【病毒探源】武漢新型冠狀病毒的科學難題（上）

去年爆發源自武漢的新型冠狀病毒，一個月之內疫情嚴峻，迄今全球科學家對它的認識依然有限。

瑞士生物技術公司SunRegen Healthcare AG首席科學官及共同創辦人董宇紅（Yuhong Dong，音譯）撰文提出武漢新型冠狀病毒的科學難題。以下是全文內容。

武漢新型冠狀病毒（2019-nCoV）的突然爆發，甚至擴散到整個中國，震驚全球。這個新型「病毒」具有極高的傳輸速度（基本繁殖數R0高）以及高致死率特徵，對人類構成前所未有的巨大威脅。由於目前來自中國的信息有限，科學界對這個病毒的起源、人與人之間傳播持續時間，以及受感染者的臨床管理等方面的認識，存在很大差距。

科學家最近發表有關該病毒的研究論文，確定它的起源與自然界的基因重組無關，以及從動物傳播給人類，但是仍有多項難題待進一步探討。

新型冠狀病毒的起源似乎與自然重組無關

大多數論文顯示，2019-nCoV與蝙蝠冠狀病毒的相似度為88%，與SARS的冠狀病毒的相似度為79%，與MERS則僅50%。中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所國家生物安全重點實驗室陸柔劍（Roujian Lu），2020年1月30日在《柳葉刀》期刊發表論文提到，「（自然）重組可能不是該病毒出現的原因。」

2020年1月27日，希臘一項研究分析了2019-nCoV的遺傳關係，發現「新型冠狀病毒的基因，大約五成與sarbecvirus亞屬中的其它病毒沒有密切的遺傳關係」，並且具有其它冠狀病毒所沒有的中間區段。

這些研究發現載明了2019-nCoV是一種新型的冠狀病毒，推翻了作者原來認為的2019-nCoV起源於不同冠狀病毒之間的隨機自然突變的假設，也就是說不是自然演變來的。

患者間存在極高的遺傳一致性 證明最近才傳播給人類

2019-nCoV是一種RNA病毒，具有很高的自然突變率。陸柔劍等學者，在《柳葉刀》發表的論文指出，「作為一種典型的RNA病毒，冠狀病毒的平均演化速率約為每個位點每年會取代10-4個核苷酸（nucleotide），每個複製周期都會產生突變。因此，令人驚訝的是，本論文所描述的來自不同患者的2019-nCoV序列幾乎相同，序列同源性（sequence identity）超過99.9%。這一發現表明了2019-nCoV是在很短時間內自一個起源地產生，而且相對較快的被檢測到。」

上週，《科學》雜誌一篇文章提到，「病毒在人群中傳播的時間越長，就需要更多時間來形成能夠區分感染者體內毒株的突變，並且鑑於迄今為止分析發現的2019-nCoV序列，最多只檢測出來7個核苷酸的差異，這顯示它是最近才進入人體的。不過，是哪個動物將這個病毒傳播給人類，目前仍然是一個謎。」

蝙蝠或華南海鮮市場並非所有的故事

陸柔劍在《柳葉刀》期刊發表的論文，還探討了新型冠狀病毒的天然宿主。「首先，該病毒疫情於2019年12月下旬首次被報導出來，當時武漢的大多數蝙蝠物種都在冬眠。其次，同時販賣各種非水生動物（包括哺乳動物）的華南海鮮市場，並沒有出售蝙蝠，也沒有發現蝙蝠蹤影。第三，2019-nCoV與其近親蝙蝠的bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21間的序列同源性小於90%。因此，這兩個蝙蝠冠狀病毒序列並不是2019-nCoV的直接祖先。」

該論文作者表示，雖然2019-nCoV可能最初寄宿在蝙蝠上，但是傳遞給人類的機制目前仍是個謎。

此外，該《科學》雜誌的論文亦寫到，「雖然華南（海鮮）市場可能在傳播2019-nCoV的早期發揮了作用，但其是否為導致該病毒爆發的源頭仍有疑問。雖然有兩份與武漢市早期病例相關的研究，其中一份報告說在前41例中有27例，另一份則說前47例中有26例，與華南（海鮮）市場有關，但多達45%的早期病例與華南（海鮮）市場無關，其中包括一些最早的病例。這增加了新型冠狀病毒最初有可能是從其他渠道感染到人體的可能性。」

棘突蛋白（Spike Protein）具有4個精確的突變 卻沒有影響其與人類受體的親和力。

每種病毒都必須具有與人類細胞結合的受體，而且只能在人類細胞內生活以及必須依靠人類細胞進行複製。沒有這些功能，存在人體血液或組織液中的病毒很容易被人體免疫系統清除。

病毒通過特定的表面蛋白通道進入人體細胞，由於病毒表面蛋白與人體細胞結合的相互作用，就像使用鑰匙開鎖一樣（圖1）。

圖1。（大紀元）

先前的研究表明，不同冠狀病毒與數個受體間的結合方式各有不同，例如SARS冠狀病毒（SARS-CoV）的血管緊張素轉化酶2（angiotensin-converting enzyme2，簡稱ACE2）。人體組織中存在大量的ACE2受體，尤其是肺和小腸的上皮內膜，提供了SARS-CoV進入人體的途徑。

根據陸柔劍等人在《柳葉刀》雜誌上發表的論文，SARS-CoV和2019-nCoV的受體結構存在相似性。2019-nCoV的棘突蛋白（Spike Protein，S-蛋白）負責與細胞受體結合，是該病毒攻擊宿主細胞組織至關重要的成分。

該研究團隊獲得的分子模型數據表明，儘管2019-nCoV受體結合鍵中存在胺基酸突變，但是2019-nCoV仍可能使用ACE2受體進入宿主細胞。

2020年1月21日，中國科學院上海巴斯德研究所分子病毒與免疫重點實驗室研究人員，在《中國科學生命科學》（SCIENCE CHINA Life Sciences）發表了一篇名為「源於武漢爆發的新型冠狀病毒的進化及其棘突蛋白對人類傳播風險的建模」（Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission）的論文，對武漢2019-nCoV的S蛋白進行了更精確的分析。

以下摘自其中一段內容：

與其它冠狀病毒基因結構域相比，S蛋白通常具有最容易變化的胺基酸序列。然而，儘管武漢冠狀病毒與感染人類的SARS-CoV之間存在相當大的遺傳距離，而且總體上武漢冠狀病毒S蛋白與SARS-CoV的同源性較低，但是武漢冠狀病毒S蛋白與受體結合（RBD）場域中的序列，卻有多個片段與SARS-CoV具有高度同源性。

已有研究發現，SARS-CoV S蛋白中第442、472、479、487和491位的殘基位於受體複合物界面，並且被認為是SARS-CoV跨物種及人際傳播至關重要的位點。因此，令我們驚訝的是，儘管替換了5個重要的界面胺基酸殘基中的4個，武漢CoV S蛋白被發現與人體的ACE2具有顯著的結合力，也就是在替換了武漢冠狀病毒S蛋白中442、472、479和487位的殘基位後，並沒有改變它的結構構像。

武漢冠狀病毒S蛋白和SARS冠狀病毒S蛋白在RBD結構域中共享幾乎相同的3-D結構，因此在相互作用界面中保持相似的「範德華力」（van der Waals）與「靜電」（electrostatic）性質。因此，武漢冠狀病毒仍然能夠通過S蛋白與ACE2的結合途徑，對人類傳播構成重大的公共衛生風險。

我們已經知道，2019-nCoV是不同於SARS的病毒，也知道S蛋白具有高度突變性，因此，如果2019-nCoV的S蛋白的基因序列、蛋白質結構以及功能與SARS病毒有所不同，也就不足為奇了。

然而，這種新型冠狀病毒如何能聰明且精準地選擇在哪些定位點突變的同時，又能保留其對人類ACE2受體的親和力？該病毒為何可以僅改變S蛋白的四個胺基酸？又如何知道使用「常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統」（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR-associated proteins）來確保這些動作的發生？ （圖2）（未完，待續）◇

圖2。（大紀元）