病毒如何感染人類?人類如何阻斷病毒?

　　編者按：「戰疫」是一場人類與病毒的較量，也是一場科研與時間的賽跑。3月16日，北京生命科學院研究所資深研究員李文輝在《理解未來》科學講座上，帶來了一篇「從頭開始」的通俗科普。從病毒複製的機制、侵入細胞受體的機制，抽絲剝繭，通向藥物研發的基本科學知識。

　　李文輝的演講全文由中科院生物物理所博士生張倩倩整理。光明網經授權後刪改整理、發布。

　　一、病毒的種類

　　人類世界上有很多的病毒，病毒是生態環境的一部分。病毒可在家畜或者野生動物之間傳播，也可在人間傳播。

　　我們處於病毒的汪洋大海中，但卻並沒有感染很多病毒。因為皮膚作為人體表面最大器官對所有病毒不易感，病毒要進入人體需要有自己的通道。這一通道就是人體和外界相通的通道，包括呼吸道、消化道、生殖道，以及通過蚊蟲叮咬、輸血傳播和母嬰傳播。

　　病毒是嚴格的細胞內寄生生物，主要原因是病毒沒有自己的能量系統，也沒有自己的物質系統，它只能提供遺傳信息和少量的蛋白質及其他物質(複製)。病毒必須通過特定通道進入細胞，這個通道稱為受體。進入細胞以後，在細胞質和細胞核裡面分別進行複製。

　　病毒可以分為兩大類，RNA病毒和DNA病毒。RNA病毒絕大部分在細胞質內複製，包括此次新型冠狀病毒和大部分的新發病毒，以及常見的C肝等等；絕大部分的DNA病毒都在細胞核內複製，包括常見的皰疹病毒、乳頭瘤病毒等等，但也存在在細胞質內複製的DNA病毒，如痘病毒，也就是天花病毒，天花病毒是目前唯一已經被人類疫苗徹底消滅的病毒，其他的病毒即使有很好的疫苗也沒有完全根除。

　　在這兩個病毒世界之間，還有一種跨界病毒，通過從RNA到DNA的逆轉錄的過程實現複製，如：HIV和HBV。病毒用最精簡的方式複製，攜帶的核心是它的遺傳物質，它的遺傳物質在哪兒複製，是整個病毒生命的核心和最關鍵的要素。

　　二、病毒如何感染人類

　　對於RNA病毒，它在細胞質內複製，病毒的基因組大致包括兩部分，一是它的複製酶區域，二是它的結構基因區域。例如冠狀病毒，它的基因組是一個長的正鏈RNA，翻譯產生不同的蛋白質。基因組各部分保守性不同，圖上紅色區域表示保守性非常高，顏色遞減表示保守性減弱。RNA病毒進入細胞後可在「病毒工廠」中，進行基因複製和基因表達，產生病毒結構蛋白和基因組RNA，兩者組裝成完整RNA病毒以後釋放，至此完成它自己的生活史。

　　RNA病毒必須在細胞質裡面連續地、活躍地複製，才能長期存在於細胞中。這意味著RNA病毒中任何一個關鍵酶或關鍵蛋白缺失或者被損傷，病毒都不能進行連續的複製。這為病毒抑制提供了多個作用靶點，任何一個（關鍵）靶點被有效地抑制，病毒都能被有效抑制。

　　DNA病毒是完全不一樣的世界，DNA病毒主要存在於細胞核中，同時產生它的結構蛋白、非結構蛋白和基因組。正常情況下可以持續不斷地複製。但是DNA病毒和RNA病毒有一個巨大不同在於，DNA病毒在細胞核內也可以不複製，依然能夠長期存在。

　　B肝病毒是介於RNA和DNA之間的一個病毒，它在細胞核裡的共價閉合環狀DNA(cccDNA)也是長期存在的，但它的複製可以被RNA逆轉錄酶的抑制劑抑制。

　　RNA病毒和DNA病毒在生物學上有巨大不同，在病毒學者看來，RNA病毒只要研究得足夠深入，找到合適的靶點，可以像C肝一樣被消滅。對於DNA病毒來說，它的路要長得多。

　　三、病毒感染的過程

　　不管DNA或者RNA病毒在分子層面的表現如何，在個體層面，病毒感染都有它的自然史。

　　病毒感染以後，會出現幾種結局。一種是只經歷亞臨床的改變最終康復，另一種是從亞臨床改變到臨床疾病，最後或者康復、或者死亡。但是由於病毒本身的特性不同，宿主個體的差異不同，病毒的自然史在個體水平上是有差別的。比如，有些病毒感染是隱性感染為主，如乙型腦炎病毒，大部分感染沒有明顯的臨床症狀。而麻疹病毒等是以顯性感染為主，感染完都會發病，以臨床疾病作為最主要的突出表現。另外一個極端的例子就是狂犬病毒，只要感染，如果沒有及時進行疫苗接種、特免血清或者抗體的注射，病人都會死亡。

　　四、冠狀病毒的前世今生

　　冠狀病毒是一大類RNA病毒，第一例於1937年從禽類分離出來的禽傳染性支氣管炎病毒，第一例人冠狀病毒是1965年從一個小男孩的鼻腔內的充氣部位分離出來，當時接種了該病毒的健康志願者也被感染髮病。

　　冠狀病毒是已知的最大的RNA病毒。冠狀病毒要通過細胞膜進入宿主細胞，這個過程的關鍵是細胞膜受體和冠狀病毒的刺突蛋白的結合。這種結合過程相當於一個酶的催化過程，病毒的膜和細胞膜首先發生半融合，然後再完全融合，兩個膜完全融合以後，病毒的核衣殼進入細胞裡面，從而完成病毒複製的第一步，也是非常關鍵的一步。

　　在這次新冠病毒以前已經有6種可感染人的冠狀病毒，最早發現的是229E病毒，最晚的是MERS。新冠病毒主要進入人體呼吸道，它的傳播效率很高，但是它的病死率並不是很高。它的重要病理特點是有肺泡上皮的瀰漫性損傷和多核巨細胞形成。這和病毒侵入最早的一步，也就是受體結合病毒的進入是有關係的。

　　五、新冠病毒是如何感染人類的

　　新冠病毒被發現以後，科研人員很快證明不敏感細胞轉染ACE2受體以後，可以被新冠病毒感染。後又有實驗證明阻斷ACE2受體可以阻斷新冠病毒的感染，這樣看來從充分性和必要性都可以證明ACE2在細胞培養水平是新冠病毒主要的受體。我們在早期也確定了ACE2是SARS病毒必要和充分的受體。

　　但是在人體層面ACE2是什麼樣子呢？首先要看它在各器官的表達。ACE2在包括肺臟在內的很多器官內有表達。最新的報導表明，ACE2在口腔的很多細胞中也有表達，提示我們這和一部分病人僅僅是在上呼吸道發生病毒複製，而沒有在下呼吸道複製從而造成嚴重疾病有關。但是這個假設目前還未研究清楚。

　　除ACE2之外，另外一個膜蛋白酶TMPRSS2也可以促進冠狀病毒尤其是SARS和新冠病毒的感染。TMPRSS2和ACE2疊加分布，可能和新冠病毒多器官損傷有關。但是TMPRSS2在器官損傷中發揮的作用並沒有比ACE2大，原因是在HCov-229E感染中也需要TMPRSS2的參與，但是HCov-229E顯然是自限性的疾病。當然，受體和輔助因子的表達也只是疾病發生發展中的一個因素，還有其他因素也在參與其中，這需要以後更多的研究。

　　在人群水平上ACE2是什麼樣子的？ACE2是在人的X染色體的短臂。最新一篇文章分析了中國人的基因組的MAP和千人基因組結果，發現在編碼區有30多個核苷酸多態性位點，有意思的是多態性的位點和已知的病毒感染位點都沒有重合。意味著不存在對新冠病毒有天然抵抗力的人群存在。

　　六、生物大分子藥物治療可能

　　前面我提到由ACE2介導的病毒的侵入過程，如何阻斷病毒侵入呢？我想分享一下對於大分子藥物的一些想法。

　　大分子藥物相對小分子藥物有很多優勢，包括給藥次數少、安全性高，耐藥屏障高，不受免疫優勢表位的影響。對疫苗接種反應不好的群體包括嬰幼兒、老年人都有效。當然也有它的限制，比如給藥方式不便、生產工藝複雜、成本比較高等問題。

　　大分子藥物的研發也有先例，比如RSV的帕利珠單抗，當然還有一系列的流感病毒和HIV單抗目前正在臨床實驗中。

　　抗新冠病毒的大分子藥物本質上可以分為兩種，一種是抗體，包括抗ACE2抗體和抗S蛋白抗體，另一種是融合蛋白，包括RBD-Fc融合蛋白和ACE2-Fc融合蛋白，他們作用機制的共同點是阻斷新冠病毒和ACE2的結合，當然它們有各自的優缺點。

　　對於新冠病毒來說，大分子藥物面臨的主要挑戰，最重要的有兩個，第一個是病毒是否有細胞和細胞間的傳播，病毒是否可以避開受體結合進入細胞？對於B肝病毒來說，這是不可能的。但是有些病毒是可以進行細胞間傳播的，比如說HIV，可以有細胞間的傳播，這種細胞間的傳播會妨礙大分子藥物的作用效率。

　　對於冠狀病毒來說，研究比較多的是冠狀病毒小鼠MHV，在MHV裡面有自己的蛋白受體，也可以有唾液酸的受體，它們倆相互配合可以幫助病毒進入細胞。傳播階段，唾液酸也可以幫助完成細胞與細胞間的傳播。新冠病毒的受體是ACE2，是不是有唾液酸和糖分子的參與目前並不知道。但是新冠病毒基因組上並沒有編碼RDE的基因，RDE是以糖類進行擴散的病毒必須的酶，新冠病毒並沒有編碼RDE酶，所以它有用糖類分子進行繼續擴散的概率，但是不大。

　　還有一個問題，是否存在抗體依賴的病毒感染增強效應（ADE）。所謂ADE效應在登革熱病毒裡面是廣為人知的，結合非中和性抗體的登革熱病毒可以通過旁路進入巨噬細胞裡面進行增殖，然後造成第二次感染，尤其是第二次感染和第一次感染的病毒株不一樣的時候，第二次感染的症狀更重，發生ADE效應。

　　在冠狀病毒裡，新冠病毒目前不知道是不是有這種ADE的效應，但是對SARS病毒和MERS病毒已有研究發現S蛋白的低親和力抗體，可以介導病毒進入免疫細胞，但並不能發生活躍複製，最終只發生流產感染。當然也可能會激起細胞因子等等反應，目前並不是很清楚。ADE的因素取決於抗體本身有多強，對下遊信號的激活，尤其是ISG反應基因的激活程度等一系列因素，不光是對抗體治療，對疫苗研發也是很重要的考量。（宋雅娟整理）

[ 責編：肖春芳 ]