《柳葉刀》最新發表:9名患者基因序列分析再次指向新冠病毒起源於蝙蝠,還透露了更多信息……

醫學界兒科頻道 發佈 2020-02-01T12:33:16+00:00

參考資料:[1]Roujian Lu et al., , Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and recepto

9名感染者採集的樣本病毒基因序列分析告訴了我們哪些重要信息?

1月30日,《柳葉刀》(The Lancet)在線發表了一篇關於新型冠狀病毒的最新論文研究,對9名感染者所分離出的新冠病毒進行基因組分析,揭示了病毒起源和受體結合的相關信息。

《柳葉刀》研究截圖

研究對9名住院患者的支氣管肺泡灌洗液樣本和培養物的分離物進行了下一代基因測序(NGS),其中8名患者發病前去過武漢華南海鮮市場,1名患者(WH04)沒有去過市場,但2019年12月23日至27日期間住在附近的酒店。

表1: 9名2019-nCoV感染者的基本樣本信息

研究者從這些患者樣本中獲得了完整及部分的2019-nCoV基因組序列。對2019-nCoV基因組和其他冠狀病毒基因組進行系統發育分析,以確定病毒的進化史,並幫助推斷其可能的起源。並且通過同源性模型研究病毒可能的受體結合特性。

從這些患者樣本中,一共拼接出了8個完整的2019-nCoV病毒全基因組序列,以及2個部分完整的病毒基因組序列。

研究人員們首先比對了8個完整病毒基因組序列之間的區別。結果發現這8個完整的病毒基因組序列幾乎完全一致,序列一致性高達99.98%——這說明了2019-nCoV在很短的時間內起源於一個來源,最近才出現在人類群體中,並被相對快速地檢測到。然而,隨著病毒傳播給更多的個體,需要不斷監測突變。

最大的核苷酸差異是四個突變。值得注意的是,來自同一患者的兩個病毒基因組(來自支氣管肺泡灌洗液的WH19001和來自細胞培養的WH19005)的序列一致性超過99.99%,在胺基酸水平上的一致性為100%。此外,來自WH02和WH19002樣品的部分基因組也幾乎100%與整個基因組一致。(見圖1)

圖1:2019-nCoV的8個全長基因組序列比對,共29829對鹼基,基因組兩端有少量核苷酸被截短。

1.與杭州舟山市蝙蝠上採集到的病毒基因序列相似最高

那麼,2019-nCoV病毒到底從何而來?

研究者將其他已發現的冠狀病毒基因組也納入了比對的範疇,包括SARS病毒和MERS病毒。比對結果表明,2019-nCoV與2018年在中國東部舟山採集的兩種蝙蝠源性嚴重急性呼吸綜合徵(SARS)樣冠狀病毒bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21密切相關,基因序列同源性分別達87.99%、87.23%。在5個基因區域(E、M、7、N和14)中,序列同源性大於90%,最高的為E基因的98.7%。大多數編碼的蛋白在2019-nCoV與相關的蝙蝠衍生的冠狀病毒之間顯示出高序列一致性(見圖2)。相比之下,新型冠狀病毒與SARS和MERS病毒的序列就沒那麼相像,相似性分別為79%和50%。

圖2:2019-nCoV與代表性β冠狀病毒基因組的序列一致性分析

2.2019-nCoV與SARS-CoV不同,是全新的β冠狀病毒

系統發育分析表明,人類歷史上發現的第7個感染人類的冠狀病毒2019-nCoV屬於β冠狀病毒屬的Sarbecovirus亞型,其最接近的親屬bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21的分支長度相對較長,並且在遺傳學上與SARS-CoV不同。此外,研究還發現2019-nCoV與SARS-CoV在RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp)基因系統發育上有著明顯區別。這一證據表明,2019-nCoV是一種新的來自Sarbecovirus亞屬的β冠狀病毒。

3. 2019-nCoV在感染人類上有其特殊性

S蛋白介導冠狀病毒與受體的結合以及膜融合,是病毒顆粒侵入宿主細胞過程中關鍵蛋白。一般情況下,冠狀病毒的S蛋白在功能上分為S1區,負責與受體結合;S2區負責細胞膜融合。2019-nCoV中負責與膜融合的 S2蛋白與bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21 2種蝙蝠的序列同源性約為93%,而負責識別細胞受體並與之結合的S1與蝙蝠衍生病毒的序列同源性僅為68%。這說明武漢新型冠狀病毒在感染人類上可能有著其特殊性。

4.2019-nCoV可能通過與ACE2結合入侵人體,也可能存在未知受體

直接與受體結合的β冠狀病毒的受體結合區通常位於S1的C-末端,如譜系B的SARS-CoV和譜系C的MERS-CoV和BatCoV-HKU4。通過對四個不同的β冠狀病毒譜系的受體結合域的系統發育分析,我們發現,儘管2019-nCoV在全基因組水平上更接近於bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21,但2019-nCoV的受體結合域屬於B譜系,更接近於SARS-CoV(見圖3)

圖3:不同β-冠狀病毒受體結合區的系統發育分析。紅色五角星突出顯示了2019-nCoV,?意味著病毒使用的受體仍然未知

我們已經知道,SARS冠狀病毒通過S蛋白與細胞受體血管緊張素轉換酶2(ACE2)結合而啟動入侵細胞的過程。值得注意的是,這次的研究發現2019-nCoV受體結合區的外亞區與SARS-CoV更為相似。這表明2019-nCoV也可能使用ACE2作為細胞受體。然而,研究還觀察到,在2019-nCoV受體結合域(包括Asn439、Asn501、Gln493、Gly485和Phe486;2019-nCoV的編號)中,負責SARS-CoV受體結合域與ACE2受體結合的幾個關鍵殘基是可變的。這表明2019-nCoV可以利用ACE2受體進入人體,但2019-nCoV受體結合區域存在胺基酸突變是否影響ACE2結合或改變受體取向還有待進一步研究。因此新冠病毒也有可能結合我們目前未知的某種受體。

圖4:SARS-CoV (B)、2019-nCoV (C)和MERS-CoV (D)受體結合域的結構比較。核心子域為洋紅色,SARS-CoV、2019-nCoV和MERS CoV的外部子域分別為橙色、深藍色和綠色。受體結合位點的SARS-CoV和2019-nCoV之間的可變殘基以棒狀突出顯示

最後,在文中的討論環節指出,雖然2019-nCoV基因序列和蝙蝠中分離出的病毒基因序列最為相似,但不大可能由蝙蝠直接傳染給人類,還存在未知的中間宿主。研究者們給出了四個理由:

第一,疫情於2019年12月下旬首次報告,當時武漢多數蝙蝠物種正在冬眠。

第二,華南海鮮市場沒有出售或發現蝙蝠,而各種非水生動物(包括哺乳動物)可供購買。

第三,2019-nCoV與其近緣種bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21之間的序列一致性小於90%,這反映在它們之間的分支比較長。因此,bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21不是2019-nCoV的直接來源。

第四,在SARS-CoV和MERS-CoV中,蝙蝠都是天然的宿主,但都存在中間宿主(SARS-CoV為果子狸和MERS-CoV為駱駝),而人類是最終宿主。

因此,根據目前的數據,導致武漢疫情的2019-nCoV很可能最初來源為蝙蝠,並可能通過目前在華南海鮮市場出售的未知野生動物傳播給人類。

參考資料:

[1] Roujian Lu et al., (2020), Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding, Lancet, DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30251-8

本文首發:醫學界兒科頻道

本文整理:歡歡

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