殺手檔案：新冠大流行背后的復雜生物學

科學家如今正試圖拼湊出SARS-CoV-2起源之處、運行機制以及未來前景——而最迫切的問題仍屬COVID-19的來源之謎。

1912年，德國的獸醫(yī)們曾為一個出現(xiàn)發(fā)熱及嚴重腹部水腫的貓病例大傷腦筋，如今，這被認為是首個報道了冠狀病毒殺傷力的案例。當時的獸醫(yī)們并不知情，冠狀病毒還會引發(fā)雞傳染性支氣管炎和豬傳染性胃腸炎，而小于兩周齡的仔豬會因感染后者而幾乎全部喪命。

這些病原體之間的瓜葛直到20世紀60年代才顯露出來。當時，英國與美國的研究者們分離出了兩種具有王冠樣結構、能讓人類患上普通感冒的病毒。科學家們很快意識到，在患病動物中鑒別出的病毒具有相同的剛毛結構，即病毒的表面插滿了尖銳的蛋白突起。在電子顯微鏡下，這些病毒看上去就像是日冕，因此研究人員在1968年為整個病毒家族起名為冠狀病毒。

這是一個十足活躍的殺手家族：犬冠狀病毒可以傷害貓，而貓冠狀病毒可以侵襲豬的腸道。研究人員過去認為冠狀病毒只會在人類中引起輕微的癥狀，直到2003年嚴重急性呼吸綜合征（SARS）的暴發(fā)才展現(xiàn)出這些十項全能的病毒可以多么輕易地置人于死地。

如今，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）大流行造成的死亡人數(shù)激增，而對于引發(fā)此次大流行、被命名為SARS-CoV-2的新型冠狀病毒（下文簡稱新冠病毒），研究人員正艱難地嘗試著盡可能多地揭示其背后的生物學機制。這位殺手的檔案正逐漸浮出水面，而科學家們也逐漸認識到，新冠病毒已經(jīng)進化出了一系列適應能力來，從而讓自身變得比人類迄今為止遇到的所有冠狀病毒都要更為致命。

與其他的近親不同，新冠病毒能夠很輕易地在多個位點攻擊人體細胞，其中又以肺部細胞與咽喉細胞為主要目標。一旦進入了人體，這些病毒就可以對各種危險的細胞分子軍火庫加以利用。遺傳學證據(jù)顯示，新冠病毒可能在大自然中已經(jīng)藏身了有數(shù)十年之久。

但是，還有許多關鍵信息尚不為人所知，其中包括新冠病毒如何讓人致死，是否會進化得更為致命（或者更不致命），以及對冠狀病毒家族的下一輪流行病暴發(fā)又有什么樣的啟示。

“一定會有更多的病毒出現(xiàn)，要么已經(jīng)出現(xiàn)了，要么即將出現(xiàn)。”在英國愛丁堡大學研究病毒進化的分子演化學家安德魯·蘭伯特（Andrew Rambaut）教授如是說。

劣跡斑斑的家族史

在所有會攻擊人類的病毒中，冠狀病毒是個大塊頭。而與那些利用RNA進行復制、引發(fā)近年來大多數(shù)新出現(xiàn)疾病的病毒相比，具有125納米直徑的冠狀病毒的體積也相對較大。但真正讓冠狀病毒脫穎而出的是它們的基因組。冠狀病毒是所有RNA病毒中具有最大基因組的病毒，有30 000個堿基對。其基因組體量是HIV和丙肝病毒的三倍多，是流感病毒的兩倍多。

冠狀病毒也是少數(shù)具有基因組校對機制的RNA病毒之一，這一機制能夠讓病毒的能力免受層層累積的基因突變的削弱。這或許就是為什么常見的抗病毒藥物，如可以抑制丙型肝炎等病毒的利巴韋林無法遏制SARS-CoV-2的原因。這些藥物能通過誘導突變來弱化病毒，但在冠狀病毒中，校對子可以清理掉那些突變。

突變對病毒來說也有有利的一面。流感病毒突變的頻率高達冠狀病毒的三倍，這一速度使得流感病毒可以更快地進化并能躲開疫苗。但是冠狀病毒有一個賦予自身致命活力的特殊技巧，那就是它們頻繁地重組，與其他冠狀病毒交換自己RNA上的片段。通常，相似的病毒之間交換相似的部件毫無意義，但如果兩個親緣性較遠的冠狀病毒出現(xiàn)在同一個細胞中，那么重組所帶來的將是可怕的新版本病毒：能夠感染新類型的細胞，并且能夠轉移到其他物種身上，蘭伯特介紹道。

重組經(jīng)常發(fā)生在蝙蝠體內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由蝙蝠攜帶的病毒里有61種可以感染人類，而有些種類的蝙蝠最多可以同時寄宿12種病毒。在絕大多數(shù)情況下，這些病毒并不會傷害蝙蝠，而關于為什么蝙蝠的免疫系統(tǒng)可以應付得了這么多入侵者，目前也是有一些理論的。2020年2月發(fā)表的一篇論文就探討了被病毒感染了的蝙蝠細胞會快速釋放出信號分子，讓自身可以接納而不消滅這些入侵病毒。

對首個冠狀病毒誕生時間的推測跨度很大，遠至3億年前，近至10 000年前。科學家們已經(jīng)知曉的有幾十種冠狀病毒株，其中有7種會感染人類。在4種引起普通感冒的冠狀病毒里，有2種（OC43和HKU1）來自嚙齒動物，而另外2種（229E 和NL63）來自蝙蝠。3種會引發(fā)重癥的冠狀病毒——引發(fā)SARS的SARS-CoV病毒、引起中東呼吸綜合征（MERS）的 MERS-CoV病毒以及SARS-CoV-2病毒——全都來自蝙蝠。但科學家們認為通常應該存在中間宿主——一只被蝙蝠傳染并將病毒傳給人類的動物。以SARS為例，其中間宿主就被認為是果子貍，一種在中國活禽市場出售的野生動物。

SARS-CoV-2的起源依然懸而未決（詳見“殺手家族”）。該病毒與一種在中國云南山洞中發(fā)現(xiàn)的蝙蝠體內(nèi)找到的病毒有96%相同的遺傳物質(zhì)，這也是其蝙蝠起源論的有力證據(jù)，研究人員如是介紹。但這里有一個極為關鍵的不同點，就在于冠狀病毒刺突蛋白（又稱S蛋白）有一個名為受體結合域的結構單元，這是冠狀病毒能夠成功侵入人體細胞的關鍵。SARS-CoV-2病毒結合域特別高效，但云南蝙蝠病毒似乎并不感染人類，這就讓SARS-CoV-2與云南蝙蝠病毒具有了重要的差別。

讓事情變得更為復雜的是，在一種名叫穿山甲的鱗狀食蟻獸身上發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒具有與人冠狀病毒幾乎一模一樣的受體結合域，但病毒的其他部分卻僅有90%的遺傳相似性，所以也有研究者懷疑穿山甲并不是中間宿主。突變和重組同時起了作用的事實讓繪制冠狀病毒譜系圖變得十分棘手。

從過去幾個月里發(fā)表的研究結果來看，盡管這些結果有待同行審查，但結論都指出SARS-CoV-2——或者是其高度相似的祖先——可能已經(jīng)在某些動物體內(nèi)潛伏了幾十年。根據(jù)一篇2020年3月在線發(fā)表的研究論文，進化出SARS-CoV-2的冠狀病毒分支在140多年前就與如今在穿山甲中發(fā)現(xiàn)的、親緣性近的病毒分支分開進化了。接著，在過去40到70年間，SARSCoV-2的祖先又與蝙蝠冠狀病毒進化分離，而后者逐漸失去了自己祖先曾具有的高效的受體結合域，而如今的SARS-CoV-2仍保有這一結構。4月21日發(fā)表的另一個研究運用了不同的溯源方法，而得到的結論高度相似。

這一研究的共同作者、美國加州大學伯克利分校的進化生物學家拉斯穆斯·尼爾森（Rasmus Nielsen）說，這些研究結果都意味著漫長的病毒家族史，里面既有由蝙蝠攜帶的多種冠狀病毒分支，又有可能由穿山甲攜帶的、具有與SARS-CoV-2同樣致命的受體結合域的冠狀病毒，而其中的某些病毒也許具有類似的可以引發(fā)全球性大流行病的能力。他還強調(diào)：“我們有必要繼續(xù)進行監(jiān)測，并對人畜共患傳染病傳播引發(fā)新病毒株的出現(xiàn)提高警惕。”

向病毒敞開的兩扇大門

盡管已知的人冠狀病毒可以感染多種類型的人體細胞，它們主要引起的還是呼吸系統(tǒng)感染。區(qū)別在于，4種引起普通感冒的冠狀病毒可以很輕易地攻破上呼吸道，而MERS-CoV和SARS-CoV則不容易在那兒占據(jù)優(yōu)勢，它們更容易成功入侵的是肺部細胞。

不幸的是，SARS-CoV-2二者兼得且非常高效，這讓SARS-CoV-2在人體內(nèi)有了兩個落腳之處，芝加哥大學病理學家肖書淵教授如是介紹。他表示，10個來自身邊人咳嗽的病毒顆粒足以讓你的咽喉細胞被病毒感染，但是咽喉處的毛發(fā)樣纖毛細胞會發(fā)揮自身作用，將這些入侵者清理出去。如果身邊人距離你更近，并且朝你咳出了100個病毒顆粒，那么病毒就可能一路直下抵達肺部。

這些能力的差異或許解釋了為什么COVID-19的患者有如此不同的經(jīng)歷。新冠病毒可以從咽喉或者鼻子開始入侵，導致咳嗽以及影響味覺和嗅覺，然后就止步于此；也能夠一路向下抵達肺部然后造成器官衰竭。而病毒如何到達肺部，是從一個細胞跳到另一個細胞還是蜂擁而至席卷全身，現(xiàn)在仍不為人知，來自美國愛荷華大學的免疫學家、專門研究冠狀病毒的斯坦利·珀爾曼（Stanley Perlman）教授如是說。

德國慕尼黑施瓦賓診所的傳染病醫(yī)生克萊門斯-馬丁·溫特納（Clemens-Martin Wendtner）則表示，讓病毒能夠潛入肺部可能是免疫系統(tǒng)的問題。大多數(shù)感染者會產(chǎn)生中和抗體，這種抗體是免疫系統(tǒng)針對病毒定制生產(chǎn)的，可以與病毒結合并阻止其進入細胞。但有的人似乎不能產(chǎn)生中和抗體。這也許就是為什么有的感染者在出現(xiàn)輕微感染癥狀的一周后就痊愈，而其他感染者卻被遲發(fā)性肺病擊倒。但病毒也可以繞過咽喉細胞，直接進入肺部。一般肺炎都會先出現(xiàn)咳嗽和低燒等這些輕微癥狀，但新冠患者可能會在未出現(xiàn)這些癥狀的情況下罹患肺炎。能夠感染這兩個位點意味著SARS-CoV-2把普通感冒冠狀病毒的傳染性與MERS-CoV及SARS-CoV的致死性結合在了一起，溫特納醫(yī)生說，這是該冠狀病毒株所具備的不幸且危險的特征組合。

新冠病毒能夠感染并在上呼吸道積極繁殖可謂是意料之外，畢竟它的遺傳學近親SARS-CoV并不具備這樣的能力。溫特納醫(yī)生的研究團隊從9名新冠患者的咽喉提取了病毒樣本，并在實驗室中進行了培養(yǎng)，然后他們發(fā)表了相關的研究成果。結果顯示，咽喉部位的新冠病毒繁殖與傳播都非常活躍。這一現(xiàn)象解釋了這些遺傳學近親在病毒傳播方面存在的關鍵區(qū)別。SARS-CoV-2能夠在感染癥狀尚未顯現(xiàn)出來時就從咽喉部分脫殼進入到唾液之中，而通過唾液就可以很容易地在人與人之間進行傳播。SARS-CoV在這一方面明顯就沒有那么高效，通常都是在癥狀已經(jīng)全面顯現(xiàn)時才開始進入到病毒脫殼期，因此也讓其變得容易人為控制。

這些差異導致了人們在理解SARS-CoV-2的致死性時出現(xiàn)了一些困惑。有的專家與媒體報道稱，SARS-CoV-2不如SARS-CoV致命，原因在于因新冠喪命的人數(shù)只占感染人數(shù)的1%，而因SARS-CoV喪命的人數(shù)占比約是這一數(shù)據(jù)的10倍。但珀爾曼表示，這樣理解新冠病毒是錯誤的。SARS-CoV-2更容易感染人群，但大多數(shù)感染并不會到達肺部，“一旦病毒抵達肺部，那么新冠病毒可能也是同樣的致命”。

新冠病毒抵達肺部之后會如何行事盡管不全為人所知，在某些方面也還是與呼吸道病毒相類似。與SARS-CoV和流感一樣，新冠病毒會影響和破壞肺泡，這是肺用來向血液運輸氧氣的小囊泡結構。隨著這些小囊泡和血管之間的細胞屏障被病毒破壞，來自血管的組織液會滲入其中，從而阻礙氧氣進入血液。包括白細胞在內(nèi)的其他細胞會進一步堵塞這個通氣道。部分患者體內(nèi)產(chǎn)生的強烈免疫反應會把這些清除干凈，但免疫系統(tǒng)的過度反應將會加劇組織的損傷。肖書淵教授介紹說，如果炎癥和組織損傷太嚴重，患者的肺部將再也不能復原，結果就是患者要么死亡，要么康復后肺部傷痕累累，“從病理學角度來看，我們沒見到太多的獨特性”。

與SARS-CoV、MERS-CoV和動物冠狀病毒一樣，這種損害不會止步于肺部。SARS-CoV-2感染可能會引發(fā)被稱為“細胞因子風暴”的過度免疫反應，這會導致多個器官衰竭和死亡。病毒還能感染腸道、心臟、血液、精子（MERS-CoV也可以）和眼睛，并且有可能還會感染大腦。廣州醫(yī)科大學廣州呼吸健康研究院因抗擊SARS和COVID-19而廣獲贊譽，而來自該研究院的肺科專家關偉杰副研究員表示，在COVID-19患者身上能觀察到腎臟、肝臟和脾臟的損傷，這說明病毒由血液攜帶，并能感染大量器官或組織。他還提到，哪里需要血液供給，病毒就可能感染到哪里。

盡管病毒的遺傳物質(zhì)出現(xiàn)在多種人體組織中，但最終造成傷害的到底是病毒還是細胞因子風暴，這一點依然不明確。溫特納醫(yī)生還提到：“我們中心正在進行尸體解剖，這將會獲取到更多的數(shù)據(jù)。”

不管是感染咽喉還是肺部，SARS-CoV-2都是利用自己的刺突蛋白突破宿主細胞的保護性細胞膜（見“致命入侵者”）。首先，蛋白質(zhì)的受體結合域會鎖定結合宿主細胞表面的一種名為ACE2的受體。ACE2在流經(jīng)全身各個臟器的動靜脈血管內(nèi)壁上均有表達，在肺泡和小腸內(nèi)壁細胞分布尤為密集。

盡管確切的分子機制目前仍屬未知，研究證據(jù)顯示在病毒攻擊了宿主細胞后，宿主細胞會在專門的“剪切位點”處剪開刺突蛋白，并暴露融合肽——這是一種氨基酸短鏈，可以幫助撬開宿主細胞膜，從而讓病毒細胞膜能夠與之融合。一旦入侵者的遺傳物質(zhì)進入到了宿主細胞，病毒就會強占宿主細胞的分子機器來制造新的病毒顆粒。在此之后，制造出來的病毒后代將離開宿主細胞并去感染其他的人或細胞。

高效位點強力破壁

SARS-CoV-2為了能強行進入細胞而有著專門的裝備。SARS-CoV和SARS-CoV-2都能與ACE2結合，但SARSCoV-2的受體結合域與ACE2結合度特別高，是SARS-CoV結合能力的10到20倍。溫特納說SARS-CoV-2能如此輕易地感染上呼吸道，以至于人們猜測可能存在第二種受體能夠讓病毒用來發(fā)動攻擊。

更麻煩的是，SARS-CoV-2似乎能夠利用宿主細胞的弗林蛋白酶來剪切自己的刺突蛋白。研究者表示，這讓人十分擔憂，因為弗林蛋白酶在呼吸道中分布量多，且遍布人體，其他讓人聞風喪膽的病毒（包括HIV、流感、登革熱和埃博拉）就曾利用弗林蛋白酶來攻入細胞內(nèi)部。相比之下，SARS-CoV利用的剪切酶就不是那么常見，剪切效率也沒有那么高。

科學家們認為病毒對弗林蛋白酶的利用能夠解釋為什么SARS-CoV-2能如此迅速地從一個細胞跳到另一個細胞、從一個人傳到另一個人，甚至可能從動物傳到人身上去。美國杜蘭大學的病毒學家羅伯特·加里（Robert Garry）推測，弗林蛋白酶的卷入讓SARS-CoV-2入侵深入肺部的機會比SARS-CoV高了100到1 000倍。“當我看到SARS-CoV-2有弗林蛋白酶酶切位點后，那個晚上我都無法安眠。”加里如是說。

這一特殊的酶切位點的遺傳指令到底來自何方，這仍舊是個謎。盡管這可能是病毒通過重組獲取到的，但這種特定的組合此前從未在任何一個物種所感染的任何一種冠狀病毒里被發(fā)現(xiàn)。鎖定其來源或許就是謎題里那個能找出“哪個動物是讓新冠病毒傳染到人類的墊腳石”的最后一片拼圖。

游戲尾聲

一些研究人員期望著，隨著時間推移，病毒為了停留在人體中而發(fā)生的一系列適應性突變能夠削弱病毒。按此邏輯，病毒會變得不那么致命，并具有更強的傳染性。但至今研究人員都未發(fā)現(xiàn)病毒被有所削弱的跡象，這大概是因為病毒高效的遺傳修復機制。“新冠病毒的基因組非常穩(wěn)定，我并未看出病毒突變可以引發(fā)任何致病性的改變。”中山大學醫(yī)學院院長、新冠病毒研究者郭德銀如是說道。

蘭伯特也懷疑病毒是否會隨著時間推移變得越來越溫和從而饒過它的宿主。“事實并非如此。”他說。只要還能成功感染、繁殖并傳給下一個宿主，那么病毒是否會傷害宿主就并不是那么重要。

但其他人認為還有可能有更好的出路，那就是人們能因此獲得抗體，這樣至少可以獲得部分保護，世界衛(wèi)生組織SARS研究與流行病學部門負責人克勞斯·斯托爾（Klaus St?hr）介紹說。他還提到，免疫力并非萬能，二次感染的患者依然會出現(xiàn)一些輕微癥狀，就是那種普通感冒常出現(xiàn)的癥狀，也會出現(xiàn)罕見的重癥病例。但是病毒的校對機制意味著病毒并不會很快突變，而被感染過的人將會保有由免疫反應所帶來的有力保護。

“最有可能出現(xiàn)的局面是，病毒將會在相對短暫的時間內(nèi)繼續(xù)傳播并感染世界絕大多數(shù)人口，”斯托爾意指會在1到2年內(nèi)發(fā)生，“這之后，病毒將可能會接近永遠地在人群中繼續(xù)傳播下去。”就像是另外四種溫和的人冠狀病毒一樣，SARSCoV-2會持續(xù)不斷地在人群中打轉，并主要引起輕度上呼吸道感染。出于這個原因，他補充道，疫苗并非必須之品。

之前的一些研究結果支持這一觀點。其中一個結果表明，當人接種了普通感冒冠狀病毒229E的疫苗后，他們體內(nèi)的抗體水平在兩周后到達峰值，而在一年之后，抗體水平也只是略微提高。注射疫苗并不能在一年之后讓人免受感染，但如果后來被接種人再被感染，那么幾乎不會再有什么癥狀，并且病毒脫殼期也會更短。

OC43冠狀病毒為研判此次全球性大流行病的未來發(fā)展趨勢提供了一個模型。OC43也會引起人類普通感冒，但比利時魯汶大學的遺傳學研究提出，OC43也許在過去曾是致命殺手。研究表明，OC43在1890年前后從牛傳給了人，而此前則是從小鼠傳給了牛。科學家們提出OC43是1889至1890年間造成逾百萬人喪命的全球大流行病的罪魁禍首，而在此前這一大暴發(fā)一直被歸咎于流感。今天，OC43仍舊在人群中廣泛傳播，可能正是人群對OC43病毒的持續(xù)暴露讓絕大多數(shù)人對它具有了免疫力。

就算是這一過程能讓OC43變得不那么致命，相似的事情是否會發(fā)生在SARS-CoV-2上，這在現(xiàn)在還并不確定。一項在猴子身上進行的研究表明，猴子會在感染后保留SARS-CoV-2的抗體，但是研究人員僅僅只報道了感染后首個28天內(nèi)的情況，所以這一免疫力能持續(xù)多久并不明確。抗SARS-CoV-2的抗體濃度也會在感染后的2到3年內(nèi)顯著下降。這些降低濃度后的抗體是否足以預防感染或降低感染嚴重程度，這一點也還未得到驗證。貓、牛、狗以及雞似乎并不能對能感染它們且有時致命的冠狀病毒產(chǎn)生免疫力，這讓獸醫(yī)們在這么多年里一直在艱難地尋找著有效的疫苗。先不提人是否能長期保有對SARSCoV-2的免疫力這些問題，一些國家正在推行給新冠康復者發(fā)放“免疫護照”這一想法，以讓這些幸存者能夠“既不懼會傳染他人，亦不怕再被他人傳染”地走出家門。

許多科學家現(xiàn)在仍對被“馴服”后的冠狀病毒是否曾像SARS-CoV-2一樣具有殺傷力持保留意見。人們更傾向于認為“其他冠狀病毒曾經(jīng)毒性很強，如今已經(jīng)都變得很溫和了”。珀爾曼稱，這是對當下形勢的一種樂觀看法，但我們并沒有任何證據(jù)的支持。

資料來源 Nature