为什么新冠病毒比非典更容易传染?

 

为什么新冠病毒比非典更容易传染?

 

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:王壮壮,原标题:《新冠病毒比非典更容易传染吗?可以从这个角度来讨论》

 

2019 新型冠状病毒蔓延,相关研究也迅速出炉[1]。1 月 21 日,科学家发表了新型冠状病毒的蛋白模型[2]——这些数据说明了什么?2019 新冠病毒与非典病毒有何异同?

 

本文作者来自英国帝国理工学院,博士生期间的课题同样围绕于病毒蛋白模型,且所用技术与这次研究相同。对于这次的研究数据,她提出了自己的解读(以下仅代表作者个人观点)

 

2019 新型冠状病毒(2019-nCov),与之前的非典病毒(SARS)、中东呼吸综合症冠状病毒(MERS)都属于冠状病毒。目前,已知能够感染人类的冠状病毒有 7 种,上述 3 种可以引起致命的呼吸系统疾病,剩下的 4 种则是人类感冒的常见病原体。

 

什么是冠状病毒?

 

冠状病毒是一类 RNA 病毒的总称,这类病毒的遗传物质为 RNA。之所以叫做“冠状病毒”,是因为在电子显微镜下,病毒边缘上的突起——刺突蛋白(S)看上去就像皇冠一样。

 

冠状病毒的结构:刺突蛋白(S)与HE蛋白是进攻武器,帮助病毒进入人体细胞;膜是防御武器,帮助病毒存活更久;核壳蛋白(N)是辅助武器,帮助病毒有效复制;RNA基因组则是病毒的真身 | 参考资料[3]

 

这个“刺”,是病毒进入人体细胞强有力的武器,它可以跟人体细胞表面一种叫做 ACE2 的受体结合,病毒借机进入到细胞中去——简单来说,ACE2 受体是锁,刺突蛋白(S)是钥匙;通过这把可以匹配的钥匙,病毒才能够进入细胞。病毒进入了细胞之后,就会现出 RNA 病毒的真身。RNA病毒自己生不出小病毒,但它可以让宿主细胞像一个工厂一样,按照病毒 RNA 遗传信息的指示,源源不断地复制出更多的新病毒。

 

上面所说的受体 ACE2,叫做血管紧张素转化酶,广泛存在于人体各组织,但在肺毛细血管中的活性最高。所以,身体的各个组织都有可能先被病毒感染,但绝大部分初期症状都体现在呼吸系统。

 

如果能够成功截断“开锁”的过程,从理论上来说,就能有效地将一大波病毒拒于细胞的门外,让它们从一开始就不能感染我们。因此,这把钥匙——刺突蛋白(S)是很多学者研究的方向,也是抗击冠状病毒的方案之一。

 

新型冠状病毒和非典病毒都有自己的刺突蛋白(S),这两个蛋白有些相似,却又不完全一样。最近发表的这篇论文[2],比较了两个病毒的刺突蛋白(S),概括来说有以下三点:

 

1)从氨基酸序列来说,新型冠状病毒跟非典病毒有 76.47% 的相似率。

 

2)从 3D 空间来说,模拟出来的新型冠状病毒跟非典病毒的 3D 结构非常相似。

 

3)从与人类受体结合的能力来说,非典病毒更容易与人类受体结合。

 

这些数据是什么意思?

 

1、氨基酸序列

 

根据论文公布的数据,新型冠状病毒与非典病毒,在氨基酸序列上有 76.47% 的相似率。

 

个人觉得,对于不同蛋白来说,76.47% 的相似率还是比较高的。比如,我研究的艾滋病毒辅助蛋白 Vpu,单链一共只有 81 个氨基酸,在不同的蛋白亚型里,也会有十来个不同的氨基酸。以 MERS 为例,MERS 的刺突蛋白(S)有 1353 个氨基酸,可变几率也会更大。而不同的蛋白质,区别可能也会更大。

 

但重点是,氨基酸变了,不一定会影响蛋白质的整体功能。这就好比,做菜的时候要放白砂糖,但如果不小心放成了冰糖,也许口感有那么一点区别,但反正都是甜的;当然,如果放成了盐,那区别就大了——氨基酸链也是如此,氨基酸的改变,可能是白砂糖和冰糖的区别,也可能是糖和盐的区别。

 

相比之下,氨基酸排列引起了可能的结构变化,继而导致了功能变化,后两者才是我们更看重的。

 

蛋白质的一级结构是一串氨基酸 | National Human Genome Research Institute

 

2、3D 空间结构

 

关于论文里讨论的 3D 结构,可以简单理解为,模拟出来的这两个刺突蛋白(S),在空间距离上的差异有多少米,也就是它们的空间结构有多相似。结果发现,它们差了 1.45Å,也就是 0.000000000145 米。你没看错,1 Å =1^-10 米。再考虑到这个刺突蛋白(S) 的普遍长宽,一般为长<=30 nm, 宽<=5 nm(1nm = 1^-9米)[4],这样的差异是非常小的。

 

因为,蛋白质不是静止不动的。在实际情况下,蛋白质会蹦来蹦去,扭来扭去,好比一根弹簧。蹦一下,这个 1.45 Å 的差距就没了。所以,这两个蛋白质的 3D 空间结构是非常相似的。

 

蛋白模型:红色表示ACE2受体蛋白,棕色表示2019新型冠状病毒刺突蛋白(S),蓝色表示SARS病毒刺突蛋白(S)| 参考资料[1]

 

3、蛋白质功能

 

空间结构近乎相同,那么功能呢?沿用之前的“钥匙和锁”模型,这两把长得差不多的钥匙都能开锁吗?答案是——可以的,只不过非典病毒的这把钥匙开得更顺畅。

 

论文此处比较的是刺突蛋白(S)与人体细胞受体 ACE2 的结合。新型冠状病毒与受体的结合自由能是 -50.6kcal/mol,非典病毒是 -78.6kcal/mol。结合自由能越低,病毒蛋白和人类受体结合时释放的能量就越多,结合也就越稳定。因此,相比之下,非典病毒与 ACE2 受体的结合更稳定。

 

但是,这并不代表新型冠状病毒与ACE2受体结合得不好,只能说非典病毒更好。论文指出,一般来说,结合能量为 -10kcal/mol 时,就该认为结合得不错。

 

这说明了什么?

 

新型冠状病毒与人类受体结合得不错,但没非典病毒那么好——从这个信息,我们可以试着推论出这次病毒的几个特点。

 

1、入侵能力

 

非典病毒的结合率更好,意味着就单个病毒而言,非典病毒更容易进入人体,人体也就更容易被感染。因此,有学者认为,2019 新型冠状病毒的传染性没有非典病毒强,我也同意这个说法。

 

2、传染性

 

然而,正是因为相比于非典,这次的病毒没有那么容易进入细胞、造成破坏,所以人类感染初期的症状也就不那么明显。这样一来,受感者不会警觉,可能也会出现漏诊、误诊的情况;由于错失及早就医的时机,受感者也更有可能感染其他人——所以,从这个角度来说,这次的病毒传染性强。

 

当然,这只是病毒传播的一个因素。病毒的致命率、生命周期、传播渠道、在空气中可以滞留多久、病毒量、在进入人体细胞后复制新病毒的速度等等,都能够影响病毒的传染力。

 

新型冠状病毒的电镜图片 | 中国疾控中心

 

3、病毒对人体的影响

 

病毒对人体的影响,是由病毒本身以及人体免疫系统的反应共同决定的。

 

如果一个病毒的杀伤力很强,人体的免疫系统很弱,病毒一进来,就把人体细胞杀精光,那么这个病毒对人体的影响肯定是很大的。但是,如果一个病毒本身的杀伤力不强,人体免疫系统的反应却过于强烈,挥起宝刀一阵乱打,结果打的都是自己人,那么人类正常的细胞也会被过激的免疫系统弄死——这种情况下,我们也说这个病毒对人体的影响很大。正常的免疫反应,应该是按部就班进行的,太快太慢都不行。

 

研究发现,非典病毒更倾向于“打倒”青年人,是因为青壮年的免疫系统比较好,更加灵敏、强烈,而非典病毒的结合能力强,更容易导致免疫系统的过激反应[5]。然而,这次的新型冠状病毒结合能力虽不差,但却没有非典病毒那么好,免疫系统的反应相对缓和一些。也就是说,比较强的免疫系统能有较多时间反应,从而作出正常的部署;但是,免疫系统比较弱的人,就很容易中招。

 

从最近报道的病例来看,这次整个病症的周期比非典长;同时,根据《柳叶刀》的最新研究,中老年人也更容易感染这次的新型冠状病毒——其实,更准确的说法应该是,单从新型冠状病毒的结合能力来说,不论年老年少,免疫力弱的人都更容易中招。

 

不论年龄,免疫力弱的人都更容易中招 | Pixabay

 

从实际来看,初期弱弱的症状、春运、春节家庭聚会,这些都给2019新型冠状病毒带来了很好的传播机会。假期里减少多人聚集,尽量在家隔离,开工之后也不要掉以轻心,做好防护,别急着呼朋唤友聚餐蹦迪——不给病毒传播的途径,这才是最稳妥的方法。

 

注:本文基于理论研究,并不能代表专家和一线医生的观点。仅供参考,如有错误,欢迎指正!

 

参考资料:

 

[1] New China virus: Sive questions scientists are asking, E. Callaway and D. Cyranoski, Nature News, 2020

[2] Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission, X. Xu et. al., Science China Life Sciences, 2020

[3] Wikipedia: Coronavirus, scientificanimations.com, 2020

[4] Natural Protein Fibers, C. Viney, Encyclopedia of Materials: Science and Technology, 2001

[5] Severe immune response kills SARS victims, R. Walgate, New Scientist, 2003

 

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:王壮壮

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