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作者 郭晓强 2019年12月起，全球爆发一种严重的传染性肺炎——新型冠状病毒肺炎，简称新冠肺炎（novel coronavirus pneumonia, NCP）。随后世卫组织将此病正式命名为2019新型冠状病毒病（coronavirus disease 2019, COVID-19）。此病患者通常表现出发热和干咳的典型症状，此外还会伴随疲劳、头痛等现象，严重时会出现呼吸急促或困难，甚至死亡 [1]。截至2020年5月中旬，全球已有逾400万新冠肺炎感染者，其中30万患者死亡，给人类健康、生活以及经济活动等均带来灾难性影响。这是进入20世纪以来、继2003年严重急性呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome, SARS）和中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome, MERS）以后更为严重的肺部传染病。 新冠肺炎的元凶：新型冠状病毒 科学家迅速着手，不久就确定了新冠肺炎的致病元凶。跟SARS和MERS的致病原一样，新冠肺炎也是由于一种冠状病毒，最初命名为2019新型冠状病毒（2019 new coronavirus,2019-nCoV） [2,3]，后发现与SARS-冠状病毒（SARS-CoV）具有较高保守性（结构相似和相关性），遂更名为SARS-CoV-2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2）。SARS-CoV-2的鉴定，为解决新冠肺炎的防治问题指明了重要方向。 SARS-CoV-2病毒拥有一个较为“漂亮”的外表，外面是保障病毒完整性的包膜结构（envelope），内含负责病毒传宗接代的遗传物质——正链RNA。病毒包膜上还点缀有3种重要的结构蛋白质，分别是刺突蛋白（spike, S）、包膜蛋白（envelope, E）和膜蛋白（membrane, M），病毒正链RNA还结合核衣壳蛋白（nucleocapsid, N），这些成分构成SARS-CoV-2的全部结构。 相对于细菌和真菌等尚可独立生存的微生物，病毒是完全寄生的，必须借助宿主细胞才可以生存和繁衍下去。病毒的生活史非常“简单”，概括而言就是 “两点一线”：“两点”就是病毒在其宿主的细胞外和细胞内，“一线”就是病毒出入细胞的过程。SARS-CoV-2也不例外，它需要找到适合自己生存的宿主细胞，以完成自己“繁衍生息”的使命。因此，相应的防治策略就是阻碍每一个关键过程的发生，而阻断病毒进入宿主细胞是至关重要的。 开启宿主细胞之门的钥匙：刺突蛋白 SARS-CoV-2若感染细胞，首先需要自身的蛋白质发挥作用，而这个关键因素是刺突蛋白。SARS-CoV-2刺突蛋白的一端插入病毒包膜内，而大部分位于病毒外侧。正常情况下，三个刺突蛋白形成一个 “冠状”结构，这也是SARS-CoV-2得名的原因所在。 刺突蛋白可进一步分为S1和S2两部分。S1位于远病毒端（蛋白质的N端），含有一个关键的受体结合区（receptor-binding domain, RBD），负责跟宿主细胞表面的特定蛋白质（称为受体）进行特异性结合与识别；S2位于近病毒端（蛋白质的C端），含有一个重要的融合肽区（fusion peptide, FP），对病毒包膜与宿主细胞膜融合至关重要；两者之间还拥有一个酶切位点，称为分开点。因为S1和S2的功能是依序进行，所以S1执行功能后必须在分开点与S2断开，才可保证S2功能的完成 [4,5]。 SARS-CoV-2的刺突蛋白和SARS-CoV的刺突蛋白，结构大同小异，相同之处决定二者采取相似的感染机制，而不同之处则展示出二者在传染能力上的些许差异。例如，SARS-CoV-2的S1片段部分氨基酸出现变化，导致与宿主细胞受体的结合能力增加；SARS-CoV-2还引入新的分开点，使S1和S2更容易分离，这一特性造成病毒进入宿主细胞的能力大大增加。因此相较于SARS-CoV，SARS-CoV-2通过变异获得两大能力：与宿主细胞的受体亲和力更强，随后的膜融合性也更佳。这或许就是新冠肺炎传染性强的原因之一。 病毒侵染宿主细胞，具有严格的选择性，否则病毒的危害会无比巨大。SARS-CoV-2若要进入宿主，仅有刺突蛋白还远远不够，还需要宿主细胞受体蛋白质予以协助才可能完成，该策略可称为“里应外合”，而发挥“内应”作用的是一种被称为血管紧张素转换酶2（angiotensin-converting enzyme 2, ACE2）的蛋白质。 要理解ACE2正常作用，首先要熟悉肾素—血管紧张素系统（renin-angiotensin system, RAS）。当机体血压降低时，肾脏细胞会分泌肾素。肾素本身并不具备升高血压的能力，它需要将肝脏合成的无活性血管紧张素前体分子转化为血管紧张素Ⅰ。血管紧张素Ⅰ有一定的降血压活性，但作用较弱，因此要在肺部被血管紧张素转换酶（ACE）催化，进一步生成血管紧张素Ⅱ。血管紧张素Ⅱ具有强烈的升血压活性，但如果过量通常会引发高血压，因此临床上常用ACE抑制剂如依那普利和卡托普利等，通过减少血管紧张素Ⅱ的生成来治疗高血压。 这个肾素—血管紧张素系统看起来有一个明显“瑕疵”，那就是它只管升高压，而在理论上，机体还应该存在一个降血压机制，以维持正常的血压水平。2000年ACE2的发现，使该问题得到很好的解答。ACE2可催化血管紧张素Ⅱ进一步水解，使其升血压活性减弱甚至消失，从而保障机体血压的相对稳定。ACE2在肺泡上皮细胞、小肠表面肠上皮细胞、心和肾的内皮细胞等多种细胞中广泛存在，因此具有重要生物学功能。 正值ACE2调节血压的生物学作用被全面研究之时，一次突发事件改变了研究方向。2003年爆发SARS疫情，而2004年就确定了ACE2的另一重身份——作为SARS-CoV刺突蛋白受体，协助病毒进入细胞。因此，一个原本对机体有益的分子，却被病毒“劫持”，成为病毒进入细胞的帮凶，起到助纣为虐的作用。新冠肺炎暴发后，ACE2再一次被鉴定为SARS-CoV-2刺突蛋白受体 [6-8]，起协助病毒进入的作用。 ACE2和病毒的刺突蛋白结构类似，也属Ⅰ型跨膜蛋白，即蛋白质N端在细胞外，C端在细胞内，靠近C端有一个跨膜结构，保障ACE2定位于细胞膜。ACE2大部分结构位于细胞外，包括催化血管紧张素Ⅱ转化的结构域（指的是活性部位），当然也包含被刺突蛋白识别的区域。 ACE2可与SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合区发生特异性识别与结合，这种结合的紧密程度远大于ACE2与SARS-CoV刺突蛋白，因而更加有利于病毒进入宿主细胞。 SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2结合，仅仅完成病毒侵染细胞的第一步；尚需后续一系列操作，病毒才可最终进入宿主细胞。 刺突蛋白与ACE2精准结合，可启动宿主细胞的细胞膜内陷，从而将病毒团团包围，形成一个内吞体。因完整刺突蛋白的空间位阻妨碍宿主细胞膜和病毒包膜靠近，故需特定蛋白酶的辅助，著名的如跨膜丝氨酸蛋白酶2（transmembrane protease serine 2, TMPRSS2）等将S1和S2之间“剪开” [9]，暴露出融合肽区。融合肽可插入宿主细胞膜，并牵引病毒包膜靠近，最终实现膜融合。由于SARS-CoV-2获得了一个新的蛋白酶酶切位点，因此极大地增加了S2的暴露能力和随后的膜融合效率。接着，作为病毒遗传物质的正链RNA释放到宿主细胞内，借助宿主的翻译机制、合成原料等进行病毒繁殖，条件成熟后释放出大量子代SARS-CoV-2，开启对宿主细胞的新一轮感染。 ACE2可在肺气道上皮细胞、肺泡上皮细胞、血管内皮细胞和巨噬细胞等多处表达，因此对肺的作用尤为重要。研究发现，如破坏小鼠肺部ACE2的功能，则丧失对急性肺损伤的保护。ACE2协助SARS-CoV-2进入肺部特定细胞，可造成两个严重后果。一方面把病毒放入细胞，使细胞成为病毒繁殖的温床，最终导致细胞死亡，可谓“引火烧身”，而更为严重的是，还可以进一步感染其他细胞，引发连锁反应；另一方面ACE2自身会被破坏，无法完成原本应该执行的正常功能（如降血压等），可谓“擅离职守”，最终造成严重的后果，包括肺泡上皮受损、呼吸功能障碍、肺器官衰竭等临床表现。 对侵染的防治策略 对SARS-CoV-2进入细胞的过程开展研究，目的在于开发特异性的防治策略。由于病毒进入是SARS-CoV-2感染环节的第一步，因此在这个环节上采取干预措施更为有效，基本策略如下： 阻碍SARS-CoV-2刺突蛋白靠近ACE2 实现这一目标可以通过多种手段。首先，可制备人源化SARS-CoV-2刺突蛋白单克隆抗体应用于临床治疗。由于外源抗体与刺突蛋白的结合能力更强，因此能竞争性地阻断病毒靠近细胞。其次，开发疫苗使机体自身产生刺突蛋白抗体，这种方法较之前一手段，抗体的产生更为持久，因此可作为预防方案。第三，采用重组型可溶SARS-CoV-2刺突蛋白，让其与宿主细胞ACE2结合，从而竞争性地抑制病毒的结合。考虑到这一策略会占据ACE2，可能影响后者正常功能的发挥，因此其疗效尚待评估。 破坏病毒包膜与宿主细胞膜的融合 [10] 实现这一策略也有多种方案。首先，采用TMPRSS2抑制剂，如目前已临床应用的萘莫司他（nafamostat，具有抗凝、抗纤维蛋白溶酶及抗血小板聚集作用）和卡莫司他（camostat）等。其次，采用其他酶抑制剂，包括巴瑞替尼（baricitinib，临床用于治疗类风湿关节炎）和芦可替尼（ruxolitinib，用于治疗骨髓纤维化）等。这些药已获批准应用于临床，因此进一步用于治疗传染性肺炎，属于“老药新用”，安全性有较大保证，仅需进而证明临床疗效即可。 精准防治中的难题 如此众多策略可阻止SARS-CoV-2进入细胞，是否意味着已经可以战胜这一突发传染病了呢？事实远非如此简单，因为理论付诸实践尚存在诸多问题。尽管病毒很小，但人类对付它们的手段十分有限。 预防的最好策略是开发出疫苗，然而许多病毒的快速变异（高突变率）使得疫苗研发最终失败。经典案例如人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV；即艾滋病病毒）、丙型肝炎病毒（hepatitis C virus, HCV）和流感病毒（influenza virus）等，目前均缺乏有效疫苗。 广谱性抗病毒药物对特定病毒的治疗效果都较为有限，而针对特种病毒的有效药物又缺乏普遍性。如丙肝“神药”索非布韦（sofosbuvir）的核心结构为核苷酸类似物，通过抑制病毒遗传物质的复制而发挥药物活性；但采取类似策略的瑞德西韦（remdesivir）在治疗新冠肺炎上却不再“神奇”。 在对抗病毒性疾病方面，人类仍处于一种“路漫修远、上下求索”的状态。病毒的一大特征是高突变率（源自选择压力），这一特性一方面造成病毒的跨界传播（SARS-CoV-2通过突变更易感染人类），另一方面也给防治工作带来重大挑战（耐药性产生和疫苗失效的主要原因之一在于病毒靶点突变，最终逃过药物作用和机体免疫识别）。 精准医学体现在两个层面：“精”是指对疾病发生有一个全面系统的理解与认识；“准”是指治疗措施上力求效果尽可能好，副作用尽可能少。目前对病毒性传染病，在“精”和“准”上都存在诸多欠缺，因此仍须作出更大努力以攻克众多难题。 郭晓强：副教授，石家庄职业技术学院，石家庄 050081。xiaoqiangguo123@163.com
关键词：新冠肺炎 SARS-CoV-2 刺突蛋白 ACE2 ■ 本文刊载于2020年第72卷第4期《科学》杂志 《科学》杂志于1915年1月在上海问世， 早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作， 是我国历史最长的综合性科学刊物。 杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。杂志现任主编为中国科学院院长白春礼院士，主办单位为上海科学技术出版社。 科学杂志APP的支付系统已经完善，可在线支付了！ |
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