新型冠狀病毒如何入侵細胞及應對方法
2019年年末，一場大規(guī)模的“瘟疫”從中國中部省份湖北武漢市爆發(fā)，這場由2019-nCoV引起的病毒性感染在短短一個多月內席卷神州大地，在交通日益發(fā)達的條件下，世界其他國家也紛紛“淪陷”。由于病毒可以很容易地通過飛沫進入呼吸道，使得其傳播極為迅速，截止2020年2月7日17:30，中國已經有31252人確診，26395人疑似，死亡637人，治愈1628人；海外確診267人，死亡1人。冷冰冰的統計數字之下，是一條條鮮活的生命，破碎的家庭。該疾病會造成發(fā)熱，呼吸困難，肝腎功能受損，嚴重咳嗽甚至肺炎，情況嚴重將會造成休克甚至死亡，目前的死亡率為2%。但因為疫情還沒有結束，在沒有開發(fā)出有效療法或藥物之前，不排除死亡率會有上升的可能。
那么，造成這場災難的元兇病毒究竟是何方妖孽。按照生物學對生命的定義，病毒介于生命和非生命之間，只有在宿主（細胞生命體）體內才有生命活動，離開宿主則完全看不到“活物”的特征。病毒的起源眾說紛紜，因為沒有可以長久保持在地殼中的結構，病毒至今并沒有可供研究起源的化石存在。主流的說法是病毒自生命之初便存在。病毒的大小不一，大的有長達1μm肆虐非洲的埃博拉病毒，也有只有20μm大小的犬類細小病毒（很多幼年寵物狗都死于該病毒，現在也是寵物狗必注射的疫苗之一），冠狀病毒的大小只能說是位居中游。病毒的遺傳物質可以是RNA也可以是DNA，可以是雙鏈也可以是單鏈，可以是球形也可以是桿狀。感染人類的冠狀病毒外觀與SARS十分接近。
按照分類，冠狀病毒屬于脊椎動物的單正鏈RNA病毒下的套式病毒目（Nidovirales）冠狀病毒科（Coronaviridae）。脊椎動物四個字說明該病毒是以脊椎動物為宿主，單正鏈代表其遺傳物質只有一條RNA鏈，且該RNA可以直接利用細胞內部體系合成自身蛋白。套式病毒目下有四個科，冠狀病毒科是其中之一；冠狀病毒科中的冠狀病毒亞科中就有臭名昭著的引起SARS（Severe Acute Respiratory Syndrome，嚴重急性呼吸道綜合癥）和MERS（Middle East Respiratory Syndrome，中東呼吸綜合征）的元兇。這兩種病毒又同在這個冠狀病毒亞科內的β屬。
武漢病毒爆發(fā)之后能夠感染人的冠狀病毒增加到了7種，這次的2019-nCoV病毒和SARS的親緣關系更近，算是給SARS-CoV找了個親兄弟。7種病毒中的4種基本已經能與人類和平地相處，只是在免疫力降低時偶爾興風作浪，產生一些常見的感冒癥狀。不過由于這些病毒已經被人類的免疫系統記錄在案，因此很容易被免疫細胞和抗體及時體捕獲消滅，無法有更大的作為。而造成SARS和MERS這兩種疾病的病毒在疫情爆發(fā)之初，免疫系統與它們倆素未謀面，只能按程序走完免疫程序的所有流程，但在這種沒有準備的情況下，部分人的免疫系統要么反應太慢，要么反應過激攻擊自身細胞，造成死亡。因此人類在2002年和2012年被打了個措手不及。在確診的病例中，SARS全球確診了8000多人，MERS確診了2000多人，死亡率分別為9.6%和35%。
這七種病毒的自然宿主有5種是蝙蝠，兩種為野生嚙齒類動物。對人類有重大威脅的三種烈性病毒（SARS-CoV，MERS-CoV和2019-nCoV）目前主流認為都是來自蝙蝠體內。SARS-CoV的中間宿主暫時鎖定在果子貍，而MERS-CoV則是駱駝。那么為什么病毒不能直接從蝙蝠傳染到人呢，這主要是因為一來蝙蝠大多生存在與人類活動相距甚遠的區(qū)域，需要有其他與人類有密切接觸的動物代為傳遞；二來則是病毒也需要在別的物種中發(fā)生重組，才更有可能感染人類。目前2019-nCoV的中間宿主還沒有確定，所以才有了因為直接食用野生動物而致病的說法。（目前中間宿主初步懷疑是穿山甲）
既然是冠狀病毒，這個冠狀的意思就是長得像王冠或者皇冠，不過這種式樣的冠在中國傳統是沒有的。這里的冠狀指的是西方的王冠，就是將病毒拍扁了在電鏡下的樣子。其中最明顯的特征就是和王冠邊緣一樣的突起，這些玩意兒就是一種叫做棘突（Spike）的糖蛋白，功能就像鑰匙一樣與細胞膜上的鎖（膜受體）結合，打開進入細胞內部的大門，該結構由病毒基因組上的S（取Spike的首字母）基因合成；棘突連接在脂質膜上，這些脂質膜可以與細胞膜融合，方便其進入細胞，同時也起到一定的保護病毒的作用；再往下一層就是病毒的包膜（Envelope），與脂質膜不同，這層結構是蛋白組成的，也起到保護病毒的作用，為什么酒精能起到殺滅新冠狀病毒的作用呢，就是因為75%酒精能使這層包膜的蛋白質發(fā)生變性，從而將病毒破壞。再往內部就是RNA以及和RNA結合維持其穩(wěn)定的核蛋白了，這是病毒的核心。除了脂質膜可以利用細胞現成的 以外，其他的結構都需在細胞內合成，指導這些蛋白合成的RNA都在冠狀病毒的這條RNA鏈上。圖中pp1a和pp2a編碼16個左右復制相關的酶，這兩個開放閱讀框的長度占到了約整個病毒RNA的2/3，其他的結構性蛋白大約占1/3。
通過對早期患者的支氣管肺泡灌取液中病原物進行測序，人們已經清楚了該病毒RNA序列。通過比對分析發(fā)現該2019-nCoV的基因序列與中國菊頭蝠體內的冠狀病毒BatSL-CoV和2002年席卷華夏的SARS-CoV高度一致。三者病毒的RNA長度都是接近30kb的核苷酸。
從編碼蛋白的RNA開放閱讀框(ORF)順序來看，復制酶編碼序列，、棘突編碼序列，、脂質膜編碼序列，、E，、M以及后面三個閱讀框的排列順序是一致的，即都是按照PP1A-PP1B-S-3A-3B-E-M-6-7A-7B的順序排列；7B之后的ORF順序則是新冠狀病毒與BatSL-CoV更接近。總之，目前發(fā)現2019-nCoV與蝙蝠的一種冠狀病毒基因組的相似性達到了96.2%，而與SARS病毒的相似性為79.5%，即便如此，SARS病毒也是能感染人的病毒中和2019-nCoV親緣關系最近的了。
除了對基因組整體進行比對，科學家們也將重要的開放閱讀框進行了單個比對，發(fā)現新冠狀病毒的棘突蛋白與SARS存在較大差異。而最新的研究表明這次的新冠狀病毒很可能是通過其棘突蛋白與細胞表面受體ACE2結合而進入支氣管上皮細胞和肺泡細胞的。根據對SARS病毒的研究，冠狀病毒的棘突主要由S1和S2兩個亞基構成，其中S1壓機亞基負責與ACE2結合，而S2亞基則負責介導將病毒內吞進細胞。
病毒之所以難纏，關鍵就在于它們的進化極快，尤其是以單鏈RNA為遺傳物質的病毒，由于沒有DNA雙螺旋的穩(wěn)定性，其變異頻率極高，。變異雖然大多有害，但是對于病毒這種復制速度極快的物種而言，只要有一種變異能夠往適應環(huán)境的方向發(fā)展，那么這個變異的病毒就會迅速擴張壯大，令人防不勝防。
人類冠狀病毒感染細胞分為7個步驟：（1）首先需要能和細胞接上頭，這就要細胞表面的某個蛋白正好能和病毒表面的棘突結構相匹配，一旦匹配上，細胞便會用“保潔員”溶酶體將其“請進家門”；（2）接下來溶酶體便會按程序將其外部的脂膜和蛋白包膜溶解；（3）怎知這樣正中病毒下懷，病毒正好借此將RNA釋放進入細胞內，順便利用細胞內部的翻譯系統直接將自己的部分RNA轉錄成自己后續(xù)所需的酶；（4）在進行上一步的同時，病毒RNA也會不斷利用細胞復制自己；（5）復制出來的病毒RNA會利用在第三步合成的酶在細胞的內質網上對自己的外部蛋白結構進行翻譯；（6）經過上述一系列的操作，大量病毒的零件已經就位，于是組裝成完整的病毒成品；（7）最后成品病毒所在的內質網與細胞膜的融合，把細胞內的病毒釋放出去。釋放的病毒再對其他細胞如法炮制。
目前關于2019-nCoV的感染機理研究才剛剛起步，不過由于其與其他冠狀病毒結構上的類似性，其入侵過程應該與其他致病性人類冠狀病毒相似。人們可以設計藥物對這七個步驟進行干預，不論在哪一步阻斷住病毒的進程，疾病便會得到控制�，F行的抗病毒方法主要分為三類：血清/抗體療法，疫苗療法，化學藥物療法。
理論上說，目前有很多的痊愈患者，其自身在對抗病毒的過程中就產生了專殺2019-nCoV的抗體。那么是不是只要從他們血液中提取就行了呢？答案是否定的，血清成分復雜，危險性都很高，這是由于人產生的抗體是與自身的免疫系統相匹配的。如果強行用在其他人身上會引起排異反應造成危險；二來人類不是生物反應器，人類身體本身這種抗體存貨就不多，抗體在應對過病毒后會減少，再加上提取過程中的損耗，完全不夠使用；而單抗制作周期長，費用高昂，大面積用于現有病患不現實。
疫苗自不用說，天花就被我們用疫苗給干掉了，但一些善變的單鏈RNA病毒卻沒那么好對付，疫苗擅長應對相對“穩(wěn)重”的DNA病毒，天花病毒就是這種太過“穩(wěn)重”的DNA雙鏈結構，難以快速發(fā)生變異而被人類消滅了。因為疫苗的原理就是注射抗原模擬病毒刺激體內免疫反應，一種疫苗只能模擬有同樣抗原決定簇的病毒，如果因為突變導致這個結構不斷變化，那么通過以前接種的疫苗產生的抗體或者記憶細胞將毫無用處。而且新疫苗開發(fā)周期長，無法應對目前的疫情。
所以，目前無論從時間還是現有的研究進度看，最有希望的就是藥物療法了。現在已經有了兩種由吉利德公司開發(fā)的瑞德昔韋和氯喹，其中瑞德昔韋就是一種腺苷類似物，能夠在病毒RNA復制的過程中整合到新鏈中導致RNA復制終止，抑制病毒增殖，有點類似于傳統雙脫氧末端終止法測序中用的雙脫氧核苷酸，只不過瑞德昔韋針對的是RNA，而雙脫氧核苷酸針對的是DNA。而氯喹則是一種已經廣泛用于抗瘧疾和自身免疫病的藥物，已有體外實驗表明氯喹主要在病毒進入細胞的過程中起阻礙作用。現在上述藥物已經被特批進行臨床實驗，被寄予厚望。此外，武漢病毒所石正麗教授實驗室還開發(fā)了一種廣譜抗病毒肽段EK1，能夠抑制包括SARS病毒和MERS病毒在內的5種冠狀病毒進入細胞，而且實驗是在人源化受體的小鼠中進行的，所以EK1也是潛在的藥物。
針對藥物開發(fā)，最好是藥物能特異性識別病毒特有的結構，而對健康宿主細胞中的正常蛋白不要產生影響。但是在不影響大局的情況下，也可以對“自己人”下手，用藥物削弱與病毒勾勾搭搭的自身蛋白，達到抑制病毒擴增的目的。目前已知的冠狀病毒在入侵的7個步驟中都有相應的細胞作為內應為其服務，上面的表格就總結了武漢新冠狀病毒爆發(fā)前所有能感染人的冠狀病毒入侵宿主是宿主內的“內奸”蛋白，其中紅框標注的是和強致病病毒相關的宿主蛋白。
在這些宿主蛋白中，與新冠狀病毒相關的受體ACE2同時也是SARS病毒的受體，DPP4則介導MERS的侵入；Cathepsin L、Furin和TMPRSS11D負責切割S蛋白，幫助病毒進入細胞膜；GSK3在復制過程中對核蛋白磷酸化并協助病毒復制，hnRNPA1也在病毒RNA的合成過程中發(fā)揮作用；NL-GE對翻譯好的病毒棘突蛋白和膜蛋白進行糖基化修飾；ER分子伴侶負責棘突蛋白的正確折疊。上述過程中的宿主蛋白可能是新冠狀病毒藥物研究的靶點。不過，在新冠狀病毒的入侵機理弄清楚之前，其靶點只能參考親緣關系較近的SARS病毒，不能完全生搬硬套SARS病毒的通路，而且這些蛋白本來也是人類正常生命活動所需，因而對于其感染的基礎研究也是迫在眉睫。
自然界大多數病毒都是相當專一的，一般只特異性地感染少數物種，同時很多病毒也不會導致宿主發(fā)生生命危險，但是如果不同物種間接有頻繁接觸，就有可能導致宿主之間的病毒遺傳物質發(fā)生交換，產生對新宿主的適應性或者更加劇烈的感染性，對新的宿主產生不可預料的影響。
從這次災難中，我們不但應當吸取教訓，在沒有安全保障的情況下遠離野生動物，減少未知病毒入侵人體的可能。也應該加大醫(yī)藥研究投入，尤其是基礎研究的投入，隨時為奮戰(zhàn)在一線的醫(yī)療人員提供有力的武器和充足的后勤技術保障。目前除了被動應對已經爆發(fā)的病毒疫情，我們也應該著眼于將來對病毒的預防。
現在隨著深度學習和人工智能的快速發(fā)展，如果能夠利用這些技術手段，加上現有研究積累的大量病毒基因組數據以及突變數據，對病毒序列加以分析，對病毒變異有可能產生的宿主遷移進行概率預測，并對其棘突蛋白等關鍵結構的三維構象進行精準構建，提前進行藥物設計，那么就會使我們面對病毒時更加主動，料敵于先，把病毒對人類造成的傷害降到最低，甚至將病毒疫情的爆發(fā)扼殺在搖籃之中。
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