新型冠状病毒:结构简单,但破坏力不简单
发布时间:2020-01-31
出品:科普中国
制作:赵灵羽(中国科学院上海巴斯德研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心
  2020年的春节,是个特殊的春节,各大公共场所停止营业,就连饭店和超市的顾客也比往常少了许多。而这些,都是由于201912月出现的一种病毒——2019新型冠状病毒(2019-novel coronavirus, 2019-nCoV)。

  或许大家现在听到“病毒”,已经不觉得陌生。但其实直到19世纪晚期,烟草花叶病毒引发的农业大灾难,引起了人们的重视和研究,病毒这一微小的病原体才逐渐进入人类的视野。这些肉眼看不见的病毒,却在每时每刻都影响着成千上万人的生命。除却人类健康,它们还在生物演化、环境变化等等方面影响着我们的生活,也影响着世间万物,若将我们的世界说成是病毒包围的世界,也毫不夸张。

  那么病毒究竟是什么,它长什么样子?2019新型冠状病毒所属的家庭——冠状病毒的结构又是怎样的呢?小小的病毒,为何有这么大的“破坏力”?

  不妨让我们一探究竟。

  最简单的生命形式——病毒

  流感病毒、艾滋病病毒、肝炎病毒、狂犬病病毒……病毒所引发的人体疾病往往难以治愈,因此显得非常“可怕”。但其实,它们简直可以说是自然界中最简单的生命形式。

  病毒的组成成分往往非常简单,最基本的构成便是遗传物质(DNARNA)和蛋白质,有时也会存在糖类与脂质成分的修饰。

  病毒的遗传物质可以是DNA,也可以是RNA,同时又区分为一条链与两条链,即分为单链DNA、双链DNA、单链RNA与双链RNA四种。不过无论是什么DNA还是RNA,双链还是单链,这些遗传物质在病毒“传宗接代”的过程中都起到了决定作用——遗传物质指导了病毒蛋白质的合成,而这些蛋白质在病毒结构组成、增殖与传播过程中都是必不可少的。

  病毒的结构往往也很简单,遗传物质位于病毒的内部,组成病毒的核心(图1)。而蛋白质则围绕在遗传物质的外侧,形成衣壳,又称为壳体。

  如果我们在电子显微镜下观察衣壳结构,可以看到它是由许多颗粒状的单元结构整齐排列而成,这一粒粒组成衣壳的小粒子则称为壳微粒(capsomere)。壳微粒的排列方式不同,使得病毒有了形形色色的形态。

  大多数病毒的形态可分为螺旋对称(如烟草花叶病毒,图2)与正二十面体对称(如腺病毒,图2)两种,除此之外,有些病毒兼具螺旋对称与二十面体对称的结构(如噬菌体,图2),这样的结构被称为复合型。

                           

   

  

  1 病毒的结构(图片来源:www.khanacademy.org

   

  

   

  2 烟草花叶病毒、腺病毒与噬菌体的结构(图片来源:《生物学 八年级上册》人民教育出版社)

  但需要注意的是,并不是所有的病毒都可以被划分为这三类。

  而蛋白质组成的衣壳,不仅仅起到了保护病毒遗传物质的作用,也参与了病毒的感染过程。

  除去最基本的遗传物质与蛋白质结构,稍复杂一些的病毒的外侧还有着由脂质和糖蛋白组成的包膜。包膜的主要功能是维护病毒结构的完整性,并参与病毒入侵宿主细胞的过程。首先包膜上的糖蛋白识别并结合位于宿主细胞细胞膜上的受体,包膜与宿主细胞的细胞膜结合,随后病毒衣壳与遗传物质进入宿主细胞内,完成感染过程。

  SARS和新型冠状病毒都属于这个大家族——冠状病毒

  2003年,一场由SARS病毒引起的疫情,使得“冠状病毒”这个名词逐渐走进了人们的视野。冠状病毒因其在显微镜下能观察到明显的棒状粒子凸起,形状好似中世纪欧洲帝王的皇冠而得名。

  1975年,病毒命名委员会正式命名了冠状病毒科。根据病毒的血清学特点和核苷酸序列的差异,冠状病毒科又分为冠状病毒和环曲病毒两个属。而在2003年引起爆发性严重急性呼吸综合征(SARS)的病毒便属于冠状病毒科冠状病毒属。

  冠状病毒粒子形状并不规则,直径约60-220nm。病毒具有包膜结构,上面有三种蛋白:刺突糖蛋白(SSpike Protein)、小包膜糖蛋白(EEnvelope Protein)和膜糖蛋白(MMembrane Protein),少数种类还有血凝素糖蛋白(HE蛋白,Haemaglutininesterase)。

  S蛋白在识别并结合宿主细胞表面受体,并介导病毒包膜与细胞膜融合的过程中起到关键性作用;M蛋白则参与了病毒包膜的形成与出芽过程;HE蛋白则是构成包膜的短凸起,可能与冠状病毒早期吸附有关,某些冠状病毒的HE蛋白可引起红细胞的凝集以及对红细胞的吸附。

  冠状病毒的核酸为正链单链RNA,其特点是可以以自身为模板,指导合成病毒相关蛋白质。病毒进入宿主细胞后,首先以病毒RNA为模板表达出RNA聚合酶,随后RNA聚合酶完成负链RNA的转录合成、各种结构蛋白mRNA的合成,以及病毒基因组RNA的复制。

   

   

    3 显微镜下的SARS冠状病毒(图片来源:www.cdc.gov

   

       4 SARS冠状病毒结构示意图(来源:见图片左下角)

  结构简单却“破坏力”很大的2019新型冠状病毒

  初步了解了病毒的结构与冠状病毒的结构之后,让我们把目光放在最近为大家带来很多困扰的新型冠状病毒上。

  不过想要说清楚这次出现的新型冠状病毒,我们就不能跳过对SARS病毒的研究。

  在那场突发的瘟疫灾难结束后,科学家们仍没有放弃对病毒的研究。他们发现,SARS病毒是通过病毒包膜表面的S蛋白与人体的血管紧张素转化酶Ⅱ(ACEⅡ)相互作用而入侵人体[1]

  而科研人员将新型冠状病毒的序列与SARS冠状病毒进行比对,发现两者十分相似。上面我们说到,冠状病毒的S蛋白对于病毒识别与入侵有着关键的作用。于是科学家们对比了2019-nCoVS蛋白与SARS冠状病毒的S蛋白,再通过计算机建立模型,发现虽然相互作用的五个氨基酸中有四个都发生了突变,但是新型冠状病毒的S蛋白与人体的ACEⅡ蛋白整体上依旧存在相互作用[2]

  这就说明,新型冠状病毒很有可能是通过S蛋白与人ACEⅡ相互作用的分子机制完成感染。

  目前对病毒更深入的研究仍在进行中,这些信息可以帮助我们更好地了解病毒,对指导公共卫生安全策略也有着不可忽视的作用。

   

     5 计算机模型:病毒S蛋白与人ACEⅡ蛋白结合示意图(图片来源:http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-020-1637-5?slug=abstract

  希望这篇文章可以帮助你了解到更多关于病毒的知识,在面对疫情的时候,能够冷静理智对待,不恐慌、不轻视。最后,让我们向第一线的医护人员和科研人员致敬,提醒家人朋友注意防护,愿疫情早日解除。

  参考文献

                         

1. Wendong, L., et al., Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. 2005.

  2. Xintian, X., C. Ping, and H. Pei, Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike for risk of human transmission. 2020.

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