免疫學 病毒學 藥理學

從基因觀點解構新型冠狀病毒

自去年12月至今,新型冠狀病毒肺炎 (COVID-19) 已造成全球超過 128,000人感染,且有 4,720 人因此而死亡。其中中國感染人數為 80,932 人,死亡人數為 3,172人;義大利感染人數為 12,462 人,死亡人數為 827人。病人的初始症狀多為發燒、乾咳等,肺部影像呈現多處片狀與肺間質性病變 (patchy lesion and interstitial pattern),接著進展為雙側浸潤瀰漫性毛玻璃狀病變 (ground glass opacity, GGO),甚至肺實質化,重症患者甚至需要進行氣管內管插管,甚至體外膜氧合治療 [1,2]

除了臨床治療以及公衛防疫之外,深入剖析病毒的基因序列,並以演化樹分析與來源推論亦十分重要。冠狀病毒為一種單股正鏈 (single strand, positive sense) 的 RNA 病毒,序列長度大約在兩萬六千至三萬兩千個鹼基對之間,其宿主多為禽鳥類或是哺乳類動物,而對人類造成的影響則從一般的普通感冒,到致命的嚴重急性呼吸系統綜合症 (SARS)、中東呼吸症候群冠狀病毒感染症 (MERS)。為了解析 SARS-CoV-2 的基因序列與來源,中國疾病管制局、山東第一醫科大學等於 2020 年 2 月份,在 Lancet 發表新的研究結果 [3]

該研究團隊從九個病人進行支氣管肺泡沖洗檢查 (Bronchoalveolar lavage, BAL) 後取得的沖洗液進行檢查。首先,他們利用人類呼吸道上皮細胞 (Human airway epithelial cells, HAE cells) 進行病毒培養,並利用其上清液萃取 RNA,送至華大基因以及中國疾病管制局進行 RNA 序列分析。取得序列後再至 GenBank 進行序列相似性搜尋 (BLAST) 找尋相似的序列作為參考基因組,再進而利用 RAxML 軟體進行演化分析 (phylogenetic analysis)。除此之外,SARS-CoV-2 的基因序列亦用於建立 real-time RT-PCR 的快篩系統,以增加疾病診斷的效力。

在將 SARS-CoV-2 基因序列分為「1a、1b、S、3、E、M、7、8、10b、N、13、14」等基因片段後,發現其與舟山的蝙蝠相關冠狀病毒「bat-SL-COVZC45」、「bat-SL-COVXC21」有最高的相似度,相似度最高的基因片段為製造病毒外套模 (envelop) 的E基因 (相似度 98.7%) ,而在製造棘蛋白 (spike) 的 S 基因則有較低的相似度 (相似度 75%)。

圖片來源: Lu, R., Zhao, X., Li, J., Niu, P., Yang, B., Wu, H., … & Bi, Y. (2020). Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The Lancet, 395(10224), 565-574.
圖片說明: SARS-CoV-2與舟山蝙蝠冠狀病毒 (bat-SL-COVZC45、bat-SL-COVXC21)、SARS-CoV的基因序列比較

在演化分析中,SARS-CoV-2病毒屬於 betacoronavirus 屬中的 sarbecovirus 亞屬,sarbecovirus 又可分為三個演化支 (clade):肯亞及保加利亞的菊頭蝠冠狀病毒屬於第一個演化支;武漢的SARS-CoV-2以及舟山的 bat-SL-COVZC45、bat-SL-COVXC21 屬於第二個演化支,SARS-Co以及其餘與蝙蝠相關的冠狀病毒 (Bat-SL-CoV)屬於第三個演化支。

圖片來源:Li, G., & De Clercq, E. (2020). Therapeutic options for the 2019 novel coronavirus (2019-nCoV).
圖片說明:肯亞及保加利亞的菊頭蝠冠狀病毒屬於第一個演化支;武漢的 SARS-CoV-2 以及舟山的 bat-SL-COVZC45和bat-SL-COVXC21 屬於第二個演化支;SARS-Co以及其餘與蝙蝠相關的冠狀病毒 (Bat-SL-CoV) 屬於第三個演化支

更細部分析不同基因片段的相似性,SARS-CoV-2 與 bat-SL-COVZC45和 bat-SL-COVXC21 在 1a 以及 S 基因相似性較高,卻在 1b 基因處擁有較高的特異性。在病毒的傳播中,製造棘蛋白的 S 基因佔有重要的角色,而又可將其分為負責與受體結合的 S1 區域以及與細胞膜融合的 S2 區域。SARS-CoV-2 與 bat-SL-COVZC45、bat-SL-COVXC21雖在 S2 區域有 93% 的相似度,但在 S1 區域的相似度卻只有 68%,但弔詭的是 SARS-CoV-2 卻與 SARS-CoV 在 S1 區域,特別是在末端結構域 (C-terminal domain, CTD) 有相同的 50 個胺基酸,而其餘冠狀病毒則無。S1 處的CTD 通常負責的是受體的結合,亦稱為受體結合域,因此針對此處進行演化分析,發現儘管在全部的基因序列之下,SARS-CoV-2 與 bat-SL-COVZC45、bat-SL-COVXC21 屬於同一個演化支,但在受體結合域中,SARS-CoV-2 卻與SARS-CoV 處於相近的演化支。

圖片說明:在受體結合域中,SARS-CoV-2 卻與 SARS-CoV 處於相近的演化支;且其外部子域與 SARS-CoV 相同

因此在利用 SARS-CoV 受體結合域為模板,建立的 SARS-CoV-2 受體的立體結構中可以發現,除了一個核心蛋白之外,亦有一個外部子域 (external subdomain),而此外部子域亦與 SARS-CoV 的同一部位相似,故可推論 SARS-CoV-2 亦利用血管張力素轉化酶 2(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)受體作為侵入細胞的媒介。

附帶一提,目前對抗 COVID-19 的藥物瑞德西韋 (Remdesivir) 的機轉為抑制 RNA 病毒 RNA-dependent RNA polymerase (RdRP) 的活性 [4],在 RdRP 區域中 SARS-CoV-2 與 SARS-CoV 卻不盡相同。

圖片說明:瑞德西韋 (Remdesivir) 的機轉為抑制 RNA 病毒 RNA-dependent RNA polymerase (RdRP) 的活性

作者於討論中提到,一般 RNA 病毒突變的速率為每年 10-4  個鹼基對,然而從不同病人的檢體中分離出的 SARS-CoV-2 卻有高達 99.9% 的序列相似度,顯示其為短時間內從單一來源傳播的病毒。此外,SARS-CoV-2 雖與舟山蝙蝠冠狀病毒「bat-SL-COVZC45」、「bat-SL-COVXC21」有最高的相似度,但在疫情爆發時的武漢水產市場卻並非販賣蝙蝠的季節,當時水產市場反而販賣許多野生的哺乳類動物,故推論蝙蝠或許是 SARS-CoV-2 的天然宿主,但卻透過另一種不同的野生動物傳染給人類,造成此次的疫情。

而在解構 SARS-CoV-2 的演化來源,以及 ACE2 受體與疾病傳播的關聯後,對於治療方式有何新解,究竟服用高血壓用藥 ACE 抑制劑對於 COVID-19 有何影響 [5],則有待後續研究解析。

參考文獻:

1.  Zhu, N., Zhang, D., Wang, W., Li, X., Yang, B., Song, J., … & Niu, P. (2020). A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. New England Journal of Medicine.

2.  Huang, C., Wang, Y., Li, X., Ren, L., Zhao, J., Hu, Y., … & Cheng, Z. (2020). Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. The Lancet, 395(10223), 497-506.

3.  Lu, R., Zhao, X., Li, J., Niu, P., Yang, B., Wu, H., … & Bi, Y. (2020). Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The           Lancet, 395(10224), 565-574.

4.  Li, G., & De Clercq, E. (2020). Therapeutic options for the 2019 novel coronavirus (2019-nCoV).

5.  Zheng, Y. Y., Ma, Y. T., Zhang, J. Y., & Xie, X. (2020). COVID-19 and the cardiovascular system. Nature Reviews Cardiology, 1-2.

撰文|張彥安
審稿|王翊豪

About the author

Avatar

張彥安

國立陽明大學醫學系醫學系醫師科學家學程學生,目前在台北榮總實習。曾於Duke University計仁昌老師實驗室進行短期癌症生物學研究;生化所進行亨丁頓氏症相關分子生物學研究;參加2014國際合成生物學競賽(iGEM)。希望藉由Investigator了解更多不同面向的科學研究主題,並認識對生物醫學充滿熱情的同好。

Leave a Comment