武漢爆發(fā)的新型冠狀病毒的進化及其對人類傳播風險的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(phao@ips.ac.cn)^1,5,李軒(lixuan@sippe.ac.cn)²,鐘武⁴

合作作者：Jiannan Feng,Hui Zhou

主要單位：

¹中國科學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重點實驗室

⁴軍事醫(yī)學研究院國家應急防控藥物工程技術研究中心

寫在前面

分享標題：SCLS：新型冠狀病毒的前世今生及其傳染機制

關鍵字：新型冠狀病毒，RNA病毒，spike基因，S-蛋白，ACE2蛋白，蝙蝠

點評：2020年1月21日，中國科學院上海巴斯德研究所郝沛研究員、軍事醫(yī)學研究院國家應急防控藥物工程技術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重點實驗室李軒研究員合作，在SCIENCE CHINA Life Sciences（《中國科學：生命科學》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化來源，及與導致2002年廣東“非典”疫情的SARS冠狀病毒、“中東呼吸綜合征”MERS冠狀病毒的遺傳進化關系，并通過對武漢的新型冠狀病毒spike-蛋白的結構模擬計算，揭示了新型冠狀病毒spike-蛋白與人ACE2蛋白作用并介導傳染人的分子作用通路。該成果評估了新型冠狀病毒的潛在人間傳染力，為盡快確認傳染源和傳播途徑、制定高效的防控策略提供了科學理論依據(jù)。

正文

武漢市衛(wèi)生委員會于2019年12月30日首次報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)與武漢一個大型海鮮和動物市場有關，當?shù)卣畽C構迅速采取了衛(wèi)生和消毒措施。疾病預防控制中心（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)。來自多個小組的科學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武漢CoV的基因組序列。當前的公共衛(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物市場上出售的活動物有關，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)實驗室確認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)報告，但在中國香港、日本和泰國也有輸出病例。

在當前的公共衛(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險。為了解決這些與導致武漢暴發(fā)的病原體相關的重要問題，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系，我們對來自不同來源的冠狀病毒序列進行了系統(tǒng)發(fā)育分析。結果表明，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，可感染野生動物，畜群和人類，導致偶發(fā)性疾病爆發(fā)，但更多時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，用紅星標記)。大多數(shù)內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冠狀病毒共享一個共同的祖先，類似于蝙蝠冠狀病毒HKU9-1。然而，在它們進化過程中頻繁的重組事件可能會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 冠狀病毒的進化分析和武漢CoV S-蛋白與人類ACE2蛋白相互作用的模型構建

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個自展，通過最大似然法構建該樹。僅自展支持率≥50％的值顯示為實心圓。每個冠狀病毒的宿主都有相應的輪廓。已知的人類感染性β-冠狀病毒以紅色星號表示。

(B) 冠狀病毒S蛋白RBD結構域的氨基酸序列比對。殘基442、472、479、487、491(根據(jù)SARS-CoV S-protein序列編號)是與人ACE2分子相互作用的重要殘基。

(C)以武漢CoV (WH-human_1為代表)S蛋白與人ACE2分子絡合的結構模型。中間面板:將武漢CoV s蛋白(棕色帶)模型與SARS CoV s蛋白(淡藍色帶)進行結構對接研究。人類ACE2的蛋白骨架結構用洋紅色絲帶表示。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之間存在著相當大的遺傳距離，與MERS-CoV之間的遺傳距離更大。這一觀察結果提出了一個重要的問題，即武漢CoV是否采用了與SARS-CoV或MERS-CoV用于跨物種/人類傳播相同的機制，還是涉及了一種新的、不同的傳播機制。

冠狀病毒的S蛋白分為兩個功能單位:S1和S2。S1通過與宿主受體結合促進病毒感染。它包含兩個域，即N端結構域和C端RBD結構域，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)域有多個序列斑塊，與SARS-CoV_Tor2和HP03-GZ01具有較高的同源性(圖 1B)。據(jù)報道，SARS-CoV S蛋白中442、472、479、487和491位的殘基位于受體復雜界面，被認為對SARS-CoV的跨物種和人際傳播至關重要。盡管武漢CoV s蛋白RBD區(qū)域存在高度保守的區(qū)域斑塊，但除了Tyr491外，其余5個關鍵殘基中有4個未被保留 (圖 1B)。雖然取代氨基酸的極性和疏水性相似，但它們提出了一個嚴重的問題，即武漢CoV是否會通過S-蛋白與ACE2結合而感染人類，以及這種相互作用對人類傳播的風險有多大。注意到在RBD結構域中，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））的結合靶點不同。

為了回答這些嚴重的問題并評估武漢CoV的人類傳播風險，我們對其S蛋白進行了結構建模，并評估了其與人類ACE2分子相互作用的能力?；谟嬎銠C指導的同源性建模方法，以SARS冠狀病毒S蛋白（PDB登錄號：6ACD）的晶體結構為模板，通過Swiss-model構建武漢冠狀病毒S蛋白的結構模型。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)的晶體結構，通過結構疊加和分子剛性對接對武漢CoV S-protein與人ACE2結合的三維復雜結構進行建模(圖 1C)。

武漢冠狀病毒S蛋白（以WH-human_1序列為代表）的計算模型顯示，與SARS-冠狀病毒S蛋白結構相比，RBD結構域的CαRMSD為1.45?(圖 1C)。MOE2019用Amber ff14SB力場參數(shù)計算了S蛋白與人ACE2結合復合物的結合自由能。武漢冠狀病毒S蛋白與人ACE2之間的結合自由能為-50.6 kcal mol^-1，而SARS-冠狀病毒S蛋白與ACE2之間的結合自由能為-78.6 kcal mol^-1。-10 kcal mol^-1通常被認為是有意義的。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蛋白的結合自由能比SARS-CoV s蛋白的結合增加了28 kcal mol^-1。武漢CoV S蛋白雖然相對較弱，但被認為與人ACE2具有很強的結合親和力。因此，令我們驚訝的是，盡管替換了五個重要的界面氨基酸殘基中的四個，但武漢CoV S蛋白被發(fā)現(xiàn)與人ACE2具有顯著的結合親和力。進一步觀察，武漢CoV S-蛋白中442、472、479和487位點的取代殘基并沒有改變結構確證。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構，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。

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結合途徑對人類傳播構成了重大的公共衛(wèi)生風險。還需要提醒人們，冠狀病毒跨物種傳播或人類間傳播的風險和動態(tài)也受許多其他因素的影響，例如宿主的免疫反應，病毒復制效率或病毒突變率。

編譯：馬騰飛 南京農(nóng)業(yè)大學

責編：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

新型冠狀病毒的進化來源和傳染人的分子作用通路