解码 SARS-CoV-2 基因组——起源

持续的 COVID-19 大流行是对公共卫生系统的全球威胁，并严重打击了世界经济。这次大流行的罪魁祸首 SARS-CoV-2 并不是典型的流感。这种病毒影响上呼吸道和下呼吸道，干扰生命和呼吸的核心过程，因此是致命的。截至 2020 年 4 月 6 日，Worldometer 已报告全球 1,337,166 例病例，其中 74,176 人死亡。

在基因组水平上检查 SARS-CoV-2 将为了解该病毒的起源提供见解。它还将帮助科学家设计诊断工具来检测这种看不见的病原体，并促进治疗方法的发明，以最大限度地减少生命损失。

了解 SARS-CoV-2 基因组

病毒是一种传染因子，需要活的宿主才能茁壮成长和复制。此外，SARS-COV-2 是一种单链 RNA 病毒，其基因组接近 30 kb 核苷酸碱基，具有 12 个假定的开放阅读框。 2019 年 12 月疫情开始后不久，中国科学家对 SARS-CoV-2 基因组进行了测序。过去几周，各种科学团体发布了 SARS-CoV-2 的完整基因组序列。这些可在 Genbank 和冠状病毒数据库中公开获得。

SARS-CoV-2 病毒的起源

在诸如此类的爆发期间，非科学的阴谋论可能会导致对国家、社区和文化产生不必要的偏见。 SARS-CoV-2 也不例外，如今迅速发展的社交媒体平台只会加剧这种情况。我们有责任通过理性的科学镜头来看待这个看不见的敌人。根据基因组分析，SARS-CoV-2 是一种自然进化的病毒 并且不是合成实验室菌株 ^1,2 .科学家们对从世界不同地区收集的 100 多种 SARS-CoV-2 菌株的全基因组进行了测序。事实证明，这些菌株在核苷酸水平上的相同性超过 99.5%。这表明毒株在不同地区并没有发生太大的变异，表面上是因为该病毒已经具有很高的感染率和毒力。

最近，另外两种冠状病毒受到了全球的关注。它们是 SARS-CoV，中国，2002 年和 MERS-CoV，沙特阿拉伯，2012 年。这两种较早的病毒都被证明起源于蝙蝠。基于这一历史知识，科学家们对蝙蝠的冠状病毒进行了测序，并表明蝙蝠冠状病毒 (RaTG13 ) 96.2% 与 SARS-COV-2 相同，从而证实了后者的人畜共患病起源。 ² 冠状病毒通常在感染人类之前使用中间载体。有趣的是，在 2019 年 10 月左右，中国广东野生动物救援中心报告的死亡马来亚穿山甲出现肺部泡沫状纤维化症状，促使科学家们分离出它们的宏基因组。事实上，来自死穿山甲的宏基因组数据包含冠状病毒！ ³

有趣的是，在全基因组水平上，SARS-CoV-2与马来亚穿山甲CoV的同源性接近91%，表明穿山甲可能是中间宿主。

什么是穿山甲？它们是食蚂蚁的哺乳动物，在亚洲对传统中药和肉类的需求量很大，许多人认为它们是美味佳肴。它们也是当今非法野生动物贸易中被贩运最多的哺乳动物。

SARS-CoV-2 与其他已知冠状病毒不同，序列同一性为 88% 或更少。根据系统发育分析，在人类、蝙蝠 (RaTG13) 和马来亚穿山甲中发现的 SARS-CoV-2 是一种新型的 β 冠状病毒。来自世界不同地区和不同生物体的近 35 种不同类型的冠状病毒株已在全基因组水平上进行了分析。 SARS-CoV-2（下图蓝色部分）是一种新型的β冠状病毒（图1）。

冠状病毒如何进入宿主？

冠状病毒中的一种称为 Spike 蛋白的蛋白质似乎在这个过程中发挥了重要作用。 Spike 蛋白是一种多功能分子机器，由两个主要亚基 S1 和 S2 组成。 Spike 蛋白首先通过其 S1 亚基与宿主细胞表面的受体结合，然后通过其 S2 亚基融合病毒和宿主细胞膜。来自不同冠状病毒的 S1 域识别多种宿主受体，导致病毒附着。由 193 个氨基酸组成的受体结合域 (RBD) 与宿主细胞结合并连接。人类 SARS-CoV-2 的受体是血管紧张素转换酶 2 (ACE2)。 ACE2 附着在肺、动脉、心脏、肾脏和肠道细胞膜的外表面。 ACE2 通过催化血管紧张素 II（一种血管收缩肽）裂解为血管紧张素 1-7（一种血管扩张剂）来降低血压。不幸的是，ACE2 似乎也是冠状病毒的流行切入点。

穿山甲 CoV 和 SARS-CoV-2 序列在 RBD 区域高度保守，表明该病毒的致病潜力在穿山甲 CoV 和 SARS-CoV-2 之间非常相似。决定结合的关键氨基酸残基在穿山甲 CoV 和 SARS-CoV-2 之间的序列比对（图 2a 中用蓝色框标记）和图 2b 中卡通上方显示的关键氨基酸 (LFQSNY) 相同.有趣的是，蝙蝠 SARS-CoV-2 RBD 的不同之处在于 17 个氨基酸残基，其中包括 5 个结合 ³ 的关键残基 .根据对序列数据的分析，可以推测 bat-SARS-CoV-2 可能不具有与宿主细胞的 ACE2 蛋白结合以引发感染的关键残基。这需要实验来确认。

如前所述，Spike 蛋白包含两个功能域：一个受体结合域和一个包含介导病毒和细胞膜融合的序列的第二个域。 Spike 糖蛋白必须被细胞蛋白酶切割才能暴露融合序列，因此是细胞进入所必需的。穿山甲 CoV 和 bat-SARS-CoV-2 的 S1/S2 切割位点序列的比较显示了弗林蛋白酶识别基序的插入。这表明病毒基因组进入宿主细胞质进行复制的独特机制，如图 3 所示。

弗林蛋白酶识别基序的作用是什么？在人类中，弗林蛋白酶识别基序 (PRRARSV) 被 FURIN 蛋白识别，FURIN 蛋白是枯草杆菌蛋白酶样肽酶 S8 家族的成员，有助于去除蛋白质的一部分，将其构象从无活性状态转变为活性状态。

有人提出，获得这个弗林蛋白酶裂解位点可能是一种“功能获得”，使蝙蝠 CoV 能够跳入人类并开始其当前的流行传播。这可能是探索靶向阻断该基序以防止病毒在宿主体内复制的新型药物的潜在途径。

因此，仔细检查 SARS-CoV-2 中的 Spike 蛋白显示优化的 RBD（一种弗林蛋白酶识别基序，如某些 MERS 冠状病毒），以及它与 ACE2 蛋白强烈结合的能力。这表明一个自然选择过程在起作用。共同感染宿主的病毒中的自然重组事件已被证明可以改善它们的宿主范围，同时也增加了毒力和病毒适应性。带有蝙蝠骨架 (RaTG13) 和穿山甲 CoV 的 SARS-CoV-2 基因组数据再次表明这是一种由自然重组产生的病毒 .

SARS-CoV-2 的直接供体是什么？

SARS-CoV-2 序列混合了 bat-SARS-CoV (RaTG13) 以及保守的穿山甲 CoV 区域，这些区域只能在这些病毒基因组重组期间发生。此外，功能的获得，如弗林蛋白酶识别基序所见，涉及另一种病毒重组。为了发生重组，应该有一个包含这些病毒基因组的天然宿主是合乎逻辑的。是另一只穿山甲吗？还是武汉海鲜市场的另一种野生动物？这还是未知数。了解起源有助于防止未来病毒株的爆发和全球大流行。

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