冠状病毒亚科

冠状病毒亚科(英语:Coronavirus)是一类在动物与人类之间传播的人畜共患的RNA病毒。冠状病毒可感染哺乳动物、鸟类,引起牛和猪的消化道疾病或鸡的上呼吸道疾病。自然界常见,已知可感染人类的冠状病毒共有七种,会引起人类的呼吸道感染,可引发普通感冒,乃至中东呼吸综合征(MERS)和严重急性呼吸综合征(SARS)、2019年冠状病毒疾病(COVID-19)等较严重疾病。

分类上属于网巢病毒目、冠状病毒亚目(Cornidovirineae)、冠状病毒科,下分为”冠状病毒亚科”(Coronavirus)和莱托病毒亚科两个亚科。冠状病毒亚科又分为α、β、γ、δ四个属。冠状病毒的基因组大小在26,000至32,000个碱基对之间,是基因组规模最大的一类RNA病毒。冠状病毒在电子显微镜下呈球状或椭圆形,上有规则排列的囊状胶原纤维突,形似皇冠状,因此得名。该病毒囊膜由双层脂质组成,穿插膜蛋白和纤突蛋白,某些还会有血凝素。病毒内部为RNA和衣壳蛋白组成的核蛋白核心,呈螺旋式结构。

历史

冠状病毒最早发现于19世纪60年代。最早为在禽类中发现的禽类传染性支气管炎病毒(IBV;鸡传染性支气管炎病毒),后在患普通感冒的人类鼻腔中检测出两例,分别命名为人类冠状病毒229E与人类冠状病毒OC43。

冠状病毒的成员还包括2003年的严重急性呼吸系统综合症 ,又称非典型肺炎或SARS。 2004年的人类冠状病毒NL63。2005年的人类冠状病毒HKU1。 2012年发现的中东呼吸综合征冠状病毒。2019年发现的2019新冠病毒。上述病毒大多会引起严重的呼吸道感染。

传播途径

病毒进入人体细胞后,病毒会脱掉外壳将核糖核酸(RNA)基因组释放到细胞质中。冠状病毒的RNA基因组有5’甲基化的端帽和3’多聚腺苷酸化的尾。 这使它可以附着在人类的核糖体上进行转译。

种的分类

  • 甲型冠状病毒属Alphacoronavirus;Alpha-CoV)。 模式种:甲型冠状病毒1 (Alpha-CoV-1)
    • 种: 羊驼冠状病毒 (Alpaca-CoV)、甲型冠状病毒1人类冠状病毒229E (HCoV-229E)、人类冠状病毒NL63 (HCoV-NL63)、长翼蝠冠状病毒1 (Bat-CoV MOP1)、长翼蝠冠状病毒HKU8 (Bat-CoV HKU8)、豚豕流行性腹泻病毒 (PEDV)、菊头蝠冠状病毒HKU2 (Bat-CoV HKU2)、高头蝠冠状病毒512 (Bat-CoV 512)。
  • 乙型冠状病毒属 (Beta-CoV)。 模式种: 鼠类冠状病毒 (M-CoV;小鼠肝炎病毒)
    • 种: 乙型冠状病毒1 (Beta-CoV-1)、人类冠状病毒HKU1 (HCoV-HKU1)、鼠类冠状病毒 (M-CoV)、家蝠冠状病毒HKU5 (Bat-CoV HKU5)、果蝠冠状病毒HKU9 (HKU9-1)、严重急性呼吸道综合症病毒 (SARS-CoV)、扁颅蝠冠状病毒HKU4 (Bat-CoV HKU4)、中东呼吸综合症冠状病毒 (MERS-CoV)、人类冠状病毒OC43 (HCoV-OC43)、刺猬冠状病毒1 (EriCoV)、严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2型 (SARS-CoV-2)。中华菊头蝠冠状病毒RaTG13 (Bat-CoV RaTG13)。(Bat-SL-CoV ZC45)。
  • 丙型冠状病毒属 (Gamma-CoV)。 模式种: 禽类传染性支气管炎病毒 (IBV;鸡传染性支气管炎病毒)
    • 种: 白鲸冠状病毒SW1 (Whale-CoV SW1)、禽类传染性支气管炎病毒 (IBV)。
  • 丁型冠状病毒属 (Delta-CoV)。模式种: 白头鹎冠状病毒HKU11 (Bulbul-CoV HKU11)
    • 种: 鸭类冠状病毒HKU20 (Wigeon-CoV HKU20)、白头鹎冠状病毒HKU11 (Bulbul-CoV HKU11)、豚豕冠状病毒HKU15 (PorCoV HKU15)、文鸟冠状病毒HKU13 (Munia-CoV HKU13)、鸫鸟冠状病毒HKU12 (Thrush-CoV HKU12)。

人类冠状病毒

目前已有七个已知的人类冠状病毒种类。其中,严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(SARS-CoV)、中东呼吸综合症冠状病毒(MERS-CoV)及严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2型(COVID-19)三种可引起致命的呼吸系统疾病。其余四种冠状病毒是人类感冒的常见病原体,通常不会造成严重疾病,只限于可能会在少数免疫力差的患者身上出现肺炎等并发症。

  1. 人类冠状病毒229E(HCoV-229E)
  2. 人类冠状病毒OC43(HCoV-OC43)
  3. 严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(SARS-CoV):2003年世界卫生组织发布新闻稿,指出在亚洲爆发的严重急性呼吸系统综合症(SARS)的病原体是一种新的冠状病毒,也就是严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(SARS-CoV)。超过8,000人被感染,死亡率约为10%。
  4. 人类冠状病毒NL63(HCoV-NL63)
  5. 人类冠状病毒HKU1(HCoV-HKU1)
  6. 中东呼吸综合症冠状病毒(MERS-CoV):人类通过与受感染的单峰驼骆直接或间接接触而受到感染。在中东、非洲和南亚一些国家的单峰骆驼中检出此病毒。截止2019年12月,中东呼吸综合征(MERS)确诊2,468例,死亡851例,死亡率约为34.5%。
  7. 严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2型(COVID-19):2019年12月31日,中国武汉报道了一种新的冠状病毒株,正式命名为2019-nCoV 。新型冠状病毒属于β属,有包膜,颗粒呈圆形或椭圆形,常为多形性,直径60-140nm其基因特征与SARSr-CoV和MERSr-CoV有明显区别。目前研究显示与蝙蝠SARS样冠状病毒(bat-SL-CoVZC45)同源性达85%以上。体外分离培养时,2019-nCoV 96个小时左右即可在人呼吸道上皮细胞内发现,而在VeroE6和Huh-7细胞系中分离培养需约6天。

动物冠状病毒

1970年代初期,确认冠状病毒可以在动物间传播。症状主要为禽类的传染性支气管炎,还有肠胃疾病相关症状。

由冠状病毒引起的动物疾病

冠状病毒主要传染哺乳动物和鸟类的上呼吸道和 肠道。 目前有七个已知的冠状病毒可以传染给人类。人类中大部分的感冒是由冠状病毒引起。冠状病毒引起感冒主要症状包括发烧,喉咙肿胀,多发于冬季和春季。

冠状病毒可能导致肺炎,包括病毒性肺炎或细菌性肺炎和支气管炎。广受大众关注的SARS具有独特的发病机理,因为它会同时导致上层和下呼吸道感染。冠状病毒的重要性和对经济的影响是难以评估的,且与人类鼻病毒(另一个种导致普通感冒的病毒)不同,感染人类的冠状病毒通常很难在实验室环境里培养。

冠状病毒也会在家畜和宠物中传播。有时会对农畜业造成重大的打击。传染性支气管炎病毒 (IBV),不仅会攻击禽类的呼吸系统,还会引起泌尿生殖系统疾病,病毒会在禽类体内不同的器官间传播可传染肠胃炎冠状病毒(TGE)和家畜冠状病毒,均可引起幼年猪类腹泻。冠状病毒也可引发猫类动物、貂类动物、犬类动物以及鼠类动物相关疾病。

一种与菊头蝠冠状病毒HKU2(Bat-CoV HKU2)有关的源自于蝙蝠的猪急性腹泻综合征冠状病毒(SADS-CoV;SADS冠状病毒)可导致猪类腹泻。

家畜冠状病毒列表

  • 传染性支气管炎病毒 (IBV)导致 禽类传染性支气管炎.
  • 猪冠状病毒(传染性肠胃炎的冠状病毒).
  • 家畜冠状病毒(BCV),导致牛犊严重肠炎。
  • 猫科动物冠状病毒 (FCoV)可导致轻微炎症, 和十分严重的猫科动物传染性腹膜炎 (与FCoV相似的变种病毒)。
  • 两种狗冠状病毒 (CCoV)(一种造成肠炎,另一种导致呼吸系统疾病).
  • 火鸡冠状病毒 (TCV) 导致火鸡肠炎.
  • 可导致雪貂肠炎的冠状病毒
  • 死亡率很高的可导致欧洲幼兔肠道疾病和腹泻的冠状病毒。

演变

冠状病毒的源头最晚可追溯到公元前8000年。 也有可能是公元前8100年。

非冷血飞行动物,蝙蝠和鸟类似乎是冠状病毒最佳的宿主(蝙蝠携带甲型冠状病毒属,乙型冠状病毒属;鸟类则携带丙型冠状病毒属和丁型冠状病毒属)。

家畜冠状病毒和狗呼吸系统冠状病毒来自于1951年的一个共同祖先。 家畜冠状病毒和人类冠状病毒OC43于1899年开始分别独立演化。18世纪家畜冠状病毒由马冠状病毒中分离出来。人类冠状病毒OC43也有可能是于1890年从家畜冠状病毒中分离出来的产物。

人类冠状病毒OC43的最近共同祖先已经追溯到1950年代。

寄存于蝙蝠的冠状病毒和导致严重急性呼吸道综合症的SARS病毒于1986开始出现分歧。SARS病毒被指出与蝙蝠有密切联系。研究人员表明,冠状病毒与蝙蝠进行了长期的共同演化,SARS病毒最早由旧世界叶形鼻蝙蝠(leaf-nosed bat)携带,随后传染给菊头蝠科蝙蝠,之后传染给果子狸,最后传染给人类。

乙型冠状病毒属

乙型冠状病毒属(学名:Betacoronavirus、β-CoVs)是冠状病毒亚科的四个属之一,为具有包膜的正链RNA病毒,许多本属病毒可造成人畜共通传染病,例如可造成感冒的人类冠状病毒OC43人类冠状病毒HKU1,以及可造成严重疾病的严重急性呼吸系统综合症相关冠状病毒(SARS-CoV)、中东呼吸综合症冠状病毒(MERS-CoV)与严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2型(COVID-2)等。

冠状病毒中,本属与甲型冠状病毒属只会感染哺乳动物,此两属的许多病毒在自然界中以蝙蝠为宿主,两属病毒的共祖应该皆为感染蝙蝠的病毒,相较之下丙型冠状病毒属丁型冠状病毒属的病毒则主要感染鸟类。另外因本属中Embecovirus亚属中的病毒多以啮齿类为宿主,并不见于蝙蝠,有学者认为该亚属的共祖可能为感染啮齿类的病毒。

分类

乙型冠状病毒属通常被分为四大支系:

  • 支系A(Embecovirus亚属):包括HCoV-OC43、HCoV-HKU1等
  • 支系B(Sarbecovirus亚属):包括SARS-CoV与SARS-CoV-2
  • 支系C(Merbecovirus亚属)包括BtCoV-HKU4、BtCoV-HKU5、MERS-CoV等
  • 支系D(Nobecovirus亚属)包括BtCoV-HKU9

另外还有学者将蝙蝠Hp-乙型冠状病毒(Bat Hp-betacoronavirus Zhejiang2013)归入另一个支系(Hibecovirus亚属)。

严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型

(受研究资料限制,以下信息可能不准确)

严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型(英语:Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2,缩写:SARS-CoV-2)是冠状病毒科乙型冠状病毒属英语Betacoronavirus严重急性呼吸道综合征相关冠状病毒种的一个分型,具有包膜的正链单股RNA,它造成了于2019年底爆发的2019冠状病毒病(COVID-19)。它的基因序列和非典病毒及中东呼吸综合征病毒属于同一谱系但不同进化枝。

 

图为SARS-CoV-2的穿透式电子显微镜影像

序列分析

新型冠状病毒是一种具有包膜的、不分节段的正链单股RNA病毒,颗粒呈圆形或椭圆形,直径约60~140nm,属于网巢病毒目冠状病毒科Betacoronavirus。此病毒每组基因组长度约三万个核苷酸左右,]基因序列显示SARS-CoV-2属于乙型冠状病毒属谱系β(Betacoronavirus Lineage β, Sarbecovirus)进化树中分支较长的一种病毒,与中华菊头蝠中发现的冠状病毒相似,例如MERS-CoV或SARS-CoV。

2020年1月27日,中国疾病预防控制中心分离出第一株新型冠状病毒。[28][注 1]在生物体外培养的状况下培养期约需6天。]由中国疾控中心领衔的一项基因研究显示,新型冠状病毒与已有的类SARS病毒变种(序列:bat-SL-CoVZC45, MG772933.1)有86%的相似性。[29]其他研究则进一步对比了其余同属的病毒基因,认为新型冠状病毒和SARS及类SARS病毒变种共享源头为HKU9-1。基于Nankai CDS编码区的一项初步研究也显示,新型冠状病毒倾向于和SARS同源于中华菊头蝠。另一项研究指出,新型冠状病毒和类SARS的CoVZC45及CoVZXC21可以达到89%的序列同一性,后两者的基因都采集自浙江舟山,无除中华菊头蝠外的来源。通过观察,13个新型冠状病毒样本中有9种基因分型,集中存在可变翻译。对SARS-CoV-2S蛋白的介导受体结合区和膜融合区分别进行基因测序后发现,与CoVZC45和CoVZXC21的膜融合区相比有93%的同源性,介导受体结合区则只有68%的同源性。在同源建模分析中,SARS-CoV-2和SARS-CoV都在RBD中留有50个保守氨基酸,两者RBD的外部子结构十分相似。

有研究利用了新型冠状病毒WIV04的基因序列与另一类SARS变种中华菊头蝠冠状病毒RaTG13(Bat-CoV RaTG13)进行对比,发现两者相似度有96%。作者利用Bat-CoV RaTG13和SL-CoV ZC45为对照组,基本确认新型冠状病毒同SARS一样利用自己RBD(受体结合蛋白;receptor binding protein)的S1蛋白与人体ACE2进行结合。在对其他冠状病毒的对比中,新型冠状病毒的RBD被认为介于无法和ACE2受体结合的HKU3-4和自由结合能最强的rSHC014之间,但弱于SARS-CoV。针对新型冠状病毒和RaTG13的深入对比发现,由于两者的ORF1a、ORF1b以及接近一半的RBD域有极高的同一性,NCoV和RaTG13在β属CoV中可以独立再被分类为一谱系。这一研究指出,尽管RaTG13的变异难以造成2019年爆发的疫情,但支持新型冠状病毒来源于蝙蝠的说法,且非嵌入产物。另有研究表示,由于现有同一性最高的蝙蝠冠状病毒与新型冠状病毒也无超过90%的序列重合度,因此现今所认知的蝙蝠冠状病毒应当不是新型冠状病毒的直接祖先。

对乙型冠状病毒属谱系α中的OC43和HKU1的一项研究表明,尽管进化枝和其有限的宿主导性相符,在多重进化下,人类冠状病毒的血球凝集素酯酶蛋白中的凝集素域几乎全部被删除,相反在动物冠状病毒中这一蛋白域得到保留。在如丙型流感中,血球凝集素酯酶蛋白有受体结合的作用,但它在冠状病毒中为受体破坏酶。因此,凝集素作用的缺失会增强病毒对人体结合的亲和力,也被认为是适应人类呼吸道唾液糖蛋白并成功在呼吸道上皮细胞内进行复制的进化机制。有研究对新型冠状病毒的基因突变进行追踪,发现从来自中国大陆外的样本中发现成簇的氨基酸突变。对已知的感染者体内的病毒的基因突变分析得知,在人群传播期间,病毒未经历剧烈的适应性变化。研究猜测,这可能说明病毒已经进入适应性进化的迟缓期。

受体结合域

新型冠状病毒S蛋白RBD与ACE2复合物的晶体结构进行测定后知,该晶体含C、N、O、S等元素,属于四方P的P41212空间群。RBD本身含有由反平行肽链组成的β1、β2、β3和β6四个β折叠层。在这一段蛋白核心中,于β3和β6中间有一段额外的插入,包括β4、β5的肽链以及α4和α5螺旋,形成了RBM,它主要含有负责与ACE2结合中的接触单元蛋白。在表面等离子共振实验中,ACE2对RBD的结合亲和力为15.2nM;对S蛋白整体则为14.7nM。有研究对疑似为中间宿主的穿山甲冠状病毒Pangolin-CoV(ID:PRJNA573298)和核酸同一性最高的蝙蝠冠状病毒RaTG13进行了对比。通过序列分析发现,在新型冠状病毒的RBM中,5个关键氨基酸与Pangolin-CoV完全一致,RaTG13则只共享有1个关键氨基酸。有学者指出,RaTG13和新型冠状病毒的RBM之间的区别被限制于其第二环,这可能反映出从动物宿主传播到人类中间的基因重组事件。

现有认知中,病毒的RBD突变是导致SARS-CoV-2与ACE2的亲和力更高的原因。[46]在与SARS-CoV的对比分析中发现,SARS-CoV的RBD基因组中有六个氨基酸与ACE2的结合能力相关,分别是Y442、L472、N479、D480、T487和Y491,它们与SARS-CoV-2的L455、F486、Q493、S494、N501和Y505相对应。这六个氨基酸中五个与RaTG13相比有了突变,导致了包括人类在内的多种拥有相同受体的动物都会与SARS-CoV-2有更高的受体亲和力,但是与类SARS病毒相关的如啮齿类动物、麝猫等动物会具有更低的受体亲和力。

生理机能

根据现有认知,病毒具有热敏感性,暴露在紫外线下或处于56℃高温环境下30分钟可达到灭活效果。同时,利用乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒,氯己定不能有效灭活病毒。对冠状病毒理化特性的认识多来自对SARS-CoV和MERS-CoV的研究。

新型冠状病毒可通过动物为中介传染给人类,且具有人传人的能力。新型冠状病毒虽然被证明和SARS-CoV的基因只有79%的相似度,但它也可以借由人类的ACE2作为受体结合,通过呼吸道上皮细胞进入肺部进行复制过程,且主要作用对象也是与SARS相同的T淋巴细胞。然而有研究指出,新型冠状病毒对ACE2受体的作用过程与SARS有一定差异,它的RBD中有可变的关键性氨基酸残基。

现已知SARS等冠状病毒S蛋白进入靶细胞取决于与ACE2受体的结合作用以及细胞蛋白酶对S蛋白的启动作用,SARS的S蛋白与其受体ACE2结合是靠细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2来引发的,与它有76%氨基酸同一性的新型冠状病毒被怀疑有相似的机能。在现有认知中,新型冠状病毒与SARS在序列及传播途径的相似无法确切证实两者之间有相似的生物学特性。一项初步研究对比了包括SARS、MERS以及新型冠状病毒在内的多种同属病毒,发现了在新型冠状病毒RBD中的RBM,怀疑其中负责和ACE2结合的序列与SARS相同,且在其余无法通过ACE2结合的Bat-CoV中未发现同样的序列。研究表示,在实验新型冠状病毒进入Caco-2细胞时,使用针对TMPRSS2的丝氨酸蛋白酶抑制因子卡莫司他后,有效阻止了病毒的入侵;相反的,针对CatB/L的抑制因子E64d在293T细胞上无效果。这一实验结果初步表明新型冠状病毒的S蛋白也是由TMPRSS2引发的。

在对冠状病毒和ACE2受体进行结合的研究中,发现ACE2以二聚体形式存在,尽管同时有开放和关闭两种构象,对与病毒的互相识别无影响。研究发现,ACE2通过PD结构域与病毒的S蛋白进行结合。有研究者指出在病毒感染人体的过程中ACE2起到了双重作用。曾在多项研究中,胃肠道被认为是新型冠状病毒感染人体一种替代途径。因此研究者指出,当新型冠状病毒入侵人体后,由于ACE2本身在结肠细胞中的表达与人体免疫、调节病毒性感染正相关,会因被病毒下调表达而激活肾素-血管紧张素系统(RAS)。由于RAS和人体血压等关键体征有关,ACE2不但对冠状病毒有介导作用,也会进一步导致人体免疫力下降。