冠状病毒特征与进化优势
黄保洋，张 欢，曹玟瑾，李 甜，王炳辉
昆明理工大学生命科学与技术学院，昆明 650500
新发突发传染病是近年来引起大范围公共卫生问题的重要原因。21世纪以来，重症急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)、SARS-CoV-2(常称为新型冠状病毒)、中东呼吸综合征冠状病毒(middle east respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV)、埃博拉病毒、高致病性禽流感病毒、寨卡病毒等的感染引起了严重的传染病，其中冠状病毒占重要部分。2019年底新型冠状病毒肺炎疫情暴发，流行至今，人类发展史上还没有任何的疾病如此影响大、传播快、流行广，严重威胁到人类健康和生命安全，影响社会秩序，阻碍经济发展。与SARS-CoV-2同属的SARS-CoV和 MERS-CoV曾经全球局部流行并导致高比例死亡。不难发现，冠状病毒已成为人类主要传播、流行与致病的病原体类型，其庞大家族体系、动物中的普遍感染与携带以及人类社会中几次严重的暴发，都显示了该类病毒在进化和传播中的优势。本文将从基因多样性、宿主广谱性以及关键基因的突变与进化3个方面阐述冠状病毒在进化中的优势。
冠状病毒基因组全长为27～32 kb，是目前已知的RNA病毒中基因组最大的类群。冠状病毒基因组结构框架相对保守，紧邻5′端的基因组区域拥有两个不同的结构域，即前导序列和非翻译区(untranlated region，UTR)，能够形成大量的茎环结构，这是病毒基因组复制和转录的先决条件。3′端存在288～506 nt 的UTR结构，是病毒RNA复制所必需的[1]。病毒基因组从5′端到3′端依次为多聚蛋白1ab基因、S基因、E基因、M基因和N基因，冠状病毒的主要结构基因(S、E、M和N)在基因组中的顺序是相对固定的。多聚蛋白1ab基因约占整个基因组的2/3，编码与病毒复制转录和切割相关的酶，这个基因的翻译是病毒复制转录之前必须的步骤[2]。这些酶的功能在不同病毒间十分保守，预示这些酶对病毒生命周期至关重要，并为药物治疗提供了潜在的靶点。
冠状病毒在系统分类上属套式病毒目(Nidovirales)冠状病毒科(Coronaviridae)冠状病毒属(Coronavirus)，国际病毒分类委员会(International Committee on Taxonomy of Viruses，ICTV)将冠状病毒分为α冠状病毒(Alphacoronavirus)、β冠状病毒(Betacoronavirus)、γ冠状病毒(Gammacoronavirus)和δ冠状病毒(Deltacoronavirus)共4个属。尽管ICTV收录和命名的冠状病毒只有52种，基于二代测序研究表明自然界中存在大量的冠状病毒，而且绝大多数未能命名和明确分类特征。
冠状病毒属甚至在亚属之间冠状病毒基因组结构差异较大(图1)，α、β和γ冠状病毒在S基因和E基因之间有多个开放阅读框(open reading frame，ORF)，如α冠状病毒的菊头蝠冠状病毒HKU-2(rhinolophus bat coronavirus HKU-2，Rh-BatCoV HKU2)、β冠状病毒的MERS-CoV和γ冠状病毒的鸡传染性支气管炎病毒(infectious bronchitis virus，IBV)；
β、γ和δ冠状病毒在M基因和N基因之间有多个ORF，如β冠状病毒的SARS-CoV和SARS-CoV-2、γ冠状病毒的白鲸冠状病毒SW1(beluga whale coronavirus SW1，BWCoV-SW1)和δ冠状病毒的猪德尔塔冠状病毒(porcine deltacoronavirus，PDCoV)，其中BWCoV-SW1具有8个ORF；
α和δ冠状病毒在N基因的下游有多个ORF，如α冠状病毒的HKU-10、δ冠状病毒的夜莺冠状病毒HKU11(bulbul coronavirus HKU11，BuCoV HKU11)，然而在β冠状病毒Sarbecovirus亚属中，相比于SARS-CoV，SARS-CoV-2的N基因的下游存在ORF10[3]。此外β冠状病毒A组病毒还有特有的结构蛋白血凝素酯酶蛋白[4]。
HCoV-229E：人冠状病毒229E；
HCoV-NL63：人冠状病毒NL63；
Rh-BatCoV HKU2：菊头蝠冠状病毒HKU-2；
Mi-BatCoV HKU-8：长翼蝠冠状病毒HKU-8；
FeCoV：猫冠状病毒；
CCoV：狗冠状病毒；
PEDV：猪传染性胃肠炎病毒；
Ro-BatCoV HKU10：果蝠冠状病毒HKU-10；
BatCoV 1：蝙蝠冠状病毒1；
SARS-CoV：重症急性呼吸综合征冠状病毒；
SARS-CoV-2：重症急性呼吸综合征冠状病毒2；
MERS-CoV：中东呼吸综合征冠状病毒；
HCoV-OC43：人冠状病毒OC43；
HCoV-HKU1：人冠状病毒HKU1；
Ty-BatCoV HKU4：扁颅蝠冠状病毒HKU-4；
Ro-BatCoV HKU9：果蝠冠状病毒HKU-9；
IBV：鸡传染性支气管炎病毒；
BWCoV：白鲸冠状病毒SW1；
PDCoV：猪德尔塔冠状病毒；
BuCoV HKU11：夜莺冠状病毒HKU11
冠状病毒的宿主在自然界中广泛存在，能够在多种哺乳动物宿主中引起呼吸道、肠道或全身性疾病。α和β冠状病毒主要感染包括人类、家畜、宠物在内的哺乳动物，γ和δ冠状病毒主要感染鸟类及部分哺乳动物。感染人的冠状病毒包括人冠状病毒229E(human coronavirus 229E，HCoV-229E)、人冠状病毒OC43(human coronavirus OC43，HCoV-OC43)、人冠状病毒NL63(human coronavirus NL63，HCoV-NL63)、人冠状病毒HKU1(human coronavirus HKU1，HCoV-HKU1)、SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2；
蝙蝠是发现携带和感染冠状病毒最多的野生动物，其可以感染或携带Rh-BatCoV HKU2、长翼蝠冠状病毒HKU-8(miniopterus bat coronavirus HKU-8，Mi-BatCoV HKU-8)、果蝠冠状病毒HKU-10(rousettus bat coronavirus HKU-10，Ro-BatCoV HKU10)、扁颅蝠冠状病毒HKU-4(tylonycterisbat coronavirus HKU-4，Ty-BatCoVHKU4)、家蝠冠状病毒HKU-5(pipistrellus bat coronavirus HKU-5，Pi-BatCoV HKU5)、果蝠冠状病毒HKU-9(rousettusbat coronavirus HKU-9，Ro-BatCoV HKU9)、SARS相关冠状病毒、MERS相关冠状病毒、新冠相关冠状病毒等；
以鼠类为主的啮齿类也是多种冠状病毒的天然宿主，如小鼠是鼠肝炎病毒(mouse hepatitis virus，MHV)的宿主，大鼠可以感染冠状病毒是大鼠涎泪腺炎冠状病毒(sialodacryoadenitis virus，SDAV)、鹿城rn大鼠冠状病毒(lucheng rn rat coronavirus，LRNV)与龙泉aa小鼠冠状病毒(longquan aa mouse coronavirus，LAMV)等；
鸟类是多种γ和δ属病毒的宿主，如IBV、火鸡蓝冠病病毒(turkey blue comb disease virus，TCDV)、BuCoV HKU11、文鸟冠状病毒(thrush coronavirus HKU12，ThCoV HKU12)等。
此外，家禽家畜与人类关系十分密切，也携带多种冠状病毒。猪携带有猪流行性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhea virus，PEDV)、猪传染性胃肠炎病毒(transmissible gastroenteritis virus，TGEV)、猪急性腹泻综合征冠状病毒(swine acute diarrhea syndrome coronavirus，SADS-CoV)、猪血凝性脑脊髓炎病毒(porcine hemagglutinating encephalomyelitis virus，PHEV)、猪呼吸道冠状病毒(porcine respiratory coronavirus，PRCV)、PDCoV等，能引起呼吸道和肠胃道相关的疾病[5]；
牛冠状病毒(bovine coronavirus，BCoV)是一种感染上呼吸道、下呼吸道和肠道的肺炎病毒，可导致牛和野生反刍动物的呼吸道和肠道感染[6]；
IBV是鸡的冠状病毒，是家禽业经济损失的主要原因之一[7]。与人类关系密切的伴侣动物，猫和狗等也都携带者多种冠状病毒[8]，如猫冠状病毒(feline coronavirus，FeCoV)和犬冠状病毒(canine coronavirus，CCoV)等。
病毒受体与宿主动物分布广泛密不可分，是决定病毒感染宿主谱的重要因素。其能特异性地与病毒结合，介导病毒侵入并促进病毒感染，宿主细胞膜组分作为冠状病毒受体表现为复杂的识别模式和多受体介导病毒识别宿主细胞。α冠状病毒HCoV-NL63与β冠状病毒SARS-CoV和SARS-CoV-2均可识别血管紧张素转换酶(angiotensin-converting enzyme，ACE)2[9-10]；
HCoV-NL63和α冠状病毒识别不同的受体，其他α冠状病毒如HCoV-229E、TGEV、PEDV和PRCV识别另一种受体氨基肽酶N(aminopeptidase N，APN)[11-14]；
同样，SARS-CoV和其他 β 冠状病毒识别不同的受体，MERS-CoV和HKU4识别二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4，DPP4)[15-16](表1)。此外，MHV识别细胞黏附分子、癌胚抗原相关细胞黏附分子1[17]；
BCoV、HCoV-HKU1和 HCoV-OC43识别唾液酸糖缀合物[18]，HCoV-OC43和HCoV-HKU1结合于9-O-乙酰唾液酸宿主受体[19]。α冠状病毒TGEV和PEDV以及γ冠状病毒IBV也使用唾液酸糖缀合物作为受体或辅助受体[13，20-21]。除了它们在病毒附着中的作用外，这些受体还具有自己的生理功能[22-23]。
在病毒附着和感染靶细胞中，除了上述受体外：MERS-CoV的S蛋白选择性地与唾液酸结合[24]；
HCoV-NL63 S蛋白与硫酸乙酰肝素结合[25]；
SARS-CoV还与人CD209L结合，这是一种在人肺Ⅱ型肺泡细胞和内皮细胞中表达的C型凝集素[26]，纯化的SARS-CoV刺突蛋白与肺表面活性蛋白D结合，这是一种在肺泡中发现的凝集素[27](表1)。最近已有研究发现了SARS-CoV-2的特异性受体，ASGR1和KREMEN1能够直接介导不依赖ACE2的SARS-CoV-2感染，但对SARS-CoV和MERS-CoV的感染没有作用[28]。
表1 人冠状病毒与受体
病毒受体是介导病毒突破细胞膜屏障，进入细胞的关键桥梁，与病毒的传染能力和跨物种间的传播有重要关系。研究病毒和不同物种同源蛋白受体的结合，可用于评估病毒的跨种传播潜能，也可为病毒起源提供线索。PEDV能利用人APN进入宿主细胞，提示PEDV可能对人类构成潜在威胁[13]。与SARS-CoV相比，SARS-CoV-2的受体范围似乎稍窄一些，兔、狐狸、狗、猪、穿山甲、狗、猫、马、羊和水牛等被认为是SARS-CoV-2的可能易感宿主[29-31]。两栖动物、鸟类和哺乳动物等不同物种的ACE2具有保守的一级结构[32]，导致SARS-CoV-2正走向“野生”宿主的扩展。这些研究结果表明冠状病毒存在跨越种间屏障，感染其他动物的潜在风险，提示我们要持续对人和动物源性冠状病毒进行监测，预防新的冠状病毒引发疫情；
有必要对野生动物开展SARS-CoV-2筛查，以免产生新的变异体，构成对人类的未知威胁。
病毒与宿主之间的相互作用是病毒进化的基本动力。冠状病毒的宿主谱相对宽泛，但特定宿主对不同病毒感染仍有差异。病毒株通过基因水平的突变来适应宿主体内环境，跳跃至新的宿主，加速进化以形成数量庞大病毒家族类群，并促进病毒的跨物种传播，形成广泛宿主分布，从而成为进化中的优势物种。因此进化速率越快的病毒可能更加适应宿主和跨物种传播。RNA病毒复制的高错误率导致其突变率远远高于DNA病毒[33]，使得冠状病毒在进化中存在毋庸置疑的优势。冠状病毒庞大的种群成员，保证了大量有进化优势的突变被产生和有效积累，也大大凸显出该病毒在进化中的优势。受体的多样分布和多受体介导入胞是冠状病毒广泛分布和跨物种传播前提，适应性进化则是病毒与宿主长期共存和保持持久感染能力的唯一方式。
SARS-CoV的突变速率约为8.0×10-6/(位点·d)[34-35]，处于 RNA病毒突变速率的正常水平，传播过程中，SARS-CoV共出现了约 200个单核苷酸的突变。这些突变大多与人类宿主的适应性和传播能力相关。随着SARS-CoV-2在人群中的传播，基因突变导致的新变异株频繁出现，包括S蛋白614位的天冬氨酸(D)突变为甘氨酸(G)导致致病性更高的D614G突变株[36]；
累积了24个突变位点而导致传播力提高70%，且对疫苗效果产生影响的α突变株[37]；
存在12个错义突变和2个缺失突变的β突变株[38]；
包含17个错义突变位点1个缺失突变且具有更高传播性和临床重症的γ突变株[39]；
S蛋白存在多个突变位点，传播能力显著增强的δ突变株流行株[40]；
几乎积累了前面所有关键突变位点，传染性极强、免疫逃逸明显的ο突变株等[41]。近年来报道的火鸡、孔雀以及鸽子等冠状病毒都认为是IBV起源[42]，长期突变的积累导致了跨物种传播并形成新的病毒株。
此外，重组是病毒产生新基因特征流行株的快速途径，如人类免疫缺陷病毒和流感病毒丰富的基因多样性正是病毒之间重组造成的。冠状病毒介导同源RNA重组的能力较强，研究表明同组中亲缘关系较近的病毒株同时感染宿主，发生重组的比例接近20%[43]。如此高的重组频率可能是由于其庞大基因组和复制的机制相关。SARS-CoV基因组中至少有7个潜在的重组区域位于复制酶和S蛋白编码区域[44]，可能因此导致宿主感染范围增大。根据之前的其他冠状病毒研究，可以推测目前SARS-CoV-2也存在潜在的高重组能力。
凭借远远高于真核生物的突变速率和庞大的种群数量，病毒通过突变位点、重组的累积，完成跨物种传播和适应性进化，形成了多样化流行株，扩展宿主谱。与高等动植物进化出更加稳定的基因组和调控机制以适应环境不同，病毒通过快速的变化以逃避宿主免疫和完成不同物种间跳跃，是进化的另一个极端。然而，病毒的高突变率和重组的发生为病毒检测方法、治疗药物和疫苗的研发带来了巨大困难。
冠状病毒是基因组最大的RNA病毒，现有研究表明多样性的基因、广泛分布的宿主、多种受体介导的入胞机制以及高效的适应性进化是其重要特征。尽管在ICTV数据库中冠状病毒的种类非常有限，4个属之间病毒株遗传距离也较远，且可以预见，但自然环境的野生动物中存在未知冠状病毒的数量远远大于已知病毒数量，且具有高度遗传多样性和复杂性。它们可能是现有冠状病毒的突变或者旁系株，也可能是未发现和未报道的新冠状病毒，现有研究和宏病毒组测序技术应用已经证实这一点。
冠状病毒的频繁跨物种传播是其值得关注的另一个重点。现有人间流行的冠状病毒都为动物来源，通过跨物种传播导致人类感染和大规模暴发。如在2017年2月中国广东，SADS-CoV导致PEDV疫苗接种的猪群发生了严重的腹泻疫情，它是蝙蝠通过未知中间宿主传给猪[45]；
SARS-CoV和MERS-CoV是蝙蝠先传播给中间宿主果子狸或单峰骆驼，再传给人类[46]。
冠状病毒科SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2的感染和流行都在近期发生，严重威胁公共卫生安全，为人类社会带来巨大经济损失，严重影响社会的稳定发展。然而，自然生态环境中到底还存在多少冠状病毒未被发现？毫无疑问，它们一直在自我进化、突破宿主免疫限制和尝试跨物种传播的路上。查清野生动物所携带冠状病毒状况，监控病毒株的传播，研究病毒进化特征和机制，评估自然环境中冠状病毒的安全风险，都是非常重要的研究课题，对于国民健康和国家安全有极为重要的科学意义。
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