新型冠状病毒的第一个传播者:消失的零号病人

2020年2月12日 12:46:42 来源: SerendipityCamp
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消失的零号病人

  零号病人并不一定是第一个发病者。

  而是第一个感染,并且把病毒传播给其它人的人。

  因此,第一个出现症状并发病的人叫做一号病人。

  那么,零号病人的医学意义是什么呢?专家给出了提示:

  1. 能够锁定传染源,比如是否接触了什么动物?

  2. 锁定传播方式,比如跟动物是如何接触的?

  3. 了解流行病史,了解到病毒在人体的潜伏期有多长

  4. 如果将零号病人的亲密接触者纳入观察范围,就能对病毒的传播力有所判断?

  5. 如果零号病人本身没有发病,作为无症状携带者,他是如何对病毒免疫的?或许我们能够发现病毒是在哪里及如何发生变异从而感染人类的,这样血清,疫苗等抑制或治愈性药物就可以提前开发出来?

  是否一号病人就是零号病人,但官方没有办法推断病毒如何而来呢?

  这种可能性是存在的。有报道称早期8个病人身上分离出来的病毒样品中测到的基因序列几乎是一致的——这可能意味着几个人同时感染了病毒,而不是一个人传染到了多个人——病毒从爆发开始就呈现多源性的特点。

  1月24日,金银潭医院副院长等人在《柳叶刀》刊载的文章里提到过,武汉新型冠状病毒第一例患者症状开始日期是在12月1号(尽管官方一直宣称是12月8号),一个细节是,他的家人都没有发烧或呼吸系统症状。同时,第一个病人和后来的病例之间没有发现流行病学联系。

  难道他就是传说中的零号病人么?但由于缺乏信息,我们至今仍不能完全锁定——毕竟此篇论文的重点是新冠病毒病人的临床特征,而不是流行病学史,因此我们只能寻求旁证。

  如果按照12月1日发病推算,至少11月中旬,这个人就被感染了。

  我们关心的是,他现在状况如何?他接触了什么人,又去了哪些地方?做了什么?怎么感染的?

  可是,至今没人能给出这些基本问题的答案——这个调查很难做吗?

  这篇论文还有另外一个非常重要的细节:在前四位发病的病人里,有三位都跟海鲜市场没有关系。而在早期的41例患者当中,确定有14例没有接触过华南海鲜市场。

  这些一手证据确凿无疑地表明,海鲜市场可能不是(唯一的)病毒原发地。

  而我们通过常识推理,至少可以想象出这场瘟疫扩散的三种可能:

  1. 有人在市场外面感染了病毒,并将病毒带到市场里面——这个假设符合前41个病例的流行病学史特点。

  2. 多个感染病毒的人同时进入了华南海鲜市场——依据是CDC此前官方宣布说,海鲜市场采样搜集了33份呈现阳性的样本,散布在整个市场22个摊位和1处垃圾车内。由此可以看到病毒一上来就在海鲜市场就显示了多源性的特点。如果官方认定说海鲜市场是唯一来源的话,那就只能说多个人或动物同时进入市场。

  3. 一只携带新型冠状病毒的活体动物进入市场,在市场(非固定摊位)里游走,散播病毒,因而造成了多点爆发——如果这个假设成立,那就说明存在我们还没有发现中间宿主,为进行调查,需要对市场内所有能够发现的活体动物进行病毒检测——但事情已经过去了一个半月,我们仍没有看到这方面的信息公布。而与此同时,华南海鲜市场已经被全面整治和消毒防疫处理,潜在证据已经不复存在了。

  我们无法推断哪一个假设的可能性更大,正是由于我们严重缺乏零号病人的信息。正式由于在这样的困境,业内专家都开始致力于研究病毒本身,而关病毒的起源,重点则转向了有关人工合成病毒的“阴谋论”。

  病毒的来源仍旧扑朔迷离——原因就在于官方并没有披露更多的信息,从而让外界消解或确认各种猜测和论断。

  人们会问,病毒在蝙蝠体内束缚了几千年,突破自然屏障传递到人类的可能性很低,为什么在21世纪才大规模爆发?——如果你了解夜明砂,就会发现,这味来自蝙蝠粪便的中药,已经被人类安全地食用了上千年。

  不能简单地将外界所有的合理质疑都归结为阴谋论,这样做无疑对于社会的伤害会更大。澄清这件事情的责任,不是民众,而是在武汉病毒所和官方机构手中。

  为什么只封锁了这一个海鲜市场?海鲜市场在武汉有很多啊?万一不是华南海鲜市场的话,是否其它市场也是潜在病毒来源?

  上报之前,湖北省或者武汉市卫健方面的专家就应该根据常识就是要对动物进行调查。才有证据说服公众发源地只有海鲜市场一个地点。

  五花八门的“阴谋论”让我们无所适从,难道我们就此停止思考?等待新的证据出现?

  与其坐以待毙,我不由得反思,如果能够通过科学和推理打碎各种阴谋论,是否有可能把我们的注意力重新转移到零号病人本身呢?毕竟,零号病人的科学和社会价值远远高于论战本身。

  或许,从各种阴谋论的深度探讨当中,我们还会找到关于零号病人的蛛丝马迹……

探寻分子病毒学的证据

  在分子病毒学领域,实验室里进行病毒学突变研究,抗体研究,疫苗的开发,这些研究课题都是常见的,并不令人奇怪。

  唯有在危险病毒功能增强方面的研究,一直是一件非常值得警惕的事情。

  过去也有科学家想做禽流感病毒的功能增强研究,并引起了整个国际社会的强烈反弹,因此宣告流产。

  这意味着,即便以疫苗研究为目的,增强功能突变试验也要经过非常严格的医学伦理的评估,一旦病毒增加了感染性和致病性,处理不当可能带来无法挽回的灾难。

  而关于“阴谋论”,近期最被关注和批判的,是武汉病毒所2015年的一篇基因重组论文——将SARS病毒的刺突S蛋白换到蝙蝠冠状病毒骨架上合成一种全新的嵌合病毒,于是人们担忧,武汉病毒是否是人工制造的。

  武汉病毒所也一直在做关于蝙蝠携带的类SARS病毒的相关研究,石正丽教授带头在中国各地采集了数千只马蹄蝠样本进行观测,也对蝙蝠的15种病毒株的基因组进行测序,发现它们包含了够成感染人类的病毒的所有基因片段。

  不管是蝙蝠自然调查还是病毒增强研究领域,武汉病毒所在两个方面都颇具实力,这只国家队是否能够告诉我们病毒来源的一些信息呢?

  1月24日,《柳叶刀》发表的一篇关于家族内集体患病的新冠研究论文指出,对两例病人完整的病毒基因组(HKU-SZ-002a和HKU-SZ-005b)进行测序,数据库中发现的与其最接近的蝙蝠SARS冠状病毒为bat-SL-CoVZXC21(NCBI登录号MG772934)和bat-SL-CoVZC45(NCBI登录号MG772933)。这两种病毒是在浙江舟山捕获的马蹄蝠(Rhinolophus sinicus)当中发现的。

  论文提到,观察高度可变的刺突S蛋白基因区域,发现冠状病毒受体结合区域的核心结构与SARS类冠状病毒的刺突蛋白质序列有大约68%的氨基酸同一性。S蛋白受体结合区的外亚区只有39%的同源性,这可能影响人类受体的选择,从而影响该病毒的生物学行为。

  1月30日,《柳叶刀》另一篇来自中国的论文对病毒的起源也给出了类似的看法。

  除了重申舟山两种蝙蝠冠状病毒与武汉冠状病毒的相似性之外,但文章也指出,2019株nCoV与其近缘种bat-SL-CoVZC45和bat-SL-covzcc21之间的序列一致性小于90%。据此判断bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21不是2019年nCoV的直接祖先(具体理由将稍后解释)。

  而这篇论文最重要的发现是关于病毒结合受体的内容,也就是关于新型武汉冠状病毒刺突蛋白S1受体结合域的发现。

  这句话是什么意思?

  人们知道,所有的病毒在进入细胞并接管细胞之前都需要锁定细胞受体。

  蝙蝠病毒要想感染人,就需要与人体细胞表面的受体结合,形成入侵通路。

  对于SARS-CoV来说,受体是ACE2,对于MERS来说,受体是CD26。

  理论上,如果某个蝙蝠冠状病毒能与这类受体结合,那么它们就有可能感染人类。

  于是,科学家可以通过从这些病毒的序列中投射出蛋白质结构来计算出它们可能的结合特性,然后可以在实验室里用这些蛋白质进行实验,这样就能够提前看到这种病毒潜在风险,从而提前预警——这也正是2015年石正丽教授团队,将SARS病毒的刺突S蛋白换到蝙蝠冠状病毒骨架上合成一种全新的嵌合病毒那项研究的核心目的之一。

  球状S1 N-末端蛋白位于左上方,而纤维状S2 C-末端蛋白位于其下方和右侧。S1蛋白是一种球形的表面蛋白,负责结合宿主细胞上的特定受体,促进病毒感染。S1包含两个结构域,一个是N端结构,另一个是与宿主细胞受体直接相互作用的C端的RBD结构域。要搞清楚武汉新型冠状病毒是如何感染人类的,搞清楚蛋白的RBD结构域是关键。

  而这也恰巧也给阴谋论创造了土壤,因为SARS冠状病毒刺突蛋白RBD恰巧正好与ACE2受体结合有着紧密的联系,而这篇论文已经指出,RBD这个结构域看的话,新型冠状病毒与SARS病毒的同源性非常高。

  更令人惊奇的是,刺突蛋白S1里面五个重要的位点跟人体细胞表面ACE2受体结合,五个位点里面有四个发生了突变,难以令人相信的巧合在于,这并没有有影响到病毒刺突蛋白和ACE受体的结合。

  这也是石教授在最新论文题提及的一个内容。武汉新型冠状病毒S-蛋白与人ACE2之间的结合自由能为-50.6 kcal/mol,比SARS的-78.6 kcal/mol 高了28 kcal/mol。相较而言,武汉新型冠状病毒S-蛋白与人体ACE2的结合相对较弱,虽然换掉了4个关键蛋白,但是与人ACE2的亲和力还是很强。

  难怪传播起来跟SARS那么像。这也暗示了武汉冠状病毒S1对受体的亲和力可能比SARS降低。如果是这样的话,那么这可能是武汉nCoV2019的毒力明显低于使用ACE2结合病毒的人的SARS高毒力的一个因素。

  这种结构点位大量突变,但结构构型却基本不改的,是否意味着是人造的可能呢?

  毕竟,今日的蛋白质建模技术已经取得了长足的进展。

  我们现在已经能够从一种蛋白质中提取已知的结构,即SARS的刺突蛋白的S1/S2,并创建一个新的但相似的蛋白质模型,可以预见到,我们模拟出来的新型冠状病毒的蛋白质模型,将与x射线晶体学家可能在数月或数年后确定的结果高度吻合。

  但是,如果人为设计出这种异常精细难度极大的全新构型的话,则面临着诸多挑战,这需要进行大量分子动力学的计算,在有限的计算资源尽可能的多获取可能构象进行计算,但就算人为找到了全新构型,人为进行基因序列处理也必定会留下证据。

  为什么武汉新型冠状病毒和SARS病毒都恰好能作用于人类细胞表面的ACE2受体?它是怎样来到人间的?这些,都是科学家们正在追问的问题。

  尽管受体结合区的氨基酸突变来自人为的可能性几乎不存在,但这种不常见的高度结构相似性却令人印象深刻。

  此外,这篇论文还给出了一个值得注意的信息:

  疫情于2019年12月下旬首次报告,当时武汉多数蝙蝠物种正在冬眠。其次,华南海鲜市场没有出售或发现蝙蝠,而各种非水生动物(包括哺乳动物)还可供购买。这似乎暗示了人与蝙蝠之间还有中间宿主的存在。此前爆发的SARS冠状病毒和MERS冠状病毒中,蝙蝠都是天然的宿主,而另一种动物(SARS的果子狸和MERS的的骆驼)充当了中间宿主的角色,人类是最终宿主。

  关于自然进化的发现竞赛远没有结束,随后几天内,石正丽的团队又宣布了“新发现“。就是在2月初送审给《自然》杂志的这篇论文:

  这篇论文的亮点颇多,通读全文我们发现了一些新的信息:

  先前的研究表明,一些蝙蝠冠状病毒具有感染人类的潜能。

  此前至少有四篇论文涉及到这项研究:

   1. Li, W. D. et al. Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. Science 310, 676 -679, (2005).

   2. Ge, X. Y. et al. Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor. Nature 503, 535-+, (2013).

   3. Yang, L. et al. Novel SARS-like Betacoronaviruses in Bats, China, 2011. Emerg Infect Dis 19, 989-991, (2013).

   4. Hu, B. et al. Discovery of a rich gene pool of bat SARS-related coronaviruses provides new insights into the origin of SARS coronavirus. PLoS pathogens 13, e1006698, (2017).

  而且,研究团队已经正式确认了,武汉新型冠状病毒与SARS冠状病毒同样使用ACE2受体入侵细胞,从而感染人类。

  更重要的是,关于自然起源,武汉新型冠状病毒基因序列在一个突变相对保守的区域RdRp里,与七年前在云南中菊头蝠体内发现的冠状病毒具有高度的序列同一性,而这种自然发现的病毒被命名为RaTG13。

  RNA样品全长测序表明(GISAID登记号EPI_ISL_402131),武汉新型冠状病毒与RaTG13非常相似,整体基因组序列一致性为96.2%,显著高于舟山的两种蝙蝠。

  新型冠状病毒与所有先前描述的蝙蝠冠状病毒核苷酸序列同一性低于75%,但与RaTG13相比,即便在突变相对激进的受体结合刺突S蛋白基因上,其序列一致性也高达93.1%。

  全长基因组,RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp)基因和S基因序列的系统发育三项分析均显示,RaTG13是2019-nCoV的最亲近亲戚,与其他SARSr-CoV形成明显的世系。

  此外,武汉冠状病毒与SARS冠状病毒相比,ORF1ab基因中通常用对冠状病毒物种进行分类的七个保守的复制酶结构域调查显示,两者之间的序列相同性为94.6%,这意味着两者仍然属于同一物种,虽然整体基因序列的一致性只有80%左右。

  论文还重申了,与SARS相比,新型冠状病毒在关键的刺突基序受体结合部位的主要区别是:在于N末端结构域中的三个短插入以及受体结合刺突基序中五个关键残基中的四个发生了变化。

  基于以上信息,我们就能够绘制出这样一张图表,来说明几种病毒之间的亲疏关系:

  武汉新型冠状病毒与RaTG13两者在全长RNA序列上只有不到4%的差异,他们是GenBank数据库能找到的最相似的病毒。

  那么,读到这里,我们是否可以说,武汉冠状病毒来自与RaTG13的自然突变呢?

  也许我们过于乐观了,答案是否定的。

  虽然针对两种病毒之间进化距离的计算是一个难度极大的任务,但也不是不可能。

  我们不妨来推算一下:

  虽然相似度已经超过了96%,但这也意味着,RaTG13冠状病毒与新冠病毒之间有近1100个核苷酸的差异。

  可兹对比的是,2003年,果子狸身上发现的SARS病毒与人类SARS病毒之间的差异仅为10个核苷酸。如果假设病毒在不同物种体内突变和跨物种突变的速度是近似的,那么10个核苷酸的差异是以月来计量的,这就已经清晰的显现了从果子狸到人的传播路径了。

  我们知道,当基因发生“摇摆”的沉默突变,而不改变氨基酸序列这种可能性是存在的。因为许多氨基酸的遗传密码是冗余的——比如丙氨酸可由核苷酸GCA、GCG、GCC或GCU编码,只有前两个字母是关键的。在这里,第三个核苷酸可以被称为“摆动碱基”,因为它可以是四种可能的任何一种。核苷酸的2+1模式是“摇摆”突变的一个明显标志,因为只有三分之一的核苷酸发生突变。

  我们就可以利用这一特点粗略判断不同病毒之间的进化距离。

  以冠状病毒HR2的氨基酸序列为观察对象,不难察觉,H1N1流感在人类中传播了100年,但HA2在氨基酸序列上保持不变。而病毒RNA中编码该恒定序列的密码子中有7%经历了摇摆突变。

  再来对比nCoV2019和SARS之间保守区内编码HR2的RNA的排列。

  我们发现,在这个编码71个氨基酸的区域,70个或98.5%是相同的。然而,两者之间的RNA共有13个突变,RNA同源性仅为82.7%。

  通过对比了解自然突变的数量,以及对比经验观察到的突变的速度,我们就能判断病毒之间的进化关系。

  最终的计算表明,如果1100个核苷酸如此大的差异完全依赖自然进化,按照突变率线性外推,至少要经历几十年的周期。

  由于研究团队还指出,使用新型冠状病毒,RaTG13,SARS和先前报道的蝙蝠SARSr冠状病毒比对基因组序列,在新型冠状病毒基因组中未检测到重组事件的证据。

  据此我们终于有理由回答上面的疑问:武汉冠状病毒并非来自RaTG13的自然突变,但我们仍然缺失关键的进化信息。

  经验表明,从一个寄主物种到另一个寄主物种之间以及从一个寄主物种到另一个寄主物种之后的进化率往往高于在同一寄主物种中连续进化的进化率。但这种加速也无法解释新型冠状病毒为何到来如此之快,拿个不恰当的比喻,毕竟人和猩猩之间的基因相似度已经高于98%,但个体差异依然很显著。

  况且,尚未通过动物实验证明新型冠状病毒与人类感染病毒之间的关联性,来满足科赫假设。在这里,科赫假设是用以判断某种细菌/病毒是否是某种特定疾病的病因的一个标准。毕竟,并非所有被细菌或病毒感染的人都可能发展疾病。

  综合以上信息,这就是为什么我们高度怀疑新型冠状病毒经历了不同寻常的进化轨迹,毕竟我们还没有找到它更亲密的近亲。而这种关键变异带来的症状,早在2019年11月份就已经在武汉出现了。

  也许,新型冠状病毒似乎是蝙蝠冠状病毒与起源未知的冠状病毒之间的重组病毒?

  如果存在起源未知的冠状病毒,他来自哪里呢?一个值得注意的细节是,为什么武汉病毒所在发现了RaTG13七年之后,才宣布它的存在呢?我们知道,石正丽曾经带队在云南历时十几个月探寻野生蝙蝠搜集病毒样本,是否存在未公开的比RaTG13更加接近新型冠状病毒的样本呢?

  作为一个插曲,此前,中国研究团队曾经在《医学病毒学杂志》上发表的论文,该论文声称利用病毒序列找到了最有可能爆发疫情的源头。他们的结论是:蛇。

  在被一份新闻稿和一份由该杂志三位资深编辑撰写的文章放大后,有关中国“蛇流感”的报道开始通过社交媒体传播,同时官方也发布了有关新确诊病例的报道。

  但有一个大问题:几位作者采用的是偏性密码子的匹配性对物种的起源进行分析,甚至这篇论文作者给出的证据都是自相矛盾的。

  什么是偏性密码子呢?

  由于不同氨基酸对应的不同密码子的使用频率是不一定相同的,我们把氨基酸对应的各自密码子使用频次的不同叫做密码子使用偏性。由于不同种属生物的氨基酸偏爱的密码子是不一样的,甚至同一物种内,不同功能和不同保守程度的基因,它们的密码子使用偏性也是不一样的。因此,密码子偏性的差异的确与物种的进化相关。

  而问题在于,比较密码子偏好是识别动物宿主的一种非常间接的方法。偏性密码子从物种分类角度使用的效果最好,如果想要分辨关系更加密切的物种之间的差异的话,往往就不起作用了。为什么是蛇?原因只是由于作者们没有将潜在可能比蛇更加值得怀疑的物种纳入他们的分析。

  实际上,此次乌龙事件让人们意识到,病毒序列数据能够实时公开共享也有其不利的一面:你会让人们利用这些数据得出他们确实不应该得出的结论。结果只是一种无益的分散注意力的行为,带有机会主义的味道。

  只有一种方法可以确保,肯定、不可否认地确定,哪种动物是病毒传播人类的桥梁:在病毒爆发的时候,华南海鲜市场上每一种有翅膀、有蹼、有鳞的生物都需要被采集血液,并对其进行病毒分析。找到抗体将是一个强有力的线索,但找到活病毒将更具说服力。

  零号病人的重要性越发凸显了。