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從冠狀病毒到流感:病毒如何從動物傳染給人類?



北京時間3月27日消息,某些流感病毒和多種冠狀病毒都會導致人畜共患疾病,這些病毒起源於動物,但其生物學機制卻使它們往往能夠感染人類。目前世界正處於一種由新型冠狀病毒引起的傳染病大流行中。

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世界衛生組織(WHO)正式將這種疾病命名為“2019冠狀病毒病”(COVID-19),而冠狀病毒研究小組將導致該疾病的病毒命名為“嚴重急性呼吸道綜合徵冠狀病毒2型”( SARS-CoV-2)。一些不尋常的肺炎患者在2019年12月下旬首次被發現,而該病毒在今年1月8日被正式確認為致病原因。

我們以前見過這樣的病毒嗎?

是的。事實上,SARS-CoV-2是過去二十年來出現的第三種新型致病性冠狀病毒。第一種病毒發現於2003年,被命名為“嚴重急性呼吸道綜合徵冠狀病毒”(SARS-CoV),引發了嚴重急性呼吸道綜合徵疫情(SARS),即非典型性肺炎。十年之後,在中東地區出現了第二種病毒,即“中東呼吸綜合徵冠狀病毒”(MERS-CoV),引發了類似的呼吸道疾病,稱為中東呼吸綜合徵(MERS)。自確認以來,各國已記錄了2494例MERS-CoV感染病例,近900人死亡。非典疫情的規模更大,但致死率較低,感染者約有8000例,近800人死亡。

這些病毒從何而來?

MERS-CoV和SARS-CoV似乎都起源於動物,當前肆虐的新冠病毒可能也是如此。科學家認為,MERS-CoV和SARS-CoV最初由蝙蝠傳播給中間動物(分別是駱駝和果子狸),然後再感染人類。對新冠病毒基因序列的遺傳分析表明,與它們最接近的似乎是蝙蝠冠狀病毒,中間物種可能是穿山甲。穿山甲是極度瀕危的物種,因其鱗片和肉而遭到大量捕殺和販賣。導致人類普通感冒的冠狀病毒有四種,分別是人類冠狀病毒229E(HCoV-229E)、人類冠狀病毒NL63(HCoV-NL63)、人類冠狀病毒OC43(HCoV-OC43)和人類冠狀病毒HKU1(HCoV- HKU1),這些似乎也都是人畜共患的傳染性病毒。

這些病毒如何完成物種間的轉移?

儘管具體情況有所不同,但病毒在物種間傳播的機制基於相同的基本前提:進入並複制的能力。病毒能否到達宿主細胞?病毒的蛋白質能否識別並結合這些細胞上的受體結構?如果答案都是肯定的,那病毒就可以進入細胞內部並開始復制,從而感染宿主。

冠狀病毒已經非常擅長利用這些受體進入宿主細胞。這類病毒利用一種名為刺突蛋白(S)的表面糖蛋白(一類附著糖基的蛋白質)來與宿主細胞結合。這種蛋白質賦予了這類病毒王冠狀的外觀,這也是它們名稱的由來。刺突蛋白中負責實際結合的部分稱為S1亞基,可以有很大的不同,這使得病毒可以結合許多不同的哺乳動物宿主。

大多數感染人類的冠狀病毒似乎都能與哺乳動物細胞上的3種特定受體之一結合。 SARS-CoV和HCoV-NL63利用的是名為“血管緊張素轉化酶2”(ACE2)的人類受體,MERS-CoV和HCoV-229E則分別利用“二肽基肽酶4”(DDP-4 )受體和“氨肽酶N”(APN)受體。這些蛋白都存在於人體呼吸道的上皮細胞或表面細胞上,很容易成為任何空氣傳播病毒的攻擊目標。最近兩項關於新冠病毒的研究表明,與SARS-CoV一樣,它利用的也是ACE2受體。

還有其他人畜共患的病毒傳染病嗎?

還有另一類通常來源於動物宿主的病毒也會導致人類疾病,那就是流感病毒。幾乎所有已知的流感病毒都起源於水禽,如鴨、鵝、燕鷗、海鷗和其他相關物種。許多病毒會從鳥類傳播給包括人類在內的其他物種。通常情況下,新物種對這些病毒而言是一個死胡同;例如,禽流感病毒可以從鳥類傳染給人類,但不能在人類之間傳播。然而,有時一種新的病毒也可以在人群中有效傳播。我們最近一次看到這樣的例子是2009年的甲型H1N1流感,這原本是一種在豬隻中感染的疾病,屬於甲型流感病毒,但後來開始在人類之間傳播,最終導致了一場流感大流行。 1918年的流感大流行也是一場全球性的甲型H1N1流感疫情(後被廣泛稱為“西班牙流感”,但該疫情並非起源於西班牙,而是最早出現於美國),一種禽流感H1N1病毒被認為可能是這場大流行的肇因。

流感病毒利用自身的病毒糖蛋白——血球凝集素(H)——來進入宿主細胞。與冠狀病毒的刺突蛋白一樣,血球凝集素是一種表面呈棘刺狀的表面蛋白,從病毒中突出來,可以與上呼吸道具有唾液酸殘基的細胞結合。唾液酸殘基是附著在蛋白質和脂質末端的糖鏈,有多種不同的形式和不同的連接類型(唾液酸原子與糖結合的方式)。禽流感病毒更偏好結合α2,3連接的唾液酸受體,具體而言,唾液酸是通過一個特定的碳原子與半乳糖結合。這種連接使唾液酸和半乳糖呈現直立的外觀。人適應性流感病毒似乎更喜歡α2,6鍵唾液酸受體,它使用另一個碳原子糖結合,外觀上呈現更多的彎曲。這種唾液酸偏好被認為是決定病毒可感染哪些物種的主要因素,限制了純禽流感病毒感染人類並在人群中傳播的能力。

還有哪些因素會影響動物的疾病傳染給人類?

最近的研究表明,宿主和病毒之間的相互作用也會受到宿主蛋白酶(分解蛋白質的酶)的影響,因此,哪些宿主容易受到何種病毒的攻擊,不僅僅取決於刺突蛋白的構成。蛋白酶可以切斷部分刺突蛋白,並改變其與宿主細胞的結合方式,因此一些通常不會感染人類細胞的病毒可能在受到蛋白酶作用後變得具有感染性。

中間物種的作用也可能比科學家最初認為的更為複雜。研究人員最初認為,中間物種是冠狀病毒從原始宿主物種轉移到人類的必要條件。也許病毒進化並適應了中間物種,使其更有效地與人類細胞結合。然而,最近的研究表明,一些蝙蝠冠狀病毒可以不通過中間宿主而直接感染人類細胞,這意味著大量未被發現的冠狀病毒可能就潛伏在原始宿主動物身上。類似的,我們一度認為豬可能起著“混合容器”的作用,禽流感病毒感染了豬之後,會變得更加適應哺乳動物,因為豬的呼吸道細胞似乎同時具有α2,3和α2,6連接的唾液酸受體,可以使人流感和禽流感病毒混合併產生新的人適應性病毒。不過,儘管豬可以發揮這一功能,但我們現在知道,這種混合併不是必需的,禽流感病毒可以感染人類,而不需要豬作為媒介。

由於流感病毒和冠狀病毒的多樣性,以及在不同宿主間傳播的傾向,二者都對人類提出了持續的挑戰。事實上,這種多樣性很可能一開始就使病毒的跨物種傳播成為可能,因為一個更大、更多樣化的種群要比一個更同質的種群包含更多可以結合多種宿主受體的病毒。因此,無論是冠狀病毒還是流感病毒,都具有再次大流行的潛力。

我們能做什麼來保護自己?

首先,洗手並避免用手接觸臉和眼睛,可以確保我們的自身安全,有助於避免感染任何一種病毒。通過直接吸入空氣中攜帶病毒的飛沫,或接觸受污染的表面,你可能會使病毒進入鼻子和眼睛的粘膜,從而感染病毒。

研究人員每年都在研發流感疫苗,世界各地的科學家也在努力為流感研發一種通用的疫苗,用來抵抗所有類型的流感病毒。對于冠狀病毒,我們的了解還沒有那麼深入。偶發的嚴重疫情暴露了人類社會在資金和專業知識上的匱乏。目前,一些國家的實驗室正在設計新冠病毒的疫苗,但進行動物和人類臨床試驗尚需要時間。

研究人員還將繼續對新出現的流感病毒和冠狀病毒進行監測,檢查它們的基因組以確定是否具有對人類的適應特徵。對於新冠病毒肺炎疫情,我們所做的一切似乎有點晚了,但我們仍然可以為下一次可能的爆發做好準備。