2019新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)

的結構和致病機制概述摘要2019年末出現的2019新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)與人血管緊張素轉換酶2(ACE2)結合的高親和力，促成它在世界范圍的廣泛傳播，并造成了新型冠狀病毒病(COVID-19)疫情的全球大流行,對人類的健康衛生和經濟活動產生了巨大的負面影響！本文從SARS-CoV-2的結構、與ACE2的結合特點及對部分器官的影響三個方面概述其致病機制！關鍵詞SARS-CoV-2人血管緊張素轉換酶2致病機制COVID-192019年末至今，以肺炎為主要癥狀的新型冠狀病毒病(COVID-19)疫情在全球廣泛流行，對人類的健康衛生以及社會與經濟活動產生了巨大的負面影響，引起了全世界的嚴重關注。中國科學家率先對新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)進行分離和測序，并在第一時間向世界公布了其全基因組序列。根據血清學與基因組特點，冠狀病毒分為a、"、#和$四個屬。已發現的七種感染人類的冠狀病毒分別為a屬的HCoV-229E和HCoV-NL63,"屬的HCoV-OC43、CoV-HKU1、SARS-CoV、MERS-CoV與SARS-CoV-2?其中，SARS-CoV、MERS-CoV與SARS-CoV-2都會導致嚴重的呼吸系統疾病，而其余四種冠狀病毒僅引起與普通感冒相似的癥狀E!SARS-CoV-2的結構SARS-CoV-2的基本結構SARS-CoV-2是一種有包膜的單鏈RNA病毒，其特征是病毒表面有棍棒狀突起的刺突蛋白即S蛋白(spikeglycoprotein)和異常大的RNA基因組。SARS-CoV-2基因組編碼四種主要的結構蛋白：S蛋白、E蛋白(envelopeprotein)#M蛋白(matrixprotein)以及N蛋白(nucleocapsidprotein)。SARS-CoV-2表面的S蛋白介導病毒與宿主細胞膜受體的結合和融合。進入宿主細胞后，病毒隨即釋放基因組RNA、進行RNA復制及蛋白質翻譯,并通過內質網和高爾基體的加工完成子代病毒的裝配，最后將其釋放至胞外。與受體結合后,S蛋白在第一個蛋白水解位點(S1/S2)被分解為S1、S2兩個亞基。S1亞基的N端結構域(N-terminaldomain,NTD)與C端結構域(C-terminaldomain,CTD)均能作為受體結合域(receptor-bindingdomain,RBD)，介導病毒與受體的結合。Wang等⑵通過免疫染色和流式細胞術確定了CTD是SARS-CoV-2識別受體的關鍵區域，而SARS-CoV與MERS-CoV同樣利用CTD識別受體。S2亞基主要包含兩個串聯結構域［七肽重復序列1(heptadrepeats1,HR1)和七肽重復序列2(heptadrepeats2,HR2)］以及第二個蛋白水解位點(S2')。與受體結合后，S2&位點進一步分解，并通過HR1與HR2激活病毒包膜與宿主細胞膜的融合［31,SARS-CoV-2也就得以通過受體介導的內吞途徑進入宿主細胞。內吞后的病毒最初形成早期內體，然后成熟為晚期內體,最終進入溶酶體被降解并釋放基因組RNA［41o基因組RNA中最先表達的是pplab與ppla這兩個多聚蛋白前體，其中pplab蛋白由ORFlab編碼、ppla蛋白由ORFla編碼，它們在蛋白酶的作用下被切割成多個非結構蛋白。亞基因組RNA合成后則編碼輔助蛋白和結構蛋白。除S蛋白外的其余3種結構蛋白與基因組RNA在內質網中進行裝配，然后經過高爾基體的加工獲得包膜并插入S蛋白，完成裝配后，子代病毒通過囊泡釋放回。SARS-CoV-2的特殊結構同屬"屬譜系B的SARS-CoV-2與SARS-CoV的S蛋白都存在Sl/S2位點，但SARS-CoV-2在Sl/S2位點插入了l2個氨基酸序列，形成了多堿性(類似呋喃蛋白)的切割位點［61o對SARS-CoV的實驗表明，在Sl/S2交界處插入一個呋喃蛋白切割位點可以促進膜融合。譜系B的其他冠狀病毒中沒有發現類似的位點，但在不同譜系的MERS-CoV等冠狀病毒中發現了類似位點的存在［71o研究發現，多堿性切割位點可以通過進化產生。例如：Yamada等觀察到雞傳染性支氣管炎病毒突變產生第二個呋喃蛋白切割位點；禽流感病毒在高密度雞群中傳播并獲得了血凝素蛋白中的多堿性切割位點，從而導致低致病性禽流感病毒轉化為高致病性。研究還發現，l2個氨基酸序列的插入進一步導致了周圍3個糖基化位點的產生，它們可以創建一個“類似粘蛋白的結構域”，進而保護SARS-CoV-2中S蛋白的抗原表位或關鍵殘基，以此作為免疫逃逸的屏障。全基因組序列分析表明，SARS-CoV-2與SARS-CoV的核苷酸序列有79.6%的同源性。SARS-CoV與SARS-CoV-2均以人血管緊張素轉換酶2(angiotensinconvertingenzyme2，ACE2)作為受體。SARS-CoV與人ACE2主要通過l4個氨基酸殘基相互作用,其中的6個是兩者結合的關鍵殘基。相比之下，SARS-CoV-2的l4個殘基中的8個發生了變化，其中5個屬于關鍵殘基。SARS-CoV-2與20l3年采集的云南省中國菊頭蝠的冠狀病毒RaTGl3有96.2%的同源性［81,只共享6個關鍵殘基中的一個。SARS-CoV-2與20l9年廣東省反走私行動中查獲的馬來西亞穿山甲冠狀病毒有9l.02%的同源性,6個關鍵殘基完全一致,RBD氨基酸序列相似性高達97%9。但是穿山甲冠狀病毒和蝙蝠冠狀病毒RaTGl3中也都沒有觀察到多堿性切割位點的存在。SARS-CoV-2與ACE2的結合特點SARS-CoV-2與人ACE2的結合特點SARS-CoV-RBD及SARS-CoV-2-CTD與人ACE2的結合模式總體上相似，然而關鍵殘基的取代增強了SARS-CoV-2與受體的相互作用，并導致SARS-CoV-2-CTD與受體結合的親和力比SARS-CoV-RBD高4倍。研究揭示：SARS-CoV-2-CTD與人ACE2通過2l個殘基相互作用，而SARS-CoV-RBD則只有l7個與人ACE2相互作用的殘基；SARS-CoV-2-CTD比SARS-CoV-RBD能形成更多的范德華鍵(分別為288和2l3)與氫鍵(分別為l6和ll)°SARS-CoV-2與動物ACE2的結合特點Liu等［l01選取了48種具有代表性的哺乳動物，研究其ACE2介導SARS-CoV-2感染的情況。以人ACE2為陽性對照，以小鼠ACE2為陰性對照。通過流式細胞術檢測Sl-Fc融合蛋白與ACE2的結合率，評估了SARS-CoV-2與受體的結合情況，發現考拉、白鼬以及3種新世界猴子(松鼠猴、簇毛擢尾猴和白色簇絨耳狨猴)的ACE2都不與SARS-CoV-2結合,其余動物與病毒的結合能力均低于人ACE2o通過對N蛋白進行免疫熒光染色，評估了受體介導病毒進入細胞的能力，結果發現除了在過表達3種新世界猴子和考拉ACE2的HeLa細胞中未檢測到N蛋白信號，以及過表達白鼬ACE2的HeLa細胞中檢測到較低的N蛋白信號以外，過量表達其余動物ACE2的HeLa細胞中均能檢測到大量N蛋白信號。以上實驗結果說明，SARS-CoV-2可能具有廣泛的宿主范圍，能與多種哺乳動物的ACE2結合并侵入細胞。SARS-CoV-2對部分器官的損傷ACE2由805個氨基酸組成，是一種具有單一胞外催化結構域的I型跨膜糖蛋白，廣泛分布于肺、心臟以及腎臟等器官中，因此SARS-CoV-2可能會對這些器官造成危害。3.lSARS-CoV-2對肺的影響ACE2與血管緊張素轉換酶(angiotensinconvertingenzyme,ACE)均為人體腎素-血管緊張素系統(renin_angiotensinsystem,RAS)的關鍵酶，ACE將十肽的血管緊張素I(angiotensinI,AngI)裂解為八肽的血管緊張素&(angiotensin&,Ang&)，進而升高血壓。ACE2則能將Ang&降解為血管緊張素1-7(angiotensin1-7,Ang1-7)，從而反向調節RAS［11］o在SARS-CoV的研究中發現，病毒與ACE2的結合導致Ang&生成增加，Ang&通過血管緊張素&型1a受體(angiotensin&type1areceptor，AT1a)控制急性肺損傷的嚴重程度和肺血管通透性，Ang&的增加最終誘發肺水腫、損害肺功能。Jiang等［121構建了表達人ACE2的轉基因小鼠模型并使其感染SARS-CoV-2o結果顯示：感染1天后的轉基因小鼠肺組織出現了少量淋巴細胞浸潤；感染3天后的轉基因小鼠支氣管及血管周圍炎癥細胞增多，部分肺泡出現水腫；感染5天、7天后的轉基因小鼠大多數有嚴重的肺炎，并伴隨終末細支氣管阻塞以及部分肺泡細胞溶解壞死等現象。SARS-CoV-2對心臟的影響Huang等［13］發現，41例新冠肺炎患者中12%出現急性心臟損傷，表現為射血分數下降和肌鈣蛋白I升高。Shi等「14發現，416名新冠肺炎患者中19.7%出現心臟損傷，心臟損傷患者的死亡率顯著高于無心臟損傷的患者,且死亡率與超敏肌鈣蛋白I濃度相關，眾多并發癥(電解質紊亂、凝血功能障礙等)也更為常見。另外,研究還發現心臟損傷患者的C反應蛋白、降鈣素原和白細胞等炎癥細胞因子水平顯著升高，這可能導致心肌細胞凋亡或壞死。SARS-CoV-2對消化道的影響Xiao等［15］的免疫熒光檢測結果顯示：ACE2在胃、十二指腸和直腸上皮的腺細胞中大量表達，少見于食管粘膜；N蛋白染色結果也表明，SARS-CoV-2能夠感染上述胃腸道腺細胞。Han等［16］在206例輕度新冠肺炎患者中發現56.8%存在消化道癥狀,這些患者的發病時間、糞便病毒陽性率均顯著高于無消化道癥狀患者。Xiao等［15］還觀察到在73名患者中有多達23.29%的患者，在呼吸道病毒核酸檢測呈陰性后，仍可在糞便中檢測出SARS-CoV-2oSARS-CoV-2對腎臟的影響Chen等［17］發現113名死亡患者中有25%曾發生急性腎損傷,117例康復患者中有50%曾出現蛋白尿、38%曾出現鏡下血尿；急性腎損傷患者的解剖結果顯示急性腎小管壞死，且大部分損害發生在近端小管,而近端小管是腎小管中唯一表達ACE2的部位，還表達豐富的蛋白酶［18］o因此,ACE2與特異蛋白酶可能會共同促進SARS-Co