面对来势汹汹的非典型肺炎(SARS)疫情，全世界相关领域的科学家都行动起来，投入这场与时间赛跑的科研战斗中。中国科学院北京基因组研究所暨华大基因研究中心主任杨焕明和中国科学院微生物研究所田波院士在本书中披露了科学研究的最新进展。

“非典”病毒的基因组学研究新进展

　　很难想象，一个小小的生命体，直径大小不过100纳米，大约只有大头针针头直径的几千万分之一，却能成功地穿越人体的免疫防线，并置万物之尊的人类于死地，而它赖以生存的物质与进攻的武器，甚至于那个躯体“外膜”，竟都是借用人类本身。

　　这个罪大恶极的“生物恐怖分子”所耍弄的全部伎俩，都隐匿在它自己那大小还不到人类基因组的1/100 000（30亿个核苷酸）的基因组之中。我们不得不为我们的敌人——这玲珑剔透而又深藏杀机、神通广大而又居心叵测的基因组所叹倒！

捕捉“非典”元凶

　　2002年11月1日，就在我们举家准备欢庆元旦之时，一个始料不及的恶魔——“非典”——正在悄悄地侵袭着我们美好的地球家园，肆无忌惮地践踏着、吞噬着人类的生命。

　　从发现第一例“非典”病人的那一天到2003年5月1日的短短半年中，恶魔已祸及全球27个国家，夺走391条生命，把5865人逼进了医院。

　　恶魔无所不至、无孔不入，使得社会的正常秩序遭到极大的破坏，人们的正常生活遇到罕有的干扰，经济发展受到巨大的影响。

　　2003年4月16日，世界卫生组织根据各方面的资料，特别是基因组研究提供的证据，正式宣布“非典”的病原是一种高度变异的“冠状病毒”。

　　在能放大几万倍的电子显微镜下，我们确确实实看到了这位“生物恐怖分子”：它其貌不扬，面目可憎，像一个圆球，全身长满了荆棘状的突起。也不知是谁，肯定在不知道它的凶恶残暴之时，在欣赏之余，给了它“皇冠”的美名！

　　“冠状”病毒并不是新东西，是因为它们看起来像戴了“皇冠”而被统称为“冠状”病毒，又根据它们的感染对象，发病症状与感染方式，而分别给予了不同的名字。现已发现的“冠状”病毒至少有17种，分别感染鸟、鼠、家畜（马、猪、牛）、宠物（狗、猫），还有感染人类的4个毒株。尽管以前也不是不知道其中一些病毒能使人与其他动物感染得病，但与这一次暴发的“非典”却大相径庭。

　　我们暂且把它作为“非典”的元凶，姑且称之为“‘非典’相关冠状病毒”

基因组学研究大显身手

　　由中国、法国、德国、日本、英国、美国共同合作的国际“人类基因组计划”，不仅给我们呈上了有关我们人类生、老、病、死的基因组信息，也建立了一门新的学科——基因组学。中国通过参与“人类基因组计划”，不仅分享了所有的数据、材料与发言权，而且建立了我们自己的基因组大科学、大平台。我们完全有能力像解读人类的“生命天书”一样，解读“非典”病毒的基因组与全部基因的信息。如果投入全部精力，一天能分析出1500个基因组。

　　党中央、国务院日前的紧急战略部署，给我们送来了攻克“非典”的曙光。4月16日，为我国参与国际“人类基因组计划”、独立完成水稻基因组全序列图曾做出重大贡献的中国科学院北京基因组研究所暨北京华大基因研究中心，使用中国军事医学科学院微生物与流行病研究所科研人员提供的“非典”病毒材料，在8个小时内完成4个毒株的全基因组序列的破译，并立即向全世界公布。5月2日上午，《科学通报》发表了他们合作的“SARS相关病毒CBJ01分离株的基因组序列完成图及其比较分析”全文。

　　让我们通过基因组研究，来看一看这位“元凶”的真相。

揭开“非典”病毒基因组真面目

　　“非典”病毒与流感病毒、艾滋病毒一样，其基因组只有1个单链RNA（核糖核酸）分子，由不到3万个核苷酸（只有A、U、C、G 4个不同组分）组成，这样的由RNA分子组成的基因组称为RNA基因组，其基因称RNA基因。据现在所作的预测，这个病毒只有5个真正编码蛋白质的RNA基因，大概只有人类基因数目的1/7000。其中1个基因编码自我复制所需的独有的“以RNA为模板的RNA合成酶”又称复制酶（酶是具有催化生物反应能力的蛋白质，故又称生物催化剂），位于病毒基因组上游，占整个基因组的2/3。下游有4个依次排列的基因，根据它们的作用而分别称之为S（棘突）蛋白、E（衣壳）蛋白、M（膜）蛋白与N（核骨架）蛋白的基因。除此之外，还有好多个只是根据预测，还不知是否真正存在的“预测的不清楚的蛋白质（PUP）”。

　　这个病毒的厉害之处在于：除了一般病毒的衣壳（由E蛋白组成），还有一层“外膜”，这是向人体细胞“借”来的“外衣”——脂类双层膜——人体细胞膜是由质脂双层的骨架组成，上面“镶嵌”有各种蛋白。S蛋白把一头扎在这层膜上，把身子一个个像天线那样伸到外面，其作用很可能是与人体细胞膜上可能存在的“受体”结合。这几个人类细胞受体——罪该万死的“汉奸”，开门揖“盗”、引“狼”入室，把病毒引到人体细胞之中，“非典”纵然有天大神通，也不能如此横行！M蛋白（膜）横跨“外膜”，一头伸到膜外，另一头缩在“外膜”与“衣壳”的里头，它可能像一个“传令兵”，把有关“讯号”从膜外传递到病毒内。M蛋白的膜外部分与S蛋白是诱使人体淋巴细胞对病毒产生特异性抗体的主要“抗原”（能诱导产生抗体的蛋白质）。病毒的这两种蛋白也许有什么经常改变“伪装”的“特异功能”，能逃避人类的免疫防线。N蛋白是一个强碱性的小蛋白，它与病毒RNA结合形成“核骨架”。E蛋白是病毒的“衣壳”。

　　据现在的资料分析，“非典”病毒进入人体细胞后，把外膜“还”给人类细胞，而把自己全都注入人体细胞的细胞质中。然后，利用人体细胞质中的蛋白质生产“车间”——核糖体，以它自己的复制酶基因为模板，开始生产出复制酶。这种复制酶又以病毒自身的RNA基因组为模板，合成1条核苷酸互补（A对U，G对C）的（－）链RNA（我们可以把复制前的RNA称为（＋）链RNA）。接着，再以（－）链RNA为模板，复制成序列与（＋）链一模一样的“工作链”；这一“工作链”RNA分子又利用人体的蛋白质生产“车间”，生产出自己的基因产物——各种干坏事的蛋白质。然后，可能先由E蛋白形成病毒的“衣壳”先把1条RNA与N蛋白的复合体包裹起来，再向人类细胞借“外衣”。人体细胞居然认敌为友，送给病毒自己的“脂类双层膜”，再把S与M蛋白镶嵌到膜上。就这样，病毒完成了自己的生命周期。

　　“非典”病毒如此简单，它的本领在于借用人类的能力，通过什么“讯号”系统，居然对人体细胞中的什么东西发号施令，使人体的整个免疫系统瘫痪，防御防线崩溃。于是，本来躲藏在人体内的各种病毒或其他病原统统出笼，把人的肺组织搅得千疮百孔，最后导致呼吸系统全面衰竭，祸及其他系统而死亡。

“非典”病毒来源追踪

　　根据现在的初步研究，“非典”病毒的S与M蛋白基因序列的变化较快（“突变率”较高）。通过对已经公布的5个毒株的全基因组序列（北京1株、香港2株、加拿大1株、美国1株）的比较分析得出：对人体识别病毒最为重要的S蛋白与M蛋白的“突变率”分别为0.11%与0.30%，差不多比人类基因突变率高出成百上千倍；更值得注意的是，S与M蛋白的核苷酸序列的已知变化，分别有75%与100%能导致S与M蛋白的氨基酸的变化，计算机预测出这些氨基酸的变化都会引起蛋白质的物理、化学性质的改变，也有可能引起这两个蛋白高级结构与功能的改变；N与E蛋白还没有检查到任何变化。

　　在基因组学中，两个基因组越相似，就说这两个基因组相互之间的亲缘关系越近，反之亦然。根据复制酶基因序列与所有已知的近800种RNA病毒基因组别的病毒序列的初步比较，这个病毒与所有已知的所有病毒都很不一样，相对来说，“非典”病毒与别的病毒的亲缘关系依次为鸟支气管感染病毒、牛冠状病毒、鼠肝炎病毒、猪传染性胃肠病毒、人类原来已知的一种冠状病毒，以及猪的腹泻流行病毒。因此，“非典”病毒的非人类起源不是不可能的。但要注意的是，病毒的复制酶只是与它自己的生存与复制有关，与感染人类没有直接相关的证据。用其他基因的比较得到的结果很不一样，还不能得出分析的结果。这些基因编码的蛋白质与病毒侵入人体有关，其变化程度有很大差异。这是研究“非典”病毒的起源与演变的一大难题。

　　从初步的比较结果来看，“非典”病毒是由人为制造的可能性不大，因为现有的遗传工程的主要技术还是“基因组合”，即把已知有某种功能（如传染、毒性等）的基因按一定次序，再加上一些什么“讯号”凑在一起，但“非典”病毒基因组中的所有基因在自然界里都找不到相应的“模特儿”，是进行基因内小片段的选择性组合，如果是恐怖分子故意搞鬼的话，能使用的只有“随机合成”技术，能参考的信息只有这类病毒的基因排列顺序，以及RNA病毒都有的复制酶。

对“非典”攻关的启示

　　对“非典”基因组研究不仅是为了解“非典”病毒基因组的结构、基因的组成、排列与结构，更重要的是为“非典”病毒的诊断、预防与治疗提供充分的依据。我们一定要理解，要想知“彼”，首先是读懂“非典”病毒基因组那3万个核苷酸中蕴藏的所有遗传信息，其次是了解这些病毒基因与人类相关基因的关系与相互作用。

　　据现在的基因组认识，可以归纳出如何利用这些病毒基因的思路：
　　(1)就诊断来说，可以用基因，也可以用蛋白质。“基因扩增”技术，又称“多聚酶”链式反应（PCR）技术是最重要的检测基因的技术。当然首先要把病毒RNA“转变”成DNA。如果只是检测是否感染了病毒，“非典”病毒基因组的序列大多都可以利用，即使有一定的“假阳性反应”，也就是说把别的RNA病毒当成“非典”病毒也不会坏大事，可以再做更详细的各种RNA病毒相互差异的片段分析。这一方法在理论上可以检测出，甚至1个病毒。但从五花八门的样品，如漱口水、血样、鼻咽拭子、粪便中提取病毒RNA不是一件容易的事。这样的“假阴性”（已感染而检查不出来），由于暂时没有别的更敏感的方法可以比较，临床症状又没上来，是要耽误事的。

　　现在用的较多的还是靠与蛋白质有关的技术，在世界卫生组织推荐的“非典”诊断技术中，第一项便是我国已通过批准并开始批量生产的“酶联免疫试剂盒”。现在的第一代试剂盒用的“抗原”还是天然的病毒特异性蛋白制品，可以在发病后1～2周内做出明确诊断，特别适合于病人确诊、出院检查及隔离“解放”。正在研究的第二代试剂盒将是根据基因组信息，人工设计的病毒“基因工程蛋白”，有望进一步提高特异性与敏感性。选择的检测对象便是S与M蛋白的特异性片段。

　　“酶联免疫检测试剂盒”的原理较为可靠，并已广泛用于艾滋等病毒的检测。一旦病毒进入人体，病人体内通常会出现针对外来病毒的特异性抗体；把试剂中的病毒特异蛋白与病人血清放在一起，如果有抗体存在，就会发生“免疫反应”，再以“酶联”反应使试剂发生明显的颜色变化，据这一颜色变化就可做出是否已受感染的诊断。这一方法准确、快速（1个小时出结果）、便捷（一般县以上医院都有的设备）、经济、可靠。

　　针对“非典”病毒，抗体还可以用于诊断，检测对象是抗原，即血清中的病毒颗粒，肯定将使检测时间提前几天。可以用“基因工程抗原”的提示来诱导大动物（如马）在血清中产生抗体，也可以用“单核体抗体”或现在的“抗体库”基因技术。

　　(2)就预防来说，攻克病毒病的希望是疫苗，最好的例子便是使用天花疫苗后天花的绝迹。第一代疫苗就是用灭活的完整病毒（“灭活疫苗”）注入体内，使身体的免疫机制产生能识别病毒的能力，并常备不懈。一旦病毒进入便加以消灭。RNA病毒由于“突变率”等原因，迄今为止，对两种主要的RNA病毒病：流感与艾滋病，也还没有稳定的成功的疫苗。第二代疫苗也是“基因工程疫苗”。选择对象也是S与M蛋白。将这些蛋白用基因工程的技术大量生产，加以人工修饰、纯化，就可作为疫苗使用。

　　(3)就治疗来说，所有药物都是通过“靶基因”来发挥作用的，利用S与M蛋白作为药靶，阻断病毒与人体细胞那些“汉奸”受体的结合；利用M蛋白作为药靶，来阻断其可能的接受与传递信号的途径；利用E蛋白作为药靶来拟制病毒衣壳的形成；利用N蛋白来干扰其与RNA的结合而不让核质体形成正常结构，都是以基因组研究所提供的信息为依据的。

　　用药物等来干扰RNA合成酶，不让病毒复制的思路也许很有前途。在这方面的“楷模”是“鸡尾酒疗法”治疗艾滋病。RNA(RNA拟制技术)及其他参照基因治疗的新技术在攻克“非典”中都有可能的应用前景。但作用的“靶”对象也不外这几种病毒蛋白。

　　“非典”病人很少有痰、也没有白细胞下降等细菌感染的一般症状，而且用抗菌素治疗无效，传染速度也非细菌所能及，根据这些现象，大体可以排除细菌病原的可能性。但衣原体（或支原体）的排除还有争论，DNA病毒的可能性被多数人排除，RNA病毒较符合“非典”的症状，RNA病毒的组织特异性较高，攻击肺就不伤及旁边的其他组织。把“冠状病毒”列为“非典”的主要病毒，一般来说是有道理的，至少多数病人都有“冠状”病毒的感染，但也得留那么点儿余地。例如发现少数已经治愈出院的病人居然又发病，在发病后并没有检查到抗体；仅由荷兰建立的猴子模型的若干指标没有达到要求。因此，“冠状”病毒作为惟一的病原的结论还需慎重。

　　不管是诊断、还是预防与治疗，“非典”病毒的高度变异都是最主要的问题。这也是流感迄今没有有效的疫苗与药物的主要原因。正因为如此，我们正准备从不同疫区、不同症状、不同发病期、不同感染层次（某地区的毒王与被感染者）采取病人的材料，进行基因组序列的测定与比较分析，尽可能掌握更多的突变类型，为诊断、预防、治疗提供病毒类型变化的根据，预测可能的再度流行，确定可能的病原类型。

　　自发现艾滋的第一个病人后，人们花了好几年的时间才找到了艾滋病毒。基因组研究已使我们在几个月的时间内便擒住了“非典”元凶。我国的基因组研究已在攻克“非典”的战役中，为鉴定病原与建立诊断手段做出了重要贡献，充分发挥了基因组研究作为生命科学、医学、生物产业的上游、源头的科学优势，以及大科学、大平台的通用性与应急能力。

　　我们完全相信，经过这一场“灾难”，中国公民与中国科学家将以新的姿态接受“非典”与任何别的灾难的挑战。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（杨焕明 撰稿）

摘自：科学出版社《图说非典性肺炎防治》（杨焕明主编、田波主审）

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