒子。

 冠状病毒对敏感细胞既可以产生裂解性细胞感 染, 也可以引起持续感染, 病毒的裂解性细胞感染可能 诱导细胞形成合胞体或细胞裂解死亡。冠状病毒在培 养细胞中复制时, 早期常发生急性的裂解感染, 而后病 毒与细胞可建立持续感染。

5 冠状病毒引起的疾病及病毒的致病性

冠状病毒是引起人类普通感冒和咽炎的病毒之 一, 自然感染患者或人工实验感染患者, 都表现急性上 呼吸道感染症状, 如鼻炎、鼻塞、喷嚏和咽炎等; 在 2003 年初在世界上许多国家和地区发生的由冠状病毒的变 异株引发的严重的急性呼吸系统综合症(Severe A cule Resp iratory Syndrom e, SARS) 则在肺部有严重的症状; 一般引发普通感冒的冠状病毒在呼吸道粘膜表皮细胞 内增殖, 在症状初次出现时, 即约在感染 3 d 之后, 即可检测到被裂解细胞释放出的病毒粒子, 平均病程 6～ 7 d, 虽然冠状病毒本身有许多独特之处, 但其所引 起的临床症状, 则与由鼻病毒引起的普通感冒或由流 感病毒引起的流行性感冒极其相似。

冠状病毒亦引起许多动物的疾病, 如: 猪传染性胃 肠炎病、犬冠状病毒病、猫肠道冠状病毒病、猫传染性 腹膜炎病、兔冠状病毒病、小鼠肝炎病、大鼠诞泪腺炎 病、猪凝血性脑脊髓炎病、牛冠状病毒病、兔肠道冠状 病毒病和火鸡兰冠病等。

冠状病毒的发病机理目前尚未完全透彻认识, 人 和动物的年龄、遗传因素、感染途径和病毒株系等都可 能呈现影响。病毒对感染个体的淋巴细胞、网状内皮细 胞、上皮细胞和实质细胞呈现裂解细胞作用, 从而损害 多种器官, 引起细胞死亡和器官病理变化, 这种现象已 在严重的急性呼吸系统综合症 (SARS) 和小鼠肝炎病 中得到证实。在一些冠状病毒引起的疾病中, 在急性感 染之后, 还可能发生持续性感染, 病毒在细胞与细胞之 间慢性传播, 此时则可能导致第 3 型过敏反应性疾病 的发生。

冠状病毒由于严重的急性呼吸系统综合症的爆发 而受到极大的关注, 该病毒具有非常典型的皇冠状的 外表形态特征, 含有一分子具有感染性的 RNA 基因 组, 已有多种冠状病毒的全基因组序列获得了测定, 2003 年在世界许多国家和地区发生的严重的急性呼吸 系统综合症冠状病毒, 亦已由中国科学家和加拿大科 学家完成了基因组全序列测定。一些冠状病毒的结构 蛋白和非结构蛋白已作基因定位; 由于该病毒在复制 时产生一套同 3′末端的大小不同的mRNA , 以指导病 毒特异性蛋白的合成, 从而为基因的表达与调控研究 提供了一个新的模式。在病毒的遗传、变异, 各种冠状 病毒的相互关系、株系演变, 强致病力株系的产生, 病 毒复制中病毒特异性 RNA 聚合酶的合成和功能, 基因 转录的调控机理, 病毒基因组结构与病毒致病力的关 系, 病毒蛋白结构与功能之间的关系则是有待深入研 究的领域。与这些基础研究紧密相关的冠状病毒的流 行学、临床诊断、治疗、预防, 疫苗和抗病毒药物的研究 亦得到了很大的关注。

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