新冠病毒的自白

周浩 王皞鵬 楊海濤

要問“客”從何處來

首先，請?jiān)试S我進(jìn)行自我介紹。我是冠狀病毒家族中新晉的一員，人類把我叫作新型冠狀病毒（SARSCoV-2），而由我引起的肺炎則被叫作新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease 2019， COVID-19）。蝙蝠往往是我們冠狀病毒家族溫暖的歸宿，我和很多的親戚朋友們都長期居住在蝙蝠的體內(nèi)并不斷進(jìn)化。而且時(shí)不時(shí)地，我們還可以到不同的動物體內(nèi)串串門，“運(yùn)氣好”的話最終還可以傳染到人類體內(nèi)。老前輩非典病毒（SARS病毒）就是通過果子貍最終傳染人類的，我的遠(yuǎn)方親戚MERS病毒也是找駱駝做的中間商。今年我也追尋著前輩們的腳步，找到了一些秘密“掮客”作為中轉(zhuǎn)，最后進(jìn)入了人類社會。

2019年年末，我一來到密集的人類社會就發(fā)現(xiàn)，這里的環(huán)境可太好了！每天都有來來往往的人群，這為我的傳播提供了人數(shù)基礎(chǔ)，而寒冷的天氣與避光的場地則讓我能夠存活得更久。我的主要傳播方式是飛沫傳播，這種傳播方式迅速而不易被察覺，許多病毒界的名流，比如流感病毒就是靠這一招走遍天下的。當(dāng)我隨著咳嗽或噴嚏的飛沫來到空氣中，它們會包裹著我在空氣中游蕩。有時(shí)候運(yùn)氣好就能直接找到下一個(gè)感染者，但就算落在一些金屬或者玻璃的表面，我也能存活大概一周的時(shí)間，其間偶爾就會有“有緣人”找上門，碰了我之后再揉揉眼睛或鼻子，這種間接的接觸傳播也是我能在短時(shí)間感染這么多人的一大利器。

我的生活史

免疫系統(tǒng)保護(hù)人類的第一道防線由皮膚和黏膜組成。雖然皮膚幾乎完全覆蓋了人類身體表面，但幸運(yùn)的是，人們暴露在空氣中的嘴唇、眼皮、口腔和鼻腔上都有著大量的黏膜細(xì)胞。作為冠狀病毒，當(dāng)我接觸到黏膜細(xì)胞時(shí)，我囊膜外衣上的S 蛋白（spike glycoprotein，刺突糖蛋白）就能與細(xì)胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2結(jié)合、識別并帶我進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。每個(gè)被感染的細(xì)胞都能產(chǎn)生成千上萬個(gè)新的病毒顆粒，這種數(shù)量優(yōu)勢使我能夠快速攻占人體的多個(gè)器官和組織。其實(shí)人體的肺部和心臟等器官都有血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2的表達(dá)，但往往在我剛想進(jìn)一步攻城略地的時(shí)候，人類的免疫細(xì)胞就發(fā)現(xiàn)端倪并抄家伙來了。

其實(shí)真要說起來，我的目的從來都不是要?dú)⑺廊祟?，畢竟殺死了宿主還怎么增殖傳播呢？反倒是人體那些巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、T細(xì)胞等免疫細(xì)胞見了我就像發(fā)了瘋似的，它們分泌出許多細(xì)胞因子一頓狂轟濫炸不分?jǐn)澄?。年輕的宿主身體素質(zhì)比較好還能扛過去，而許多年老的宿主抵不過呼吸系統(tǒng)衰竭、心衰或腎衰，很快便生命垂危。

要說我對人類有什么危害，頂多是因?yàn)槲視p傷肺泡中的Ⅱ型肺泡細(xì)胞，這種細(xì)胞對人類呼吸系統(tǒng)挺重要的。它平日里會分泌一些脂質(zhì)和蛋白質(zhì)來擴(kuò)大肺泡面積，當(dāng)這種細(xì)胞被攻擊，肺泡會因?yàn)樗肿拥谋砻鎻埩Χs小，氧氣、二氧化碳等氣體交換的效率也會顯著下降，以至于不足以維持人類的日常生活。所以肺部的肌肉就會不斷擴(kuò)張，試圖把肺泡拉大，但這樣肺泡與肌肉間就會出現(xiàn)一些氣壓很低的區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥區(qū)域積水像拔火罐一樣被吸進(jìn)去，呼吸反而變得更加困難[1]。

雖然到最后我可能會導(dǎo)致宿主產(chǎn)生炎癥疾病，甚至死亡，但是這并不能明顯削弱我的傳染能力。因?yàn)樵谒拗鬟€沒有發(fā)展為重癥之前，我就可以通過飛沫傳播的途徑在人群中四處傳播開了，只要不斷循環(huán)感染到傳染的這一流程，很快全世界都將見識到我的威力。

我的弱點(diǎn)

冠狀病毒家族有著悠久的歷史，而能夠從其中脫穎而出并在人類社會卷起軒然大波的我更將“名垂青史”。但即便強(qiáng)大如我，除了不耐高溫和紫外線之外，還有一些弱點(diǎn)似乎被人類發(fā)現(xiàn)了。

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，這點(diǎn)對我也不例外。但與人類或者說大多數(shù)生物不同，作為RNA生物，我的蛋白表達(dá)可以直接用自身攜帶的RNA作為模板，偷偷利用宿主的翻譯機(jī)器生產(chǎn)我的蛋白質(zhì)，而不需要從DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，但這也使得我在繁殖后代時(shí)必須要表達(dá)人類宿主所沒有的一種RNA聚合酶來復(fù)制RNA。我把與生命活動相關(guān)的非結(jié)構(gòu)蛋白編碼基因放在基因組（RNA）的前2/3區(qū)域，而把組成我蛋白質(zhì)外殼的結(jié)構(gòu)蛋白編碼基因放在后1/3區(qū)域，畢竟重要的蛋白要先表達(dá)，不然基因都復(fù)制不了，更別說繁殖后代了。

在我進(jìn)入黏膜細(xì)胞后，第一件事就是先翻譯出兩條非結(jié)構(gòu)蛋白，多聚蛋白pp1a和pp1ab，多聚蛋白就像一串珍珠一樣，行使不同功能的蛋白質(zhì)（珍珠）互相連接在一起。其中的兩顆“珍珠”——木瓜蛋白酶和主蛋白酶能通過自剪切，將自己從多聚蛋白pp1a和pp1ab中切割并釋放出來。隨后，這兩種蛋白酶就可以將多聚蛋白pp1a和pp1ab上剩下的珍珠相互切開，最終釋放出包括兩種酶在內(nèi)的16顆“珍珠”，即16種非結(jié)構(gòu)蛋白。這些非結(jié)構(gòu)蛋白，如RNA依賴的RNA聚合酶、解旋酶等進(jìn)而組裝成復(fù)制酶復(fù)合物，完成基因組的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。在這個(gè)過程中，木瓜蛋白酶有3個(gè)酶切位點(diǎn)，而主蛋白酶有11個(gè)酶切位點(diǎn)[2]。

令我畏懼的是，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了針對我的藥物研制方向——把主蛋白酶和RNA聚合酶作為藥物靶點(diǎn)。因?yàn)檫@些蛋白在我基因組的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)在人體內(nèi)并不存在與之相似的蛋白質(zhì)。因此，針對這兩種酶設(shè)計(jì)的抑制劑藥物在干擾我正常繁殖的同時(shí)，對人體的副作用也很小。

人類的對策

這次疫情暴發(fā)，人類的處理方式比起18年前也變得更加成熟。從拿到攜帶著我的肺炎樣品到確定病毒全基因組只花了幾天的工夫，他們還迅速分離出了病毒毒株。面對傳染病，人類采取的最有效方式就是制造疫苗，而比較常用的有減毒活疫苗和滅活疫苗。減毒活疫苗就是在體外對我進(jìn)行一代又一代的培養(yǎng)，由于我們病毒的基因組不穩(wěn)定，在這種傳代的過程中，會逐漸積累突變，最終可能就會在這個(gè)過程中產(chǎn)生對人體造成危害較低的后代。人們將這些后代注射到自己體內(nèi)，既不會給人體造成嚴(yán)重疾病，又可以讓免疫系統(tǒng)認(rèn)識并記住我們，從而起到預(yù)防作用。滅活疫苗就更“粗暴”了，不管三七二十一直接把我們滅活（殺死）了，使得我們在注射入人體后對免疫系統(tǒng)的刺激也就更弱了。

但我和兄弟姐妹們也有對付疫苗的辦法，比如我們會經(jīng)常通過突變基因組來改頭換面，這樣疫苗的免疫作用就沒法識別我們；另外疫苗可能對我們直系親屬有效，但是對我的遠(yuǎn)方親戚幾乎不起作用。但如果人類針對我們一大家族的共同弱點(diǎn)設(shè)計(jì)出廣譜藥物，那就不光是我自己，連我們整個(gè)冠狀病毒大家庭都會受到沉重打擊。為了研發(fā)針對我們家族的藥物，人類學(xué)會了探究我們的弱點(diǎn)。他們知道我們冠狀病毒的弱點(diǎn)往往在自身的蛋白質(zhì)（比如關(guān)鍵酶）上，但由于蛋白質(zhì)實(shí)在太小，超出了光學(xué)顯微鏡能觀察的范圍，所以人類現(xiàn)在利用X-ray衍射晶體學(xué)成像、NMR核磁共振成像和Cryo-EM冷凍電子顯微鏡成像等技術(shù)來“窺探”蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)。

其中冷凍電子顯微鏡成像技術(shù)獲得了2017年的諾貝爾化學(xué)獎。這種方法是在低溫條件下利用電子顯微鏡對蛋白質(zhì)進(jìn)行拍照，這樣就可以獲得蛋白質(zhì)在各個(gè)方向上的照片，之后通過精巧的重構(gòu)計(jì)算，人類就能“看清”蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)了。

歷史最悠久的是X-ray單晶衍射技術(shù)。蛋白質(zhì)和氯化鈉等小分子一樣，在溶液過飽和的時(shí)候就有機(jī)會從液相中析出，并且在適宜的外部條件下，析出的蛋白質(zhì)會和氯化鈉一樣，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)晶瑩剔透的晶體。之后，用X射線照射晶體，晶體會對X射線產(chǎn)生衍射作用，如果用探測器收集這些衍射出來的射線就可以得到一幅衍射圖像。這個(gè)圖像中的衍射點(diǎn)位置與強(qiáng)度包含了晶體中蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的信息。通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，人類就可以破解衍射圖像的信息，最終獲得蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。雖然X射線晶體學(xué)已經(jīng)非常成熟可靠，但是它需要實(shí)驗(yàn)人員合成出適宜的蛋白質(zhì)晶體，進(jìn)而找到蛋白質(zhì)結(jié)晶所需要的特殊條件，而這個(gè)過程需要研究人員不懈的努力，當(dāng)然，運(yùn)氣也很重要。

特效藥的研制

前面已經(jīng)談到，主蛋白酶是我的一個(gè)弱點(diǎn)。但是研究人員如何設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)針對主蛋白酶的抑制劑呢？如果把我的主蛋白酶比作一把鎖，那么人類通過解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就能了解這把鎖的精確構(gòu)造。而設(shè)計(jì)抑制劑就像是給這把鎖配“鑰匙”，當(dāng)了解這把鎖的構(gòu)造以后，就有可能配出一把特殊的鑰匙（即靶向性化合物）。如果這個(gè)化合物能夠特異性地結(jié)合到我的主蛋白酶上并使其失活，就有可能發(fā)現(xiàn)針對我的特效藥。

人類現(xiàn)在設(shè)計(jì)藥物時(shí)主要有3種策略：從頭設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)虛擬篩選和高通量實(shí)驗(yàn)篩選。從頭設(shè)計(jì)主要是基于結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的小分子設(shè)計(jì)和開發(fā)；計(jì)算機(jī)虛擬篩選是通過將已知結(jié)構(gòu)的蛋白與藥物進(jìn)行分子對接（將不同的小分子與主蛋白酶這把鎖進(jìn)行匹配），以評估其是否能結(jié)合藥物靶點(diǎn)；高通量篩選則是建立一套快速篩選方法，在短時(shí)間內(nèi)對大量藥物進(jìn)行篩選。如果將高通量實(shí)驗(yàn)篩選和老藥新用相結(jié)合，往往會迅速產(chǎn)生有前景的成果。這里的“老藥”是指已上市的藥物或正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)的藥物，而“新用”是指發(fā)現(xiàn)其新適應(yīng)證并將其用于疾病治療。由于不確定新研發(fā)藥物的各種理化性質(zhì)，如是否有毒、是否有副作用等，因此需要經(jīng)過藥動學(xué)與藥代學(xué)研究、臨床試驗(yàn)等十分復(fù)雜且耗時(shí)的過程才能最終上市，這需要大量的資金與時(shí)間，但如果把“老藥”用于新的疾病，由于已經(jīng)比較明確這些藥物的藥理學(xué)性質(zhì)、副作用等相關(guān)信息，就可以跨過很多新藥研發(fā)所必需的步驟，在較短時(shí)間內(nèi)開展臨床試驗(yàn)。

本次疫情中，科學(xué)家就結(jié)合了這兩種篩選方法對10 000多種老藥、臨床藥物以及天然活性產(chǎn)物進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)了數(shù)種對主蛋白酶和新型冠狀病毒有顯著抑制作用的先導(dǎo)藥物，包括依布硒、雙硫侖等，其中依布硒和雙硫侖已分別在美國、英國等獲批開展臨床試驗(yàn)。

如果說計(jì)算機(jī)虛擬篩選與高通量篩選是“大海撈針”，那從頭設(shè)計(jì)一款藥物更像“女媧造人”一樣具有創(chuàng)造性。想要從頭設(shè)計(jì)藥物首先要在分子層面上對目標(biāo)蛋白的構(gòu)造和功能有充分的認(rèn)識。人類很幸運(yùn)，他們通過結(jié)構(gòu)解析洞悉了我的主蛋白酶活性位點(diǎn)信息：由第145位的半胱氨酸（Cys）和第41位的組氨酸（His41）組成的催化二體（Cys-His）。其中組氨酸作為質(zhì)子受體，而半胱氨酸則負(fù)責(zé)對底物的肽鍵進(jìn)行親核攻擊。如果設(shè)計(jì)出的化合物能模擬蛋白酶的底物，但是在酶催化過程中鎖定中間體，就會破壞酶進(jìn)一步水解的活性，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制效果[2]。同時(shí)，主蛋白酶的活性位點(diǎn)附近還有許多氨基酸殘基會被藥物用來鎖定底物結(jié)合口袋，在設(shè)計(jì)藥物時(shí)人類會根據(jù)這些殘基設(shè)計(jì)和優(yōu)化小分子藥物結(jié)構(gòu)，最終獲得理想的藥物分子。比如邁克爾受體抑制劑N3就是人類利用這種策略設(shè)計(jì)的抑制劑，而且人類已經(jīng)解析出了它與主蛋白酶的復(fù)合體結(jié)構(gòu)。在這種策略的引導(dǎo)下，恐怕不久后人類就能找到對付我的新辦法了[3]。

我可能會卷土重來

在中國，人們通過核酸檢測、掃健康碼等方式進(jìn)行精準(zhǔn)防疫，一旦發(fā)現(xiàn)被我感染的個(gè)體，就會被送到醫(yī)院隔離和診治。所以當(dāng)初疫情暴發(fā)僅短短幾個(gè)月的時(shí)間，中國的感染人數(shù)便完全控制下來，而現(xiàn)在疫苗也開始推廣，當(dāng)全世界都普及接種有效疫苗的時(shí)候，我可就無處藏身了。但人類你們也別高興得太早，一是我有強(qiáng)大的突變能力和適應(yīng)宿主的能力，所以我會通過自身的變種來逃避疫苗和藥物的攻擊；二是我在自然界還有很多其他兄弟姐妹，它們一直潛伏在其他動物宿主體內(nèi)。只要條件成熟，它們也能跨過物種間的屏障，乘虛而入。誰又知道，在未來某個(gè)寒冷的季節(jié)，我們會不會與人類再次相遇呢？

[1]Ziegler C， Allon S J， Nyquist S K， et al. SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is enriched in specific cell subsets across tissues. Cell， 2020， 181（5）： 1016-1035.

[2]Yang H， Xie W， Xue X， et al. Design of wide-spectrum inhibitors targeting coronavirus main proteases. Plos Biology， 2005， 3（10）： 1742-1752.

[3]Yang， H T， Jin Z M， Du X Y， et al. "Structure of Mpro from SARSCoV-2 and discovery of its inhibitors." Nature， 2020， 582（7811）： 289–293.

關(guān)鍵詞：新冠肺炎病毒 廣譜藥物 疫苗 結(jié)構(gòu)主要蛋白酶 ■