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深度解读新型冠状病毒感染与免疫机制（一）

2020.4.03

2019年12月爆发的新型冠状病毒，给我国人民生活带来了巨大的影响。那么，什么是新型冠状病毒呢？人类如何科学防御并治疗冠状病毒呢？相信大家对这个问题既熟悉又陌生，熟悉的是我们身处其中，每天都对这个病毒战战兢兢，陌生的是我们对新冠病毒的了解并不是很透彻，致使截至目前，我们依然没有办法完全消除他的存在。知己知彼，方能百战不殆。要防御和治疗2019-nCoV，我们需要对其感染和免疫机制有深入的了解。

1、冠状病毒是什么

冠状病毒（CoV）是属于Nidovirales的最大病毒组，其中包括冠状病毒科，Arteriviridae, Mesoniviridae和Roniviridae家族。冠状病毒进一步可细分为四个属，即α，β，γ和δ冠状病毒，其中α和β冠状病毒会引起人类的呼吸道和肠道感染，有四种Human-CoV （HCoV 229E、NL63、OC43和HKU1）在全球流行，占成人呼吸道感染的10%至30%。

冠状病毒属的病毒是具有外套膜（envelope）包裹的RNA病毒，其直径约100-160nm，遗传物质在所有RNA病毒中最大。包裹病毒粒子的脂肪膜表面有三个糖蛋白：棘突糖蛋白（S, SpikeProtein,是受体结合位点、溶细胞作用和主要抗原位点）；小包膜糖蛋白（E, EnvelopeProtein，较小，与胞膜结合的蛋白）；膜糖蛋白（M，MembraneProtein，负责营养物质的跨膜运输、新生病毒出芽释放与病毒外包膜的形成）。少数种类还有血凝素糖蛋白（HE蛋白，Haemaglutinin－esterase）。病毒主要通过Spike蛋白（S蛋白）与宿主细胞受体结合来介导病毒的入侵，并决定病毒的组织或宿主嗜性。冠状病毒S蛋白S1亚单位的N端结构域（S1-NTD）和C端结构域（S1-CTD）都能作为受体结合域（RBD）。一般认为S1-NTD结合糖类受体，S1-CTD结合蛋白类受体。

图1 冠状病毒结构示意图（引自Jie Cui et al. 2019）

冠状病毒的核酸为非节段单链（+）RNA，长27-31kb，是RNA病毒中最长的RNA核酸链，具有正链RNA特有的重要结构特征：即RNA链5’端有甲基化“帽子”，3’端有PolyA“尾巴”结构。这一结构与真核mRNA非常相似，也是其基因组RNA自身可以发挥翻译模板作用的重要结构基础，因而省去了RNA－DNA－RNA的转录过程。冠状病毒的RNA和RNA之间重组率非常高，病毒出现变异正是由于这种高重组率。重组后，RNA序列发生了变化，由此核酸编码的氨基酸序列也变了，氨基酸构成的蛋白质随之发生变化，使其抗原性发生了变化，因此疫苗的研发也受到了限制。

2019年12月在湖北武汉出现的不明原因肺炎病例，经序列测定，专家发现，其与2003年爆发的SARS-CoV病毒存在79.5%的序列同源性，结合电镜下观察的图片，中国疾控中心将引起不明原因肺炎病毒命名为2019-nCoV。2019-nCoV具有冠状病毒的基本特征，是β冠状病毒属。研究者对2019-nCoV样本进行了RNA全长测序，研究发现2019-nCoV在整个基因组中与蝙蝠冠状病毒RaTG13非常相似，整体基因组序列一致性为96.2%。截至目前，专家认为病毒的来源可能为菊头蝠，但最终导致人传人情况的发生，是由于中间宿主的存在以及病毒变异致使其适应人类细胞的生存而导致的。

2、SARS-CoV, MERS-CoV, 2019-nCoV特征及联系

图2 不同冠状病毒基因组，基因和蛋白质（引用Jie Cui et al. 2019）

冠状病毒形成直径为100-160 nm的包膜球形颗粒。它们包含大小为27-32 kb的正链单链RNA（ssRNA）基因组。基因组的5’端三分之二编码一个多蛋白pp1ab，该蛋白进一步被切割成16个非结构蛋白，它们参与基因组的转录和复制。3’末端编码结构蛋白，包括包膜糖蛋白（S），包膜（E），膜（M）和核衣壳（N）。除了编码结构蛋白的基因外，还有一些辅助基因，这些辅助基因是物种特异性的，对于病毒复制是不可或缺的。该图比较了四种冠状病毒属的典型菌株和代表性菌株：猫传染性腹膜炎病毒（FIPV），犀牛蝙蝠冠状病毒HKU2，严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）菌株SAR02和SZ3来自流行早期感染的人，分别来自在SARS流行病的中期和晚期感染的人类的SARS-CoV毒株hTor02，蝙蝠SARS相关冠状病毒（SARSr-CoV）毒株，中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV），小鼠肝炎病毒（MHV），传染性支气管炎病毒（IBV）和球茎冠状病毒HKU11。

严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）是曾引起大规模传染病爆发的冠状病毒。SARS-CoV、MERS-CoV和2019-nCoV同属于冠状病毒。对于2019-nCoV新发病毒而言，我们对已有相关病毒的了解和研究策略对我们研究2019-nCoV有着重要的意义。

我们知道，SARS冠状病毒（SARS-CoV）是以血管紧张素转化酶（ACE2）作为受体，主要感染纤毛支气管上皮细胞和II型肺细胞。SARS-CoV S蛋白形成了三叶草形的三聚体，具有三个S1头和一个三聚体S2茎。RBD位于每个S1头的尖端。 RBD绑定到ACE2的外表面，远离其锌螯合酶位点。有研究表明，不同的SARS-CoV菌株对人血管生成素受体蛋白（ACE2）的亲和力不同，感染力和传播力也不同。有些菌株感染人类，但并不在人类之间传播，而有些菌株却对人细胞具有高感染力，形成跨物种传播。

图3 SARS- CoV和MERS- CoV的受体识别（引自Jie Cui et al 2019）

SARS-CoV使用其受体结合域（RBD）（如hTor02菌株的结构所示，包含核心结构（青色）和受体结合基序（RBM;品红色）结合ACE2（绿色）。 ACE2是一种肽酶，其活性中心带有锌（蓝色）。
宿主和病毒受体中的几个残基，以及两个稳定结构（虚线）形成两个结合热点的连接，这对于SARS流行株hTor02的结合至关重要。
相比之下，SARS相关冠状病毒（SARSr-CoV）株bWIV1是从蝙蝠中分离出来的，可以感染灵猫和人细胞，其残基442、472和487不同。苏氨酸突变为天冬酰胺487号残基中的A引入极性侧链，并会干扰353位点的结合。此处显示的模型是基于hTor02 RBD与人ACE2复合的结构建立的，其中442、472和487位残基从hTor02菌株突变为bWIV1菌株。
蝙蝠SARSr-CoV株bRsSHC014也可以感染人和果子狸细胞。它在487位上带有丙氨酸，并且该残基的短侧链不支持353的结合。其中442、480和487位残基从cOptimize菌株突变为bWIV1菌株。
中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）RBD（青色的核心结构和洋红色的RBM）结合人二肽基肽酶4（DPP4；绿色）。

而MERS-CoV是以二肽激肽酶4（DPP4;也称为CD26）作为受体，感染未分化的支气管上皮细胞和II型肺细胞。DPP4蛋白作用于物种间氨基酸序列的大量转化。其致病机制是感染下呼吸道并使下呼吸道上皮细胞高度易感，促进巨噬细胞和树突状细胞中病毒的复制生产，诱导促炎细胞因子的产生，靶向T淋巴细胞并导致其凋亡。到目前为止，科学家对于SARS-CoV、MERS-CoV对人体的侵袭研究并没有终止，而如今2019-nCoV的突然爆发加速了科学家对冠状病毒的研究。

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