正在爆發的 2019 年新型冠狀病毒 (2019-nCoV)——世界衛生組織已宣佈其為國際公共衛生緊急事件——以其所屬的病毒家族命名。“冠狀病毒”這個詞最初可能對許多人來說很陌生，但大多數人都遇到過此類病毒的較溫和形式，其中四種毒株約佔普通感冒病例的五分之一。其他型別會導致在某些動物種群中流行的疾病。但在不到二十年前，所有已知的人類變種引起的疾病都非常輕微，以至於冠狀病毒研究有點冷門。
這一切在 2003 年發生了改變，當時在中國 SARS（嚴重急性呼吸綜合徵）爆發背後的病原體被確定為冠狀病毒。“該領域的每個人都感到震驚，”賓夕法尼亞大學的微生物學家蘇珊·韋斯說。“人們開始真正關心這一類病毒。” 據信，那次疫情始於冠狀病毒從動物（最可能是果子狸）傳播到人類，導致了一種稱為人畜共患病的疾病。這些病毒易於進行此類傳播，這一點在 2012 年再次被強調，當時另一種病毒從駱駝傳播到人類，導致了 MERS（中東呼吸綜合徵）。截至今日，該疾病已造成 858 人死亡，主要在沙烏地阿拉伯，約佔感染者的 34%。
SARS、MERS 和新型冠狀病毒幾乎可以肯定都起源於蝙蝠。對 2019-nCoV 基因組的最新分析發現，它與之前在中國特定蝙蝠物種中發現的一種冠狀病毒共享 96% 的 RNA。“這些病毒已經在蝙蝠中傳播了很長時間”，而沒有使動物生病，愛荷華大學的微生物學家斯坦利·珀爾曼說。但是，在中國武漢的動物市場沒有出售蝙蝠，據信目前的疫情在那裡開始，這表明可能涉及中間宿主物種。這種情況似乎是這些疫情的共同特徵。此類宿主可以透過促進更多或不同的突變來增加病毒的遺傳多樣性。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
但是，冠狀病毒到底是什麼？是什麼決定了它是否、何時以及如何傳播給人類，以及它的傳染性有多強？又是什麼造成了打噴嚏和致命疾病之間的區別？自從這些病毒首次作為嚴重的全球健康威脅出現以來，研究人員一直在研究它們的分子生物學，以努力回答這些問題。
冠狀病毒的解剖結構
冠狀病毒是包膜的單鏈 RNA 病毒，這意味著它們的基因組由 RNA 鏈（而不是 DNA）組成，並且每個病毒顆粒都包裹在蛋白質“包膜”中。病毒基本上都做同樣的事情：侵入細胞並佔用其某些成分來製造自身的許多副本，然後感染其他細胞。但是，RNA 複製通常缺乏細胞在複製 DNA 時使用的糾錯機制，因此 RNA 病毒在複製過程中會犯錯誤。冠狀病毒擁有所有 RNA 病毒中最長的基因組——由 30,000 個字母或鹼基組成——病原體複製的材料越多，出錯的機會就越多。結果是這些病毒變異非常迅速。其中一些突變可能會賦予新的特性，例如感染新細胞型別甚至新物種的能力。
冠狀病毒顆粒由四種結構蛋白組成：核衣殼蛋白、包膜蛋白、膜蛋白和刺突蛋白。核衣殼蛋白形成遺傳核心，包裹在由包膜蛋白和膜蛋白形成的球體中。刺突蛋白形成俱樂部狀的突起，遍佈整個球體，類似於皇冠或太陽的日冕——因此得名。這些突起與宿主細胞上的受體結合，決定了病毒可以感染的細胞型別——以及物種範圍。
導致普通感冒的冠狀病毒與導致嚴重疾病的冠狀病毒之間的主要區別在於，前者主要感染上呼吸道（鼻子和喉嚨），而後者在下呼吸道（肺部）中繁殖，並可能導致肺炎。SARS 病毒與一種稱為 ACE2 的受體結合，MERS 與一種稱為 DPP4 的受體結合——兩者都在肺細胞和其他部位發現。這些受體在組織和器官中的分佈差異可能解釋這兩種疾病之間的差異，例如 MERS 比 SARS 更致命，並且具有更明顯的胃腸道症狀。然而，MERS 的傳染性並不強，這也可能與受體有關。“DPP4 在下支氣管[通往肺部的氣道]中[高度]表達，因此您必須有大量的病毒進入，因為我們的氣道非常擅長過濾掉病原體，”愛丁堡大學的病毒學家克里斯汀·泰特-伯卡德說。“您需要長時間、強烈的暴露[才能到達肺部]，這就是為什麼我們看到與駱駝密切接觸的人會生病。”
相反，由於病原體更容易進出上呼吸道，因此在那裡複製的病毒更具傳染性。此外，“在不同溫度下複製的能力會產生很大的影響，因為上呼吸道更涼爽，”泰特-伯卡德說。“如果病毒在這些溫度下更穩定，它就不會進入下呼吸道。”她補充說，下呼吸道也是一個生物化學和免疫學上更惡劣的環境。對 2019-nCoV 的分析強烈表明，與 SARS 一樣，新病毒使用 ACE2 進入細胞。這一觀察結果與以下事實相符：到目前為止，它似乎不如 MERS 致命（目前對新型冠狀病毒的估計死亡率似乎約為 2%，但隨著疫情的蔓延和更多病例的發現，該數字可能會發生變化）。
然而，情況很快變得複雜起來，因為使用相同受體的病毒會導致截然不同的疾病。一種名為 NL63 的人類冠狀病毒與 SARS 使用相同的受體結合，但僅引起上呼吸道感染，而 SARS 主要感染下呼吸道。“為什麼會這樣，我們不知道，”珀爾曼說。另一個奇怪之處在於，ACE2 受體在心臟中很普遍，但 SARS 不會感染心肌細胞。“這清楚地表明，其他受體或共受體也參與其中，”南非西開普大學的分子生物學家伯特拉姆·菲爾丁說。病毒與受體結合只是細胞進入過程的第一步。當病毒與宿主細胞結合時，它們開始融合在一起，其他病毒蛋白可能會與其他受體結合。“為了進入的效率，不僅僅是一個主要受體，”菲爾丁說。“可能還有其他的。”
免疫系統軍備競賽
冠狀病毒的另一個重要特徵是它們的“輔助”蛋白，這些蛋白似乎參與了逃避宿主先天免疫反應——身體的第一道防線。當細胞檢測到入侵者時，就會啟動反應，並釋放稱為干擾素的蛋白質，干擾素會干擾病原體的複製。干擾素會觸發一系列抗病毒活性，從關閉宿主蛋白合成到誘導細胞死亡。不幸的是，這些過程中的大多數對宿主也是不利的。“實際上，許多疾病是由免疫反應——炎症——以及病毒引起的破壞性物質引起的，”韋斯說。“這也將決定病毒的毒力：它會引起多少破壞性免疫反應，而不是僅僅引起保護性反應？” 這方面也是基礎疾病如此重要的原因。迄今為止，死於新型冠狀病毒的大多數人“都有合併症，如自身免疫性疾病或繼發感染，一旦我們的先天免疫系統忙於對抗病毒，繼發感染可能會變得更加普遍，”泰特-伯卡德說。“這就是為什麼重要的事情是治療人們的合併症，並給他們抗生素以阻止細菌感染的發生。”
當然，免疫反應的目的是消除入侵者，因此病毒擁有對策。這種特性似乎是各種冠狀病毒之間差異最大的地方。“這些病毒密切相關，但它們具有不同的輔助蛋白，”韋斯說，並補充說它們“已經進化到關閉[先天免疫]反應的各個方面。” 一些研究人員認為，蝙蝠攜帶冠狀病毒是因為它們不會像人類那樣產生強烈的免疫反應。“許多警告我們免疫系統的訊號分子在蝙蝠體內受到抑制，因此它們不會生病，”泰特-伯卡德說。蝙蝠不是做出反應，而是保持恆定的低水平反應，這可能有助於病毒的進化。“[蝙蝠]持續表達干擾素，這會選擇擅長逃避該反應的病毒，”泰特-伯卡德說。“因此，蝙蝠是非常好的病毒選擇容器，這些病毒非常擅長隱藏。”
然而，輔助蛋白遠未被完全理解。“可以將它們從某些病毒中取出，而不會對病毒的生長能力產生任何影響，”珀爾曼說。“您會認為：如果您有一種蛋白質對於對抗免疫反應至關重要，如果您將其取出，免疫反應就會獲勝——但事實並非如此。” 一些研究人員認為，輔助蛋白會影響冠狀病毒的致命程度。已經有一些關於 SARS 的研究，其中去除一種輔助蛋白並沒有改變病毒的複製效率，但它變得不那麼致病。“仍然會產生大量病毒，但似乎危害較小，”菲爾丁說。
冠狀病毒確實具有一定的糾正遺傳錯誤的能力，但它忽略了基因組的某些區域，泰特-伯卡德說。因此，特別是兩個部分特別容易發生突變：編碼刺突蛋白和輔助蛋白區域的部分。“在這兩個區域，冠狀病毒允許大量錯誤，這推動了它們的進化，因為它們設法與新的受體結合並逃避新系統的免疫反應，”泰特-伯卡德說，“這就是為什麼冠狀病毒如此擅長在物種之間傳播。”