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新冠病毒是否人工合成的?美英澳五位科学家在Nat. Med.发文探讨

2020-03-26  cxm54666

自新冠病毒肺炎爆发以来,关于病毒的起源,人们进行了诸多讨论。“人工合成”、“实验室泄露”等阴谋论也是大肆传播,那么新冠病毒到底是不是人工合成或者实验室泄露的呢?近日,来自美国、英国澳大利亚的5位顶尖科学家在Nature Medicine发表了题为“The proximal origin of SARS-CoV-2”的文章,对病毒的各种来源进行了探讨。

新冠病毒是否人工合成的?美英澳五位科学家在Nat. Med.发文探讨

全文如下

自湖北省武汉市首次报道新型肺炎(COVID-19)以来,人们对SARS-CoV-2(又称HCoV-19)的起源进行了大量的讨论。目前,SARS-CoV-2感染已广泛传播,截至2020年3月11日,110多个国家已确诊121564例,死亡4373人。SARS-CoV-2是已知的第七种感染人类的冠状病毒;SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2可引起严重疾病,而HKU1、NL63、OC43和229E会引起轻度症状。本文通过对基因组数据的比较分析,对SARS-CoV-2的起源作一综述。我们从SARS-CoV-2基因组的显著特征这个视角讨论了它们可能出现的情景。我们的分析清楚地表明,SARS-CoV-2不是一种实验室构建的病毒,同样也不是人工特意制造的病毒。

SARS-CoV-2基因组的显著特征

我们对α-和β-冠状病毒进行了比较,确定了SARS-CoV-2基因组两个显著的特征:(i)在结构研究和生化实验的基础上,SARS-CoV-2似乎被优化了与人受体ACE2的结合;(ii)SARS-CoV-2的刺突蛋白在S1-S2交界处有一个多碱基(furin)酶切位点,这是由于此处插入12个核苷酸导致,同样,这也导致在该位点周围预测到3个O-连接聚糖结构。

1. SARS-CoV-2受体结合区的突变。

棘突蛋白中的受体结合区(RBD)是冠状病毒基因组中最易突变的部分。已有研究表明,有六种RBD的氨基酸对结合ACE2受体和确定SARS-CoV样病毒的宿主范围至关重要。以SARS-CoV为例,分别为Y442、L472、N479、D480、T487和Y4911,分别对应于SARS-CoV-2中的L455、F486、Q493、S494、N501和Y505。这六种残基中有五种在SARS-CoV-2和SARS-CoV是不同的(图1a)。结构研究和生化实验研究显示,SARS-CoV-2似乎具有一个可以与人、雪貂、猫和其他具有受体高度同源性物种的ACE2高亲和力结合的RBD序列。

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图1. 人SARS-CoV-2和相关冠状病毒刺突蛋白的典型特征

虽然上述分析表明SARS-CoV-2可能与人ACE2具有高亲和力结合,但计算机分析预测这种相互作用并不理想,其RBD序列与SARS-CoV中显示的受体结合最佳序列不同。因此,SARS-CoV-2刺突蛋白与人ACE2的高亲和力结合很可能是对人或类人ACE2进行自然选择的结果,从而产生了这一种最佳结合序列。这也有力地证明了SARS-CoV-2不是有目的性人为操纵的产物。

2. 多碱基furin酶切位点与O-连接聚糖

SARS-CoV-2的第二个显著特征是在spike蛋白的两个亚基S1和S2的交界处有一个多碱基酶切位点(RRAR)(图1b)这使得furin和其他蛋白酶可以对病毒进行有效切割,并在确定病毒感染性和宿主范围中起作用。此外,在SARS-CoV-2的这个位点还插入了一个前导脯氨酸;插入的序列是PRRA(图1b)。这个脯氨酸的插入预计将导致S673、T678和S686位点会被添加O-连接的聚糖,这些聚糖位于切割位点的两侧,并且是SARS-CoV-2所独有的(图1b)。虽然包括HKU1(谱系A)在内的其他人类β冠状病毒也有多碱基酶切位点,但在其他相关的“谱系B”β冠状病毒中并未观察到多碱基酶切位点。考虑到刺突蛋白的遗传变异水平,很可能在其他物种中可以发现带有部分或全部多碱基酶切位点的SARS-CoV-2样病毒。

SARS-CoV-2中多碱基酶切位点的功能尚不清楚,在动物模型中确定其对遗传性和发病机制的影响具有重要意义。SARS-CoV的实验表明,在S1-S2连接处插入一个furin裂解位点可以增强细胞与细胞的融合,而不影响病毒进入。此外,MERS-CoV刺突蛋白的有效切割可以使蝙蝠的MERS样冠状病毒感染人类细胞。在禽流感病毒中,高密度鸡群中的快速复制和传播使得其血凝素(HA)蛋白出现了一个多碱基裂解位点,HA功能类似于冠状病毒spike蛋白。通过人工插入或重组获得带有多碱基酶切位点的HA,可将低致病性禽流感病毒转化为高致病性禽流感病毒。通过细胞培养或动物反复传代后,也可以观察到HA获得多碱基酶切位点。

预测到的O-连接聚糖的功能尚不清楚,但它们可以形成一个“粘蛋白样结构域”,屏蔽SARS-CoV-2刺突蛋白的表位或关键残基。一些病毒利用粘液样结构域作为免疫入侵的聚糖屏障。虽然O-糖基化的预测是可靠的,但是需要实验研究来确定这些位点是否对SARS-CoV-2有用。

SARS-CoV-2的起源

SARS-CoV-2不太可能是通过实验室操作相关的SARS-CoV样冠状病毒而产生的。如上所述,SARS-CoV-2的RBD与先前计算机预测的有效结合序列是不同的,其采用了另一种序列与人ACE2结合。此外,如果进行了遗传操作,那么就可能使用目前可用于β冠状病毒的几种反向遗传系统之一。然而,遗传数据无可辩驳地表明,SARS-CoV-2并非源自任何先前已知的病毒主链。相反,我们提出了两种可以合理解释SARS-CoV-2起源的理论:(i)在出现人畜共患病转移之前在动物宿主中进行自然选择;(ii)在出现人畜共患病转移后,在人类体内进行自然选择。我们还讨论了传代过程中的选择是否会导致SARS-CoV-2出现的可能

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1. 在出现人畜共患病转移之前在动物宿主中进行自然选择

由于许多早期的COVID-19病例与武汉的华南市场有关,因此该位置可能存在动物源。鉴于SARS-CoV-2与蝙蝠SARS-CoV类似冠状病毒相似,蝙蝠可能是其自然宿主。尽管从中华菊头蝠取样的RaTG13与SARS-CoV-2总体上有〜96%相似,但其刺突蛋白RBD有所不同,这表明它可能无法与人ACE2有效结合(图1a)。

广东截获的走私马来穿山甲(Manisjavanica)也含有类似于SARS-CoV-2的冠状病毒。尽管从基因组层面上看,蝙蝠RaTG13病毒仍然是最接近SARS-CoV-2的病毒,但是一些穿山甲冠状病毒在RBD中表现出与SARS-CoV-2的强相似性,包括所有六个关键RBD残基(图1)。这清楚地表明,SARS-CoV-2刺突蛋白能与人ACE2结合是自然选择的结果

迄今为止,蝙蝠β冠状病毒和穿山甲β冠状病毒均不具有多碱基切割位点。尽管没有发现足够相似的动物冠状病毒作为SARS-CoV-2的直接祖先,但是蝙蝠和其他物种中大量的冠状病毒仍未被鉴定。冠状病毒的S1-S2连接点附近可能发生突变、插入和缺失,这表明多碱基酶切位点可以通过自然进化过程产生。为了使前体病毒同时获得多碱基酶切位点和适合与人ACE2结合的刺突蛋白突变,动物宿主可能必须具有较高的种群密度(以允许自然选择有效地进行)和人类ACE2直系同源基因相似的编码基因。

2. 在出现人畜共患病转移后,在人类体内进行自然选择

SARS-CoV-2的祖先有可能直接进入人类体内,通过在人类之间的无症状传播从而获得相关的基因组,进一步适应在人类之间大规模传播。一旦获得这些适应措施,将会爆发大流行并产生足够大的病例群,从而使得人们检测到该病毒。

到目前为止,所有测序的SARS-CoV-2基因组均具有上述基因组特征,因此它们是来自同一个祖先。穿山甲中存在与SARS-CoV-2非常相似的RBD,这意味着我们可以推测其也可能是跳到人类的病毒起源。多碱基酶切位点的插入发生在人与人之间的传播过程中。

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根据SARS-CoV-2的目前序列数据可以估算出最早出现该病毒的时间,该病毒应该在2019年11月下旬至2019年12月上旬出现,与最早的回顾性确诊病例相吻合。因此,这种假设表明,在最初的人畜共患病事件和获得多碱基酶切位点之间,存在一段无法识别的人类传播时期。如果以前发生过许多人畜共患事件,并在很长一段时间内产生了人与人之间的短链传播,则会有足够的机会。MERS-CoV基本上就是这种情况,所有人类病例都是病毒从单峰骆驼反复感染,从而产生单一感染或短途径传播,最终也没有获得相应的适应性从而在人类进行持续传播。

对空白人群样本进行研究可以提供有关是否已经发生这种秘密传播的信息。回顾性血清学研究也可能会提供参考,一些这样的研究表明中国某些地区低水平暴露于SARS-CoV样冠状病毒。然而,至关重要的是,这些研究无法区分暴露是否是由于先前感染SARS-CoV,SARS-CoV-2或其他SARSCoV样冠状病毒引起的。应该进行进一步的血清学研究,以确定人类先前暴露于SARS-CoV-2的程度。

3. 在传代过程中进行选择

在全世界的二级生物安全实验室中,涉及蝙蝠SARS-CoV样冠状病毒在细胞培养和/或动物模型中传代的基础研究已经进行了多年,并且确实有SARS-CoV病毒泄露的记录。因此,我们必须讨论实验室意外泄露SARS-CoV-2的可能性。

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从理论上讲,SARS-CoV-2有可能在适应细胞培养传代过程中获得RBD突变(图1a),正如在SARS-CoV研究中所观察到的结果一样。然而,穿山甲中发现的SARS-CoV样冠状病毒具有几乎相同的RBD,这为SARS-CoV-2是通过重组或突变获得了上述序列提供了更强大和更简约的解释

多碱基酶切位点和预测的O-连接聚糖的获得也反对这种理论。目前,仅低致病性禽流感病毒在体外或体内长时间传播后才观察到新的多碱基切割位点。此外,通过细胞培养或动物传代产生SARS-CoV-2将需要事先分离具有非常高遗传相似性的祖病毒,这尚未有任何报道。随后需要在具有与人ACE2受体类似的细胞或动物中重复传代从而获得多碱基切割位点,但是这种工作以前也没有任何报道。最后,预测的O-连接聚糖也不太可能是由细胞培养传代产生的,因为这些特征表明有免疫系统的参与

结论

COVID-19的爆发造成了全球的公共卫生紧急情况,所以我们有必要探讨产生这种大流行病的原因是什么。对动物病毒是如何越过物种边界从而如此有效地感染人类进行详细了解将有助于预防未来的人畜共患病事件。例如,如果SARS-CoV-2已预先适应另一种动物,则存在将来再次出现这样事件的风险。相反,如果适应性过程发生在人类中,则即使发生了重复的人畜共患病转移,如果没有相同的一系列突变,它们也不可能大爆发。此外,对动物中SARS-CoV-2同源物种进行鉴定将极大地有助于病毒功能的研究。RaTG13序列也确实帮助揭示了关键的RBD突变和多碱基切割位点。

本文所描述的基因组特征可以部分解释SARS-CoV-2在人类中的传染性和传播性。尽管有证据表明SARS-CoV-2不是人工制造的病毒,但目前尚无法证明或排除本文描述的其他起源理论。由于我们在自然界中的相关冠状病毒中观察到了所有值得注意的SARS-CoV-2特征,包括优化的RBD和多碱基切割位点,因此我们认为任何基于实验室的情景都是不合理的。

我们需要更多的科学数据来证明其中一种假设是比其他假设更合理的。从动物来源获得相关的病毒序列将是揭示病毒起源的最确定的方法。例如,将来观察到来自动物的SARS-CoV-2-like病毒中具有中间或完全形成的多碱基切割位点将为自然选择假说提供进一步的支持。对SARS-CoV-2进行更多遗传和功能数据分析以及动物研究,也有对其起源的确定有所帮助。同样,对SARS-CoV-2潜在中间宿主的鉴定以及对非常早期病例的病毒测序也将提供很高的参考意义。无论是否需要确定SARS-CoV-2自然选择的确切机制,对人类和其他动物进行肺炎的持续监测依旧至关重要。

参考资料:

https://doi.org/10.1038/s41591-020-0820-9

本文由科研小助手(ID:SciRes)原创,转载请注明来源

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