抗擊新型冠狀病毒的潛在“分子武器”

徐西佔 Email: [email protected]

2020年的中國春節，因為新型冠狀病毒疫情的暴發，註定是不平凡的一年。進入21世紀以來，新發傳染性疾病，特別是以冠狀病毒為代表的高致病性疫情，頻頻襲擾人類社會。從2002年發生在廣東省的嚴重呼吸綜合徵（SARS），到2012年起源於沙特的中東呼吸綜合徵（MERS），再到如今武漢的新型肺炎（2019-nCoV），冠狀病毒的每次出場都會給所在國家造成巨大的經濟損失，並引起社會恐慌。面對尚無“特效藥”的新型冠狀病毒，當中國的科學家在體外試驗中發現雙黃連可以抑制病毒複製時，“雙黃連口服液一夜脫銷”的新聞刷爆朋友圈，可見民眾對治療新型冠狀病毒感染藥物的急切渴求。但雙黃連在臨床上對新型肺炎患者真的管用嗎？“體外試驗”只是臨床前研究的一小步，是否有效還需要人體臨床試驗。基於此，本文將從冠狀病毒的病原學、生活週期以及抗病毒藥物等方面討論目前科學家手中掌握的最可能對新型冠狀病毒有效的“分子武器”。

1. 知己知彼——病原學

冠狀病毒（CoV）屬於套式病毒目（Nidovirales）、冠狀病毒科（Coronaviridae）、冠狀病毒屬（Coronavirus），是具有囊膜的單股正鏈RNA病毒，可引起呼吸道、腸道、肝臟以及神經症狀。CoV可進一步分為α、β、γ、δ四個屬，其中α、β屬主要感染哺乳動物，除人類外，它還可以感染豬、牛、馬、駱駝、貂等家畜，貓、犬等寵物，以及蝙蝠、老鼠、刺蝟等野生動物；γ、δ屬感染禽類，包括雞、鴨、鵝、鴿子等。除了目前引起重大公共衛生事件的SARS、MERS以及近期流行的新型冠狀病毒2019-nCoV外（均是β屬），目前發現的能夠感染人的還有α屬229E、NL63，以及β屬HKU1、OC43等，但僅引起輕微呼吸道症狀，致病性較低。

冠狀病毒是目前已知的擁有最大基因組的RNA病毒，約有30kb，5’端有甲基化的帽子結構，3’端具有poly(A)尾，從而使其可以作為mRNA進行復制酶多聚體蛋白（pp1a和pp1ab）的翻譯。編碼非結構蛋白的複製酶基因佔基因組的2/3，約20kb，而結構蛋白和輔助蛋白僅佔1/3。基因組的5’末端包含一個前導序列和一個包含多個莖環結構的非翻譯區（UTR），為RNA複製和轉錄所必需。此外，每個結構蛋白或輔助蛋白基因的頭部是這些基因表達所必需的轉錄調控序列（TRS）。3’UTR還包含病毒複製和合成病毒RNA所必需的RNA結構。冠狀病毒基因組的組成是5’-leader-UTR-replicase-S（Spike）-E（Envelope）-M（Membrane）-N（Nucleocapsid）-3’UTR-poly(A)尾，其輔助基因散佈在結構基因中，位於基因組3’端（

圖1 冠狀病毒基因組構成和病毒粒子結構

冠狀病毒粒子呈球形，直徑約125 nm，突出特徵是顆粒表面有許多規則排列的突起，因外觀像“皇冠”而得名“冠狀病毒”。病毒的囊膜內具有螺旋對稱的核衣殼，這在正鏈RNA病毒並不常見，但在負鏈RNA病毒更常見。冠狀病毒顆粒包含4個主要結構蛋白，分別是刺突蛋白（S），膜蛋白（M），囊膜蛋白（E）和核衣殼蛋白（N）。S蛋白利用其氨基端的信號肽被引導至內質網上，並被高度N-糖基化，其三聚體形成了病毒表面獨特的刺突結構。三聚體S糖蛋白是I類融合蛋白，並介導與受體血管緊張素轉化酶（ACE2）結合。S蛋白能被宿主的弗林蛋白酶（furin）切割成多肽片段S1和S2，其中S1是受體結合域，S2充當刺突分子的莖。M蛋白是病毒體中最豐富的結構蛋白，具有3個跨膜結構域，塑造了病毒體的形狀。M蛋白在病毒體中以二聚體形式存在，並可能採用兩種不同的構象，從而使其能夠促進膜彎曲並與核衣殼結合。E蛋白在病毒粒子中含量較少，可以促進病毒的組裝和釋放，並具有離子通道活性。但與其他結構蛋白相反，缺少E蛋白的重組病毒仍然能夠在細胞內複製。N蛋白是組成核衣殼的唯一蛋白，由N末端和C末端兩個結構域組成，在體外都能結合RNA。

冠狀病毒的非結構蛋白是其生命週期中高度保守的成分，可以介導病毒複製，包括3C樣蛋白酶（3CLpro），類木瓜蛋白酶（PLpro）和RNA依賴性RNA聚合酶（RdRp）。冠狀病毒RdRp被用作複製病毒RNA基因組，併產生病毒RNA轉錄本。參與冠狀病毒生命週期的另一個必不可少的組分是通過3CLpro和PLpro這兩種病毒蛋白酶將病毒多聚體蛋白水解為功能性非結構蛋白，pp1a和pp1ab分別形成非結構蛋白nsp1-11和nsp1-16。PLpro（由nsp3編碼）負責切割nsp1/2，nsp2/3和nsp3/4邊界，而Mpro（由nsp5編碼）負責其餘11個切割事件。

2. 冠狀病毒的生活週期

刺突糖蛋白（S）的S1亞基上的受體結合域與宿主受體之間的結合觸發S的S2亞基中的構象變化，導致病毒囊膜和細胞膜融合（圖2）。冠狀病毒可通過內吞途徑和非內吞途徑進入宿主細胞。低pH條件和依賴pH的組織蛋白酶（cathepsin）可促進病毒的內吞。S蛋白可被其他宿主蛋白酶激活並裂解成S1和S2亞基，例如跨膜蛋白酶絲氨酸2（TMPRSS2）和跨膜蛋白酶絲氨酸11D（TMPRSS11D），它們促使細胞表面非內吞途徑的病毒進入細胞膜。隨後，冠狀病毒在細胞內分解，將核衣殼和病毒RNA釋放到細胞質中，將ORF1a/b翻譯成複製酶多聚體蛋白1a（pp1a）和pp1ab。pp1a和pp1ab被PLpro和3CLpro裂解，產生非結構蛋白，包括RdRp和解旋酶，參與轉錄和病毒複製。裂解pp1a和pp1ab產生的非結構蛋白可形成複製-轉錄複合體。病毒全長正鏈基因組RNA轉錄形成全長負鏈模板，用於合成新的基因組RNA和重疊的亞基因組負鏈模板，然後由合成的亞基因組mRNA進行翻譯以產生結構蛋白和輔助蛋白。由核衣殼蛋白和基因組RNA組裝而成的螺旋核衣殼與其他結構蛋白相互作用，形成組裝的病毒體，然後通過胞吐作用釋放到細胞外。

圖2 冠狀病毒的生活週期

3. 抗冠狀病毒藥物

目前研發抗病毒藥物的策略，可以分為兩類：靶向病毒關鍵蛋白成分以及靶向病毒複製必需的宿主因子。下表彙總了先前研究的具有潛在抑制新型冠狀病毒的藥物。

令人興奮的是，近日瑞德西韋和洛匹那韋/利托那韋等藥物已有成功的臨床應用案例，成功治癒了新型肺炎患者。目前臨床上正在開展隨機對照試驗，以便進一步大規模驗證藥物的療效。此外，靶向新型冠狀病毒刺突蛋白的治療性單克隆抗體、疫苗等正在加緊研發，以便其能早日應用於臨床。期待治療新型冠狀病毒肺炎的“特效藥”早日造福患者。加油，中國！

參考文獻

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