新型冠状病毒肺炎基础与临床

**部分 基础篇 **章 新型冠状病毒病毒学特征 一、摘要 2019年12月，在中国武汉发现一种不明原因肺炎，临床表现为发热、干咳、乏力、咳痰、呼吸困难、肌肉及关节疼痛等，并可进一步发展为急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distressSyndrome，ARDS）及多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunctionSyndrome，MODS）。2020年1月中国科学家确定引起该疾病的病原微生物为一种新型冠状病毒，根据病毒进化关系，该新型冠状病毒与严重急性呼吸综合征冠状病毒（severe acute respiratorySyndrome coronavirus，SARS-CoV）高度同源，国际病毒分类委员会（The International Committee on Taxonomy of Virues，ICTV）将其命名为SARS-CoV-2（severe acute respiratorySyndrome coronavirus 2），世界卫生组织（WHO）将其所引起的疾病称为 COVID-19（coronavirus disease 2019）。本章将对SARS-CoV-2的一般特点、基因组结构及重要病毒蛋白的功能、病毒生命周期及其传播特点进行介绍，系统阐述SARS-CoV-2的病毒学特征。 二、SARS-CoV-2的一般特点 冠状病毒是一类广泛存在于人类、部分哺乳动物及鸟类等宿主的病毒类型，可以诱发呼吸系统、消化道及神经系统等器官系统疾病，包括α、β、γ、δ四个属（genera）。此前已经发现，有六种冠状病毒类型能感染人类细胞并引起相应疾病，它们分别为α属的 HCoV-NL63及 HCoV-229E，以及β属的HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV及中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）。其中HCoV-NL63、HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-HKU1四种病毒株可感染免疫功能低下的人群，并引起典型的普通感冒症状，如发热、流涕、头痛等，而SARS-CoV及 MERS-CoV为人畜共患病毒类型，均可以引起致命性疾病。 迄今为止，SARS-CoV-2是第七种被发现能感染人类细胞的冠状病毒，属于人畜共患病毒类型。SARS-CoV-2是一种β类单股正链 RNA的SARS相关冠状病毒（SARSr-CoV），与蝙蝠 RaTG13SARS相关冠状病毒株的基因序列有高达96%以上的同源性，与SARS-CoV病毒株的基因序列有高达79%的同源性。至今，SARS-CoV-2的自然宿主及中间宿主仍不清楚。如图1-1所示，SARS-CoV-2是由病毒包膜及螺旋形核衣壳组成的球形颗粒结构，直径为60～140nm。病毒包膜主要由基质糖蛋白（matrix glycoprotein，M）、包膜蛋白（envelope protein，E）及棘突蛋白（spike protein，S）组成。其中，M蛋白是*丰富的结构蛋白，与E蛋白相互作用形成病毒包膜，对维持病毒的整体结构及生命活动作用重大；S蛋白是一个三聚体棘突蛋白，不仅能结合宿主细胞的受体，还可以介导病毒与宿主细胞膜的融合，在病毒入胞过程中发挥重要作用。病毒核衣壳是由螺旋形核衣壳蛋白（nucleocapsid protein，N）与单股正链RNA缠绕结合而成的结构，参与病毒遗传基因组的复制过程。 图1-1 SARS-CoV-2的病毒结构 三、SARS-CoV-2的生命周期 研究表明，血管紧张素转化酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）为SARS-CoV-2的受体，介导病毒感染宿主细胞过程。SARS-CoV-2能与人、蝙蝠、猫及猪ACE2结合，但不能与小鼠ACE2结合。ACE2在人体支气管、肺、心脏、肾脏、肠道及睾丸等器官均有表达，高表达于多种细胞类型，如呼吸道上皮细胞、Ⅱ型肺泡上皮细胞、肠道上皮细胞、血管内皮细胞等。因此，SARS-CoV-2可以感染多种类型细胞并造成多器官功能损伤。 SARS-CoV-2的生命周期主要包括入胞、复制、组装及释放四个步骤（图1-2），具体过程如下。 1）入胞： SARS-CoV通过与细胞膜表面受体——ACE2分子结合，以内吞的方式感染宿主细胞。鉴于SARS-CoV与SARS-CoV-2具有高度同源性，研究表明，ACE2亦是介导SARS-CoV-2进入宿主细胞的膜受体。一方面，SARS-CoV-2的棘突蛋白（S）可以识别并结合宿主细胞膜表面的 ACE2受体，通过内吞的方式感染宿主细胞；另一方面，SARS-CoV-2的S蛋白，可以被宿主细胞膜表面的跨膜丝氨酸蛋白酶2(transmembrane proteaseSerinesSubtype 2，TMPRSS2）酶切，酶切后的S蛋白使病毒与宿主细胞实现膜融合，进而促进SARS-CoV-2进入宿主细胞。TMPRSS2对S蛋白的酶切效应是SARS-CoV-2具有高度感染性的原因之一。 2）复制： SARS-CoV-2进入宿主细胞后，病毒核酸释放进入细胞质。一方面，启动以病毒 RNA为模板的蛋白质翻译过程，合成非结构性多聚蛋白，并进一步酶解生成多种非结构性功能蛋白，包括在病毒复制中发挥重要作用的 RNA依赖性RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRp）及多种蛋白酶；另一方面，在RdRp等多种非结构蛋白的作用下，以病毒 RNA为模板复制大量的病毒 RNA基因组。与此同时，病毒RNA可以进入宿主细胞内质网中，进一步合成结构蛋白，包括S蛋白、N蛋白、M蛋白及E蛋白。 3）组装：宿主细胞中病毒基因组RNA与病毒结构蛋白重新组装成核衣壳及包膜结构，在细胞质中形成完整的病毒颗粒。 4）释放：在宿主细胞质中，含有完整的病毒颗粒的囊泡形成后被转运至细胞膜内侧，并与膜融合，以胞吐的方式释放病毒颗粒，完成其生命周期。 图1-2 SARS-CoV-2的生命周期 SARS-CoV-2在TMPRSS2的辅助下，通过结合ACE2受体及与宿主细胞膜融合，经历病毒入胞、复制、组装及释放过程，完成生命周期 四、SARS-CoV-2的基因组结构及重要病毒蛋白的功能 如图1-3所示，SARS-CoV-2的RNA基因组由大约3万个碱基对组成，负责编码非结构蛋白及结构蛋白。非结构蛋白的基因序列位于病毒基因组5'端的开放读码框1（open reading frame 1，ORF1），其分为ORF1a及ORF1b两个部分。ORF1a参与正常的翻译过程，而ORF1b遵循核糖体移码（ribosomal frameshift）的翻译方式。ORF1a及ORF1b共同编码多聚蛋白（polyprotein），在蛋白酶的作用下，多聚蛋白可分解为大小不同的16种蛋白分子，包括半胱氨酸蛋白酶、 RdRp等非结构蛋白，在病毒复制、组装、蛋白翻译后修饰及调控等过程中发挥重要作用。编码结构蛋白的基因序列位于病毒基因组的3'端，负责翻译合成包膜蛋白（E）、膜基质糖蛋白（M）、核衣壳蛋白（N）及棘突蛋白（S）四种重要病毒蛋白，在维持病毒结构稳定及介导病毒入胞等过程中具有重要作用。病毒基因组易发生基因突变，常见于ORF1及N蛋白区域，与病毒功能演变关系密切。 图1-3 SARS-CoV-2的基因结构 通过比较基因组研究发现，SARS-CoV-2的基因组具有两个重要特征（图1-4）。**，病毒S蛋白中的受体结合域（receptor binding domain，RBD）的基因序列是SARS-CoV-2基因组中核酸序列变异*大的区域，其中有6个氨基酸被认为是与ACE2受体结合的蛋白位点，同时也决定了SARS-CoV-2所能感染的物种类型。在SARS-CoV病毒序列中，这6个氨基酸分别为Y442、L472、N479、D480、T487及Y491，而在SARS-CoV-2中，对应的这6个氨基酸分别为L455、F486、Q493、S494、N501及Y505。通过进行结构生物学及生物化学实验发现，相对于SARS-CoV，SARS-CoV-2的S蛋白RBD与ACE2具有更强的结合能力，这在某种程度上解释了SARS-CoV-2具有更强的传染性。第二，SARS-CoV-2的S蛋白包含两个亚基：S1和S2。S1亚基负责与受体结合，而S2亚基负责与宿主细胞膜融合，共同介导病毒入胞感染过程。另外，在S1与S2之间存在一个由“PRRA”氨基酸序列组成的多元剪切位点（polybasic cleavageSite），可以被Furin蛋白酶酶切。当SARS-CoV-2的S蛋白与宿主细胞膜ACE2结合后，宿主细胞膜上的TMPRSS2识别该多元剪切位点，并将S蛋白剪接为S1与S2两个亚基，剪接后的S2亚基能促进病毒与宿主细胞膜的融合，极大增强了SARS-CoV-2感染宿主细胞的能力。类似的由S蛋白中多元剪切位点引起感染性增强的现象亦可见于 MERS-CoV及流感病毒。然而，在SARS-CoV及其他SARSr-CoV的S蛋白序列中，尚未发现“PRRA”多元剪切位点的插入，这可能是SARS-CoV-2较其他SARSr-CoV具有更强传染性的原因之一。