專題：《科學(xué)大家》聚焦新型冠狀病毒
實(shí)時(shí)疫情入口
出品：科技《科學(xué)大家》、未來論壇
主講嘉賓：李文輝 北京生命科學(xué)研究所資深研究員
地球上存在很多病毒，作為生態(tài)環(huán)境的一部分，它可在家畜或者野生動(dòng)物之間傳播，也可在人間傳播。病毒引起的新發(fā)傳染病，對(duì)人類來說是長(zhǎng)期存在的威脅。處于病毒的汪洋大海中，人類卻并沒有感染很多病毒。這是為什么呢？
因?yàn)樽鳛槿梭w表面最大器官皮膚，建立第一道“防火墻”，對(duì)所有病毒不易感染。病毒想要進(jìn)入人體需要有自己的通道：人體和外界相通的通道，包括呼吸道、消化道、生殖道，以及通過蚊蟲叮咬、輸血傳播和母嬰傳播。
RNA病毒和DNA病毒
病毒是嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)寄生生物，主要原因是它沒有自己的能量系統(tǒng)，也沒有自己的物質(zhì)系統(tǒng)，它只能提供遺傳信息和少量的蛋白質(zhì)及其他物質(zhì)。病毒必須通過特定通道進(jìn)入細(xì)胞，這個(gè)通道稱為受體。進(jìn)入細(xì)胞以后，在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核里面分別進(jìn)行復(fù)制。
病毒可以分為兩大類：RNA病毒和DNA病毒。RNA病毒絕大部分在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)復(fù)制，包括此次新型冠狀病毒和大部分的新發(fā)病毒，以及常見的丙肝等；絕大部分的DNA病毒都在細(xì)胞核內(nèi)復(fù)制，包括常見的皰疹病毒、乳頭瘤病毒等等，但也存在在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)復(fù)制的DNA病毒，如痘病毒，也就是天花病毒，天花病毒是目前唯一已經(jīng)被人類疫苗徹底消滅的病毒，其他的病毒即使有很好的疫苗也沒有完全根除。
在這兩個(gè)病毒世界之間，還有一種跨界病毒，通過從RNA到DNA的逆轉(zhuǎn)錄過程實(shí)現(xiàn)復(fù)制，如：HIV（艾滋病病毒）和HBV（乙型肝炎病毒）。病毒用最精簡(jiǎn)的方式復(fù)制，攜帶的核心是它的遺傳物質(zhì)，它的遺傳物質(zhì)在哪兒復(fù)制，是整個(gè)病毒生命的核心和最關(guān)鍵的要素。
對(duì)于RNA病毒，它在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)復(fù)制，其基因組大致包括兩部分，一是它的復(fù)制酶區(qū)域，二是它的結(jié)構(gòu)基因區(qū)域。例如冠狀病毒，它的基因組是一個(gè)長(zhǎng)的正鏈RNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)?；蚪M各部分保守性不同，上圖紅色區(qū)域表示保守性非常高，顏色遞減表示保守性減弱。
RNA病毒進(jìn)入細(xì)胞后可在“病毒工廠”中，進(jìn)行基因復(fù)制和基因表達(dá)，產(chǎn)生病毒結(jié)構(gòu)蛋白和基因組RNA，兩者組裝成完整RNA病毒以后釋放，至此完成它自己的生活史。
RNA病毒必須在細(xì)胞質(zhì)里面連續(xù)地、活躍地復(fù)制，才能長(zhǎng)期存在于細(xì)胞中。這意味著RNA病毒中任何一個(gè)關(guān)鍵酶或關(guān)鍵蛋白缺失或者被損傷，病毒都不能進(jìn)行連續(xù)的復(fù)制。這為病毒抑制提供了多個(gè)作用靶點(diǎn)，任何一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)能被有效地抑制，那病毒就能被有效抑制。
抗治療RNA病毒中最成功的例子就是丙肝病毒，科學(xué)家找到了丙肝病毒的六七個(gè)靶點(diǎn)。對(duì)于冠狀病毒來說，有兩個(gè)重要的酶，一個(gè)是蛋白酶，一個(gè)是依賴于RNA的RNA聚合酶（RDRP），抗病毒藥物瑞德西韋如果能夠有效地抑制RDRP活性，便可抑制病毒復(fù)制。
DNA病毒是完全不一樣的世界，DNA病毒主要存在于細(xì)胞核中，同時(shí)產(chǎn)生它的結(jié)構(gòu)蛋白、非結(jié)構(gòu)蛋白和基因組。正常情況下病毒可以持續(xù)不斷地復(fù)制。但是DNA病毒和RNA病毒有一個(gè)巨大不同：DNA病毒在細(xì)胞核內(nèi)也可以不復(fù)制，依然能夠長(zhǎng)期存在。換句話說，病毒DNA的多聚酶抑制劑，比如阿昔洛韋雖抑制了HSV（單純皰疹病毒）的復(fù)制，但是病毒本身的遺傳物質(zhì)在宿主細(xì)胞核里依舊可以長(zhǎng)期存在，很難被消除。這個(gè)長(zhǎng)期存在當(dāng)然有一系列的基礎(chǔ)，比如它利用了細(xì)胞本身的DNA修復(fù)機(jī)制，能夠維持它的基因組完整性。與此相反，RNA病毒基因組在細(xì)胞質(zhì)里不能得到維持和維護(hù)，它更像一次性的，用完即扔。
乙肝病毒是介于RNA和DNA之間的一個(gè)病毒，它在細(xì)胞核里的共價(jià)閉合環(huán)狀DNA(cccDNA)也是長(zhǎng)期存在的，但它的復(fù)制可以被RNA逆轉(zhuǎn)錄酶的抑制劑所抑制。RNA病毒和DNA病毒在生物學(xué)上有巨大不同，在病毒學(xué)者看來，RNA病毒只要研究得足夠深入，找到合適的靶點(diǎn)，可以像丙肝一樣被消滅。對(duì)于DNA病毒來說，它的路要長(zhǎng)得多。
不管DNA或者RNA病毒在分子層面的表現(xiàn)如何，在個(gè)體層面，病毒感染都有它的自然史。病毒感染以后，會(huì)出現(xiàn)幾種結(jié)局。一種是只經(jīng)歷亞臨床的改變，最終康復(fù)，另一種是從亞臨床改變到臨床疾病，最后康復(fù)、或者死亡。但是由于病毒本身的特性不同，宿主個(gè)體的差異不同，病毒的自然史在個(gè)體水平上是有差別的。比如，有些病毒感染是隱性感染為主，如乙型腦炎病毒，大部分感染沒有明顯的臨床癥狀。乙腦病毒最終靶點(diǎn)在腦部神經(jīng)元，但是在宿主有病毒血癥的時(shí)候它感染的是外周器官。而麻疹病毒等是以顯性感染為主，感染完都會(huì)發(fā)病，以臨床疾病作為最主要的突出表現(xiàn)。另外一個(gè)極端的例子就是狂犬病毒，只要感染，如果沒有及時(shí)進(jìn)行疫苗接種、特免血清或者抗體的注射，病人都會(huì)死亡。
冠狀病毒是一大類RNA病毒，第一例是1937年從禽類分離出來的禽傳染性支氣管炎病毒，第一例人冠狀病毒是1965年從一個(gè)小男孩的鼻腔內(nèi)的充氣部位分離出來，當(dāng)時(shí)接種了該病毒的健康志愿者也感染發(fā)病。冠狀病毒是已知的最大的RNA病毒，它的基因組將近30K。如此巨大的一個(gè)病毒， RNA聚合酶保真性和RNA穩(wěn)定性都有一定的問題。
為什么冠狀病毒依然能穩(wěn)定存在，并成為最大的RNA病毒呢？其中很重要的原因是它的復(fù)制酶中有一個(gè)外切核糖核酸酶，這個(gè)酶一定程度上有校對(duì)功能，能夠使冠狀病毒保持基因組的穩(wěn)定性。另一方面來說，冠狀病毒有很大的基因組，也意味著它有很多的靶點(diǎn)。當(dāng)人類對(duì)這個(gè)病毒進(jìn)行深入地研究，我個(gè)人認(rèn)為可以找到有效的靶點(diǎn)，從而有效地進(jìn)行治療。
冠狀病毒，要通過細(xì)胞膜進(jìn)入宿主細(xì)胞。這個(gè)過程的關(guān)鍵是細(xì)胞膜受體和冠狀病毒的刺突蛋白的結(jié)合。這種結(jié)合過程相當(dāng)于一個(gè)酶催化過程，病毒的膜和細(xì)胞膜首先發(fā)生半融合，然后再完全融合，兩個(gè)膜完全融合以后，病毒的核衣殼進(jìn)入細(xì)胞里面，從而完成病毒復(fù)制的第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。
在這次新冠病毒以前已經(jīng)有6種可感染人的冠狀病毒，最早發(fā)現(xiàn)的是229E病毒，最晚的是MERS（中東呼吸綜合征冠狀病毒）。新冠病毒主要進(jìn)入人體呼吸道，它的傳播效率很高，但病死率并不是很高。它的重要病理特點(diǎn)是有肺泡上皮的彌漫性損傷和多核巨細(xì)胞形成。這和病毒通過受體結(jié)合侵入是有關(guān)系的。
阻斷ACE2受體可以阻斷新冠病毒感染
新冠病毒被發(fā)現(xiàn)以后，石正麗研究團(tuán)隊(duì)證明不敏感細(xì)胞轉(zhuǎn)染ACE2受體以后，可以被新冠病毒感染，后來Pohlmann用實(shí)驗(yàn)證明阻斷ACE2受體可以阻斷新冠病毒的感染，這樣看來從充分性和必要性都可以證明ACE2在細(xì)胞培養(yǎng)水平是新冠病毒主要的受體。我們?cè)谠缙谝泊_定了ACE2是SARS病毒必要和充分的受體。但是在人體層面ACE2是什么樣子呢？首先要看它在各器官的表達(dá)。ACE2在包括肺臟在內(nèi)的很多器官內(nèi)有表達(dá)。最新的報(bào)道表明，ACE2在口腔的很多細(xì)胞中也有表達(dá)，提示我們這和一部分病人僅僅是在上呼吸道發(fā)生病毒復(fù)制，而沒有在下呼吸道復(fù)制從而造成嚴(yán)重疾病有關(guān)。但這個(gè)假設(shè)目前還未研究清楚。
除ACE2之外，另外一個(gè)膜蛋白酶TMPRSS2也可以促進(jìn)冠狀病毒尤其是SARS和新冠病毒的感染。TMPRSS2和ACE2疊加分布，可能和新冠病毒多器官損傷有關(guān)。但是TMPRSS2在器官損傷中發(fā)揮的作用并沒有比ACE2大，原因是在HCov-229E感染中也需要TMPRSS2的參與，但是HCov-229E顯然是自限性的疾病。當(dāng)然，受體和輔助因子的表達(dá)也只是疾病發(fā)生發(fā)展中的一個(gè)因素，還有其他因素也在參與其中，這需要以后更多的研究。
在人群水平上ACE2是什么樣子的？ACE2是在人的X染色體的短臂。最新一篇文章分析了中國(guó)人的基因組的MAP和千人基因組結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在編碼區(qū)有30多個(gè)核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)，有意思的是多態(tài)性的位點(diǎn)和已知的病毒感染位點(diǎn)都沒有重合。意味著不存在對(duì)新冠病毒有天然抵抗力的人群存在。
這一點(diǎn)和乙肝病毒受體NTCP有很大不同。NTCP最主要是在肝臟表達(dá)，不會(huì)在其他器官表達(dá)。在人群水平，NTCP有一個(gè)在267位的S變成F的突變位點(diǎn)，這個(gè)突變中國(guó)南方人群比北方多，能夠使人具有部分抵抗HBV感染的能力，已經(jīng)被流行病學(xué)調(diào)查所證實(shí)?？傊?，從病毒學(xué)角度看，一個(gè)病毒可以像HBV一樣，有高度的組織器官特異性，也可以像SARS一樣，有多器官的侵入和感染。
冠狀病毒由病毒的刺突蛋白介導(dǎo)進(jìn)入人體細(xì)胞，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究使我們對(duì)于一些重要的冠狀病毒結(jié)構(gòu)，有了非常直觀和比較深入的了解。新冠病毒和SARS冠狀病毒一樣，刺突蛋白都是三聚體結(jié)構(gòu)，可分成幾個(gè)結(jié)構(gòu)域，圖中綠色部分是和感染最相關(guān)的受體結(jié)合域（RBD），它有突起和放下兩種構(gòu)象，在突起構(gòu)象下可以和細(xì)胞膜受體結(jié)合。
在原子層面看病毒與受體結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，新冠病毒和2005年發(fā)現(xiàn)的SARS病毒與ACE2的結(jié)合模式相同和結(jié)合機(jī)制相似。從空中往下鳥瞰看病毒與受體結(jié)合在受體上留下的足跡，可以看到新冠病毒的足跡和SARS病毒的足跡在很多地方是重合的，當(dāng)然也有不一樣的地方，這意味著它們有相同的結(jié)合模式和相似的機(jī)制。
受體和受體結(jié)合域的結(jié)合能夠決定感染效率。比較新冠病毒分別與人、蝙蝠和穿山甲ACE2結(jié)合的能力，可以看到新冠病毒的RBD和人結(jié)合的相當(dāng)強(qiáng)，和穿山甲也非常強(qiáng)，和蝙蝠的ACE2結(jié)合相對(duì)弱一些。對(duì)于病毒溯源來說，還需要看（動(dòng)物）新冠（類似）病毒和不同ACE2的結(jié)合。
大分子藥物如何阻斷病毒侵入？
前面我提到由ACE2介導(dǎo)的病毒的侵入過程，如何阻斷病毒侵入呢？我想分享一下對(duì)于大分子藥物的一些想法。
大分子藥物相對(duì)小分子藥物有很多優(yōu)勢(shì)，包括給藥次數(shù)少、安全性高，耐藥屏障高，不受免疫優(yōu)勢(shì)表位的影響。對(duì)疫苗接種反應(yīng)不好的群體包括嬰幼兒、老年人都有效。
當(dāng)然也有它的限制，比如給藥方式不便、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本比較高等問題。
大分子藥物的研發(fā)也有很好的先例，比如RSV的帕利珠單抗，當(dāng)然還有一系列的流感病毒和HIV單抗目前正在臨床實(shí)驗(yàn)中。
抗新冠病毒的大分子藥物本質(zhì)上可以分為兩種，一種是抗體，包括抗ACE2抗體和抗S蛋白抗體，另一種是融合蛋白，包括RBD-Fc融合蛋白和ACE2-Fc融合蛋白，他們作用機(jī)制的共同點(diǎn)是阻斷新冠病毒和ACE2的結(jié)合，當(dāng)然它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。比如ACE2-Fc融合蛋白能夠有效地中和病毒，病毒難以逃逸，可以“以不變應(yīng)萬變”。它的缺點(diǎn)也比較明顯，比如工藝復(fù)雜和親和率一般?？贵w是大分子藥物很重要的武器，抗體的優(yōu)點(diǎn)是比較成熟，缺點(diǎn)是病毒對(duì)抗體容易產(chǎn)生突變，使抗體失效。
新冠病毒的受體結(jié)合域比較緊促，它是獨(dú)立折疊的一個(gè)區(qū)域，可以被重組表達(dá)用于抑制病毒的感染。RBD-Fc融合蛋白在早期實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)被證明可以用于有效阻擋SARS病毒的感染。
對(duì)于特異性中和抗體來說，最早的針對(duì)SARS的中和抗體是2004年發(fā)現(xiàn)的針對(duì)RBD的抗體，稱為80R。在領(lǐng)域內(nèi)有很多研究小組都在很積極地研發(fā)針對(duì)新冠病毒的抗體，新冠病毒抗體最容易拿到的也是針對(duì)RBD的抗體，將來可以考慮表達(dá)更不容易變化和不容易逃逸的其他地方的抗體，但這些難度比較大。
大分子藥物面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)
對(duì)于新冠病毒來說，大分子藥物面臨的主要挑戰(zhàn)，最重要的有兩個(gè)，第一個(gè)病毒是否有細(xì)胞和細(xì)胞間的傳播，病毒是否可以避開受體結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞？對(duì)于乙肝病毒來說，這是不可能的。但是有些病毒是可以進(jìn)行細(xì)胞間傳播的，比如說HIV，可以有細(xì)胞間的傳播，這種細(xì)胞間的傳播會(huì)妨礙大分子藥物的作用效率。
對(duì)于冠狀病毒來說，研究比較多的是冠狀病毒小鼠MHV，在MHV里面有自己的蛋白受體，也可以有唾液酸的受體，它們倆相互配合可以幫助病毒進(jìn)入細(xì)胞。傳播階段，唾液酸也可以幫助完成細(xì)胞與細(xì)胞間的傳播。新冠病毒的受體是ACE2，是不是有唾液酸和糖分子的參與目前并不知道。但是新冠病毒基因組上并沒有編碼RDE的基因，RDE是以糖類進(jìn)行擴(kuò)散的病毒必須的酶，新冠病毒并沒有編碼RDE酶，所以它有用糖類分子進(jìn)行繼續(xù)擴(kuò)散的概率，但是不大。
還有一個(gè)問題，是否存在抗體依賴的病毒感染增強(qiáng)效應(yīng)（ADE），所謂ADE效應(yīng)在登革熱病毒里面是廣為人知的，結(jié)合非中和性抗體的登革熱病毒可以通過旁路進(jìn)入巨噬細(xì)胞里面進(jìn)行增殖，然后造成第二次感染，尤其是第二次感染和第一次感染的病毒株不一樣的時(shí)候，第二次感染的癥狀更重，發(fā)生ADE效應(yīng)。
在冠狀病毒里，新冠病毒目前不知道是不是有這種ADE的效應(yīng)，但是對(duì)SARS病毒和MERS病毒已有研究發(fā)現(xiàn)S蛋白的低親和力抗體，可以介導(dǎo)病毒進(jìn)入免疫細(xì)胞，但并不能發(fā)生活躍復(fù)制，最終只發(fā)生流產(chǎn)感染。當(dāng)然也可能會(huì)激起細(xì)胞因子等等反應(yīng)，目前并不是很清楚。ADE的因素取決于抗體本身有多強(qiáng)，對(duì)下游信號(hào)的激活，尤其是ISG反應(yīng)基因的激活程度等一系列因素，不光是對(duì)抗體治療，對(duì)疫苗研發(fā)也是很重要的考量。
（本文根據(jù)李文輝教授在《理解未來》科學(xué)講座：病毒與人類健康-專題科普第一期演講整理而成，有刪減。）
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