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%)。

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。

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。

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。

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