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【盘点】新型冠状病毒起源近期重要研究一览

2020-2-25 作者:MedSci   来源:MedSci原创 我要评论1
Tags: 新型冠状病毒  起源  

新型冠状病毒肺炎疫情爆发后,有关其起源众说纷纭。新型冠状病毒的基因组与蝙蝠身上发现的冠状病毒比对结果表明其有可能来源于蝙蝠。但是,新型冠状病毒完成从蝙蝠到人的进化和传播,中间至少需要一个中间宿主。目前来看,穿山甲是除天然宿主蝙蝠外唯一被新型冠状病毒相关冠状病毒感染的哺乳动物。有关病毒起源问题仍然需要病毒学家和流行病学专家进一步调查研究和深入而分析。近期有关新型冠状病毒起源近期重要研究整理如下

【1】      NATURE新型冠状病毒基因组与蝙蝠体内发现的 SARS 样冠状病毒有 89.1% 的相似性

20201 28 日,复旦大学张永振教授团队利用测序技术确定新型冠状病毒基因组与蝙蝠体内发现的 SARS 样冠状病毒有 89.1% 的相似性。该研究以题为A new coronavirus associated with humanrespiratory disease in China的文章发表于NATURE.

张永振教授领导的团队从1名在武汉海鲜市场上的工作人员身上收取到了支气管肺泡灌洗液,鉴定出了一种新型病毒,利用测序技术确定了该RNA病毒的基因组(注:张永振教授是第一位公布该病毒序列的科研工作者,110日公布序列),并发现该病毒基因组与蝙蝠体内发现的SARS样冠状病毒有89.1%的相似性。该名工作人员于20191226日在武汉一家医院住院,表现出呼吸系统疾病症状,包括发烧、胸闷和咳嗽。联合使用抗生素、抗病毒药和糖皮质激素进行治疗,但患者仍表现出呼吸衰竭,治疗三天后病情并无改善。该研究得到的序列可在NCBISRA数据库中找到(BioProject登记号为PRJNA603194)。病毒完整基因组已存入GenBank,登记号为MN908947

【2】      Lancet蝙蝠可能是新型冠状病毒的原始宿主

2020130日,Lancet期刊在线发表题为“Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding”的论文。中国疾病预防控制中心(China CDC)和中国科学院等多家中国研究机构的研究人员报道对来自中国武汉的9名患者的10个新型冠状病毒(2019-nCoV)基因组序列进行了新的遗传分析,发现这种病毒与两种蝙蝠来源的SARS-CoV(严重急性呼吸道综合征冠状病毒)样冠状病毒存在最为密切的亲缘关系。

在这项研究中,这些研究人员报道了9名被确诊为原因不明的病毒性肺炎的患者的流行病学数据。从这些患者肺部采集的细胞和分泌物样本以收集2019-nCoV病毒样本,然后对这些病毒样本进行分析以确定这种病毒的起源以及它如何进入人细胞。

在这9名患者中,8人去过华南海鲜市场。剩下的一名患者从未去过这家市场,但是在病发之前住在这家市场附近的一家旅馆里。

这些研究人员在从这些患者身上采集的全部10个遗传序列--包括8个完整的基因组和2个部分基因组---中发现了2019-nCoV。这些遗传序列几乎相同(它们的基因组序列具有99.98%以上的相似性),这表明这种病毒是最近出现在人体内的。

Shi教授说,“令人吃惊的是,文中描述的来自不同患者的2019-nCoV序列几乎相同。这一发现表明2019-nCoV在很短的时间内起源于一个来源,并且被相对快速地检测到。但是,随着这种病毒传播给更多人,不断监测突变的出现是必要的。”

通过将2019-nCoV基因组序列与病毒文库进行比较,这些研究人员发现与这种病毒亲缘关系最为密切的病毒是两种蝙蝠来源的SARS-CoV样冠状病毒:bat-SL-CoVZC45bat-SL-CoVZXC21,它们具有88%的基因组序列相似性。

2019-nCoV与人类SARS-CoV(具有大约79%的基因组序列相似性)和中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒(MERS-CoV)(具有大约50%的基因组序列相似性)具有相对较远的亲缘关系。

通过研究这种病毒的刺突蛋白(它如何结合并进入人细胞),这些研究人员发现2019-nCoV和人SARS-CoV具有相似的结构,不过也存在一些细微差异。为此,他们提出2019-nCoV可能使用与SARS(称为ACE2的受体)相同的分子入口---人细胞表面上的ACE2受体---进入人细胞,但请注意,这将需要确认。

根据这些数据,这些研究人员说,这似乎表明导致这次武汉疫情爆发的2019-nCoV也可能最初是由蝙蝠携带,并通过在华南海鲜市场出售的一种目前未知的野生动物传播给人类。

他们说,蝙蝠冠状病毒发生突变的可能性要高于2019-nCoV,这意味着2019-nCoV不太可能是由于偶然突变而出现。但是,还需要更多的信息来确认这一点,而且如果发现了亲缘关系更为密切的动物病毒,那么这一建议可能是错误的。

中国疾病预防控制中心的武桂珍教授说,“这些数据总体上与蝙蝠的冠状病毒库一致,特别是与2019-nCoV一致。然而,尽管蝙蝠很重要,但这似乎表明其他的动物宿主充当蝙蝠与人类之间的中间宿主。”

她解释说,“首先,这次疫情爆发是在201912月下旬首次报道的,当时武汉的大多数蝙蝠种类正在冬眠。其次,在华南海鲜市场上没有出售或发现蝙蝠,然而许多非水生动物(包括哺乳动物)在那里出售或发现。第三,2019-nCoV和它的近亲bat-SL-CoVZC45bat-SL-CoVZXC21的遗传序列相似性不到90%,这意味着这两种蝙蝠来源的冠状病毒并不是2019-nCoV的直接祖先。第四,在SARS-CoVMERS-CoV中,蝙蝠都是天然的冠状病毒库,另一种动物是中间宿主,人类是终末宿主,这再次凸显了野生动物中隐藏的病毒库以及它们传播到人群中的潜力。”

【3】      Nature蝙蝠最有可能是新型冠状毒的天然宿主

20202 3 日,中科院武汉病毒研究所、武汉金银潭医院和湖北省疾控中心联合团队在 Nature 发表题为《A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin》的研究成果,对新型冠状病毒基因组序列的比对结果显示蝙蝠最有可能是新型冠状病毒的天然宿主。

该研究团队在冠状病毒(CoV)实验室中首先使用泛冠状病毒PCR引物来测试这些样本。他们发现了5PCR阳性样本。通过使用下一代测序(NGS)对从支气管肺泡灌洗液(BALF)中收集的样本(WIV04)进行宏基因组分析以鉴定潜在的病原体。

在总共10038758个读取片段(read),或者说人类基因组过滤后的总共1582个读取片段中,有1378个读取片段与SARS-CoV序列相匹配(图1a)。通过从头组装和靶向PCR,他们获得了一个大小29891bp的冠状病毒基因组,它与SARS-CoV BJ01GenBank登录号AY278488.2)具有79.5%的序列一致性(sequence identity)。将这些1582个读取片段与所获得的基因组进行重新映射可取得较高的基因组覆盖。

这个基因组序列已被提交GISAID网站(登录号EPI_ISL_402124)。根据世界卫生组织(WHO)的名称,他们暂时将它称为新型冠状病毒20192019-nCoV)。随后从其他四名患者中使用下一代测序和PCR获得了另外四个2019-nCoV全长基因组序列(WIV02WIV05WIV06WIV07)(GISAID登录号EPI_ISL_402127-402130),彼此之间的一致性高于99.9%。

2019-nCoV基因组由冠状病毒共有的6个主要的开放阅读框(ORF)和一些其他的附属基因组成(图1b)。进一步的分析表明,一些2019-nCoV基因与SARS-CoV在核苷酸序列上的一致性低于80%。然而,用于冠状病毒物种分类的开放阅读框ORF1ab中的七个保守性复制酶结构域在2019-nCoVSARS-CoV之间具有94.6%的氨基酸序列一致性,这意味着这两者属于同一病毒物种。

【4】      Cell Host & Microbe新型冠状病毒2019-nCoV的基因组组成和差异

202027日,来自中国医学科学院北京协和医学院、中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所、中南大学、苏州大学和湖南大学的研究人员于Cell Host & Microbe期刊上,发表标题为“Genome Composition and Divergence of the Novel Coronavirus (2019-nCoV) Originating in China 的论文。

对这三种2019-nCoV毒株的基因组序列进行比较显示它们几乎是一样的,在大约29.8 kb的基因组中仅有5个核苷酸不同。对2019-nCoV基因组进行注释后发现它有14ORF,编码27种蛋白(图1A)。位于这种基因组5'末端的orf1aborf1a基因分别编码pp1abpp1a蛋白。这两种蛋白总共包含15nsp,具体为nsp1nsp10nsp12nsp16(图1A)。这种基因组的3'端包含四种结构蛋白(SEMN)和八种辅助蛋白(3a3bp67a7b8b9borf14)。

在氨基酸水平上,2019-nCoVSARS-CoV非常相似,但也有一些显著差异。比如,8a蛋白存在于SARS-CoV中,而在2019-nCoV中不存在;8b蛋白在SARS-CoV中为84个氨基酸,但在2019-nCoV中则较长,为121个氨基酸;3b蛋白在SARS-CoV中为154个氨基酸,但在2019-nCoV中则较短,只有22个氨基酸。还需开展进一步的研究来阐明这些差异如何影响2019-nCoV的功能和发病机理。

相关数据还显示2019-nCoV的基因组与蝙蝠SARS-like CoVMG772933)的基因组具有最高相似性。相比之下,2019-nCoVMERS-CoV的进化距离较远,亲缘关系也不密切。针对pp1abpp1aEM7aN基因的编码蛋白的系统进化树分析显示2019-nCoV最接近于蝙蝠SARS-like CoV。研究人员无法对2019-nCoVSARS-CoVSARS-like CoV之间存在的大量氨基酸替换给出合理的解释。比如,2019-nCoVSARS-CoV中与人受体ACE2蛋白直接相互作用的受体结合基序中不存在氨基酸替换,但在RBD的其他区域发生了六个突变。与SARS-CoV相比,这些差异是否会影响2019-nCoV的宿主趋向性和传播特性值得在未来开展进一步的研究。

【5】      Virological排除了新冠病毒由人为构建或散布的可能性

217日,美国斯克里普研究所的KristianAndersen、英国爱丁堡大学的AndrewRambaut、哥伦比亚大学的IanLipkin等国际知名病毒学家联合在virological.org网站上发表一篇长文,通过分析SARS-CoV-2基因组中的显著特征,排除了新冠病毒由人为构建或散布的可能性。

新冠病毒是已知能够感染人类的第7种冠状病毒。依据目前的基因测序和结构生物学实验得出,新冠病毒具有两个显著特征:(1SARS-CoV-2对人ACE2受体具有高度亲和力;(2SARS-CoV-2的刺突(S)蛋白是高度变异的,因其S1S2亚基之间存在12个核苷酸的插入,形成了多碱基(弗林)切割位点,进而造成了这附近多了3个氧原子连接的多糖。

1.SARS-CoV-2受体结合域的突变

冠状病毒S蛋白与ACE2受体结合的关键部分为受体结合域(RBD),RBD中的6个氨基酸残基决定了冠状病毒感染宿主的物种范围。与具有96%基因序列相似度的菊头蝠冠状病毒相比,新冠病毒的6个残基(对应为L455F486Q493S494N501Y505)有5个发生了突变,这解释了新冠病毒与人类、非人灵长类、雪貂、猪、猫等ACE受体具有高亲和性,但菊头蝠冠状病毒却不感染人类的现象。

但是,新冠病毒的突变在自然界有相似的例子。例如,新冠病毒S蛋白中第486位残基的苯丙氨酸(F486)突变,在实验室培养SARS-CoV的过程中也出现了,在另外几种蝙蝠冠状病毒中也发现同一位点的突变。可以说,这种突变是向着感染人ACE2方向进化而去的自然选择的结果。

并且,新冠病毒与ACE2的亲和力虽高,但其RBD还不是最完美的结合构象。此前,研究者曾对ACE2受体蛋白进行结构生物学分析,并预测了与其匹配程度最高的配体氨基酸序列,这与在新冠病毒RBD中发现的不同。人类工匠追求完美,其作品往往精巧工整、蓄意雕琢,新冠病毒的不完美恰恰自证其并非人类实验室构建的产物,但偶然进化的病毒如此强悍,更令人敬畏自然的威慑力。

2.SARS-CoV-2的多碱基切割位点插入

新冠病毒在刺突蛋白S1S2亚基交界处插入了一个多碱基切割位点(RRAR),其附近还有3个与氧原子连接的多糖,这在其他乙型冠状病毒中从出现过,其作用也尚未可知。此前对SARS-CoV的研究表明S1/S2亚基接头与细胞融合有关。

禽流感病毒中的血凝素蛋白(HA)也负责细胞融合和病毒入侵,其中多碱基切割位点常见,能被弗林和其他蛋白酶快速识别并切割,进而促进病毒的快速复制和传播;RRAR越多,病毒致病性越高。3个氧原子连接的聚糖可以产生一个“粘蛋白样结构域”,以屏蔽SARS-CoV-2刺突蛋白上的某些潜在表位或关键残基,但其生理作用尚不清楚。

综上,研究者们排除了病毒由实验室构造的可能性,主要因为:如果新冠病毒是人造的,那么(1)它与ACE2受体的结合能力应该比现在强得多;(2)病毒主链的基因序列应该大部分基于某个已知序列,然而这样的序列并不存在。于是,研究者们提出了三种新冠病毒进化的可能性:

1.在传播给人类之前,新冠病毒已经在动物中进行自然选择并发生变异

鉴于新冠肺炎爆发中心位于武汉的华南海鲜市场,那么新冠病毒首先应该是从动物传播到人身上的;又鉴于SARS-CoV-2与蝙蝠中的SARS样病毒(尤其是RaTG13)序列相似度极高,那么蝙蝠来源这一点也是可靠的。但需注意的是,SARS-CoV-2从蝙蝠到人类之前,很可能已在多个物种的中间宿主中流传。

最确切的证据是,最近在非法进口到广东的马来穿山甲中发现冠状病毒,其中S蛋白RBD6个重要残基均与SARS-CoV-2一致。但穿山甲冠状病毒不含多碱基切割位点,这种突变需要病毒在较高种群密度、并且ACE2基因类似于人类同源蛋白的生物集群中大量复制才有可能产生。对各种可疑动物的冠状病毒筛查,将是溯源的重点。

2.无症状的新冠病毒祖先已在人类群体中广泛而隐秘地传播开来,在人体发生突变后转为肺炎症状的疫情爆发

由于穿山甲冠状病毒中的RBDSARS-CoV-2相似度极高,因此合理怀疑类似的病毒能够并已经感染了人类。但由于缺乏其他必要特征,病毒祖先感染人类并在一部分人群中复制、传播、变异但不表现出症状。日积月累和机缘巧合之下,某个人体内的病毒恰好具备了所有致病特征,于是爆发开来。目前,不同样本中的新冠病毒基因序列具有高度同源性,也说明具有共同祖先。

对目前的基因组序列推算新冠病毒的变异史,表明这些病毒最近的共同祖先出现在201911月下旬至12月上旬,这与最早的确诊病例出现时间一致。并且研究发现,冠状病毒血清阳性率在动物进出口贸易商中为13%,在中国南方一村庄为3%,说明这些人均感染过冠状病毒。

3.实验室泄漏冠状病毒

世界各地的多个实验室进行SARS样蝙蝠冠状病毒在细胞和生物体中的培养和传代,理论上说,冠状病毒RBD有可能在这个过程中变异成如今这样。而实验室泄漏该种病毒的可能性也是存在的。但这样一来,多碱基切割位点的产生就说不通了,这仅当低致病性的禽流感病毒在细胞或动物中长时间多代传播后才能产生。而且氧原子连接多糖结构的产生,要求免疫系统的参与,仅靠细胞培养无法产生。

如果病毒果真来自这条途径,则需要事先分离出与SARS-CoV-2高度相似的祖病毒,在具有人类同源ACE2的雪貂等动物中大量传代,要求同时获得多碱基位点和氧原子连接多糖的结构,可能性不大。

在目前如此严峻的公共卫生情势下,我们确实有必要调查清楚新冠病毒爆发的起源究竟是什么。本文通过SARS-CoV-2的基因组信息排除了新冠病毒由实验室构造的可能性,但也没有证据支持或驳斥以上任何一条可能的进化路径。

因此,亟需获得更多样本中新冠病毒基因测序数据,研究新插入的多碱基切割位点和氧原子连接的多糖的生理作用,并且持续对新冠病毒潜在的中间宿主和早期病例进行监测和排查,将有助尽快追溯到新冠病毒的真正起源。

【6】      bioRxiv:穿山甲为新型冠状病毒潜在中间宿主

香港大学公共卫生学院新发传染病国家重点实验室管轶教授团队和广西医科大学胡艳玲教授团队 2 18 日在预印本 bioRxiv 发表题为《Identification of 2019 -nCoV related coronaviruses in Malayan pangolins in southern China》论文,研究结果发现并鉴定了更早期的穿山甲样本中存在与新型冠状病毒相关的冠状病毒。

2 20 日,华南农业大学、岭南现代农业科学与技术广东省实验室沈永义教授、肖立华教授团队及广州动物园科研部在预印本 bioRxiv 发表了题为《Isolation and Characterization of 2019 -nCoV-like Coronavirus from Malayan Pangolins》的研究成果,通过对穿山甲样品进行宏基因组分析,发现穿山甲为新型冠状病毒潜在中间宿主。

【7】      NIH获得新型冠状病毒SARS-CoV-2的新图像

位于蒙大拿州汉密尔顿市的落基山实验室(RML)2020211日星期二在扫描和透射电子显微镜上展示了新型冠状病毒(SARS-CoV-2,以前称为2019-nCoV)的图像。SARS-CoV-2可导致COVID-19疾病,自201912月在中国武汉首次发现病例以来,该疾病已成为全球公共卫生紧急事件。落基山实验室(RML 研究员 Emmie de Wit 博士在其研究中提供了病毒样本,显微镜学家伊丽莎白 · 菲舍尔(Elizabeth Fischer)制作了图像,RML 视觉医学艺术办公室对图像进行了数字着色。

这些图像与MERS-CoV(2012年出现的中东呼吸综合征冠状病毒)或最初的SARS-CoV(2002年出现的严重急性呼吸综合征冠状病毒)非常相似。冠状病毒表面的棘突赋予这种病毒家族标志性的名称——冠状病毒,在拉丁语中是“王冠”的意思,大多数冠状病毒都有皇冠一样的外观。

 

总之而言,尽管目前有学者认为新冠病毒源自自然宿主蝙蝠,经中间宿主穿山甲传播给人类,也有学者表示新冠病毒的进化起源尚无法确定;更有甚者提出“非自然起源论”……这场争论中,众多起源的假说会让大众一头雾水,也有人妄自菲薄胡编乱造,而对于新冠病毒的起源,只能说---------目前尚无定论。



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2020-2-25 23:29:59 回复

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