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研究稱新冠病毒變異很小 感染力強或因獨特酶切位點

2020年03月04日 17:41 來源于 財新網
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系統發育樹表明,不同新冠毒株之間基因序列的差異非常??;蝙蝠冠狀病毒RaTG13和穿山甲病毒之間可能發生了基因重組;獨特的酶切位點也許可以解釋為何新冠傳染性比其他β屬冠狀病毒強
2020年3月1日,伊朗德黑蘭一家醫院的醫護人員正在用醫用離心機對感染新冠病毒患者的血液樣本進行檢測。

  【財新網】(記者 楊睿)新冠疫情發生以來,病毒是否變異、從何而來又為何會有如此之強的傳染能力,一直頗引人關注。3月2日,預印本平臺bioRxiv上發表了一篇題為“新冠病毒演化中的突變、重組與插入”的研究,在一定程度上對這三個問題進行了解答。

  研究團隊收集并分析了120個新冠病毒基因組序列,其中包括從11名中國患者身上最新采集到的毒株基因組序列。研究構建的系統發育樹表明,不同毒株之間基因序列的差異非常有限。擁有3萬堿基的新冠病毒,只有幾個堿基發生了變異。

  研究還認為,與新冠病毒同源性最高的蝙蝠RaTG13病毒和穿山甲冠狀病毒之間可能發生過基因重組。因此,盡管新冠病毒在整體基因結構上與RaTG13最高度同源,但其表面的S蛋白與受體結合的結構域與穿山甲冠狀病毒最一致。而S蛋白中存在的獨特的四個氨基酸插入(PRRA),可能是弗林(Furin)蛋白酶或TMPRSS2(跨膜絲氨酸蛋白酶2)的酶切位點。冠狀病毒在入侵宿主細胞時有可能發生了蛋白酶裂解,從而觸發病毒與宿主細胞膜的融合。以上可以解釋新冠病毒的傳染性為何會如此之強。

  論文由來自中國醫學科學院北京協和醫學院、中國疾控中心、加州大學洛杉磯分校、匹茲堡大學、湖南大學等單位的科研人員共同完成。加州大學洛杉磯分校微生物與免疫遺傳學系教授程根宏、中國疾控中心病毒病預防控制所研究員譚文杰等人為通訊作者。

新冠病毒基因突變有限

  自新冠疫情發生以來,人們一直在擔心這個病毒在迅速傳播的過程中是否會發生變異。從新冠病毒的結構及其攜帶的遺傳密碼來看,這是一種具有單鏈RNA的包膜病毒。相比之下,這種病毒會發生快速的基因突變以及重組,以適應其傳播至新宿主。但從目前的基因組序列比對來看,已經有多項研究表明新冠病毒基因變異非常有限。(參見財新網《特稿|新冠病毒將何去何從?科學界求解四大懸疑》)

  上述研究也驗證了這一結論。研究者從11位新患者身上獲取了11條新冠病毒基因序列全長,這些患者來自包括武漢在內的中國多座城市。從系統發育分析來看,這11個新的新冠病毒毒株與早前的新冠病毒毒株都是一簇的。它們與蝙蝠病毒RaTG3的同源性最高,而不是人類SARS病毒、MERS病毒或其他冠狀病毒。

  為了進一步確認新冠病毒的遺傳性突變,研究者獲取了流感病毒數據平臺GISAID上上傳的120條新冠病毒基因組序列,以其中一條基因序列(代碼為EPI_ISL_402125)作為根(root),為它們建構了系統發育樹。結果發現,不同毒株之間基因序列的差異非常小。新冠病毒擁有約3萬個堿基,但只有幾個堿基發生突變。

  研究者根據核苷酸的位置,把這些毒株分為兩組。組1中,毒株基因序列在8517處都是T(胸腺嘧啶),在27641處都是C(胞嘧啶),這與SARS病毒在相應位置的核苷酸是一樣的。組2中,毒株基因序列在8517處都是C(胞嘧啶),而在27641處是T(胸腺嘧啶)。組1中最早的毒株是在2020年1月5日在武漢分離出來的,組2中最早的毒株則是在2019年12月24日分離出來的。研究者認為,在同一座城市有兩個基因組別存在,這表明有共同流行(Co-circulation),但是在疫情暴發初期的進化是趨同的。在這兩個組,研究者還觀察到不同毒株之間有一些共有的突變。

  如果根據基因序列上突變位點的不同,將所有毒株繪制在一棵“突變樹”上,就可以看到它們之間的關系。研究者舉了個例子,在1月10日-15日廣東省發現的5個基因序列都落在組1內,它們在28578核苷酸位置上有共同的突變,可能是由同一人傳播的。此外,這個病毒可能還傳給了日本的三名患者,在1月29日-31日這三人身上分離出的毒株序列又顯示在2397位置上發生突變。1月22日在美國一名患者身上分離出的序列除了上述突變外,還在10818位置上突變。

  從突變樹來看,這兩組病毒株都已傳播到報告有新冠病例出現的大多數國家和地區,幾乎沒有例外,這表明這兩組病毒都是可以快速傳播的。研究者還在論文討論環節提到,盡管還不知道這兩個組是在動物傳染給人類之前或之后進化的,但這兩個群體都是首先在武漢被發現的,然后才傳播到中國的不同地區和多個國家。

蝙蝠病毒與穿山甲病毒或發生基因重組

  目前科學界所公認的是,新冠病毒與云南菊頭蝠中存在的RaTG13冠狀病毒一致性高達96%。而研究者接下來進行的一項系統發育分析,是對病毒上某些具體的蛋白(包括orf1a、S蛋白、基質和核衣殼)做氨基酸序列測定。

  他們發現,RaTG13序列與其他蝙蝠類SARS冠狀病毒也有同樣緊密的聯系。他們進一步估計,新冠病毒與RaTG13病毒大多數蛋白質的差異發生在2005-2012年間,而人類SARS病毒與蝙蝠類SARS冠狀病毒大多數蛋白質的差異則發生在1990-2002年間。

  為什么要對病毒的蛋白質進行系統發育分析呢?因為新冠病毒入侵細胞的第一步就是要讓它表面的S蛋白(又稱刺突蛋白)與宿主細胞的受體結合,然后再與宿主細胞膜發生融合,從而進入胞內。S蛋白位于新冠病毒表層,平面看像一頂皇冠。每一個S蛋白單體中約有1300多個氨基酸,其中300多個氨基酸構成了“受體結合結構域”(RBD)。新冠病毒與人類SARS病毒一樣,都要與人體細胞的ACE2(血管緊張素轉化酶2)受體結合。

  在比較了S蛋白的序列全長后,研究者發現新冠病毒與人類SARS病毒和蝙蝠SARS病毒的同源性為39%,與MERS和其他冠狀病毒的同源性則為29%。但值得注意的是,研究者發現新冠病毒和穿山甲冠狀病毒在S蛋白的受體結合結構域中,有近乎一樣的氨基酸序列,但與RaTG13的卻不相同。

  接著,研究者選擇了新冠病毒以及其他25個有代表性的冠狀病毒,包括五個新的穿山甲冠狀病毒,對它們的S蛋白序列進行系統發育分析。結果表明,新冠病毒的S蛋白很可能是源自穿山甲冠狀病毒,而不是蝙蝠身上的RaTG13病毒。

  研究者認為,盡管冠狀病毒在整體的基因結構上與RaTG13最高度同源,但其S蛋白上的受體結合結構域與穿山甲病毒確實是最同源的,這表明RaTG13和穿山甲病毒之間可能發生了基因重組。

  研究者還進一步檢查了基因組中所有的氨基酸突變。在比較新冠病毒與穿山甲冠狀病毒后發現,除了S蛋白上的受體結合域,兩者的非結構蛋白nsp14和15中的區域也存在共有連續序列。

獨特蛋白酶切位點或能解釋傳染力強

  如果將科學放大鏡繼續對準S蛋白,可以發現它有兩個功能單位——S1和S2蛋白亞基。S1負責與受體結合,這樣有助于病毒附著在宿主細胞的表面。同時,細胞中的蛋白酶還要發揮作用以“驅動”S蛋白,在特定位點切割蛋白,從而促進病毒與細胞膜融合。膜融合過程則由S2負責。

  上述研究團隊發現,新冠病毒的S蛋白內有獨特的四個氨基酸插入。他們認為,這種插入(PRRA)為哺乳動物的弗林(Furin)蛋白酶創建了潛在的切割位點RRAR。為了了解這種插入的獨特性,研究者分別使用了來自人、麝貓和蝙蝠的SARS冠狀病毒毒株進行了序列比較。他們發現,這種插入是新冠病毒所特有的。當與其他冠狀病毒家族成員進行比較時,研究人員發現也能夠識別到類似位于S蛋白的S1亞基和S2亞基之間的插入。

  研究者稱,此前已有研究表明,病毒可能發生蛋白酶裂解,從而觸發病毒-細胞膜之間的融合。這種啟動和觸發融合機制的靈活性極大地調節了不同冠狀病毒的致病性和趨向性。不過,此前在SARS病毒中沒有檢測到這種蛋白酶裂解。如果在SARS病毒中引入一個酶切位點,則會導致S蛋白的裂解并增強膜融合活性。此外,在SARS假型病毒中引入一個裂解的S蛋白,也會使其能夠直接進入宿主細胞。

  研究者推測,PRRA的插入可能使S蛋白裂解,從而觸發病毒與細胞膜快速融合。雖然導致如此高感染率的確切機制仍有待進一步研究,但研究團隊認為,他們的數據顯示受體結合結構域發生的基因重組、S1和S2域插入獨特的弗林酶切點或TMPRSS2酶切位點,也許可以解釋為什么新冠病毒和其他SARS、MERS相關的β冠狀病毒相比,傳染性顯著增強。

  “RRAR”序列在2月2日被首次提及。來自南開大學、齊魯師范學院的研究者在中科院科技論文預印平臺chinaxiv發布論文稱,他們在新冠病毒S蛋白S1與S2之間交界區的氨基酸序列中,無意發現了“RRAR”序列,該序列符合Furin酶切位點的識別模式“RXXR”,新冠病毒基因組可能存在Furin蛋白酶切位點。而這是此前所有已知SARS和類SARS冠狀病毒所不具備的,這種變異有可能增強了新冠病毒的傳播能力。

  此外,近日發表在頂級學術期刊《細胞》(Cell)上的一篇研究,也表明病毒的S蛋白在驅動時還要利用宿主細胞中一種叫做TMPRSS2的蛋白酶(參見財新網報道“研究發現新冠感染關鍵蛋白酶 或已有潛在靶向藥”)。

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  更多報道詳見:【專題】新冠肺炎防疫全紀錄(實時更新中)

責任編輯:馮禹丁 | 版面編輯:楊勝忠
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