新型冠状病毒的样子

   

    冠状病毒属于巢病毒目（Nidovirales），冠状病毒科（Coronaviride），冠状病毒属（coronavirus）。冠状病毒属又可以细分为α、β、γ和δ等四个属，是一类带有包膜，基因组全长约为30Kb的单股正链RNA病毒。冠状病毒是目前已知RNA病毒中基因组最大的病毒。除了本次在武汉引起新型冠状病毒肺炎（Novel Coronavirus Pneumonia, NCP，国家卫健委2月8日发布的暂时命名）疫情的新型冠状病毒（2019-nCoV，世界卫生组织1月30日建议的临时名称）外，迄今为止全球已经发现6种可感染人的冠状病毒（HCoV-229E、HCoV-OC43、SARS-CoV、HCoV-NL63、HCoV-HKU1和MERS-CoV），其中有2003年引起SARS（Severe Acute Respiratory Syndrome，严重急性呼吸综合征）的SARS-CoV，2012年引起MERS（Middle East Respiratory Syndrome， 中东呼吸综合征）的MERS-CoV。值得指出的是，2019-nCoV与SARS-CoV、MERS-CoV同属于β冠状病毒属（betacoronavirus）【1, 2】。

 

图1. 中国疾病预防控制中心公布的2019-nCoV病毒的电镜照片，箭头所指为病毒颗粒（左）；冠状病毒颗粒模式图（右）。（图片来源：网络）

    冠状病毒呈球状，直径约为75~160nm, 表面有突起，在电子显微镜下观察酷似皇冠，因此取名冠状病毒，英文名是“Coronavirus”，源自拉丁语的“Corona”。冠状病毒颗粒由蛋白质和RNA组成：最外面是棘突蛋白（Spike protein, S）；再往里是套膜蛋白（Envelope protein, E）和膜糖蛋白（Membrane glycoprotein, M），这些都是维持病毒颗粒形态的重要蛋白；最里面是负责病毒繁殖的核酸物质RNA，它由核蛋白（Nucleocapsid protein，N）包裹并保护着。这些蛋白和RNA共同组成了具有感染性、可以引起疾病的病毒颗粒。中国医学科学院系统医学中心苏州系统医学研究所的研究人员发现【3】：2019-nCoV基因组编码至少27种蛋白质，其中包括4种结构蛋白（S、E、M和N），15种非结构蛋白和8种辅助蛋白。2019-nCoV基因组编码的蛋白组成大部分和SARS-CoV一致，但是也存在部分差异，这也解释了2019-nCoV与SARS-CoV虽然同属于β冠状病毒属，但是在传染强度、肺炎病症、致死率等方面有明显不同。

图2. 2019-nCoV基因组及其编码蛋白系统发生树分析。（参考文献【3】）

新型冠状病毒的侵入与复制

       

    位于病毒颗粒最外层的S蛋白最先接触宿主细胞，它们能够和宿主细胞上的相应受体结合进入细胞。S蛋白含有两个亚基：S1 和S2，其中S1负责识别细胞受体，S2负责膜融合。S蛋白决定了病毒的宿主偏好性：目前已知，SARS-CoV是通过血管紧张素转换酶2（Angiotensin Converting Enzyme，ACE2）这个受体蛋白进入细胞的，MERS-CoV则是通过二肽基肽酶4（Dipeptidyl Peptidase，DPP4）受体蛋白进入细胞的。由于不同物种表达的ACE2蛋白存在差异，因此，S蛋白并不能与任意ACE2蛋白结合。中国科学院武汉病毒研究所石正丽团队发现【1】2019-nCoV可以类似于SARS-CoV，通过ACE2受体蛋白进入人体。ACE2具有蛋白酶活性，可以切割和激活S蛋白，进而引导病毒和细胞膜融合，帮助病毒进入细胞。需要指出的是，病毒的S蛋白在不停进化，有可能扩大宿主物种范围，造成病毒在不同物种间进行传播。

 

图3. 人冠状病毒侵入细胞后的复制过程。（参考文献【4】）

 

       一旦进入细胞，病毒就释放出遗传物质正链RNA，该RNA借助宿主的核糖体直接翻译出一个很长的蛋白，这个蛋白具有木瓜酶样蛋白酶（Papain-like protease, PLpro）和糜蛋白酶样蛋白酶（Chymotrypsin-like protease，CLpro）活性，可以将自己切割形成多个具有不同功能的蛋白。这些蛋白大概有15~16个，主要帮助稳定病毒RNA以及骗过宿主的抗病毒免疫系统。这些蛋白中有一个决定病毒命运的核心蛋白为RNA依赖的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA Polymerase, RdRP）。RdRP以病毒正链RNA为模板生成负链RNA，再以负链RNA为模板继续生成正链RNA，达到大量复制扩增病毒基因组的目的；同时，生成的正链RNA可以作为mRNA指导病毒蛋白的合成，从而生成大量病毒组装所需的蛋白。这些RNA和蛋白一道组装出新的病毒颗粒，释放到细胞外继续感染临近细胞，最终引发肺炎病症。

新型冠状病毒的宿主

 

       寻找新冠病毒的源头，找出它是从何物种传播给人的是很重要科学问题。病原体的宿主一般可以分为三类：天然宿主，指天然携带某种病原体的宿主，病原体可以在宿主内维持生存繁殖，但是不会引起宿主发病，并且能够将这种病原体传播给其他物种；中间宿主，指天然不携带某种病原体，但是可以被天然宿主携带的病原体感染，并且可以将这种病毒传播给其他物种；终末宿主，指可以被天然宿主或者中间宿主携带的病原体感染，但是不会像其他物种传播这种病原体。

       确定病毒传染源需要首先根据流行病学调查，找出首次发现病毒传染人的地点，确认首批感染者接触的动物，并且能从疑似动物体内分离到病毒；然后，利用现代分子生物学手段，通过基因组测序分析比对，明确动物体内病毒与感染者体内的病毒核酸序列基本一致。同时满足这两点基本上就可以确定病毒传染源。

       迄今为止，已经发现蝙蝠能携带超过100种病毒。冠状病毒SARS-CoV和MERS-CoV最早都是在蝙蝠体内发现的，然后分别通过果子狸和单峰骆驼传播给人【5】。 中国科学院武汉病毒研究所石正丽团队【1】和中国疾病控制中心病毒病研究所谭文杰团队【6】分别在《Nature》和《The Lancet》上发表的论文指出蝙蝠可能是2019-nCoV的天然宿主。

     2月7日，华南农业大学召开新闻发布会，公布穿山甲为新冠病毒的潜在中间宿主，他们提供了三个证据：通过分子生物学检测揭示穿山甲中β冠状病毒的阳性率为70%；对病毒进行分离鉴定，在电镜下观察到典型的冠状病毒颗粒结构；通过病毒基因序列比对发现分离的毒株与2019-nCoV序列相似性为99%。回溯2019年10月21日发表在《Viruses》的论文曾指出在穿山甲中检测到冠状病毒【7】，将2019-nCoV与该论文中检测到的冠状病毒序列进行比对会发现两者S蛋白受体结合结构域的核酸序列相似度达到97%。由此可见，穿山甲作为2019-nCoV的中间宿主还是有较高的可能性，具体确认还需看华南农业大学的研究论文，以及后续提供的其他支撑证据。

 

图4. 冠状病毒从动物到人的传播示意图。（2019-nCoV为推测，来源：知乎网站）

新型冠状病毒的传播途径

       目前可以确定的新冠病毒的传播途径主要是直接传播和接触传播。气溶胶传播途径虽然有很大的可能性，依然有待明确。

 

图5. 新冠病毒的可能传播途径。（来源：网络）

 

       直接传播和接触传播都比较好理解，这里说一说气溶胶传播。在气体介质中稳定分散悬浮的固态或液态微粒叫做气溶胶（aerosol），粒子直径小于10微米。含有新冠病毒的飞沫核可以在空气中悬浮很久，并且在气流中漂移到干净区域。排泄活动也可能产生气溶胶，2003年在香港的淘大花园发生321人感染SARS病毒就被怀疑是感染病毒的排物在下降过程中易形成气溶胶后进行传播。目前报道在某些新冠患者的粪便中检测出病毒核酸阳性结果值得警惕。由于只有接触到高数量阈值时，病毒才能由黏膜进入人体，因此普通人只要做好基本防护则无需恐慌气溶胶传播的威胁。对于医护人员，由于医疗操作比如做气管插管、采集样品等可能会受到病毒气溶胶传播的威胁，应该做好相应防护。

 

图6. 病毒通过飞沫传播示意图。（来源：学习强国APP-科界）

 

新型冠状病毒的检测

    快速高效检测、确诊病毒感染患者并进行隔离是战胜疫情的关键。任何检测方法的建立都要考虑特异性、灵敏性和可重复性的原则。在分子生物学上检测病毒就是检测病毒的特异蛋白或者RNA。基于ELISA（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，酶联免疫吸附测定）的蛋白检测方法，可以省去提取病毒RNA等繁琐步骤，直接用发病期患者的血清进行分析，只是这个方法依赖实验用抗体，而抗体的生产周期比较长，因此检测试剂盒的开发时间也比较长。目前检测RNA则有基因测序和核酸检测两种可选方案。基因测序可以起到一锤定音的效果，但是基因测序需要专门的测序仪和序列分析人员的技术支持，普通医院一般难以具备这些条件。基于PCR（Polymerase Chain Reaction, 聚合酶链式反应）技术的核酸检测则需要的条件比较容易满足，具有更大的灵活性和普适性，成为当前新冠病毒检测的主要手段。

    PCR技术由美国科学家Kary B. Mullis于1985年在Cetus公司工作时发明，然后很快被应用到科学研究、医学诊断和法医鉴定等多个领域。目前检测病毒核酸多采用1996年出现的升级版PCR即实时荧光定量PCR技术【8】，可以计算和比较样本中初始病毒核酸的含量，从而判断是否携带病毒。基本流程包括：采集病毒样本（需要灭活），提取病毒RNA，逆转录RNA为DNA，进行RT-qPCR检测，结果分析。被采用检测病毒核酸的特异区域主要是3个：开放阅读框1ab（Open Reading Frame, ORF1ab）、核壳蛋白N基因、包膜蛋白E基因。核酸检测的成功率与采集的病毒样本、所提取核酸的质量以及试剂盒质量密切相关，多样本重复检测可以降低假阴性结果。

    随着CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，成簇规律间隔的短回文重复序列）技术的兴起，基于CRISPR的核酸检测方法正在尝试和开发。Cas13在切割靶序列RNA后会不加选择地切割碰到的RNA（Collateral cleavage），根据这个原理，麻省理工学院的张峰团队于2017年开发了SHERLOCK系统【9】，该系统包括Cas13、对应靶向待检测病毒的sgRNA、一个切割后可发出荧光的报告RNA。当Cas13蛋白识别靶向RNA时会切割相应的模板，随后激活了它的Collateral cleavage活性，从而切割报告RNA并释放出可检测的荧光信号。该系统与逆转录、RPA（Recombination Polymerase Amplification）扩增，以及T7 RNA 聚合酶扩增联用可以放大检测信号。利用该技术可以在短时间内检测病毒RNA，并且有希望制备出试纸型试剂盒应用于临床检测【10, 11】，非常值得期待。

新型冠状病毒的防治

       了解了新冠病毒的基本知识和它的传播途径后，我们就可以采取有针对性的防治策略。

       一、减少接触病毒机会，避免感染。

       出门带好口罩并且少接近人堆可以减少病毒直接传播带来的风险；开窗通风，保持室内空气流通，咳嗽或者打喷嚏时用纸巾捂住口鼻，可以减少潜在的气溶胶传播带来的风险；勤洗手，用75%乙醇或含氯消毒液做好日常消毒，可以减少接触传播带来的风险。

        二、药物治疗，抑制病毒增殖。

    冠状病毒在体内复制增殖需要的关键蛋白是PLpro、CLpro和RdRP，针对这些蛋白可以筛选出相应抑制剂。PLpro和CLpro是蛋白酶，中国科学院武汉病毒所和军事医学科学院的科研人员在细胞水平上初步筛选出对新冠病毒具有较好抑制作用的蛋白酶抑制剂如氯喹（Chloroquine, Sigma-C6228，抗疟疾药物）、洛匹那韦（Lopinavir）和利托那韦（Ritonavir, 抗HIV药物）等。Remdesivir（RDV，GS-5734）是吉利德（Gilead）公司研发的一款新型核苷酸类似物抗病毒药，可以阻止RdRP在病毒核酸合成中的作用。在对抗SARS-CoV中已经被证实具有良好效果的中药或者活性天然产物也是值得关注和深入追踪的潜在药物。

    三、研制疫苗，预防为主

    以病毒颗粒表面的S蛋白为对象生产出疫苗。疫苗免疫人体后，人体内就会产生针对S蛋白的特异性中和抗体。当真正的病毒感染细胞后，人体的中和抗体可以迅速结合病毒S蛋白，使其不能有效地与宿主细胞受体相互作用，从而大大抑制病毒的进入细胞。另外，从S蛋白的受体ACE2方面进行考虑，如果可以制备出能够与S蛋白竞争结合ACE2受体的多肽也是一个办法。

    四、心理疏导

        直到现在，人类面对病毒始终没有找到像抗生素对抗细菌那样的普适性特效药，主要还是依靠调动人体自身的免疫系统去对抗病毒。因此，面对疫情的心理健康在其中扮演更为关键的角色【12】。对于患者，通过心理辅导可以调动他们以积极乐观的心态面对感染，树立一定可以战胜病毒的强大信心。对于医护人员，他们直面疫情，处在高度危险和紧张的工作中，难免会有挫败感和无力感，这时候也需要有效的心理疏导，帮助医护人员及时排除内心焦虑，以比较自然的心情投入工作。

我的思考

    自然界中存在各种各样的病毒，2019-nNoV既然不是第一个引起疫情的病毒，也不会是最后一个引起疫情的病毒，关键是看我们是否可以抢在疫情爆发之前就采取有效措施，减小疫情规模。我认为下面几件事情值得思考：

        一、人与自然界其他物种的关系。

        病毒从天然宿主到中间宿主再传播给人，中间其实是存在物种隔离的。假如我们人类不轻易去打扰甚至残杀这些动物，也许这些动物也不会将病毒轻易就传播给人类。

        二、公共卫生研究的前瞻性。

    之所以称为“突发公共卫生事件”就是因为这是没有预测到的，或者说即使预测到也是难以迅速采取有效措施的事件。假如我们可以在公共卫生研究领域提前布局，持续支持即使是非常冷门但是有助于公共卫生需求的基础及应用研究，也许可以减少突发公共卫生事件的频率。

    三、国家对疫情发生发展的预测与判断。

        对于新发病的响应，国家行动常常有滞后性。假如我们可以整合多种资源并且基于大数据库建立预警系统，在疫情出现初期即准确预测疫情爆发的可能规模和发展趋势，也许我们可以付出较小代价就取得胜利。虽然像这次这样人感染的疫情不会时常发生，我们可以将动物感染的疫情（禽流感、猪流感）和植物感染的疫情（稻瘟病）也一并纳入考量，逐步建立和完善国家预警系统。这样的话，也许当哪一天人感染疫情再来的时候，我们就可以从容应对。

参考文献

[1] Zhou P. et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature, 2020.

[2] Wu. F. et al. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature, 2020.

[3] Wu A.P. et al. Genome composition and divergence of the novel coronavirus (2019-nCoV) originating in China. Cell Host & Microbe, 2020.

[4] Fung T.S. and Liu D.X. Human coronavirus: host-pathogen interaction. Annual Review Microbiology, 2019.

[5] Cui J., Li F. and Shi Z.-L. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nature Review Microbiology, 2019.

[6] Lu R. et al. Genomic characterization and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implication for virus origins and receptor binding, Lancet, 2020.

[7] Liu P., Chen W. and Chen J.-P. Viral metagenomics revealed sendai virus and coronavirus infection of Malayan pangolins (Manis javanica), Viruses, 2019.

[8] Heid C.A. et al. Real time quantitative PCR. Genome Research, 1996.

[9] Gootenberg J.S. et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 2017.

[10] Gootenberg J.S. et al. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13. Cas12a, and Csm6. Science, 2018.

[11] Myhrvold C. et al. Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13. Science, 2018.

[12] Bao Y.P. et al. 2019-nCoV epidemic: address mental health care to empower society. Lancet, 2020.

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