文章基本信息
| 文章题目 | Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission |
| 中文题目 | 来自正在发生的武汉疫情的新型冠状病毒的进化和对其刺突蛋白的建模分析 |
| 期刊名 | Science China Life Sciences |
| 作者 | Xintian Xu, Ping Chen, Jingfang Wang, Jiannan Feng, Hui Zhou, Xuan Li, Wu Zhong & Pei Hao |
| 发表时间 | 2020年1月21日 |
| 作者单位 | 中国科学院上海巴斯德研究所分子病毒学与免疫学重点实验室；中国科学院分子植物科学卓越创新中心、合成生物学重点实验室；上海交通大学系统生物医学研究院、系统生物医学教育部重点试验室；军事医学研究院国家应急防控药物工程技术研究中心；感染与免疫联合项目、a.广州医科大学广州妇女儿童医疗中心，b. 中国科学院上海巴斯德研究所 |
2019年12月30日，中国湖北省武汉市卫生健康委员会首次通报了密集的肺炎病例(WHO, 2020)。这些肺炎病例被发现与武汉一个大型海鲜和动物市场有关，并且当地政府已经迅速采取了卫生和消毒措施。疾控中心和中国卫生主管部门随后确认并宣布一种新的冠状病毒（CoV）——武汉冠状病毒（Wuhan CoV），导致了武汉的肺炎爆发(CDC, 2020)。多个团队的科学家们已经从收治的病人身上分离得到了病毒样本(Normile, 2020)。在电子显微镜下观察发现分离的病毒都表现出相同的形态学特征。
第一个武汉冠状病毒的基因组序列（WH-Human_1）在2020年1月10日发布，随后又发布了另外5个武汉冠状病毒基因组序列(Zhang, 2020; Shu and McCauley, 2017) (补充信息中的附表1)。目前这一突发的公共卫生事件有些类似于2002年中国南部的SARS爆发。二者均发生在冬天，且初始病例都有售卖野生动物市场的暴露史，且二者都是由此前未知的冠状病毒导致。截至2020年1月15日，已经有至少40例经实验室证实的新型武汉冠状病毒感染病例，其中死亡一例。尽管没有明显的人传人的证据，但在中国香港，日本和泰国均有输出型病例被报道。
在目前的突发公共卫生事件下，迫切的需要了解武汉冠状病毒的起源和原宿主，并且来评估这种新型冠状病毒跨物种或人际传播对公共健康的威胁。为了解决这些与导致武汉疫情爆发的病原体相关的重要问题，我们最初将武汉冠状病毒的基因组序列与其他已知的能够感染人类的SARS冠状病毒和中东呼吸综合症（MERS）冠状病毒进行了比较。6个武汉冠状病毒的基因组序列几乎相同（图S1A）。当与SARS冠状病毒和MERS冠状病毒进行比较时，将WH-human_1基因组作为武汉冠状病毒的代表，相比MERS冠状病毒，它与SARS冠状病毒具有更高的序列同源性（图S1B）。WH-human_1和SARSCoV_Tor2之间的高序列多样性主要位于ORF1a和spike基因(编码S蛋白)，而WH-human_1与MERS-CoV之间的序列同源性则总体较低。
图S1. 6个武汉冠状病毒基因组序列及其与感染人的SARS冠状病毒和MERS冠状病毒的序列相似性分析。
A. 5个武汉冠状病毒基因组 (GISAID Accession ID: EPI_ISL_402120, EPI_ISL_402119, EPI_ISL_402121, EPI_ISL_402124, EPI_ISL_402123, EPI_ISL_402125; www.gisaid.org)与WH-Human_1基因组(Genbank No: MN908947:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MN908947.2/)相比。开放读码框（ORF）区域用灰色方框在上方表示。单核苷酸变异（SNVs）用NCBI比对工具(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)完成。SNV用红色的线标记，插入或缺失位点用蓝色的条表示。Wuhan/IVDCHB05/2019_EPI_ISL_402121基因组中更频繁的单核苷酸变异似乎是由测序数据质量较低造成。
B. 武汉冠状病毒基因组与SARS冠状病毒和MERS冠状病毒基因组的相似性展示。分析用Kimura两参数模型，窗口大小1000 bp，步长200 bp。注意：WH-Human_1基因组(GenBank No: MN908947)与我们在补充信息的附表1中致谢的EPI_ISL_402125序列相同。
为了了解武汉冠状病毒的起源及其与其他冠状病毒的亲缘关系，我们对多种来源收集到的冠状病毒序列进行了系统进化分析。结果显示武汉冠状病毒在进化树上聚类在一起，并属于Beta冠状病毒属（图1A）。Beta冠状病毒是有衣壳包被的单链（正）链RNA病毒，能够感染野生动物，畜群和人，并导致偶然的爆发及通常没有明显症状的感染。武汉冠状病毒群在SARS/SARS样冠状病毒群旁边，而蝙蝠冠状病毒HKU9-1是紧挨着的外围分支。武汉冠状病毒群在Beta冠状病毒属内紧挨着SARS或SARS样冠状病毒，包括能够感染人类的几种（图1A，红色星号标记）。大多数属内邻近的和外围分支的病毒都是以各种蝙蝠作为天然宿主，如蝙蝠冠状病毒HKU9-1 和HKU3-1来自果蝠属蝙蝠，HKU5-1来自伏翼属蝙蝠。因此，蝙蝠作为武汉冠状病毒的原宿主是符合逻辑且合适的推论，尽管在从蝙蝠到人的传播中似乎仍有中间宿主。基于武汉冠状病毒独特的进化位置，它似乎与SARS/SARS样冠状病毒具有一个共同的类似蝙蝠冠状病毒HKU9-1的祖先。然而，在它们进化过程中频繁的重组事件可能模糊了其进化路线，其基因组中高度同源序列上的片段证实了这一点（图S1B）。
图1.冠状病毒的进化分析及武汉冠状病毒S蛋白与人ACE2蛋白互作的建模。
A. 基于全长基因组序列的冠状病毒进化树。该进化树用最大似然法采用RAxML和GTRGAMMA（广义时间可逆模型加伽玛分布）作为核苷酸替换模型及1000次重复抽样检验的自引导值。只有自引导值大于等于50%的展示在了实心圆环中。每种冠状病毒的宿主用相应的轮廓进行了标记。已知的感染人的Beta冠状病毒都用红色星号进行了标记。
总的来说，武汉冠状病毒与感染人的SARS冠状病毒之间有相当的遗传距离，并且它与MERS冠状病毒之间的遗传距离更大。这一发现提出了一个重要的问题：武汉冠状病毒是否采取了和SARS冠状病毒或MERS冠状病毒同样的机制来进行跨物种传播，还是采用了一种新的不同的机制进行传播？
冠状病毒的S蛋白分为2个功能单位，S1和S2。S1通过结合到宿主受体上有助于病毒感染。它由2个结构域组成，N端结构域和C端直接结合宿主受体的受体结合结构域（RBD）(Li, 2012)。为了研究武汉冠状病毒与其宿主之间的互作，我们察看了其S蛋白的受体结合结构域。与冠状病毒的ORF1a 和ORF1b比起来，已知S蛋白通常具有最多变的氨基酸序列(Hu et al., 2017)。然而，尽管武汉冠状病毒S蛋白与SARS冠状病毒之间表现出整体的低同源性，但武汉冠状病毒S蛋白的受体结合结构域中有一些片段的序列与SARS-CoV_Tor2和HP03-GZ01高度同源(图1B)。已报道SARS冠状病毒S蛋白第442，472，479，487和491位的氨基酸位于受体复合物的结合位点上并且被认为对于SARS冠状病毒的跨物种和人际传播至关重要(Li et al., 2005)。即使是武汉冠状病毒S蛋白受体结合结构域中高度保守区域的片段中，上述5个至关重要的氨基酸中有4个不保守，除了第491位酪氨酸以外(图1B)。尽管替代的氨基酸的极性和疏水性与原来的氨基酸类似，但也提出了一个严肃的问题，关于武汉冠状病毒是否能够通过其S蛋白结合到人的ACE2蛋白来感染人类？以及该结合对人类传播而言风险有多大？需要注意的是，MERS冠状病毒S蛋白的受体结合结构域表现出与SARS冠状病毒极低的同源性，因为MERS冠状病毒S蛋白的结合靶标不同，它结合人二肽基肽酶4 (DPP4) (Raj et al., 2013)。
B. 冠状病毒S蛋白受体结合结构域的氨基酸序列比对。第442，472，479，487和491位（数字标记基于SARS冠状病毒S蛋白序列）氨基酸是与人ACE2蛋白分子互作的关键氨基酸。
C. 武汉冠状病毒(以WH-human_1 为代表) S蛋白与人ACE2蛋白分子互作的结构建模。中间部分：武汉冠状病毒S蛋白（棕色带状）模型与SARS冠状病毒S蛋白结构模板（浅蓝色带状）重叠。人ACE2的蛋白骨架结构用紫红色带状表示。左边部分：展示的是S蛋白第426位精氨酸与ACE2蛋白第325位谷氨酰胺/329位谷氨酸之间的氢键结合。相关的氨基酸用球和棍表示。右边部分：展示的是S蛋白第436位酪氨酸与ACE2蛋白第38位天冬氨酸/42位谷氨酰胺之间的氢键结合。
为了回答这些严肃的问题并评估武汉冠状病毒的人际传播风险，我们对其S蛋白进行了结构建模并且评估了它与人ACE2蛋白分子互作的能力。基于计算机辅助的同源建模方法，用Swiss-model使用SARS冠状病毒S蛋白的晶体结构(PDB accession: 6ACD) 作为模板构建了武汉冠状病毒S蛋白的结构模型(Schwede et al., 2003)。需要注意的是武汉冠状病毒和SARS冠状病毒S蛋白的氨基酸序列有76.47%是相同性。根据SARS冠状病毒S蛋白受体结合结构域（RBD）与其受体人ACE2蛋白(PDB code: 2AJF)互作的晶体结构，对武汉冠状病毒S蛋白结合与人ACE2蛋白的3-D形成的复合物结构进行了建模，使用了结构重叠和分子刚性对接方法(Li et al., 2005)(图1C)。
武汉冠状病毒S蛋白（以WH-human_1 序列为代表）的计算机模型显示，与SARS冠状病毒S蛋白的结构相比，它在受体结合结构域上的Cα均方根偏差（RMSD）为1.45 Å (图1C)。用MOE 2019 和amber ff14SB力场参数计算了S蛋白结合到人ACE2蛋白形成复合物的结合自由能(Maier et al., 2015)。武汉冠状病毒S蛋白和人ACE2蛋白的结合自由能是–50.6 kcal mol–1，而SARS冠状病毒S蛋白与人ACE2蛋白是–78.6 kcal mol–1。数值达到–10 kcal mol–1已经通常被认为是有意义的。由于武汉冠状病毒S蛋白在第426位氨基酸位置上用天冬酰胺（Asn426）代替了精氨酸（Arg426）所导致的氢键互作的丧失，使得武汉冠状病毒S蛋白的结合自由能与SARS冠状病毒S蛋白相比增加了28 kcal mol–1。尽管相对弱一些，武汉冠状病毒S蛋白可以被认为对人ACE2蛋白具有强结合力。让我们感到吃惊的是，尽管替换了5个关键的结合位点氨基酸中的4个，武汉冠状病毒S蛋白还是被发现对人ACE2蛋白具有显著的结合亲和力。更仔细的查看发现，武汉冠状病毒S蛋白中第442，472，479和 487位替换的氨基酸没有改变结构构象。武汉冠状病毒S蛋白和SARS冠状病毒S蛋白的受体结合结构域具有几乎相同的3-D结合结构，因此在互作表面上维持类似的范德瓦尔斯力和静电特性。
总而言之，我们的分析显示武汉冠状病毒与SARS/SARS样本冠状病毒具有一个共同的类似蝙蝠冠状病毒HKU9-1的祖先。我们的工作指出尽管武汉冠状病毒S蛋白与SARS冠状病毒S蛋白之间存在序列差异，但其受体结合结构域仍然能支持其与人ACE2蛋白分子发生较强的互作。因此，武汉冠状病毒通过其S蛋白-与人的ACE2受体结合的途径引出了人际传播的严重的公共健康威胁。民众也需要被提醒冠状病毒的跨物种传播或人传人的风险和动力学也受到许多其他因素的影响，如宿主的免疫反应，病毒的复制效率或病毒的突变速率。
因为译者能力和知识范围的局限，本文的翻译难免有不到位和错误的地方，欢迎各位读者留言讨论、批评和指正。译者会根据读者的讨论和建议及时更新。本系列翻译旨在尽一点微薄之力支持大众的“抗疫”行动和国家的“抗疫”决策。
译者 | 汪雪莲
编辑 | 日月明
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