韓國基礎科學研究院（IBS）發布了關於冠狀病毒傳染病-19（COVID-19，以下簡稱為冠狀19）和 引起疾病的SARS冠狀病毒-2（SARS-CoV-2或2019-nCoV）的科學研究和最新研究動向的《冠狀病毒19科學報告》。目的是IBS科學家希望把國內外的研究動向和科學焦點，以及有助於預防、診斷、治療新冠病毒的研究進展和創意與市民共享。
知己知彼 百戰不殆：搜尋 SARS冠狀病毒-2的「致命落點」
導致全世界陷入恐懼和恐慌的 SARS冠狀病毒-2到底什麼？人類要想戰勝冠狀19大流行，首先要了解我們所面臨敵人。
簡單來講，病毒是「由蛋白質包圍的核酸」。根據核酸的種類分為「 DNA病毒」和「 RNA病毒」，其中RNA病毒是異常麻煩的惡童。冠狀病毒就是利用RNA基因的一種RNA病毒。RNA病毒在繁殖過程中經常發生突變。所以容易對治療藥物產生抵抗性，而且疫苗常常變得無效。此外，由於它可以通過突變，改變宿主，因此即使是動物病毒也可以越過物種壁壘傳染到人類。
除了冠狀病毒，還有許多臭名昭著的RNA病毒。比如，20世紀初期殺死了數千萬人並且至今仍然在流行的流感病毒， 每年造成近百萬人死亡的後天性免疫缺乏症（AIDS）病毒，人類免疫缺陷病毒（HIV），致死率超過50%的伊波拉病毒以及毀掉巴西奧運會的寨卡病毒等都是典型的例子。一般RNA被認為是不穩定的物質。但是，這種物質為何能在短短的幾個月內席捲全球呢？
筆者帶領的基礎科學研究院（IBS）RNA研究小組為了正確掌握SARS冠狀病毒-2，分析了在宿主（猴）細胞中生長的病毒的基因組和轉錄組並完成了高清基因圖譜，最近在國際學術刊物《細胞》上發表了論文(Kim et al., 2020. The Architecture of SARS-CoV-2 Transcriptome)。根據這項研究結果，這份《冠狀病毒19科學報告》介紹了SARS冠狀病毒-2的基因RNA是如何進行複製和擴增的，以及其包含的遺傳信息。並且為開發治療藥物，討論需要採取哪些戰略。
病毒的設計者，gRNA(基因 RNA)
SARS冠狀病毒-2粒子的大小約為0.1㎛（1微米為1米的百萬分之一），並且在由脂質膜和蛋白質構成的皮內有一個被稱為gRNA（基因RNA）的單鏈RNA。RNA如DNA一樣，是具有四種鹼基（A，U，G，C）的核苷酸聚合體。它所包含不同的信息，具體取決於由哪些鹼基以什麼順序排列。正如摩爾斯電碼包含兩種代碼，RNA編碼相當於用四種鹼基的遺傳信息進行加密。
SARS冠狀病毒-2的gRNA約有3萬個鹼基排列成一列。人類的RNA平均有3千個鹼基，HIV的RNA大約有10,000個鹼基。如此看來，
SARS冠狀病毒-2的gRNA是一個異常大的RNA。
病毒可以使用粒子表面的S蛋白與細胞表面的受體ACE2結合後進入細胞裡面。一旦成功侵入，構成病毒外殼的脂質膜和蛋白質就會脫離，並且從蛋白質外殼中釋放出的gRNA會變得非常繁忙。
gRNA要做的第一件事是產生一種能夠複製的酶(Sola et al., 2015, Ann. Rev. Virol)。為了生產酶，利用了生產宿主細胞的蛋白質的核糖體。病毒gRNA的前端三分之二處有一個稱為ORF的長基因。該基因產生的超長蛋白質具有將蛋白質切開的酶功能（稱為蛋白水解酶或蛋白質剪刀），可將其自身可切成16塊碎片。
SARS冠狀病毒-2入侵細胞後產生的RNA聚合酶在病毒生長中起關鍵作用。在複製大量的病毒基因組RNA（gRNA）的同時，轉錄亞基因組RNA（sgRNA）以創建病毒結構。
複製病毒的非結構蛋白（NSP）
這些稱為「非結構蛋白(nsp‧nonstructural protein)」的蛋白質片段，在宿主細胞內可主導病毒的複製。非結構蛋白像樂高塊一樣分為16塊之後，才能執行各自的任務。因此，如果抑制了這個分裂過程，也就限制了病毒的增殖。例如，卡萊特拉藥物（洛匹那韋和利託那韋的混合物）作為HIV中蛋白酶的抑制劑而開發的。卡萊特拉作為治療 SARS冠狀病毒-2的候選，對藥物進行臨床試驗，但是從目前的報導來看，很難期待很好的治療效果。為了開發專門用於 SARS冠狀病毒-2蛋白裂解酶的治療劑，而持續進行研究。最近，德國的一個研究小組使用X射線晶體學技術，揭示了病毒蛋白酶（Mpro）的結構，並提出了抑制這種酶的候選藥物（Zhang et al。，2020，Science）。
非結構蛋白之一的nsp12具有RNA聚合酶（ RdRP·RNA-dependent RNA Polymerase ）。(Snijder et al., Advances in Virus Research, 2016)。RNA聚合酶可以說是克隆機。它能夠大量複製病毒RNA，並產生轉錄本（基因用來產生蛋白質的介體）。RNA聚合酶使用單鏈gRNA作為主要物質來製造相反鏈。為了區分RNA鏈，把gRNA稱為雙性鏈RNA，另一側稱為陰性鏈RNA。陰性鏈RNA再次鑄造大量生產陽性鏈。經過該過程，即使單個gRNA進入細胞，也會產生成千上萬的後代gRNA。
因此，只要抑制RNA聚合酶，就可以有效地防止病毒增殖。目前正在進行臨床試驗的許多使用這種治療方案的候選藥物。瑞昔韋(remdesivir)是被開發為伊波拉病毒RNA聚合酶的解藥劑。阿維根(Avigan, 成分名稱為 Favipiravir)是抑制A型流感RNA聚合酶。雖在實驗管內,已證明阿維根 可有效抑制SARS冠狀病毒-2，但尚未證實其臨床治療效果。
病毒突變，不利或有利
在RNA合成過程中也會發生失誤。如果由於RNA聚合酶nsp12的功能異常而發生突變，則可能引起病毒生長問題，因此SARS冠狀病毒-2具有避免這種情況的裝置。RNA分解酶nsp14的作用類似於擦除並糾正錯位鹼基的橡皮擦。因為這不可能總是完美無缺，所以偶爾會發生變異。最近，我們的研究小組（IBS RNA研究小組）的研究中發現SARS冠狀病毒-2的RNA聚合酶可能會在非連續的RNA合成過程中，去除部分基因的事實。
這些突變大多數不利於病毒的生存。但是，在極少數情況下，它會增加病毒的感染力或越過物種之間的障礙（例如，從蝙蝠到人），從而增加病毒的生存能力和傳播能力。但是專家認為，短期流行中突變所產生的變體更具傳播能力的可能性極小。雖然有這樣一個流傳說，最近在歐洲流行的SARS冠狀病毒-2變體具有更高的致死率，但是因為這種說法沒有基於充分的分析，所以對此沒有必要過於擔心，。
但是，即使由於病毒的突變，而開發出疫苗或治療劑，其效果也可能低於預期。此外，新病毒株的出現可能會持續數年，甚至更長的時間，這需要持續的監測和響應。
亞基因RNA（sgRNA），可完成複製病毒的外觀和結構
到目前為止，我們已經了解了關於gRNA的複製。實際上，單獨的gRNA幾乎沒有感染力。需要包裹gRNA的「結構蛋白」和起輔助作用的「輔助蛋白」。為了產生這些蛋白質，病毒產生了幾個小的亞基因組RNA（sgRNA）。RNA聚合酶產生的轉錄本就是這種亞基因RNA。
在SARS冠狀病毒-2中，ORF1a基因形成一條較長的蛋白質鏈，並且該蛋白質鏈被分為多個非結構蛋白（NSP），之後病毒開始增殖（上圖）。以下圖是構成 SARS冠狀病毒-2的組成成分和結構的亞基因RNA（sgRNA），對此韓國基礎科學研究所RNA研究小組已鑑定出至少9種類型的sgRNA。
研究小組通過分析RNA序列，在宿主細胞中發現了新冠狀病毒-2產生的所有的RNA，並發現至少產生了9種類型的sgRNA(Kim et al., 2020)。先前說是存在10種類型的sgRNA，但實際上僅存在9種。這些是做為結構蛋白的核衣殼蛋白（N）、釘狀蛋白（S）、膜蛋白（M）和製成包膜蛋白（E）的SgRNA，以及使之形成輔助蛋白（ORF3a、ORF6、ORF7a、ORF7b、ORF8）的sgRNA等。
N sgRNA除了N蛋白之外，還可以製造稱為ORF9b的蛋白。最近還提出了一種治療方案，通過將釘狀蛋白轉變為水溶性重組蛋白來破壞病毒進入細胞的過程。除了釘狀蛋白之外，其他病毒蛋白也可能成為治療的靶標。下圖表整理了病毒蛋白的功能。由於對 SARS冠狀病毒-2的研究仍不完整，所以是根據對其他現有的冠狀病毒的研究進行了推斷。
迄今為止已鑑定出的SARS冠狀病毒-2蛋白的功能
通過此次研究除了發現上述9種sgRNA之外，還發現數十種之前未知的新sgRNA，並且發現某些RNA具有特定的化學標記（變形）。目前尚不知道新發現的 SARS冠狀病毒-2的特徵具有什麼意義，但是可以猜測這些是病毒生存的基本要素。它可用於病毒RNA的複製或可避免宿主細胞的免疫功能。希望對此進行進一步的研究以此揭示該病毒隱藏的弱點。
終結COVID-19需要持續不斷的基礎性研究
曾經冠狀病毒僅被認為是一種感冒性病毒而被忽略，然而到2002年出現SARS病毒，到2014年出現MERS病毒之後，如今已經出現引起了第三種致命性的傳染病新冠病毒-19（COVID-19）。而且，這種趨勢很可能不會是最後一次。鑑於快速的突變性和在宿主間良好轉移能力，可能會在幾年內再次出現另一種新型冠狀病毒。
當然，人類防護技術也是不簡單的。世界各地的許多科學家正在努力開發治療藥物和疫苗。但是，我們必須放下短期效應的期望。開發安全有效的治療藥物和疫苗是一項通常需要數年時間的非常艱巨的任務。人類仍然對新型冠狀病毒知之甚少。好比是正在與一個未知的敵人作戰。人類為贏得這場戰鬥，必須正確掌握敵人的特徵並找到可攻擊的「跟腱」即」軟肋」的方法。雖然已晚，但這就是為什麼我們應該專注於對冠狀病毒的基礎研究的理由。
1月份，由外國媒體報導的新冠狀病毒的消息非同尋常。2月份，韓國國內患者人數開始增加，根據在武漢發生的傳染情況和死亡率來看，認為這個疫情不會輕易過去。韓國基礎科學研究院RNA研究小組擁有世界上最好的RNA研究能力，並且一直在進行對各種病毒的研究。特別是，研究組成員生物信息學專家張惠植教授從數年前就引進並開發了分析RNA序列的技術，因此他早已做好分析冠狀病毒RNA基因組的準備。
研究小組收斂了通過研究小組所擅長的工作來幫助社會的意見。為獲取該病毒的樣本，研究基金會主席盧正熙和疾病控制與預防中心的負責人鄭恩京提供了幫助。在2月底收到樣本並開始實驗時，大邱的患者人數已經激增。當時所有的實驗非常緊迫而且不能有任何的失誤。第一個實驗是星期五晚上7點開始的。我看著負責該實驗的研究員Dongdong Kim（第一作者）以緊張的神情提取了病毒的RNA，從而為後面的實驗提供了幫助。在此之後，所有的團隊成員都沒有周末夜以繼日地工作，全神貫注於實驗和分析，以此他們可以在3月中旬就提交了論文。國際學術刊物《細胞》也迅速完成了同行評審和修訂過程，並於4月初刊登發表了該論文。
通常本應需要數月的才能完成的工作，但可以在如此短的時間內完成的原因是通過數年努力早已做好進行研究的準備。
最重要的是，因為研究組配備了最新的下一代分析基因序列的設備，並提前加入了優秀的科學家隊伍。而且科學技術政統部的支持是能夠運營近八年基礎科學研究院的堅實的基礎。傳染病疫情仍沒有結束。希望韓國能夠始終以紮實的基礎科學做好準備的國家。