综述

SARS冠状病毒溯源

Published at: 2014年第1卷第14期

Paul K. S. Chan 1 , Martin C. W. Chan 1
1 Department of Microbiology, The Chinese University of Hong Kong, Prince of Wales Hospital, Shatin, New Territories, Hong Kong Special Administrative Region, People’s Republic of China

冠状病毒与人类的疾病

冠状病毒家族包括一大群正链RNA病毒,可感染不同鸟类及哺乳类物种。人类冠状病毒(HCoV)的感染通常轻微,极少数例外(1)。在2003年之前,已知只有两个冠状病毒(HCoV-229E和HCoV-OC43)感染人类,都产生轻度自限性上呼吸道疾病。早在2003年,在中国南部发生不明原因严重急性呼吸道症候群(SARS)爆发,然后蔓延到世界其他地区(2,3)。病因后来被证实是感染名为SARS-CoV的一种新型的冠状病毒,该病毒属于B系Betacoronavirus属(4,5)。2003年年中疫情得到控制,2004年年初发生几个实验室感染个案以及一次小规模爆发流行(6,7)。最终,全球近30个国家大约有8000例,病死率近10%(8)。

2003年后开始积极寻找其他可能感染人类的冠状病毒。2004年,一种先前未确认的冠状病毒被发现,并被命名为HCoV-NL63(9)。该病毒有非靶特异性序列。HCoV-NL63与HCoV-229E在基因学上密切相关,并共用血管紧张素转化酶2(ACE2)作为受体(10)。HCoV-NL63可导致轻微的呼吸道疾病。2005年,又一个先前未确认的名为HCoV-HKU1的冠状病毒被发现(11)。HCoV-HKU1是OC43远支,其受体尚未确定。一般来说,这些HCoV与轻度上呼吸道感染有关(12)。

近年来,引起严重急性呼吸系统综合症的另一种新的冠状病毒在中东出现,其引起的最早的病例可追溯至2012年4月(13,14)。这种新型的冠状病毒,现已更名为中东呼吸系统综合症冠状病毒(MERS-CoV),代表C系Betacoronavirus属一个新的物种,目前包括扁颅蝠属冠状病毒HKU4和伏翼蝙蝠属冠状病毒HKU5(5,15)。2013年6月初,已有55例通过实验室确诊的MERS-CoV感染病例,其中31例(56%)死亡,感染涉及约旦、沙特阿拉伯、卡塔尔和阿拉伯联合酋长国(16)。值得关注的是,已有冠状病毒的家族聚集性感染和有限的院内感染的报道(17,18)。

已知感染人类的六种冠状病毒中,其中四种(HCoV-229E,HCoV-OC43,HCoV-NL63,HCoV-HKU1)是地方性流行病,一般来说多造成轻度上呼吸道感染。这些冠状病毒在很长一段时期与人类共同进化,因此适应了在人类宿主中生存的环境。另外两种冠状病毒(SARS-CoV和MERS-CoV)对人类来说完全是新型病毒,并进展为令人吃惊的暴发流行。虽然这些新型“人类”冠状病毒被认为起源于某些动物物种,但传染给人类传播的途径仍然是个谜。

冠状病毒的进化

10年内出现2种同系列新型病毒,因此应当认为冠状病毒是一种快速进化的病毒。进化的一个先决条件是创造多样性、允许选择适应的能力。作为一种RNA病毒,冠状病毒依靠RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp)复制病毒基因。病毒RdRp的固有误差率,在每个站点1×10-6突变每复制的数量级(19,20),是复制病毒基因组的点突变的连续源。关键部位这些点突变的累积可能会影响生物特性。相比来说,众所周知的稳定病毒如疱疹病毒,依赖DNA聚合酶复制其病毒基因组,具有约1×10-8的误码率(21)。另一方面,高突变率的典型例子是逆转录病毒家族,它利用反转录酶,具有在1×10-4到1×10-5范围内的误差率(22)。因此,冠状病毒可被视为病毒复制的过程中,具备在病毒基因组中产生中等程度点突变的能力。

点突变本身不足以产生一个如SARS冠状病毒的新型病毒。当不同冠状病毒共同感染同一宿主时,它们相互之间可以交换具有成百上千个碱基对的基因组片段。这个过程称为重组,并相比点突变来说对于病毒适应环境与扩张种群意义更大(23)。在多种动物中发现了冠状病毒(24)。这些相似但不同的病毒之间的重组能创造出具有跨越物种屏障能力的新毒株。虽然冠状病毒可通过重组的过程中获得新的基因组片段,但其获得大段基因组的能力还不如携带片段基因组的流感病毒,因为流感病毒能使整段基因组交换。

冠状病毒在不同的鸟类和哺乳动物物种广泛分布可对人类构成威胁。一种具有感染人类能力的新型病毒可以通过重组动物或禽类病毒株产生。此外,现有鸟类或哺乳动物的病毒株可以直接感染人类。当前的系统发育分析表明,冠状病毒已经进化成两个谱系(25)。禽类谱系包括γ和δ冠状病毒感染不同的禽类。哺乳动物谱系包括α和β冠状病毒感染的蝙蝠、猪、猫、鼠、牛、马和人。所有感染人类的冠状病毒被认为是由哺乳动物谱系冠状病毒进化而来,即蝙蝠冠状病毒(24,25)。据估计,HCoV-OC43、HCoV-229E分别在大约120年、200年前从蝙蝠传播至人类,而HCoV-NL63则可能在大约500-800年前从蝙蝠传播而来。虽然SARS-CoV和MERS-CoV传染给人类的时间尚未确定,但这两种病毒至少在系统发育上链可以追溯到蝙蝠冠状病毒(26,27)。所有已知的冠状病毒存在的共同祖先有可追溯至数百万年前(28)。

蝙蝠是新病毒之源

SARS-CoV可能来自蝙蝠的事实并不令人惊讶。SARS暴发流行之前,每十年至少发生一次与蝙蝠相关的病毒感染人类,包括1967年引起出血热的马尔堡病毒、1976年引起出血热的埃博拉病毒、1994年引起重症肺炎的亨德拉病毒、1998年引起神经和呼吸系统疾病的尼帕病毒。蝙蝠具有很多特点使它们成为新病毒的祖先或源头(29)。蝙蝠起源于大约5000-5200万年前,到目前为止几乎没有变化。蝙蝠有超过1000个种类,多数种类具有共同的习性,能共存于一个大的群落。不同种类聚集的大群落可达20万只蝙蝠,数百至数千公里的飞行半径可使病毒株频繁重组。最重要的是,蝙蝠往往可以长时间携带多种病毒而无症状。这些特点以及其寿命长的特性(3.5倍于同样大小的哺乳动物)造成持久、广泛的新病毒株传播。

蝙蝠与SARS-CoV

在很多蝙蝠物种中已经检测到冠状病毒。其中与SARS-CoV最密切相关的是马蹄蝙蝠(30)。马蹄蝙蝠血清阳性率高,肛拭标本经PCR检测亦阳性。然而分离病毒很困难。在这些蝙蝠SARS样冠状病毒中,87-92%的整体序列与人和果子狸SARS冠状病毒同源,即包含29-nt位点,这被认为是果子狸和人类早期病例的特征。蝙蝠SARS样冠状病毒和人类SARS-CoV的关键区别在于刺突蛋白,这是一种受体结合蛋白。刺突蛋白具有S1和S2两个域。S1是负责粘附到宿主细胞表面受体ACE2。S2是负责与宿主细胞膜融合。蝙蝠SARS样冠状病毒的S2 96%与SARS-CoV相同,表明两种病毒膜融合的机制相似。相反,蝙蝠SARS样冠状病毒和SARS-CoV S1蛋白之间的序列相似性较低。虽然蝙蝠SARS样冠状病毒可能是SARS-CoV的源头,但是S1存在重要的遗传差距可能需要通过重组弥补。到目前为止,还没有在蝙蝠中发现SARS-CoV,并且蝙蝠也没有SARS-CoV相应的受体(ACE2)(31)。目前,何地、何时以及哪种动物发生了这种重组,我们一无所知。

中间宿主与SARS-CoV

中间宿主可能参与弥合蝙蝠SARS样冠状病毒与SARS-CoV之间的进化差距。有几个理论方案。首先,中间宿主可能是“固定的”,以维持该物种SARS-CoV感染,并且该物种远离人类使传染给人类概率非常小。其次,中间宿主物种仅在2002至2004年短时间内“一过性”感染,并且不再持续存在于该种群体中。这只有在动物感染周期短,病毒感染轻微,种群密度低或死亡率高的情况下方可实现。

许多研究都试图从动物身上发现SARS-CoV。果子狸是所有发现SARS-CoV的动物物种中最重要的一种(32)。在特定的时间里,市场中果子狸SARS-CoV阳性率高达100%,但除罕见情况外,多数农场中果子狸均阴性。果子狸冠状病毒存在一个29-nt的缺失,这也发现在人类一些早期案例中。果子狸冠状病毒的单核苷酸变异(SNVs)也在人类早期感染的病例观察到,一些SNVs也存在与疫情中期感染人类病例中,但在晚期感染的人类病例没有发现SNVs。这些现象以及果子狸冠状病毒分离株间的序列显示出高度同源性的事实表明冠状病毒是最近才感染果子狸群体,且仍在不断发展。最有可能的是,果子狸和人类一样,是一个短暂的偶然的宿主。

貉是人类暴发流行期间活禽市场中发现的另一个高阳性率(100%)的物种(33)。从貉中检测到的冠状病毒序列与果子狸中检测的相同。然而,人们对貂关注甚少。市场中冠状病毒检测阳性的其他动物包括家猫、赤狐、小稻田鼠、鹅、中国鼬獾和野猪(33)。但由于是在是在市场受到严重污染时完成的样品收集,很难确定这些动物是在积极传播还是被动地携带冠状病毒。

未来的挑战

SARS-CoV只不过是我们将要面对的新出现的感染疫情一个案例。在未来几年里将发生更多的跨物种感染。影响人畜共患传染病出现的因素是复杂的,而且种群密度、生态和动物与人类之间的接触可能会起到一定的作用。因此,有必要密切监控新出现的病原体。

致谢

声明:作者宣称没有利益冲突。

参考文献

  1. Wevers BA, van der Hoek L. Recently discovered human coronaviruses. Clin Lab Med 2009;29:715-24.
  2. Lee N, Hui D, Wu A, et al. A major outbreak of severe acute respiratory syndrome in Hong Kong. N Engl J Med 2003;348:1986-94.
  3. Poutanen SM, Low DE, Henry B, et al. Identification of severe acute respiratory syndrome in Canada. N Engl J Med 2003;348:1995-2005.
  4. Drosten C, Günther S, Preiser W, et al. Identification of a novel coronavirus in patients with severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med 2003;348:1967-76.
  5. de Groot RJ, Baker SC, Baric RS, et al. Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV): announcement of the coronavirus study Group. J Virol 2013;87:7790-2.
  6. Lim PL, Kurup A, Gopalakrishna G, et al. Laboratory-acquired severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med 2004;350:1740-5.
  7. Orellana C. Laboratory-acquired SARS raises worries on biosafety. Lancet Infect Dis 2004;4:64.
  8. Peiris JS, Yuen KY, Osterhaus AD, et al. The severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med 2003;349:2431-41.
  9. van der Hoek L, Pyrc K, Jebbink MF, et al. Identification of a new human coronavirus. Nat Med 2004;10:368-73.
  10. Hofmann H, Pyrc K, van der Hoek L, et al. Human coronavirus NL63 employs the severe acute respiratory syndrome coronavirus receptor for cellular entry. Proc Natl Acad Sci U S A 2005;102:7988-93.
  11. Woo PC, Lau SK, Chu CM, et al. Characterization and complete genome sequence of a novel coronavirus, coronavirus HKU1, from patients with pneumonia. J Virol 2005;79:884-95.
  12. Dijkman R, Jebbink MF, Gaunt E, et al. The dominance of human coronavirus OC43 and NL63 infections in infants. J Clin Virol 2012;53:135-9.
  13. Zaki AM, van Boheemen S, Bestebroer TM, et al. Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. N Engl J Med 2012;367:1814-20.
  14. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Update: severe respiratory illness associated with a novel coronavirus--worldwide, 2012-2013. MMWR Morb Mortal Wkly Rep 2013;62:194-5.
  15. van Boheemen S, de Graaf M, Lauber C, et al. Genomic characterization of a newly discovered coronavirus associated with acute respiratory distress syndrome in humans. MBio 2012;3. pii: e00473-12.
  16. WHO. Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) - update. available online: http://www.who.int/csr/don/2013_06_07/en/index.html, Accessed on 13 June 2013.
  17. Memish ZA, Zumla AI, Al-Hakeem RF, et al. Family cluster of Middle East respiratory syndrome coronavirus infections. N Engl J Med 2013;368:2487-94.
  18. Guery B, Poissy J, el Mansouf L, et al. Clinical features and viral diagnosis of two cases of infection with Middle East Respiratory Syndrome coronavirus: a report of nosocomial transmission. Lancet 2013;381:2265-72.
  19. Lu H, Zhao Y, Zhang J, et al. Date of origin of the SARS coronavirus strains. BMC Infect Dis 2004;4:3.
  20. Vega VB, Ruan Y, Liu J, et al. Mutational dynamics of the SARS coronavirus in cell culture and human populations isolated in 2003. BMC Infect Dis 2004;4:32.
  21. Abbotts J, Nishiyama Y, Yoshida S, et al. On the fidelity of DNA replication: herpes DNA polymerase and its associated exonuclease. Nucleic Acids Res 1987;15:1185-98.
  22. Hübner A, Kruhoffer M, Grosse F, et al. Fidelity of human immunodeficiency virus type I reverse transcriptase in copying natural RNA. J Mol Biol 1992;223:595-600.
  23. Worobey M, Holmes EC. Evolutionary aspects of recombination in RNA viruses. J Gen Virol 1999;80:2535-43.
  24. Woo PC, Lau SK, Huang Y, et al. Coronavirus diversity, phylogeny and interspecies jumping. Exp Biol Med (Maywood) 2009;234:1117-27.
  25. Vijaykrishna D, Smith GJ, Zhang JX, et al. Evolutionary insights into the ecology of coronaviruses. J Virol 2007;81:4012-20.
  26. Bolles M, Donaldson E, Baric R. SARS-CoV and emergent coronaviruses: viral determinants of interspecies transmission. Curr Opin Virol 2011;1:624-34.
  27. Cotten M, Lam TT, Watson SJ, et al. Full-genome deep sequencing and phylogenetic analysis of novel human betacoronavirus. Emerg Infect Dis 2013;19:736-42B.
  28. Wertheim JO, Chu DK, Peiris JS, et al. A case for the ancient origin of coronaviruses. J Virol 2013;87:7039-45.
  29. Smith I, Wang LF. Bats and their virome: an important source of emerging viruses capable of infecting humans. Curr Opin Virol 2013;3:84-91.
  30. Balboni A, Battilani M, Prosperi S. The SARS-like coronaviruses: the role of bats and evolutionary relationships with SARS coronavirus. New Microbiol 2012;35:1-16.
  31. Ren W, Qu X, Li W, et al. Difference in receptor usage between severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus and SARS-like coronavirus of bat origin. J Virol 2008;82:1899-907.
  32. Song HD, Tu CC, Zhang GW, et al. Cross-host evolution of severe acute respiratory syndrome coronavirus in palm civet and human. Proc Natl Acad Sci U S A 2005;102:2430-5.
  33. Shi Z, Hu Z. A review of studies on animal reservoirs of the SARS coronavirus. Virus Res 2008;133:74-87.

(翻译:司磊)

Cite this article as: Chan PK, Chan MC. Tracing the SARS-coronavirus. J Thorac Dis 2013;5(S2):S118-S121. doi: 10.3978/j.issn.2072-1439.2013.06.19

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