出品：新浪科技《科學大家》、未來論壇
主講嘉賓：李文輝 北京生命科學研究所資深研究員
地球上存在很多病毒，作為生態環境的一部分，它可在家畜或者野生動物之間傳播，也可在人間傳播。病毒引起的新發傳染病，對人類來說是長期存在的威脅。處于病毒的汪洋大海中，人類卻并沒有感染很多病毒。這是為什么呢？
因為作為人體表面最大器官皮膚，建立第一道“防火墻”，對所有病毒不易感染。病毒想要進入人體需要有自己的通道：人體和外界相通的通道，包括呼吸道、消化道、生殖道，以及通過蚊蟲叮咬、輸血傳播和母嬰傳播。
RNA病毒和DNA病毒
病毒是嚴格的細胞內寄生生物，主要原因是它沒有自己的能量系統，也沒有自己的物質系統，它只能提供遺傳信息和少量的蛋白質及其他物質。病毒必須通過特定通道進入細胞，這個通道稱為受體。進入細胞以后，在細胞質和細胞核里面分別進行復制。
病毒可以分為兩大類：RNA病毒和DNA病毒。RNA病毒絕大部分在細胞質內復制，包括此次新型冠狀病毒和大部分的新發病毒，以及常見的丙肝等；絕大部分的DNA病毒都在細胞核內復制，包括常見的皰疹病毒、乳頭瘤病毒等等，但也存在在細胞質內復制的DNA病毒，如痘病毒，也就是天花病毒，天花病毒是目前唯一已經被人類疫苗徹底消滅的病毒，其他的病毒即使有很好的疫苗也沒有完全根除。
在這兩個病毒世界之間，還有一種跨界病毒，通過從RNA到DNA的逆轉錄過程實現復制，如：HIV（艾滋病病毒）和HBV（乙型肝炎病毒）。病毒用最精簡的方式復制，攜帶的核心是它的遺傳物質，它的遺傳物質在哪兒復制，是整個病毒生命的核心和最關鍵的要素。
對于RNA病毒，它在細胞質內復制，其基因組大致包括兩部分，一是它的復制酶區域，二是它的結構基因區域。例如冠狀病毒，它的基因組是一個長的正鏈RNA，翻譯產生不同的蛋白質?；蚪M各部分保守性不同，上圖紅色區域表示保守性非常高，顏色遞減表示保守性減弱。
RNA病毒進入細胞后可在“病毒工廠”中，進行基因復制和基因表達，產生病毒結構蛋白和基因組RNA，兩者組裝成完整RNA病毒以后釋放，至此完成它自己的生活史。
RNA病毒必須在細胞質里面連續地、活躍地復制，才能長期存在于細胞中。這意味著RNA病毒中任何一個關鍵酶或關鍵蛋白缺失或者被損傷，病毒都不能進行連續的復制。這為病毒抑制提供了多個作用靶點，任何一個關鍵靶點能被有效地抑制，那病毒就能被有效抑制。
抗治療RNA病毒中最成功的例子就是丙肝病毒，科學家找到了丙肝病毒的六七個靶點。對于冠狀病毒來說，有兩個重要的酶，一個是蛋白酶，一個是依賴于RNA的RNA聚合酶（RDRP），抗病毒藥物瑞德西韋如果能夠有效地抑制RDRP活性，便可抑制病毒復制。
DNA病毒是完全不一樣的世界，DNA病毒主要存在于細胞核中，同時產生它的結構蛋白、非結構蛋白和基因組。正常情況下病毒可以持續不斷地復制。但是DNA病毒和RNA病毒有一個巨大不同：DNA病毒在細胞核內也可以不復制，依然能夠長期存在。換句話說，病毒DNA的多聚酶抑制劑，比如阿昔洛韋雖抑制了HSV（單純皰疹病毒）的復制，但是病毒本身的遺傳物質在宿主細胞核里依舊可以長期存在，很難被消除。這個長期存在當然有一系列的基礎，比如它利用了細胞本身的DNA修復機制，能夠維持它的基因組完整性。與此相反，RNA病毒基因組在細胞質里不能得到維持和維護，它更像一次性的，用完即扔。
乙肝病毒是介于RNA和DNA之間的一個病毒，它在細胞核里的共價閉合環狀DNA(cccDNA)也是長期存在的，但它的復制可以被RNA逆轉錄酶的抑制劑所抑制。RNA病毒和DNA病毒在生物學上有巨大不同，在病毒學者看來，RNA病毒只要研究得足夠深入，找到合適的靶點，可以像丙肝一樣被消滅。對于DNA病毒來說，它的路要長得多。
不管DNA或者RNA病毒在分子層面的表現如何，在個體層面，病毒感染都有它的自然史。病毒感染以后，會出現幾種結局。一種是只經歷亞臨床的改變，最終康復，另一種是從亞臨床改變到臨床疾病，最后康復、或者死亡。但是由于病毒本身的特性不同，宿主個體的差異不同，病毒的自然史在個體水平上是有差別的。比如，有些病毒感染是隱性感染為主，如乙型腦炎病毒，大部分感染沒有明顯的臨床癥狀。乙腦病毒最終靶點在腦部神經元，但是在宿主有病毒血癥的時候它感染的是外周器官。而麻疹病毒等是以顯性感染為主，感染完都會發病，以臨床疾病作為最主要的突出表現。另外一個極端的例子就是狂犬病毒，只要感染，如果沒有及時進行疫苗接種、特免血清或者抗體的注射，病人都會死亡。
冠狀病毒是一大類RNA病毒，第一例是1937年從禽類分離出來的禽傳染性支氣管炎病毒，第一例人冠狀病毒是1965年從一個小男孩的鼻腔內的充氣部位分離出來，當時接種了該病毒的健康志愿者也感染發病。冠狀病毒是已知的最大的RNA病毒，它的基因組將近30K。如此巨大的一個病毒， RNA聚合酶保真性和RNA穩定性都有一定的問題。
為什么冠狀病毒依然能穩定存在，并成為最大的RNA病毒呢？其中很重要的原因是它的復制酶中有一個外切核糖核酸酶，這個酶一定程度上有校對功能，能夠使冠狀病毒保持基因組的穩定性。另一方面來說，冠狀病毒有很大的基因組，也意味著它有很多的靶點。當人類對這個病毒進行深入地研究，我個人認為可以找到有效的靶點，從而有效地進行治療。
冠狀病毒，要通過細胞膜進入宿主細胞。這個過程的關鍵是細胞膜受體和冠狀病毒的刺突蛋白的結合。這種結合過程相當于一個酶催化過程，病毒的膜和細胞膜首先發生半融合，然后再完全融合，兩個膜完全融合以后，病毒的核衣殼進入細胞里面，從而完成病毒復制的第一步，也是非常關鍵的一步。
在這次新冠病毒以前已經有6種可感染人的冠狀病毒，最早發現的是229E病毒，最晚的是MERS（中東呼吸綜合征冠狀病毒）。新冠病毒主要進入人體呼吸道，它的傳播效率很高，但病死率并不是很高。它的重要病理特點是有肺泡上皮的彌漫性損傷和多核巨細胞形成。這和病毒通過受體結合侵入是有關系的。
阻斷ACE2受體可以阻斷新冠病毒感染
新冠病毒被發現以后，石正麗研究團隊證明不敏感細胞轉染ACE2受體以后，可以被新冠病毒感染，后來Pohlmann用實驗證明阻斷ACE2受體可以阻斷新冠病毒的感染，這樣看來從充分性和必要性都可以證明ACE2在細胞培養水平是新冠病毒主要的受體。我們在早期也確定了ACE2是SARS病毒必要和充分的受體。但是在人體層面ACE2是什么樣子呢？首先要看它在各器官的表達。ACE2在包括肺臟在內的很多器官內有表達。最新的報道表明，ACE2在口腔的很多細胞中也有表達，提示我們這和一部分病人僅僅是在上呼吸道發生病毒復制，而沒有在下呼吸道復制從而造成嚴重疾病有關。但這個假設目前還未研究清楚。
除ACE2之外，另外一個膜蛋白酶TMPRSS2也可以促進冠狀病毒尤其是SARS和新冠病毒的感染。TMPRSS2和ACE2疊加分布，可能和新冠病毒多器官損傷有關。但是TMPRSS2在器官損傷中發揮的作用并沒有比ACE2大，原因是在HCov-229E感染中也需要TMPRSS2的參與，但是HCov-229E顯然是自限性的疾病。當然，受體和輔助因子的表達也只是疾病發生發展中的一個因素，還有其他因素也在參與其中，這需要以后更多的研究。
在人群水平上ACE2是什么樣子的？ACE2是在人的X染色體的短臂。最新一篇文章分析了中國人的基因組的MAP和千人基因組結果，發現在編碼區有30多個核苷酸多態性位點，有意思的是多態性的位點和已知的病毒感染位點都沒有重合。意味著不存在對新冠病毒有天然抵抗力的人群存在。
這一點和乙肝病毒受體NTCP有很大不同。NTCP最主要是在肝臟表達，不會在其他器官表達。在人群水平，NTCP有一個在267位的S變成F的突變位點，這個突變中國南方人群比北方多，能夠使人具有部分抵抗HBV感染的能力，已經被流行病學調查所證實?？傊?，從病毒學角度看，一個病毒可以像HBV一樣，有高度的組織器官特異性，也可以像SARS一樣，有多器官的侵入和感染。
冠狀病毒由病毒的刺突蛋白介導進入人體細胞，結構生物學的研究使我們對于一些重要的冠狀病毒結構，有了非常直觀和比較深入的了解。新冠病毒和SARS冠狀病毒一樣，刺突蛋白都是三聚體結構，可分成幾個結構域，圖中綠色部分是和感染最相關的受體結合域（RBD），它有突起和放下兩種構象，在突起構象下可以和細胞膜受體結合。
在原子層面看病毒與受體結合可以發現，新冠病毒和2005年發現的SARS病毒與ACE2的結合模式相同和結合機制相似。從空中往下鳥瞰看病毒與受體結合在受體上留下的足跡，可以看到新冠病毒的足跡和SARS病毒的足跡在很多地方是重合的，當然也有不一樣的地方，這意味著它們有相同的結合模式和相似的機制。
受體和受體結合域的結合能夠決定感染效率。比較新冠病毒分別與人、蝙蝠和穿山甲ACE2結合的能力，可以看到新冠病毒的RBD和人結合的相當強，和穿山甲也非常強，和蝙蝠的ACE2結合相對弱一些。對于病毒溯源來說，還需要看（動物）新冠（類似）病毒和不同ACE2的結合。
大分子藥物如何阻斷病毒侵入？
前面我提到由ACE2介導的病毒的侵入過程，如何阻斷病毒侵入呢？我想分享一下對于大分子藥物的一些想法。
大分子藥物相對小分子藥物有很多優勢，包括給藥次數少、安全性高，耐藥屏障高，不受免疫優勢表位的影響。對疫苗接種反應不好的群體包括嬰幼兒、老年人都有效。
當然也有它的限制，比如給藥方式不便、生產工藝復雜、成本比較高等問題。
大分子藥物的研發也有很好的先例，比如RSV的帕利珠單抗，當然還有一系列的流感病毒和HIV單抗目前正在臨床實驗中。
抗新冠病毒的大分子藥物本質上可以分為兩種，一種是抗體，包括抗ACE2抗體和抗S蛋白抗體，另一種是融合蛋白，包括RBD-Fc融合蛋白和ACE2-Fc融合蛋白，他們作用機制的共同點是阻斷新冠病毒和ACE2的結合，當然它們有各自的優缺點。比如ACE2-Fc融合蛋白能夠有效地中和病毒，病毒難以逃逸，可以“以不變應萬變”。它的缺點也比較明顯，比如工藝復雜和親和率一般?？贵w是大分子藥物很重要的武器，抗體的優點是比較成熟，缺點是病毒對抗體容易產生突變，使抗體失效。
新冠病毒的受體結合域比較緊促，它是獨立折疊的一個區域，可以被重組表達用于抑制病毒的感染。RBD-Fc融合蛋白在早期實驗中已經被證明可以用于有效阻擋SARS病毒的感染。
對于特異性中和抗體來說，最早的針對SARS的中和抗體是2004年發現的針對RBD的抗體，稱為80R。在領域內有很多研究小組都在很積極地研發針對新冠病毒的抗體，新冠病毒抗體最容易拿到的也是針對RBD的抗體，將來可以考慮表達更不容易變化和不容易逃逸的其他地方的抗體，但這些難度比較大。
大分子藥物面臨兩個主要挑戰
對于新冠病毒來說，大分子藥物面臨的主要挑戰，最重要的有兩個，第一個病毒是否有細胞和細胞間的傳播，病毒是否可以避開受體結合進入細胞？對于乙肝病毒來說，這是不可能的。但是有些病毒是可以進行細胞間傳播的，比如說HIV，可以有細胞間的傳播，這種細胞間的傳播會妨礙大分子藥物的作用效率。
對于冠狀病毒來說，研究比較多的是冠狀病毒小鼠MHV，在MHV里面有自己的蛋白受體，也可以有唾液酸的受體，它們倆相互配合可以幫助病毒進入細胞。傳播階段，唾液酸也可以幫助完成細胞與細胞間的傳播。新冠病毒的受體是ACE2，是不是有唾液酸和糖分子的參與目前并不知道。但是新冠病毒基因組上并沒有編碼RDE的基因，RDE是以糖類進行擴散的病毒必須的酶，新冠病毒并沒有編碼RDE酶，所以它有用糖類分子進行繼續擴散的概率，但是不大。
還有一個問題，是否存在抗體依賴的病毒感染增強效應（ADE），所謂ADE效應在登革熱病毒里面是廣為人知的，結合非中和性抗體的登革熱病毒可以通過旁路進入巨噬細胞里面進行增殖，然后造成第二次感染，尤其是第二次感染和第一次感染的病毒株不一樣的時候，第二次感染的癥狀更重，發生ADE效應。
在冠狀病毒里，新冠病毒目前不知道是不是有這種ADE的效應，但是對SARS病毒和MERS病毒已有研究發現S蛋白的低親和力抗體，可以介導病毒進入免疫細胞，但并不能發生活躍復制，最終只發生流產感染。當然也可能會激起細胞因子等等反應，目前并不是很清楚。ADE的因素取決于抗體本身有多強，對下游信號的激活，尤其是ISG反應基因的激活程度等一系列因素，不光是對抗體治療，對疫苗研發也是很重要的考量。
