武漢爆發(fā)的新型冠狀病毒的進(jìn)化及其對(duì)人類傳播風(fēng)險(xiǎn)的spike-蛋白的建模

Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission

Impact Factor：3.583

https:///10.1007/s11427-020-1637-5

發(fā)表日期：2020-01-21

第一作者：徐心恬¹,陳萍^2,5,王靖方³

通訊作者：郝沛([email protected])^1,5,李軒([email protected])²,鐘武⁴

合作作者：Jiannan Feng,Hui Zhou

主要單位：

¹中國科學(xué)院上海巴斯德研究所

²中科院分子植物卓越中心合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

⁴軍事醫(yī)學(xué)研究院國家應(yīng)急防控藥物工程技術(shù)研究中心

寫在前面

分享標(biāo)題：SCLS：新型冠狀病毒的前世今生及其傳染機(jī)制

關(guān)鍵字：新型冠狀病毒，RNA病毒,，spike基因，S-蛋白,，ACE2蛋白,，蝙蝠

點(diǎn)評(píng)：2020年1月21日,，中國科學(xué)院上海巴斯德研究所郝沛研究員,、軍事醫(yī)學(xué)研究院國家應(yīng)急防控藥物工程技術(shù)研究中心鐘武研究員和中科院分子植物卓越中心合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李軒研究員合作，在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中國科學(xué)：生命科學(xué)》英文版）,，在線發(fā)表了題為“Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission”的論文。該論文分析闡述了引起近期武漢地區(qū)肺炎疫情爆發(fā)的新型冠狀病毒的進(jìn)化來源,，及與導(dǎo)致2002年廣東“非典”疫情的SARS冠狀病毒、“中東呼吸綜合征”MERS冠狀病毒的遺傳進(jìn)化關(guān)系,，并通過對(duì)武漢的新型冠狀病毒spike-蛋白的結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算,，揭示了新型冠狀病毒spike-蛋白與人ACE2蛋白作用并介導(dǎo)傳染人的分子作用通路,。該成果評(píng)估了新型冠狀病毒的潛在人間傳染力，為盡快確認(rèn)傳染源和傳播途徑,、制定高效的防控策略提供了科學(xué)理論依據(jù),。

正文

武漢市衛(wèi)生委員會(huì)于2019年12月30日首次報(bào)告了中國湖北省武漢市集中性肺炎病例的發(fā)生。這些肺炎病例被發(fā)現(xiàn)與武漢一個(gè)大型海鮮和動(dòng)物市場(chǎng)有關(guān),，當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)迅速采取了衛(wèi)生和消毒措施。疾病預(yù)防控制中心（CDC）和中國衛(wèi)生部門后來確定并宣布，一種名為武漢冠狀病毒的新型冠狀病毒（CoV）引起了武漢市的肺炎暴發(fā),。來自多個(gè)小組的科學(xué)家從住院病人身上獲得了病毒樣本。在電子顯微鏡下觀察到分離的病毒形態(tài)完全相同,。

武漢CoV的一個(gè)基因組序列(wh_human_1)于2020年1月10日首次公布,，隨后又公布了另外五個(gè)武漢CoV的基因組序列,。當(dāng)前的公共衛(wèi)生突發(fā)事件在一定程度上類似于2002年中國南方爆發(fā)的非典,。這兩起病例都發(fā)生在冬季，最初的病例與接觸動(dòng)物市場(chǎng)上出售的活動(dòng)物有關(guān),，而且都是由此前未知的冠狀病毒引起的。截至2020年1月15日，共有40例經(jīng)實(shí)驗(yàn)室確認(rèn)的新型武漢冠狀病毒感染病例，其中1例死亡。雖然沒有人傳人的明顯證據(jù)報(bào)告,，但在中國香港、日本和泰國也有輸出病例,。

在當(dāng)前的公共衛(wèi)生緊急狀況下,，有必要了解武漢冠狀病毒的起源和原生宿主,，并評(píng)估這種新型冠狀病毒在物種間或人類之間傳播的公共健康風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這些與導(dǎo)致武漢暴發(fā)的病原體相關(guān)的重要問題,，我們首先比較了武漢冠狀病毒的基因組序列與已知感染人類的冠狀病毒,，即SARS-CoV和中東呼吸綜合征（MERS-CoV）。發(fā)現(xiàn)武漢CoV的6個(gè)基因組序列幾乎完全相同,。與SARS-CoV和MERS-CoV的基因組相比,，用作武漢冠狀病毒代表的WH-human_1基因組與SARS-CoV的基因組具有比MERS-CoV更好的序列同源性。武漢-human_1和SARS-CoV_Tor2之間的高序列多樣性主要表現(xiàn)在ORF1a和spike (S-protein)基因上,，而武漢-human_1和MERS-CoV之間的序列同源性普遍較差,。為了了解武漢冠狀病毒的起源及其與其他冠狀病毒的遺傳關(guān)系,，我們對(duì)來自不同來源的冠狀病毒序列進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析,。結(jié)果表明,，武漢地區(qū)的冠狀病毒在系統(tǒng)發(fā)育樹中呈聚類分布,，屬于Beta冠狀病毒屬(Betacoronavirus) (圖 1A),。Beta冠狀病毒屬是一種有包膜的單鏈RNA病毒,，可感染野生動(dòng)物，畜群和人類，導(dǎo)致偶發(fā)性疾病爆發(fā)，但更多時(shí)候感染后無明顯癥狀,。武漢CoV群位于SARS和類SARS冠狀病毒群中，蝙蝠冠狀病毒HKU9-1為最接近的外類群。它的內(nèi)部共同的鄰居是SARS或類SARS冠狀病毒,，包括感染人類的冠狀病毒(圖1A,，用紅星標(biāo)記)。大多數(shù)內(nèi)部共同的鄰居和外類群都在作為自然宿主的各類蝙蝠中有發(fā)現(xiàn),，例如Rousettus蝙蝠中的蝙蝠冠狀病毒HKU9-1和HKU3-1和Pipistrellus蝙蝠中的蝙蝠冠狀病毒HKU5-1,。因此，蝙蝠是武漢冠狀病毒的原生宿主,，這將是合乎邏輯且方便的推理,，盡管在蝙蝠向人類的傳播過程中仍然可能存在中間宿主。根據(jù)武漢CoVs獨(dú)特的系統(tǒng)發(fā)育位置,，它們可能與SARS/類SARS冠狀病毒共享一個(gè)共同的祖先,，類似于蝙蝠冠狀病毒HKU9-1。然而,，在它們進(jìn)化過程中頻繁的重組事件可能會(huì)使它們的路徑變得模糊,，這可以通過它們基因組之間的高同源序列斑塊來證明,。

圖 1 冠狀病毒的進(jìn)化分析和武漢CoV S-蛋白與人類ACE2蛋白相互作用的模型構(gòu)建

Evolutionary analysis of the coronaviruses and modeling of the Wuhan CoV S-protein interacting with human ACE2

(A)基于全基因組序列的冠狀病毒系統(tǒng)發(fā)育樹。使用RAxML和GTRGAMMA作為核苷酸取代模型并使用1000個(gè)自展,，通過最大似然法構(gòu)建該樹,。僅自展支持率≥50％的值顯示為實(shí)心圓。每個(gè)冠狀病毒的宿主都有相應(yīng)的輪廓,。已知的人類感染性β-冠狀病毒以紅色星號(hào)表示,。

(B) 冠狀病毒S蛋白R(shí)BD結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列比對(duì)。殘基442,、472,、479、487,、491(根據(jù)SARS-CoV S-protein序列編號(hào))是與人ACE2分子相互作用的重要?dú)埢?/p>

(C)以武漢CoV (WH-human_1為代表)S蛋白與人ACE2分子絡(luò)合的結(jié)構(gòu)模型,。中間面板:將武漢CoV s蛋白(棕色帶)模型與SARS CoV s蛋白(淡藍(lán)色帶)進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)接研究。人類ACE2的蛋白骨架結(jié)構(gòu)用洋紅色絲帶表示,。左面板：顯示了該區(qū)域用于S蛋白中的Arg426與ACE2中的Gln325 / Glu329之間的氫鍵相互作用,。相關(guān)的殘基以球和棒的形式表示。右面板：S-蛋白中的Tyr436與ACE2中的Asp38/Gln42之間的氫鍵相互作用如圖所示,。

總體而言,，武漢CoV與人感染SARS-CoV之間存在著相當(dāng)大的遺傳距離，與MERS-CoV之間的遺傳距離更大,。這一觀察結(jié)果提出了一個(gè)重要的問題,，即武漢CoV是否采用了與SARS-CoV或MERS-CoV用于跨物種/人類傳播相同的機(jī)制，還是涉及了一種新的,、不同的傳播機(jī)制,。

冠狀病毒的S蛋白分為兩個(gè)功能單位:S1和S2。S1通過與宿主受體結(jié)合促進(jìn)病毒感染,。它包含兩個(gè)域,，即N端結(jié)構(gòu)域和C端RBD結(jié)構(gòu)域，可直接與宿主受體相互作用,。為了研究武漢CoV及其宿主間的相互作用,，我們研究了其S蛋白的RBD域。與冠狀病毒ORF1a和ORF1b相比,，S蛋白通常具有最多的可變氨基酸序列,。然而，盡管武漢CoV S蛋白與SARS-CoV S蛋白總體同源性較低,，武漢CoV S蛋白在RBD區(qū)域有多個(gè)序列斑塊,，與SARS-CoV_Tor2和HP03-GZ01具有較高的同源性(圖 1B)。據(jù)報(bào)道,，SARS-CoV S蛋白中442,、472,、479、487和491位的殘基位于受體復(fù)雜界面,，被認(rèn)為對(duì)SARS-CoV的跨物種和人際傳播至關(guān)重要,。盡管武漢CoV s蛋白R(shí)BD區(qū)域存在高度保守的區(qū)域斑塊，但除了Tyr491外,，其余5個(gè)關(guān)鍵殘基中有4個(gè)未被保留 (圖 1B),。雖然取代氨基酸的極性和疏水性相似，但它們提出了一個(gè)嚴(yán)重的問題,，即武漢CoV是否會(huì)通過S-蛋白與ACE2結(jié)合而感染人類,，以及這種相互作用對(duì)人類傳播的風(fēng)險(xiǎn)有多大。注意到在RBD結(jié)構(gòu)域中,，MERS-CoV S蛋白與SARS-CoV S蛋白的同源性很小,，這是由于其S蛋白（人二肽基肽酶4（DPP4））的結(jié)合靶點(diǎn)不同。

為了回答這些嚴(yán)重的問題并評(píng)估武漢CoV的人類傳播風(fēng)險(xiǎn),，我們對(duì)其S蛋白進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，并評(píng)估了其與人類ACE2分子相互作用的能力,?；谟?jì)算機(jī)指導(dǎo)的同源性建模方法，以SARS冠狀病毒S蛋白（PDB登錄號(hào)：6ACD）的晶體結(jié)構(gòu)為模板,，通過Swiss-model構(gòu)建武漢冠狀病毒S蛋白的結(jié)構(gòu)模型,。注意到，武漢-CoV和SARS-CoV S蛋白之間的氨基酸序列相似性為76.47％,。然后根據(jù)SARS-CoV S-蛋白 RBD域與其受體ACE2 (PDB密碼:2AJF)的晶體結(jié)構(gòu),，通過結(jié)構(gòu)疊加和分子剛性對(duì)接對(duì)武漢CoV S-protein與人ACE2結(jié)合的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模(圖 1C)。

武漢冠狀病毒S蛋白（以WH-human_1序列為代表）的計(jì)算模型顯示,，與SARS-冠狀病毒S蛋白結(jié)構(gòu)相比,，RBD結(jié)構(gòu)域的CαRMSD為1.45?(圖 1C)。MOE2019用Amber ff14SB力場(chǎng)參數(shù)計(jì)算了S蛋白與人ACE2結(jié)合復(fù)合物的結(jié)合自由能,。武漢冠狀病毒S蛋白與人ACE2之間的結(jié)合自由能為-50.6 kcal mol^-1,，而SARS-冠狀病毒S蛋白與ACE2之間的結(jié)合自由能為-78.6 kcal mol^-1。-10 kcal mol^-1通常被認(rèn)為是有意義的,。由于武漢CoVS蛋白中Arg426被Asn426取代而失去了氫鍵相互作用,，所以武漢CoV s蛋白的結(jié)合自由能比SARS-CoV s蛋白的結(jié)合增加了28 kcal mol^-1。武漢CoV S蛋白雖然相對(duì)較弱,，但被認(rèn)為與人ACE2具有很強(qiáng)的結(jié)合親和力,。因此，令我們驚訝的是,，盡管替換了五個(gè)重要的界面氨基酸殘基中的四個(gè),，但武漢CoV S蛋白被發(fā)現(xiàn)與人ACE2具有顯著的結(jié)合親和力,。進(jìn)一步觀察，武漢CoV S-蛋白中442,、472,、479和487位點(diǎn)的取代殘基并沒有改變結(jié)構(gòu)確證。武漢CoV S蛋白和SARS-CoV S蛋白在RBD域中具有幾乎相同的三維結(jié)構(gòu),，因此在相互作用界面上保持了相似的范德華力和靜電性質(zhì),。

綜上所述，我們的分析表明,，武漢CoV與SARS/類SARS的冠狀病毒有一個(gè)共同的祖先,，與蝙蝠冠狀病毒HKU9-1相似。我們的工作指出了一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn),，武漢CoV S蛋白的RBD域支持與人類ACE2分子的強(qiáng)相互作用,，盡管它與SARS-CoV S蛋白的序列存在多樣性。因此,，武漢CoV通過S-蛋白ACE2結(jié)合途徑對(duì)人類傳播構(gòu)成了重大的公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn),。還需要提醒人們，冠狀病毒跨物種傳播或人類間傳播的風(fēng)險(xiǎn)和動(dòng)態(tài)也受許多其他因素的影響,，例如宿主的免疫反應(yīng),，病毒復(fù)制效率或病毒突變率。

編譯：馬騰飛 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)

責(zé)編：劉永鑫 中科院遺傳發(fā)育所

Reference

Xintian Xu, Ping Chen, Jingfang Wang, Jiannan Feng,Hui Zhou, Xuan Li, Wu Zhong,Pei Hao. Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission.SCIENCE CHINA Life  doi: https:///10.1007/s11427-020-1637-5

新型冠狀病毒的進(jìn)化來源和傳染人的分子作用通路