2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的结构和致病机制概述

1、2019新型冠状病毒(SARS - CoV - 2)的结构和致病机制概述摘 要2019年末出现的2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)与人血管紧张素转换酶2( ACE2)结合的高亲和力，促成它在世界范 围的广泛传播，并造成了新型冠状病毒病(COVID-19)疫情的全球大流行,对人类的健康卫生和经济活动产生了巨大的负面影响！ 本文从SARS-CoV-2的结构、与ACE2的结合特点及对部分器官的影响三个方面概述其致病机制！关键词SARS-CoV-2人血管紧张素转换酶2致病机制COVID-192019年末至今，以肺炎为主要症状的新型冠状病 毒病(COVID-19)疫情在全球广泛流行，对人类的健

2、 康卫生以及社会与经济活动产生了巨大的负面影响， 引起了全世界的严重关注。中国科学家率先对新型冠 状病毒(SARS-CoV-2)进行分离和测序，并在第一时 间向世界公布了其全基因组序列。根据血清学与基因 组特点，冠状病毒分为a、#和$四个属。已发现 的七种感染人类的冠状病毒分别为a属的HCoV- 229E 和 HCoV - NL63,属的 HCoV - OC43、CoV - HKU1、SARS-CoV、MERS-CoV 与 SARS-CoV-2 其 中，SARS-CoV、MERS-CoV 与 SARS-CoV-2 都会导致 严重的呼吸系统疾病，而其余四种冠状病毒仅引起与 普通感冒相似的症状E

3、!SARS-CoV-2 的结构SARS-CoV-2 的基本结构 SARS-CoV-2 是一 种有包膜的单链RNA病毒，其特征是病毒表面有棍棒 状突起的刺突蛋白即S蛋白(spike glycoprotein)和异 常大的RNA基因组。SARS-CoV-2基因组编码四种 主要的结构蛋白：S蛋白、E蛋白(envelope protein) #M 蛋白(matrix protein)以及 N 蛋白(nucleocapsid protein)。SARS-CoV-2表面的S蛋白介导病毒与宿主细胞 膜受体的结合和融合。进入宿主细胞后，病毒随即释 放基因组RNA、进行RNA复制及蛋白质翻译,并通过 内质网和高

4、尔基体的加工完成子代病毒的装配，最后 将其释放至胞外。与受体结合后,S蛋白在第一个蛋白水解位点(S1/S2)被分解为S1、S2两个亚基。S1亚 基的N端结构域(N-terminal domain, NTD)与C端结 构域(C-terminal domain , CTD)均能作为受体结合域 (receptor-binding domain, RBD)，介导病毒与受体的结 合。Wang等通过免疫染色和流式细胞术确定了 CTD是SARS-CoV-2识别受体的关键区域，而SARS- CoV与MERS-CoV同样利用CTD识别受体。S2亚基 主要包含两个串联结构域七肽重复序列1 ( heptad rep

5、eats 1, HR1)和七肽重复序列 2( heptad repeats 2, HR2)以及第二个蛋白水解位点(S2)。与受体结合 后，S2&位点进一步分解，并通过HR1与HR2激活病 毒包膜与宿主细胞膜的融合31 , SARS-CoV-2也就得 以通过受体介导的内吞途径进入宿主细胞。内吞后的 病毒最初形成早期内体，然后成熟为晚期内体,最终进 入溶酶体被降解并释放基因组RNA41 o基因组RNA 中最先表达的是pplab与ppla这两个多聚蛋白前体， 其中pplab蛋白由ORFlab编码、ppla蛋白由ORFla 编码，它们在蛋白酶的作用下被切割成多个非结构蛋 白。亚基因组RNA合成后则编码

6、辅助蛋白和结构蛋 白。除S蛋白外的其余3种结构蛋白与基因组RNA 在内质网中进行装配，然后经过高尔基体的加工获得 包膜并插入S蛋白，完成装配后，子代病毒通过囊泡 释放回。SARS-CoV-2的特殊结构 同属属谱系B的 SARS-CoV-2与SARS-CoV的S蛋白都存在Sl/S2位 点，但SARS-CoV-2在Sl/S2位点插入了 l2个氨基酸 序列，形成了多碱性(类似呋喃蛋白)的切割位点61o 对SARS-CoV的实验表明，在Sl/S2交界处插入一个 呋喃蛋白切割位点可以促进膜融合。谱系B的其他冠 状病毒中没有发现类似的位点，但在不同谱系的 MERS-CoV等冠状病毒中发现了类似位点的存在7

7、1 o 研究发现，多碱性切割位点可以通过进化产生。例如： Yamada等观察到鸡传染性支气管炎病毒突变产生第 二个呋喃蛋白切割位点；禽流感病毒在高密度鸡群中 传播并获得了血凝素蛋白中的多碱性切割位点，从而 导致低致病性禽流感病毒转化为高致病性。研究还发 现，l2个氨基酸序列的插入进一步导致了周围3个糖 基化位点的产生，它们可以创建一个“类似粘蛋白的结 构域”，进而保护SARS-CoV-2中S蛋白的抗原表位 或关键残基，以此作为免疫逃逸的屏障。全基因组序列分析表明，SARS-CoV-2与SARS- CoV 的核苷酸序列有79.6%的同源性。SARS-CoV 与SARS - CoV - 2均以人血

8、管紧张素转换酶2 (angiotensin converting enzyme 2， ACE2)作为受体。 SARS-CoV与人ACE2主要通过l4个氨基酸残基相互 作用,其中的6个是两者结合的关键残基。相比之下， SARS-CoV-2的l4个残基中的8个发生了变化，其中 5个属于关键残基。SARS-CoV-2与20l3年采集的云 南省中国菊头蝠的冠状病毒RaTGl3有96.2%的同源 性81 ,只共享6个关键残基中的一个。SARS-CoV-2 与20l9年广东省反走私行动中查获的马来西亚穿山 甲冠状病毒有9l.02%的同源性,6个关键残基完全一 致,RBD氨基酸序列相似性高达97%9。但是穿

9、山甲 冠状病毒和蝙蝠冠状病毒RaTGl3中也都没有观察到 多碱性切割位点的存在。SARS-CoV-2与ACE2的结合特点SARS-CoV-2 与人 ACE2 的结合特点 SARS- CoV-RBD 及 SARS-CoV-2-CTD 与人 ACE2 的结合模 式总体上相似，然而关键残基的取代增强了 SARS- CoV-2 与受体的相互作用，并导致SARS-CoV-2-CTD 与受体结合的亲和力比SARS-CoV-RBD高4倍。研 究揭示：SARS-CoV-2-CTD与人ACE2通过2l个残 基相互作用，而SARS-CoV-RBD则只有l7个与人 ACE2相互作用的残基；SARS-CoV-2-CT

10、D比SARS- CoV-RBD 能形成更多的范德华键(分别为288和 2l3)与氢键(分别为l6和ll) SARS-CoV-2与动物ACE2的结合特点 Liu 等l01选取了 48种具有代表性的哺乳动物，研究其 ACE2介导SARS-CoV-2感染的情况。以人ACE2为 阳性对照，以小鼠ACE2为阴性对照。通过流式细胞 术检测Sl-Fc融合蛋白与ACE2的结合率，评估了 SARS-CoV-2与受体的结合情况，发现考拉、白鼬以及 3种新世界猴子(松鼠猴、簇毛擢尾猴和白色簇绒耳狨 猴)的ACE2都不与SARS-CoV-2结合,其余动物与病 毒的结合能力均低于人ACE2o通过对N蛋白进行免 疫荧光染

11、色，评估了受体介导病毒进入细胞的能力，结 果发现除了在过表达3种新世界猴子和考拉ACE2的 HeLa细胞中未检测到N蛋白信号，以及过表达白鼬 ACE2的HeLa细胞中检测到较低的N蛋白信号以外， 过量表达其余动物ACE2的HeLa细胞中均能检测到 大量N蛋白信号。以上实验结果说明，SARS-CoV-2 可能具有广泛的宿主范围，能与多种哺乳动物的ACE2 结合并侵入细胞。SARS-CoV-2对部分器官的损伤ACE2由805个氨基酸组成，是一种具有单一胞外 催化结构域的I型跨膜糖蛋白，广泛分布于肺、心脏以 及肾脏等器官中，因此SARS-CoV-2可能会对这些器 官造成危害。3.l SARS-CoV

12、-2对肺的影响 ACE2与血管紧张素 转换酶(angiotensin converting enzyme, ACE)均为人体 肾素-血管紧张素系统(renin_angiotensin system, RAS) 的关键酶，ACE将十肽的血管紧张素I (angiotensin I , Ang I )裂解为八肽的血管紧张素& ( angiotensin &, Ang&)，进而升高血压。ACE2则能将Ang &降解 为血管紧张素1-7( angiotensin 1-7, Ang 1-7)，从而反 向调节RAS11 o在SARS-CoV的研究中发现，病毒与 ACE2的结合导致Ang &生成增加，Ang

13、&通过血管紧 张素 &型 1a 受体(angiotensin & type 1a receptor，AT 1 a)控制急性肺损伤的严重程度和肺血管通透性，Ang &的增加最终诱发肺水肿、损害肺功能。Jiang等121构 建了表达人ACE2的转基因小鼠模型并使其感染 SARS-CoV-2o结果显示：感染1天后的转基因小鼠 肺组织出现了少量淋巴细胞浸润；感染3天后的转基 因小鼠支气管及血管周围炎症细胞增多，部分肺泡出 现水肿；感染5天、7天后的转基因小鼠大多数有严重 的肺炎，并伴随终末细支气管阻塞以及部分肺泡细胞 溶解坏死等现象。SARS-CoV-2对心脏的影响 Huang等13发现， 41例新冠

14、肺炎患者中12%出现急性心脏损伤，表现为射 血分数下降和肌钙蛋白I升高。Shi等14发现，416名新 冠肺炎患者中19.7%出现心脏损伤，心脏损伤患者的死 亡率显著高于无心脏损伤的患者,且死亡率与超敏肌钙 蛋白I浓度相关，众多并发症(电解质紊乱、凝血功能障 碍等)也更为常见。另外,研究还发现心脏损伤患者的 C反应蛋白、降钙素原和白细胞等炎症细胞因子水平显 著升高，这可能导致心肌细胞凋亡或坏死。SARS-CoV-2对消化道的影响 Xiao等15的免 疫荧光检测结果显示：ACE2在胃、十二指肠和直肠上 皮的腺细胞中大量表达，少见于食管粘膜；N蛋白染色 结果也表明，SARS-CoV-2能够感染上述胃

15、肠道腺细 胞。Han等16在206例轻度新冠肺炎患者中发现56. 8%存在消化道症状,这些患者的发病时间、粪便病毒 阳性率均显著高于无消化道症状患者。Xiao等15还 观察到在73名患者中有多达23.29%的患者，在呼吸 道病毒核酸检测呈阴性后，仍可在粪便中检测出SARS -CoV-2 oSARS-CoV-2对肾脏的影响 Chen等17发现 113名死亡患者中有25%曾发生急性肾损伤,117例康 复患者中有50%曾出现蛋白尿、38%曾出现镜下血尿； 急性肾损伤患者的解剖结果显示急性肾小管坏死，且 大部分损害发生在近端小管,而近端小管是肾小管中 唯一表达ACE2的部位，还表达丰富的蛋白酶18 o

16、因 此,ACE2与特异蛋白酶可能会共同促进SARS-CoV-2 进入近端小管细胞。SARS-CoV-2对肝脏的影响 Zhao等19建立人 肝导管器官模型，发现SARS-CoV-2诱导其中多种关 键细胞凋亡因子的表达。研究发现，胆管细胞间的紧 密连接维持胆管上皮的屏障功能，是其收集并运输胆 汁酸所必需的。但病毒感染后，人肝导管细胞中 CLDN1等紧密连接相关基因的表达显著降低，两种主 要的胆汁酸转运蛋白基因(SLC10A2和CFTR)的表达 也明显降低。因此SARS-CoV-2的感染可诱导胆管 细胞死亡并损害其运输胆汁酸的功能!人教版普通高中生物学选择性必修3生物技术与工程育人价值分析包春莹(人

17、民教育出版社课程教材研究所 北京100081)摘要生物技术与工程是高中生物学三个选择性必修模块之一,该模块教材具有独特的育人价值。从观念的视角来看，它可 以深化学生对生命观念的理解和应用，突出生命伦理观;从思维的视角来看，它可以综合培养学生的科学思维、技术思维、工程思维 和伦理思维;从探究与实践的视角来看，它能够发展学生探究与实践能力，理解科学的过程和本质;从责任的视角看,它可以引导学 生关注科学技术的应用，增强社会责任感！关键词生物技术与工程工程思维技术思维伦理思维科学本质生物技术与工程是高中生物学课程的三个选 择性必修模块之一。本模块的内容包括发酵工程、细 胞工程、基因工程、生物技术的安全

18、性与伦理问题等， 在培养学生的核心素养方面具有独特的价值。本文结 合人教版教材选材及编写的特点，试分析本模块的育 人价值。1观念的视角：深化对生命观念的理解和应用，突出 生命伦理观1.1运用生命观念解决实际问题 关于生命观念， 普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订) (以下简称“课标”)在描述时给出了两个层次：第一， 学生应该在较好地理解生物学概念的基础上形成生命 观念;第二，能够用生命观念认识生物的多样性、统一 性、独特性和复杂性，形成科学的自然观和世界观，并 以此指导探究生命活动规律，解决实际问题。本模块 无疑侧重在后一个层次，主要是运用之前学到的观念 来解决实际问题。例如，

19、无论进行什么类型的生物工 程设计，既要考虑基因、细胞、生命体或生态系统的结 构，也要考虑它们的各种功能，遵循改变结构去影响功 能的思路，从而让生物工程更好地为人类服务,这体现 了结构与功能观的运用；在讲述选择培养基时，提供的 是在美国黄石国家公园热泉中发现DNA聚合酶的事 例,这可以使学生对进化和适应观有更深入的了解;完enzyme 2 J. Cell，2020, 182( 1) : 50-58.HUANG CL，WANG YM，LI XW，et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in

20、Wuhan， China J. Lancet，2020, 395( 10223) : 497-506.SHI SB， QIN M， SHEN B， et al. Association of cardiac injury with mortality in hospitalized patients with COVID-19 in Wuhan， China J. JAMA Cardiology，2020, 5( 7) : 802-810.XIAO F, TANG MW, ZHENG XB, et al. Evidence for gastrointestinal infection of S

21、ARS-CoV-2 J . Gastroenterology, 2020，158( 6) ： 1831-1833. 16 HAN CQ，DUAN CH，ZHANG SY，et al. Digestive symptoms in COVID - 19 patients with mild disease severity： clinical成尿素分解菌培养基配方的设计及拓展应用题“你打 算到什么环境中去寻找纤维素分解菌”、旁栏思考题 “推测限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么$ 等也都需要运用进化与适应观。本模块也有一些内容 是深化观念的，例如，教材介绍生物技术在建设生态文 明、改善生存环境和

22、保护生物多样性等方面发挥的重 要作用，可以涵养学生的生态观。1.2基于生命观念利用和改造生物本模块将让学 生认识到人类不是随意地利用和改造生物，而是需要 基于以下生命观念：第一，生命本身是发展变化的，因 此是可以改变的。例如，遗传物质在传递过程中可以 发生变化,这就给转基因的操作提供了可能。第二，生 命活动的变化是有规律的，因此，人类对生物的利用和 改造要合规律1 !例如，在制作腐乳时要创造一定的 湿度和温度、在制作泡菜时要用水密封泡菜坛、在制作 果酒和果醋时要设置不同的温度等条件，这其实创造 了适合特定微生物生长的条件。只有这样，微生物的 生命活动才能正常进行。胚胎移植之所以能够进行， 是因为经过发情处理的供体和受体所发生的生理变化 相似，人类可以利用这样有规律的生理变化来进行操 作。第三，人类对复杂生命系统的认识是十分有限的。 因此，利用和改造要慎重，要权衡其效益和风险，使其 合目的目的就是为人类造福，不仅是眼