一文看懂結構簡單、成分簡單,但破壞力絕不簡單的新型冠狀病毒

2020-11-30 騰訊網

出品：科普中國

製作：趙靈羽（中國科學院上海巴斯德研究所）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2020年的春節，是個特殊的春節，各大公共場所停止營業，就連飯店和超市的顧客也比往常少了許多。而這些，都是由於2019年12月出現的一種病毒——2019新型冠狀病毒（2019-novel coronavirus, 2019-nCoV）。

或許大家現在聽到"病毒"，已經不覺得陌生。但其實直到19世紀晚期，菸草花葉病毒引發的農業大災難，引起了人們的重視和研究，病毒這一微小的病原體才逐漸進入人類的視野。這些肉眼看不見的病毒，卻在每時每刻都影響著成千上萬人的生命。除卻人類健康，它們還在生物演化、環境變化等等方面影響著我們的生活，也影響著世間萬物，若將我們的世界說成是病毒包圍的世界，也毫不誇張。

那麼病毒究竟是什麼，它長什麼樣子？2019新型冠狀病毒所屬的家庭——冠狀病毒的結構又是怎樣的呢？小小的病毒，為何有這麼大的"破壞力"？

不妨讓我們一探究竟。

最簡單的生命形式——病毒

流感病毒、愛滋病病毒、肝炎病毒、狂犬病病毒……病毒所引發的人體疾病往往難以治癒，因此顯得非常"可怕"。但其實，它們簡直可以說是自然界中最簡單的生命形式。

病毒的組成成分往往非常簡單，最基本的構成便是遺傳物質（DNA與RNA）和蛋白質，有時也會存在糖類與脂質成分的修飾。

病毒的遺傳物質可以是DNA，也可以是RNA，同時又區分為一條鏈與兩條鏈，即分為單鏈DNA、雙鏈DNA、單鏈RNA與雙鏈RNA四種。不過無論是什麼DNA還是RNA，雙鏈還是單鏈，這些遺傳物質在病毒"傳宗接代"的過程中都起到了決定作用——遺傳物質指導了病毒蛋白質的合成，而這些蛋白質在病毒結構組成、增殖與傳播過程中都是必不可少的。

病毒的結構往往也很簡單，遺傳物質位於病毒的內部，組成病毒的核心（圖1）。而蛋白質則圍繞在遺傳物質的外側，形成衣殼，又稱為殼體。

如果我們在電子顯微鏡下觀察衣殼結構，可以看到它是由許多顆粒狀的單元結構整齊排列而成，這一粒粒組成衣殼的小粒子則稱為殼微粒（capsomere）。殼微粒的排列方式不同，使得病毒有了形形色色的形態。

大多數病毒的形態可分為螺旋對稱（如菸草花葉病毒，圖2）與正二十面體對稱（如腺病毒，圖2）兩種，除此之外，有些病毒兼具螺旋對稱與二十面體對稱的結構（如噬菌體，圖2），這樣的結構被稱為複合型。

病毒的結構（圖片來源：www.khanacademy.org）

菸草花葉病毒、腺病毒與噬菌體的結構（圖片來源：《生物學 八年級上冊》人民教育出版社）

但需要注意的是，並不是所有的病毒都可以被劃分為這三類。

而蛋白質組成的衣殼，不僅僅起到了保護病毒遺傳物質的作用，也參與了病毒的感染過程。

除去最基本的遺傳物質與蛋白質結構，稍複雜一些的病毒的外側還有著由脂質和糖蛋白組成的包膜。包膜的主要功能是維護病毒結構的完整性，並參與病毒入侵宿主細胞的過程。首先包膜上的糖蛋白識別並結合位於宿主細胞細胞膜上的受體，包膜與宿主細胞的細胞膜結合，隨後病毒衣殼與遺傳物質進入宿主細胞內，完成感染過程。

SARS和新型冠狀病毒都屬於這個大家族——冠狀病毒

2003年，一場由SARS病毒引起的疫情，使得"冠狀病毒"這個名詞逐漸走進了人們的視野。冠狀病毒因其在顯微鏡下能觀察到明顯的棒狀粒子凸起，形狀好似中世紀歐洲帝王的皇冠而得名。

1975年，病毒命名委員會正式命名了冠狀病毒科。根據病毒的血清學特點和核苷酸序列的差異，冠狀病毒科又分為冠狀病毒和環曲病毒兩個屬。而在2003年引起爆發性嚴重急性呼吸症候群（SARS）的病毒便屬於冠狀病毒科冠狀病毒屬。

冠狀病毒粒子形狀並不規則，直徑約60-220nm。病毒具有包膜結構，上面有三種蛋白：刺突糖蛋白（S，Spike Protein）、小包膜糖蛋白（E，Envelope Protein）和膜糖蛋白（M，Membrane Protein），少數種類還有血凝素糖蛋白（HE蛋白，Haemaglutinin－esterase）。

S蛋白在識別並結合宿主細胞表面受體，並介導病毒包膜與細胞膜融合的過程中起到關鍵性作用；M蛋白則參與了病毒包膜的形成與出芽過程；HE蛋白則是構成包膜的短凸起，可能與冠狀病毒早期吸附有關，某些冠狀病毒的HE蛋白可引起紅細胞的凝集以及對紅細胞的吸附。

冠狀病毒的核酸為正鏈單鏈RNA，其特點是可以以自身為模板，指導合成病毒相關蛋白質。病毒進入宿主細胞後，首先以病毒RNA為模板表達出RNA聚合酶，隨後RNA聚合酶完成負鏈RNA的轉錄合成、各種結構蛋白mRNA的合成，以及病毒基因組RNA的複製。

顯微鏡下的SARS冠狀病毒（圖片來源：www.cdc.gov）

SARS冠狀病毒結構示意圖（來源：見圖片左下角）

結構簡單卻"破壞力"很大的2019新型冠狀病毒

初步了解了病毒的結構與冠狀病毒的結構之後，讓我們把目光放在最近為大家帶來很多困擾的新型冠狀病毒上。

不過想要說清楚這次出現的新型冠狀病毒，我們就不能跳過對SARS病毒的研究。

在那場突發的瘟疫災難結束後，科學家們仍沒有放棄對病毒的研究。他們發現，SARS病毒是通過病毒包膜表面的S蛋白與人體的血管緊張素轉化酶Ⅱ（ACEⅡ）相互作用而入侵人體[1]。

而科研人員將新型冠狀病毒的序列與SARS冠狀病毒進行比對，發現兩者十分相似。上面我們說到，冠狀病毒的S蛋白對於病毒識別與入侵有著關鍵的作用。於是科學家們對比了2019-nCoV的S蛋白與SARS冠狀病毒的S蛋白，再通過計算機建立模型，發現雖然相互作用的五個胺基酸中有四個都發生了突變，但是新型冠狀病毒的S蛋白與人體的ACEⅡ蛋白整體上依舊存在相互作用[2]。

這就說明，新型冠狀病毒很有可能是通過S蛋白與人ACEⅡ相互作用的分子機制完成感染。

目前對病毒更深入的研究仍在進行中，這些信息可以幫助我們更好地了解病毒，對指導公共衛生安全策略也有著不可忽視的作用。

計算機模型：病毒S蛋白與人ACEⅡ蛋白結合示意圖

希望這篇文章可以幫助你了解到更多關於病毒的知識，在面對疫情的時候，能夠冷靜理智對待，不恐慌、不輕視。最後，讓我們向第一線的醫護人員和科研人員致敬，提醒家人朋友注意防護，願疫情早日解除。

參考文獻

1. Wendong, L., et al., Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. 2005.

2. Xintian, X., C. Ping, and H. Pei, Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike for risk of human transmission. 2020.

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