武汉爆发的新型冠状病毒的进化及其对人类传播风险的spike-蛋白的建模

Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission

Impact Factor：3.583

https://doi.org/10.1007/s11427-020-1637-5

发表日期：2020-01-21

第一作者：徐心恬¹,陈萍^2,5,王靖方³

通讯作者：郝沛(phao@ips.ac.cn)^1,5,李轩(lixuan@sippe.ac.cn)²,钟武⁴

合作作者： Jiannan Feng,Hui Zhou

主要单位：

¹中国科学院上海巴斯德研究所

²中科院分子植物卓越中心合成生物学重点实验室

⁴军事医学研究院国家应急防控药物工程技术研究中心

写在前面

分享标题：SCLS：武汉新型冠状病毒的前世今生及其传染机制

关键字：武汉新型冠状病毒，RNA病毒，spike基因，S-蛋白，ACE2蛋白，蝙蝠

点评：2020年1月21日，中国科学院上海巴斯德研究所郝沛研究员、军事医学研究院国家应急防控药物工程技术研究中心钟武研究员和中科院分子植物卓越中心合成生物学重点实验室李轩研究员合作，在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版），在线发表了题为“Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission”的论文。该论文分析阐述了引起近期武汉地区肺炎疫情爆发的新型冠状病毒的进化来源，及与导致2002年广东“非典”疫情的SARS冠状病毒、“中东呼吸综合征”MERS冠状病毒的遗传进化关系，并通过对武汉的新型冠状病毒spike-蛋白的结构模拟计算，揭示了武汉新型冠状病毒spike-蛋白与人ACE2蛋白作用并介导传染人的分子作用通路。该成果评估了武汉新型冠状病毒的潜在人间传染力，为尽快确认传染源和传播途径、制定高效的防控策略提供了科学理论依据。

正文

武汉市卫生委员会于2019年12月30日首次报告了中国湖北省武汉市集中性肺炎病例的发生。这些肺炎病例被发现与武汉一个大型海鲜和动物市场有关，当地政府机构迅速采取了卫生和消毒措施。疾病预防控制中心（CDC）和中国卫生部门后来确定并宣布，一种名为武汉冠状病毒的新型冠状病毒（CoV）引起了武汉市的肺炎暴发。来自多个小组的科学家从住院病人身上获得了病毒样本。在电子显微镜下观察到分离的病毒形态完全相同。

武汉CoV的一个基因组序列(wh_human_1)于2020年1月10日首次公布，随后又公布了另外五个武汉CoV的基因组序列。当前的公共卫生突发事件在一定程度上类似于2002年中国南方爆发的非典。这两起病例都发生在冬季，最初的病例与接触动物市场上出售的活动物有关，而且都是由此前未知的冠状病毒引起的。截至2020年1月15日，共有40例经实验室确认的新型武汉冠状病毒感染病例，其中1例死亡。虽然没有人传人的明显证据报告，但在中国香港、日本和泰国也有输出病例。

在当前的公共卫生紧急状况下，有必要了解武汉冠状病毒的起源和原生宿主，并评估这种新型冠状病毒在物种间或人类之间传播的公共健康风险。为了解决这些与导致武汉暴发的病原体相关的重要问题，我们首先比较了武汉冠状病毒的基因组序列与已知感染人类的冠状病毒，即SARS-CoV和中东呼吸综合征（MERS-CoV）。发现武汉CoV的6个基因组序列几乎完全相同。与SARS-CoV和MERS-CoV的基因组相比，用作武汉冠状病毒代表的WH-human_1基因组与SARS-CoV的基因组具有比MERS-CoV更好的序列同源性。武汉-human_1和SARS-CoV_Tor2之间的高序列多样性主要表现在ORF1a和spike (S-protein)基因上，而武汉-human_1和MERS-CoV之间的序列同源性普遍较差。为了了解武汉冠状病毒的起源及其与其他冠状病毒的遗传关系，我们对来自不同来源的冠状病毒序列进行了系统发育分析。结果表明，武汉地区的冠状病毒在系统发育树中呈聚类分布，属于Beta冠状病毒属(Betacoronavirus) (图 1A)。Beta冠状病毒属是一种有包膜的单链RNA病毒，可感染野生动物，畜群和人类，导致偶发性疾病爆发，但更多时候感染后无明显症状。武汉CoV群位于SARS和类SARS冠状病毒群中，蝙蝠冠状病毒HKU9-1为最接近的外类群。它的内部共同的邻居是SARS或类SARS冠状病毒，包括感染人类的冠状病毒(图1A，用红星标记)。大多数内部共同的邻居和外类群都在作为自然宿主的各类蝙蝠中有发现，例如Rousettus蝙蝠中的蝙蝠冠状病毒HKU9-1和HKU3-1和Pipistrellus蝙蝠中的蝙蝠冠状病毒HKU5-1。因此，蝙蝠是武汉冠状病毒的原生宿主，这将是合乎逻辑且方便的推理，尽管在蝙蝠向人类的传播过程中仍然可能存在中间宿主。根据武汉CoVs独特的系统发育位置，它们可能与SARS/类SARS冠状病毒共享一个共同的祖先，类似于蝙蝠冠状病毒HKU9-1。然而，在它们进化过程中频繁的重组事件可能会使它们的路径变得模糊，这可以通过它们基因组之间的高同源序列斑块来证明。

图 1 冠状病毒的进化分析和武汉CoV S-蛋白与人类ACE2蛋白相互作用的模型构建

Evolutionary analysis of the coronaviruses and modeling of the Wuhan CoV S-protein interacting with human ACE2

(A)基于全基因组序列的冠状病毒系统发育树。使用RAxML和GTRGAMMA作为核苷酸取代模型并使用1000个自展，通过最大似然法构建该树。仅自展支持率≥50％的值显示为实心圆。每个冠状病毒的宿主都有相应的轮廓。已知的人类感染性β-冠状病毒以红色星号表示。

(B) 冠状病毒S蛋白RBD结构域的氨基酸序列比对。残基442、472、479、487、491(根据SARS-CoV S-protein序列编号)是与人ACE2分子相互作用的重要残基。

(C)以武汉CoV (WH-human_1为代表)S蛋白与人ACE2分子络合的结构模型。中间面板:将武汉CoV s蛋白(棕色带)模型与SARS CoV s蛋白(淡蓝色带)进行结构对接研究。人类ACE2的蛋白骨架结构用洋红色丝带表示。左面板：显示了该区域用于S蛋白中的Arg426与ACE2中的Gln325 / Glu329之间的氢键相互作用。相关的残基以球和棒的形式表示。右面板：S-蛋白中的Tyr436与ACE2中的Asp38/Gln42之间的氢键相互作用如图所示。

总体而言，武汉CoV与人感染SARS-CoV之间存在着相当大的遗传距离，与MERS-CoV之间的遗传距离更大。这一观察结果提出了一个重要的问题，即武汉CoV是否采用了与SARS-CoV或MERS-CoV用于跨物种/人类传播相同的机制，还是涉及了一种新的、不同的传播机制。

冠状病毒的S蛋白分为两个功能单位:S1和S2。S1通过与宿主受体结合促进病毒感染。它包含两个域，即N端结构域和C端RBD结构域，可直接与宿主受体相互作用。为了研究武汉CoV及其宿主间的相互作用，我们研究了其S蛋白的RBD域。与冠状病毒ORF1a和ORF1b相比，S蛋白通常具有最多的可变氨基酸序列。然而，尽管武汉CoV S蛋白与SARS-CoV S蛋白总体同源性较低，武汉CoV S蛋白在RBD区域有多个序列斑块，与SARS-CoV_Tor2和HP03-GZ01具有较高的同源性(图 1B)。据报道，SARS-CoV S蛋白中442、472、479、487和491位的残基位于受体复杂界面，被认为对SARS-CoV的跨物种和人际传播至关重要。尽管武汉CoV s蛋白RBD区域存在高度保守的区域斑块，但除了Tyr491外，其余5个关键残基中有4个未被保留 (图 1B)。虽然取代氨基酸的极性和疏水性相似，但它们提出了一个严重的问题，即武汉CoV是否会通过S-蛋白与ACE2结合而感染人类，以及这种相互作用对人类传播的风险有多大。注意到在RBD结构域中，MERS-CoV S蛋白与SARS-CoV S蛋白的同源性很小，这是由于其S蛋白（人二肽基肽酶4（DPP4））的结合靶点不同。

为了回答这些严重的问题并评估武汉CoV的人类传播风险，我们对其S蛋白进行了结构建模，并评估了其与人类ACE2分子相互作用的能力。基于计算机指导的同源性建模方法，以SARS冠状病毒S蛋白（PDB登录号：6ACD）的晶体结构为模板，通过Swiss-model构建武汉冠状病毒S蛋白的结构模型。注意到，武汉-CoV和SARS-CoV S蛋白之间的氨基酸序列相似性为76.47％。然后根据SARS-CoV S-蛋白 RBD域与其受体ACE2 (PDB密码:2AJF)的晶体结构，通过结构叠加和分子刚性对接对武汉CoV S-protein与人ACE2结合的三维复杂结构进行建模(图 1C)。

武汉冠状病毒S蛋白（以WH-human_1序列为代表）的计算模型显示，与SARS-冠状病毒S蛋白结构相比，RBD结构域的CαRMSD为1.45Å(图 1C)。MOE2019用琥珀色ff14SB力场参数计算了S蛋白与人ACE2结合复合物的结合自由能。武汉冠状病毒S蛋白与人ACE2之间的结合自由能为-50.6 kcal mol^-1，而SARS-冠状病毒S蛋白与ACE2之间的结合自由能为-78.6 kcal mol^-1。-10 kcal mol^-1通常被认为是有意义的。由于武汉CoVS蛋白中Arg426被Asn426取代而失去了氢键相互作用，所以武汉CoV s蛋白的结合自由能比SARS-CoV s蛋白的结合增加了28 kcal mol^-1。武汉CoV S蛋白虽然相对较弱，但被认为与人ACE2具有很强的结合亲和力。因此，令我们惊讶的是，尽管替换了五个重要的界面氨基酸残基中的四个，但武汉CoV S蛋白被发现与人ACE2具有显着的结合亲和力。进一步观察，武汉CoV S-蛋白中442、472、479和487位点的取代残基并没有改变结构确证。武汉CoV S蛋白和SARS-CoV S蛋白在RBD域中具有几乎相同的三维结构，因此在相互作用界面上保持了相似的范德华力和静电性质。

综上所述，我们的分析表明，武汉CoV与SARS/类SARS的冠状病毒有一个共同的祖先，与蝙蝠冠状病毒HKU9-1相似。我们的工作指出了一个重要的发现，武汉CoV S蛋白的RBD域支持与人类ACE2分子的强相互作用，尽管它与SARS-CoV S蛋白的序列存在多样性。因此，武汉CoV通过S-蛋白ACE2结合途径对人类传播构成了重大的公共卫生风险。还需要提醒人们，冠状病毒跨物种传播或人类间传播的风险和动态也受许多其他因素的影响，例如宿主的免疫反应，病毒复制效率或病毒突变率。

编译：马腾飞 南京农业大学

责编：刘永鑫 中科院遗传发育所

Reference

Xintian Xu, Ping Chen, Jingfang Wang, Jiannan Feng,Hui Zhou, Xuan Li, Wu Zhong,Pei Hao. Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission.SCIENCE CHINA Life  doi: https://doi.org/10.1007/s11427-020-1637-5

武汉新型冠状病毒的进化来源和传染人的分子作用通路

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