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类似SARS的病毒 为什么会在实验室构建出来?(组图)

新闻来源: 果壳 于2020-02-11 7:08:35  提示:新闻观点不代表本网立场

新冠病毒爆发以来,不少人怀疑其出自人为改造,其中一个焦点,就是2015年《自然·医学》上发表的一篇论文(中国科学家石正丽教授为作者之一),论文里提到研究者构建了一种类似于SARS的“嵌合病毒”,发现这种病毒可以感染人的细胞[1]。



2015年刊登在《自然·医学》上的论文:《一个类似SARS的蝙蝠冠状病毒群显示了人类感染的可能性》| Nature.com

然而,国内外学者对此已迅速做出回应,表明论文中的“嵌合病毒”和新冠病毒并无关联。那么,科学家当年究竟为什么要做这项研究?改造病毒的真正意义又是什么?这些还要从冠状病毒的特殊性说起。

冠状病毒“门路”广

病毒进入细胞前,都需要先用自带的钥匙打开细胞膜表面特定的锁——某个受体蛋白,让细胞误以为有营养物送上门,主动吞下病毒。不同细胞上的锁各有不同,大多数病毒必须找到自己专属的那道门才进得去细胞。所以,细胞上的“锁”决定了病毒感染的范围。



细胞表面各种各样的锁(受体),决定了病毒的感染范围 | 图虫创意

许多“锁”只挂特定的细胞上,这会限制相应病毒感染的途径。比如HIV,它要打开的锁主要是人免疫细胞上的表面抗原分化簇4受体蛋白(简称CD4蛋白)。

带有CD4的免疫细胞主要分布在血液和淋巴系统内。这使得HIV只能通过血液、母婴或性等有限途径传播。另外,CD4受体蛋白是灵长类动物所独有的,因此其他动物对HIV不易感,也就很难在不同的物种间互相传播。

而对于SARS和2019-nCoV这类冠状病毒来说,进入细胞就方便多了:它们要找到的锁是血管紧张素转化酶2(简称ACE2蛋白)。ACE2分布广泛,暴露的粘膜细胞(呼吸道、消化道,甚至眼结膜)均是潜在的感染对象,这决定了SARS和2019-nCoV可以通过接触、飞沫等途径来传播,因此能在人群中迅速传播和爆发。



冠状病毒是一类RNA病毒 | WHO

而且,ACE2蛋白不仅人有,绝大部分哺乳动物都有,而且结构很相似。如人和小鼠的ACE2蛋白一致性是83%,和猪是82%,和蝙蝠则是80%,这就为病毒在不同物种间的传播埋下了伏笔。

病毒“串门”的天时地利人和

有了相似的门锁,冠状病毒就有了打开其他动物细胞大门的“天时”,接下来要做的,就是改造钥匙,提升感染能力和致病力,创造“地利”。怎么实现呢?答案是:基因突变。

首先我们要知道,病毒复制过程中产生的突变是完全随机的,基因组的任何位置上发生突变都不奇怪。而且,相比DNA病毒,RNA病毒的突变频率更高,它们进入细胞后会挥舞起自带的“仙女棒”——RNA聚合酶(这是一个易导致高突变的RNA复制机器),在感染细胞后一边复制一边“变大变小变漂亮”。包括SARS、MERS和2019-nCoV在内的冠状病毒,就是这样的RNA病毒。



RNA病毒自带变身”仙女棒“

既然突变是没有方向的随机事件,要进化出适应新物种的钥匙,概率其实并不高。多数时候,这样的尝试都会失败。病毒在新宿主体内初来乍到,不适应新环境,感染效率不够高,也随时可能被宿主体内巡逻的免疫细胞消灭。新宿主不会有任何症状,甚至有可能在宿主无法察觉的情况下对动物病毒产生了免疫。

这时候就还需要一些“人和”。只要病毒有足够多的机会接触新宿主,反复“碰运气”,总有一天能遇到某个免疫力不太强的宿主,获得了足够的时间来产生一些能提高对新宿主的感染效率的突变——那么,这个病毒就有可能“大力出奇迹”,磨出一把开启新物种门锁的钥匙,摇身一变成为流行病的主角。



这话虽然鲁迅没说过,但道理没错

因此,那些离接触到动物病毒最近的人(例如频繁接触野生动物的猎人、屠夫、厨师和贪嘴的食客),是最容易帮助病毒“串门”的。可能一次两次没事、十次八次也没事,但成百上千次接触后,就保不住某一次让病毒成功出道。2003年爆发的SARS,零号病人就是一位厨师。

怎样判断病毒的传播途径?

分析病毒传播的来龙去脉,依靠的是病毒基因组序列的差异。

不同动物身上的冠状病毒,在进化上都具有共同祖先。在旷日持久的病毒-宿主大战中,病毒自发而随机地产生突变,每代病毒都继承了前代已有的突变,并在此基础上继续产生新的突变。因此,两个病毒的基因组序列相似度越高,它们之间的亲缘关系就越近。在假设基因突变是自发、随机且频率固定的前提下,如果我们观测到动物A、B、C身上的冠状病毒,两两之间都有10个独立的基因位点互不相同,则我们可以认为它们是各自独立进化的。而若动物C身上的冠状病毒和动物D的之间相差3个位点。动物D的和动物E的只差1个位点。则我们可以认为在短时间里病毒发生了由C到D再到E的跨物种传播。

以SARS病毒为例,与它亲缘关系最近的是来自于果子狸的冠状病毒,其次是中华菊头蝠来源的冠状病毒。正是由此,研究者确定了“中华菊头蝠-果子狸-人”的传播途径;而它们和MERS的亲缘关系,都要远得多。



冠状病毒的进化关系 | 参考文献[2]

不过,这样的分析,是在流行病爆发之后追查原因得到的。知彼知己才能防患于未然,怎么样才能提前知晓冠状病毒是否还会爆发?我们能否通过SARS、MERS等积累下来的应对策略、治疗方案、研发的疫苗和药物应对未来潜在的新疫情?这些问题只有通过严格防护下的生物试验才能一一解答。而2015年发表的这篇论文,正是这些试验当中的一个。

蝙蝠预警与“嵌合体病毒”研究

蝙蝠可以长期携带冠状病毒却不会发病,这为病毒积累各种各样的突变提供了绝佳的温床。除了单个基因位点的突变外,不同冠状病毒之间还有可能自发随机地产生重组,即两种或多种冠状病毒各自取一段基因组装在一起,形成新的冠状病毒(同类病毒才能重组,不同类型病毒,如把HIV和冠状病毒放在一起,不会诞生出新病毒)。

2003年的SARS和2014年的MERS爆发,为人们敲了警钟:蝙蝠身上的冠状病毒极有可能再次引发新的冠状病毒疫情。我们需要搞清楚,蝙蝠来源的病毒是如何感染人的?又能否通过现有的策略预防新病毒?就此,科研人员用SARS病毒,以及野生蝙蝠来源的与SARS亲缘关系最近的冠状病毒SHC014展开了测试。



蝙蝠身上的冠状病毒极有可能再次引发新的冠状病毒疫情 | ECOHEALTH ALLIANCE

SARS对于人的气管上皮细胞以及小鼠都具有很高的感染效率,对于小鼠的致病力也很强。

研究发现蝙蝠来源的SHC014,也可以感染人细胞和小鼠。但是较之于SARS,感染的效率就低得多了,也不会表现出任何病征。

然后,研究人员把SARS的钥匙部件(刺突糖蛋白)置换成了SHC014的,构建出一个类SARS的“嵌合体病毒”,发现其感染人细胞和小鼠的能力与正版SARS基本一致。

但感染能力一样并不代表致病力一样。进一步试验发现,用SARS感染10周龄的小鼠(相当于人的青年),小鼠病征严重,体重降低迅速,并在4天内全部死亡;而用嵌合体病毒感染,小鼠只是体重降低10%,并不会死亡。在12月龄小鼠(相当于人的老年)上的试验同样发现,相比于SARS,嵌合体病毒的致病力更弱。

这说明,由于携带着蝙蝠来源的刺突糖蛋白,嵌合体病毒不能完全适应新宿主。

如果蝙蝠的冠状病毒之间发生重组,形成了一种新的冠状病毒,我们能用现有的方法来对付它吗?



我们能用现有方法对付新的冠状病毒吗 | 图虫创意

预防病毒感染最有效的方法之一就是疫苗。但疫苗的研发速度在半年到数年间,而RNA病毒的善变,往往让疫苗的研发“跟不上趟”(这也是为什么我们能够通过研发疫苗彻底消灭天花,却至今没能消灭HIV和流感)。研究人员通过测试也发现,把之前依照SARS刺突糖蛋白设计的疫苗注射给小鼠,无法让小鼠免遭嵌合病毒的感染。

接下来研究人员又换了一个思路:既然嵌合体病毒的致病力很弱,那是否能把它作为一个弱毒活疫苗来免疫动物,预防致病力更强的SARS感染呢?

这么一试发现还真的可以!嵌合体病毒免疫过的青年小鼠,即使感染了致死剂量的SARS病毒,也全都存活下来了;而在老年组的试验中,少数老年鼠在用嵌合体病毒免疫时就死了,但挺过去的老年鼠也都具有了抵御SARS感染的能力。

根据这项研究我们可以获知:

1.蝙蝠的冠状病毒除了可以通过中间宿主传播给人以外,有些还可能直接传给人。只不过蝙蝠病毒的刺突糖蛋白不能充分适应人的细胞,所以病毒在最初的感染者身上可能没有任何症状。

2.病毒无时不刻都在高频率的突变着,只要给它足够的时间空间,一不小心产生了那个“恰到好处”的突变,就可能爆发流行病。

3.我们当下拥有的疫苗和抗体,可能无法有效地预防或治疗新出现的冠状病毒。

因此,减少和野生动物的接触,是目前降低新型病毒爆发最直接、最有效的手段。



就在新冠肺炎疫情流行的当下,仍有商贩在非法出售野生动物 | 央视新闻微博

关于这项研究的其他疑问

_01

_2019-nCoV是改造病毒的泄漏吗?

__

不可能。

此观点近期甚嚣于尘上,但实则是无稽之谈。从生物学的角度来讲,改造病毒的基础是已知病毒的完整基因组序列。现在的生物技术,还没有高明到可以凭空创造出一种全新的病毒,只能将已知的病毒元件进行组合。这样构建出来的嵌合体病毒,有一部分会与母本病毒高度相似。

2019-nCoV与SARS的基因组一致性只有79.5%。2019-nCoV有29000多个核苷酸,要从SARS病毒出发,改变其中5900多个分布在不同位置的核苷酸,造出个新病毒——这样的改造,目前的生物技术还做不到。



目前生物技术还不能凭空创造新病毒 | 图虫创意

从蝙蝠的粪便中发现的冠状病毒RaTG13,与2019-nCoV更加相似,基因组一致性是96%。但即便如此,也有1100多个分布独立的核苷酸是不同的,生物技术同样难以实现改造。根据对冠状病毒RNA的自然突变速度估计,从RaTG13突变到2019-nCoV,可能需要数十年的时间。蝙蝠和人之间,很可能还存在中间宿主(近期有研究提出中间宿主可能是穿山甲)。

02

_科学家为什么要改造病毒?

___

“改造病毒”听起来很危险,但事实上,改造病毒以及使用改造病毒感染细胞是现代生物学研究中常规、必须且重要的工作。

而且并非所有的病毒研究都必须在安全等级最高的P4级生物安全实验室中进行。

例如,想要操作专杀细菌的噬菌体病毒仅需要P2级生物安全实验室即可,因为噬菌体根本不可能感染人或动物,它的眼中只有细菌。而改造噬菌体病毒能够帮助我们应对未来超级耐药细菌导致的感染性疾病。



改造噬菌体或可帮助人类抵应对级细菌感染 | 图虫创意

腺相关病毒同样是一类仅需要在P2级生物安全实验室即可进行操作的病毒。腺相关病毒是细胞生物学研究中最常用的工具之一,常作为一种基因载体来使用,将需要的基因功能导入目的细胞中。腺相关病毒还被用作基因治疗的载体之一,让它携带基因编辑工具后注射到病人体内,已被用于纠正多种单基因突变导致的遗传病。



通过基因治疗,让患有杜氏肌营养不良症(一种遗传病,患儿会在成年前痛苦死去)的孩子拥有了正常的生活 | 仇子龙

你可能猜不到,HIV病毒的操作也仅需要P2级生物安全实验室即可进行,因为HIV病毒的传播途径有限。并且HIV病毒也已被改造成为一种失去了复制能力的慢病毒载体,也广泛的应用在细胞生物学研究中。

更重要的是,研发疫苗同样也需要先在实验室中能够培养出新的病毒,并对其进行改造,失活其致病力和复制能力,才能用作安全的疫苗来使用。如果我们不去研究和改造这些病毒,又如何能制作出解药?

在未来的某一天,冠状病毒还有可能卷土重来,但经历了SARS、MERS以及2019-nCoV,为我们留下了宝贵的经验和教训,也为人类与病毒的下一场博弈增加了筹码。
网编:和评

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