作者      郭曉強(qiáng)

2019年12月起，全球爆發(fā)一種嚴(yán)重的傳染性肺炎——新型冠狀病毒肺炎，簡稱新冠肺炎（novel coronavirus pneumonia, NCP）。隨后世衛(wèi)組織將此病正式命名為2019新型冠狀病毒?。╟oronavirus disease 2019, COVID-19）。此病患者通常表現(xiàn)出發(fā)熱和干咳的典型癥狀，此外還會(huì)伴隨疲勞、頭痛等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)呼吸急促或困難，甚至死亡 ^[1]。截至2020年5月中旬，全球已有逾400萬新冠肺炎感染者，其中30萬患者死亡，給人類健康、生活以及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等均帶來災(zāi)難性影響。這是進(jìn)入20世紀(jì)以來、繼2003年嚴(yán)重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome, SARS）和中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome, MERS）以后更為嚴(yán)重的肺部傳染病。

新冠肺炎的元兇：新型冠狀病毒

科學(xué)家迅速著手，不久就確定了新冠肺炎的致病元兇。跟SARS和MERS的致病原一樣，新冠肺炎也是由于一種冠狀病毒，最初命名為2019新型冠狀病毒（2019 new coronavirus,2019-nCoV） ^[2,3]，后發(fā)現(xiàn)與SARS-冠狀病毒（SARS-CoV）具有較高保守性（結(jié)構(gòu)相似和相關(guān)性），遂更名為SARS-CoV-2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2）。SARS-CoV-2的鑒定，為解決新冠肺炎的防治問題指明了重要方向。

SARS-CoV-2病毒擁有一個(gè)較為“漂亮”的外表，外面是保障病毒完整性的包膜結(jié)構(gòu)（envelope），內(nèi)含負(fù)責(zé)病毒傳宗接代的遺傳物質(zhì)——正鏈RNA。病毒包膜上還點(diǎn)綴有3種重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，分別是刺突蛋白（spike, S）、包膜蛋白（envelope, E）和膜蛋白（membrane, M），病毒正鏈RNA還結(jié)合核衣殼蛋白（nucleocapsid, N），這些成分構(gòu)成SARS-CoV-2的全部結(jié)構(gòu)。

相對(duì)于細(xì)菌和真菌等尚可獨(dú)立生存的微生物，病毒是完全寄生的，必須借助宿主細(xì)胞才可以生存和繁衍下去。病毒的生活史非常“簡單”，概括而言就是 “兩點(diǎn)一線”：“兩點(diǎn)”就是病毒在其宿主的細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)，“一線”就是病毒出入細(xì)胞的過程。SARS-CoV-2也不例外，它需要找到適合自己生存的宿主細(xì)胞，以完成自己“繁衍生息”的使命。因此，相應(yīng)的防治策略就是阻礙每一個(gè)關(guān)鍵過程的發(fā)生，而阻斷病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞是至關(guān)重要的。

開啟宿主細(xì)胞之門的鑰匙：刺突蛋白

SARS-CoV-2若感染細(xì)胞，首先需要自身的蛋白質(zhì)發(fā)揮作用，而這個(gè)關(guān)鍵因素是刺突蛋白。SARS-CoV-2刺突蛋白的一端插入病毒包膜內(nèi)，而大部分位于病毒外側(cè)。正常情況下，三個(gè)刺突蛋白形成一個(gè) “冠狀”結(jié)構(gòu)，這也是SARS-CoV-2得名的原因所在。

刺突蛋白可進(jìn)一步分為S1和S2兩部分。S1位于遠(yuǎn)病毒端（蛋白質(zhì)的N端），含有一個(gè)關(guān)鍵的受體結(jié)合區(qū)（receptor-binding domain, RBD），負(fù)責(zé)跟宿主細(xì)胞表面的特定蛋白質(zhì)（稱為受體）進(jìn)行特異性結(jié)合與識(shí)別；S2位于近病毒端（蛋白質(zhì)的C端），含有一個(gè)重要的融合肽區(qū)（fusion peptide, FP），對(duì)病毒包膜與宿主細(xì)胞膜融合至關(guān)重要；兩者之間還擁有一個(gè)酶切位點(diǎn)，稱為分開點(diǎn)。因?yàn)镾1和S2的功能是依序進(jìn)行，所以S1執(zhí)行功能后必須在分開點(diǎn)與S2斷開，才可保證S2功能的完成 ^[4,5]。

SARS-CoV-2的刺突蛋白和SARS-CoV的刺突蛋白，結(jié)構(gòu)大同小異，相同之處決定二者采取相似的感染機(jī)制，而不同之處則展示出二者在傳染能力上的些許差異。例如，SARS-CoV-2的S1片段部分氨基酸出現(xiàn)變化，導(dǎo)致與宿主細(xì)胞受體的結(jié)合能力增加；SARS-CoV-2還引入新的分開點(diǎn)，使S1和S2更容易分離，這一特性造成病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的能力大大增加。因此相較于SARS-CoV，SARS-CoV-2通過變異獲得兩大能力：與宿主細(xì)胞的受體親和力更強(qiáng)，隨后的膜融合性也更佳。這或許就是新冠肺炎傳染性強(qiáng)的原因之一。

病毒侵染宿主細(xì)胞，具有嚴(yán)格的選擇性，否則病毒的危害會(huì)無比巨大。SARS-CoV-2若要進(jìn)入宿主，僅有刺突蛋白還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要宿主細(xì)胞受體蛋白質(zhì)予以協(xié)助才可能完成，該策略可稱為“里應(yīng)外合”，而發(fā)揮“內(nèi)應(yīng)”作用的是一種被稱為血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（angiotensin-converting enzyme 2, ACE2）的蛋白質(zhì)。

要理解ACE2正常作用，首先要熟悉腎素—血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system, RAS）。當(dāng)機(jī)體血壓降低時(shí)，腎臟細(xì)胞會(huì)分泌腎素。腎素本身并不具備升高血壓的能力，它需要將肝臟合成的無活性血管緊張素前體分子轉(zhuǎn)化為血管緊張素Ⅰ。血管緊張素Ⅰ有一定的降血壓活性，但作用較弱，因此要在肺部被血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）催化，進(jìn)一步生成血管緊張素Ⅱ。血管緊張素Ⅱ具有強(qiáng)烈的升血壓活性，但如果過量通常會(huì)引發(fā)高血壓，因此臨床上常用ACE抑制劑如依那普利和卡托普利等，通過減少血管緊張素Ⅱ的生成來治療高血壓。

這個(gè)腎素—血管緊張素系統(tǒng)看起來有一個(gè)明顯“瑕疵”，那就是它只管升高壓，而在理論上，機(jī)體還應(yīng)該存在一個(gè)降血壓機(jī)制，以維持正常的血壓水平。2000年ACE2的發(fā)現(xiàn)，使該問題得到很好的解答。ACE2可催化血管緊張素Ⅱ進(jìn)一步水解，使其升血壓活性減弱甚至消失，從而保障機(jī)體血壓的相對(duì)穩(wěn)定。ACE2在肺泡上皮細(xì)胞、小腸表面腸上皮細(xì)胞、心和腎的內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞中廣泛存在，因此具有重要生物學(xué)功能。

正值A(chǔ)CE2調(diào)節(jié)血壓的生物學(xué)作用被全面研究之時(shí)，一次突發(fā)事件改變了研究方向。2003年爆發(fā)SARS疫情，而2004年就確定了ACE2的另一重身份——作為SARS-CoV刺突蛋白受體，協(xié)助病毒進(jìn)入細(xì)胞。因此，一個(gè)原本對(duì)機(jī)體有益的分子，卻被病毒“劫持”，成為病毒進(jìn)入細(xì)胞的幫兇，起到助紂為虐的作用。新冠肺炎暴發(fā)后，ACE2再一次被鑒定為SARS-CoV-2刺突蛋白受體 ^[6-8]，起協(xié)助病毒進(jìn)入的作用。

ACE2和病毒的刺突蛋白結(jié)構(gòu)類似，也屬Ⅰ型跨膜蛋白，即蛋白質(zhì)N端在細(xì)胞外，C端在細(xì)胞內(nèi)，靠近C端有一個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)，保障ACE2定位于細(xì)胞膜。ACE2大部分結(jié)構(gòu)位于細(xì)胞外，包括催化血管緊張素Ⅱ轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)域（指的是活性部位），當(dāng)然也包含被刺突蛋白識(shí)別的區(qū)域。

ACE2可與SARS-CoV-2刺突蛋白受體結(jié)合區(qū)發(fā)生特異性識(shí)別與結(jié)合，這種結(jié)合的緊密程度遠(yuǎn)大于ACE2與SARS-CoV刺突蛋白，因而更加有利于病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞。

SARS-CoV-2刺突蛋白與ACE2結(jié)合，僅僅完成病毒侵染細(xì)胞的第一步；尚需后續(xù)一系列操作，病毒才可最終進(jìn)入宿主細(xì)胞。

刺突蛋白與ACE2精準(zhǔn)結(jié)合，可啟動(dòng)宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜內(nèi)陷，從而將病毒團(tuán)團(tuán)包圍，形成一個(gè)內(nèi)吞體。因完整刺突蛋白的空間位阻妨礙宿主細(xì)胞膜和病毒包膜靠近，故需特定蛋白酶的輔助，著名的如跨膜絲氨酸蛋白酶2（transmembrane protease serine 2, TMPRSS2）等將S1和S2之間“剪開” ^[9]，暴露出融合肽區(qū)。融合肽可插入宿主細(xì)胞膜，并牽引病毒包膜靠近，最終實(shí)現(xiàn)膜融合。由于SARS-CoV-2獲得了一個(gè)新的蛋白酶酶切位點(diǎn)，因此極大地增加了S2的暴露能力和隨后的膜融合效率。接著，作為病毒遺傳物質(zhì)的正鏈RNA釋放到宿主細(xì)胞內(nèi)，借助宿主的翻譯機(jī)制、合成原料等進(jìn)行病毒繁殖，條件成熟后釋放出大量子代SARS-CoV-2，開啟對(duì)宿主細(xì)胞的新一輪感染。

ACE2可在肺氣道上皮細(xì)胞、肺泡上皮細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等多處表達(dá)，因此對(duì)肺的作用尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，如破壞小鼠肺部ACE2的功能，則喪失對(duì)急性肺損傷的保護(hù)。ACE2協(xié)助SARS-CoV-2進(jìn)入肺部特定細(xì)胞，可造成兩個(gè)嚴(yán)重后果。一方面把病毒放入細(xì)胞，使細(xì)胞成為病毒繁殖的溫床，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，可謂“引火燒身”，而更為嚴(yán)重的是，還可以進(jìn)一步感染其他細(xì)胞，引發(fā)連鎖反應(yīng)；另一方面ACE2自身會(huì)被破壞，無法完成原本應(yīng)該執(zhí)行的正常功能（如降血壓等），可謂“擅離職守”，最終造成嚴(yán)重的后果，包括肺泡上皮受損、呼吸功能障礙、肺器官衰竭等臨床表現(xiàn)。

對(duì)侵染的防治策略

對(duì)SARS-CoV-2進(jìn)入細(xì)胞的過程開展研究，目的在于開發(fā)特異性的防治策略。由于病毒進(jìn)入是SARS-CoV-2感染環(huán)節(jié)的第一步，因此在這個(gè)環(huán)節(jié)上采取干預(yù)措施更為有效，基本策略如下：

阻礙SARS-CoV-2刺突蛋白靠近ACE2

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可以通過多種手段。首先，可制備人源化SARS-CoV-2刺突蛋白單克隆抗體應(yīng)用于臨床治療。由于外源抗體與刺突蛋白的結(jié)合能力更強(qiáng)，因此能競爭性地阻斷病毒靠近細(xì)胞。其次，開發(fā)疫苗使機(jī)體自身產(chǎn)生刺突蛋白抗體，這種方法較之前一手段，抗體的產(chǎn)生更為持久，因此可作為預(yù)防方案。第三，采用重組型可溶SARS-CoV-2刺突蛋白，讓其與宿主細(xì)胞ACE2結(jié)合，從而競爭性地抑制病毒的結(jié)合。考慮到這一策略會(huì)占據(jù)ACE2，可能影響后者正常功能的發(fā)揮，因此其療效尚待評(píng)估。

破壞病毒包膜與宿主細(xì)胞膜的融合 ^[10]

實(shí)現(xiàn)這一策略也有多種方案。首先，采用TMPRSS2抑制劑，如目前已臨床應(yīng)用的萘莫司他（nafamostat，具有抗凝、抗纖維蛋白溶酶及抗血小板聚集作用）和卡莫司他（camostat）等。其次，采用其他酶抑制劑，包括巴瑞替尼（baricitinib，臨床用于治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎）和蘆可替尼（ruxolitinib，用于治療骨髓纖維化）等。這些藥已獲批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，因此進(jìn)一步用于治療傳染性肺炎，屬于“老藥新用”，安全性有較大保證，僅需進(jìn)而證明臨床療效即可。

精準(zhǔn)防治中的難題

如此眾多策略可阻止SARS-CoV-2進(jìn)入細(xì)胞，是否意味著已經(jīng)可以戰(zhàn)勝這一突發(fā)傳染病了呢？事實(shí)遠(yuǎn)非如此簡單，因?yàn)槔碚摳吨T實(shí)踐尚存在諸多問題。盡管病毒很小，但人類對(duì)付它們的手段十分有限。

預(yù)防的最好策略是開發(fā)出疫苗，然而許多病毒的快速變異（高突變率）使得疫苗研發(fā)最終失敗。經(jīng)典案例如人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV；即艾滋病病毒）、丙型肝炎病毒（hepatitis C virus, HCV）和流感病毒（influenza virus）等，目前均缺乏有效疫苗。

廣譜性抗病毒藥物對(duì)特定病毒的治療效果都較為有限，而針對(duì)特種病毒的有效藥物又缺乏普遍性。如丙肝“神藥”索非布韋（sofosbuvir）的核心結(jié)構(gòu)為核苷酸類似物，通過抑制病毒遺傳物質(zhì)的復(fù)制而發(fā)揮藥物活性；但采取類似策略的瑞德西韋（remdesivir）在治療新冠肺炎上卻不再“神奇”。

在對(duì)抗病毒性疾病方面，人類仍處于一種“路漫修遠(yuǎn)、上下求索”的狀態(tài)。病毒的一大特征是高突變率（源自選擇壓力），這一特性一方面造成病毒的跨界傳播（SARS-CoV-2通過突變更易感染人類），另一方面也給防治工作帶來重大挑戰(zhàn)（耐藥性產(chǎn)生和疫苗失效的主要原因之一在于病毒靶點(diǎn)突變，最終逃過藥物作用和機(jī)體免疫識(shí)別）。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)體現(xiàn)在兩個(gè)層面：“精”是指對(duì)疾病發(fā)生有一個(gè)全面系統(tǒng)的理解與認(rèn)識(shí)；“準(zhǔn)”是指治療措施上力求效果盡可能好，副作用盡可能少。目前對(duì)病毒性傳染病，在“精”和“準(zhǔn)”上都存在諸多欠缺，因此仍須作出更大努力以攻克眾多難題。

郭曉強(qiáng)：副教授，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050081。xiaoqiangguo123@163.com

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關(guān)鍵詞：新冠肺炎   SARS-CoV-2   刺突蛋白   ACE2  ■

  本文刊載于2020年第72卷第4期《科學(xué)》雜志  

《科學(xué)》雜志于1915年1月在上海問世，

 早年由任鴻雋，楊杏佛，胡明復(fù)，趙元任等學(xué)者編輯寫作，

是我國歷史最長的綜合性科學(xué)刊物。

雜志定位為高級(jí)科普期刊，致力于科學(xué)知識(shí)、理念和科學(xué)精神的傳播，科學(xué)與人文互動(dòng)，歷史和前沿并舉，為提升我國全民科學(xué)素質(zhì)和建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)。雜志現(xiàn)任主編為中國科學(xué)院院長白春禮院士，主辦單位為上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。

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