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编号:10398531
SARS相关冠状病毒的研究进展
http://www.100md.com 《中华医学研究杂志》 2003年第12期
     【文献标识码】 A 【文章编号】 1680-6115(2003)12-1081-02

    急性传染性非典型肺炎(又称严重急性呼吸综合征,Severs Acute Respiratory Syndrome,SARS)于2002年11月最早出现在我国广东省。据WHO统计,到7月11日止,全球32个国家和地区共报告SARS病人8437例,其中死亡813例,目前疾病已基本得到控制。该病具有起病急、传播快、人群普遍易感和病死率较高等特点,引起了全球民众、各国政府和科研人员的高度关注。2003年3月17日,来自中国、德国、加拿大、美国、中国香港等10个国家和地区的13个世界一流实验室的科学家们开始了昼夜奋战,查找SARS的病原体。

    1 冠状病毒的研究进展

    1.1 SARS结构 Thomas等 [1] 收集了来自7个国家的SARS病人标本,采用病毒分离技术、电子显微镜技术、组织学研究、分子生物学技术及血清学检验,希望能从大范围的病原体中找到真正的病因。结果发现在Vero E6细胞接种了患者的咽喉分泌液进行培养后能够生长繁殖,电子显微镜下显示出冠状病毒特有的超微结构。继而研究人员设计一对冠状病毒通用引物,对细胞培养阳性病毒进行扩增,利用所得的扩增片段设计出特异性引物,运用逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)扩增该病毒的聚合酶基因片段,结果清楚地辨别出此病毒株是一种独特的冠状病毒。随后,Peiris等 [2] 对50例SARS患者进行了研究,收集了所有病人的鼻咽部分泌物及血清(部分病人含有双份包括急性期和恢复期血清),部分病人的粪便标本及1例患者的肺活检组织,进行了一些常规性的试验包括血和痰的细菌培养、血清学及鼻咽部分泌物的病毒学研究。其中采用快速免疫荧光技术检测患者标本,结果排除了流感病毒、副流感病毒、呼吸道合胞病毒及腺病毒,并利用聚合酶链反应(PCR)技术排除了人类肺炎后病毒及支原体。进而又将鼻咽部分泌物接种到犬肾细胞、LLC-MK2、RDE、Hep-2、MRC-5、恒河猴胎肾细胞(FRhK-4)及A-549细胞上进行培养。结果发现在接种肺活检组织及1例患者的鼻咽部分泌物的FRhK-4细胞上分离出两个病毒株,电子显微镜下观察到一些具有包膜的病毒颗粒,直径约80~90nm,形态与冠状病毒一致。对上例肺活检组织中发现冠状病毒的患者,检测其鼻咽部分泌物及尸检肺组织标本也发现冠状病毒RNA。同时患者血清内针对其冠状病毒株的抗体滴度也大幅度增加。此外,为了获得这种RNA病毒的基因序列信息,他们进行了随机引物RT-PCR试验,利用引物5′-GCCGGAGCTCTˉGCAGAATTCNNNNNN-3′将从病毒感染细胞中分离的RNA逆转录为cDNA,并通过引物5′-GCCGGAGCTCTGCAˉGAATTC-3′扩增,所得的特定PCR产物(646bp)核苷酸片断被克隆测序,序列分析此DNA片断与第二种群中牛冠状病毒和鼠肝炎病毒具有较高(57%)的同源性,证实此病毒属 于冠状病毒家族。遗传学分析尽管它与第二种群冠状病毒密切相关,但仍然是一种独特型冠状病毒。他们又通过此核苷酸序列,获得特异性引物5′-TACACACCTCAGCGTTG-3′及5′-CACGAACGTGACGAAT-3′,采用RT-PCR技术以检测临床标本中冠状病毒基因序列。结果发现50例SARS病人中45例有感染冠状病毒的证据,即血清抗体阳性或者可在鼻咽部分泌物或粪便标本中检测到冠状病毒RNA。Drosten等 [3] 也收集了3例患者的呼吸道分泌物、血清、及粪便进行病毒的分离培养,通过随机引物聚合酶链反应(PCR)获得一长度为300核苷酸的序列,利用所获得的核苷酸序列通过RT-PCR技术,在几种标本里分别检出了冠状病毒。他们还应用即时荧光定量RT-PCR技术在患者的唾液标本里检出了高浓度的病毒RNA,提示SARS的主要传播途径来自呼吸道分泌物。
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    1.2 冠状病毒基因序列 美国研究小组 [4] 继加拿大科学家绘制出该冠状病毒的基因图谱后,宣布他们测出冠状病毒Urbani株的基因序列,这种病毒的基因组包含29727个核苷酸,为一多聚腺苷酸RNA,基因结构为典型的冠状病毒结构,包括5′前导链,其起始碱基为A,具有特征性的基因排列顺序[5′-聚合酶基因(rep)、棘刺蛋白(S)、包膜蛋白(E)、膜蛋白(M)、衣壳蛋白(N)-3′]及两端一些小的未翻译区域。5′端rep基因约占全基因组的2/3,包含两个读码框(ORF 1a 和ORF 1b ),在rep下游处有4个结构蛋白:S、E、M、N蛋白,与所有已知冠状病毒相同。所不同的是,在SARS病毒的ORF 1b 和S之间缺乏第二、三种群冠状病毒膜表面所特有的凝血酯酶(HE)。SARS病毒基因组还包括5个数量大于50个氨基酸的编码非结构蛋白的ORF s 。两个重叠的ORF s ,各编码274和154个氨基酸(分别命名为X 1 和X 2 )位于S和E之间;另外3个非结构基因X 3 、X 4 和X 5 位于M和N之间。Rota等为确定SARS病毒与已知冠状病毒之间的遗传学关系,将SARS病毒中由rep基因编码的三种蛋白酶(3CL pro 、POL及HEL)及4种结构蛋白片段与已知种群的具有代表性冠状病毒的基因片段进行测序比较,通过聚类分析等统计学方法,发现在以上各种情况下,SARS病毒都位于单独的主枝上,与任何三组的距离相似。就POL基因片段系统进化分析树来看,冠状病毒第一种群中,猪流行性腹泻病毒(PEDV)、传染性胃肠炎病毒(TGEV)和人冠状病毒229E(Hcov-229E)在一主枝上;第二种群中牛冠状病毒(Bcov)和鼠肝炎病毒(MHV)在另一主枝上;而禽感染性支气管炎病毒(AIBV)和SARS病毒分别在另两个主枝上,说明SARS病毒编码蛋白与任何种群已知冠状病毒都有差异,因此可将其列为单独一组。可以看出,SARS病毒基因组序列清晰地显示出其具有冠状病毒所具有的典型特征,如在编码rep、S、E、M或N蛋白的基因里没有显著的基因重排及大范围的插入或缺失。同其他冠状病毒一样,S和E间及M和N间含有几个较少碱基的ORF s 。但从遗传学的角度分析,SARS病毒与已知冠状病毒的遗传差异说明SARS病毒的大部分基因都不是来源于已知冠状病毒,它具有一些独特的特征,如S蛋白具有较短的锚钩,其氨基酸序列与已知冠状病毒相比,只有20%~27%的类似性;小ORF s 框具有特定的数目和具体的位置及单拷贝的编码木瓜蛋白酶区域(PLP pro )等,然而,有关的生物学意义还有待于证实。Marra等 [5] 将来源于加拿大Tor 2 株的SARS病毒纯化,提取出RNA,并利用随机引物和寡聚核苷酸引物将RNA逆转录成cDNA以供测序。他们将多伦多Tor 2 株与CDC的Urbani株的病毒基因组序列作了比较,结果非常相似,只有8个碱基的差异,推测此差异很可能是由于排序错误、人为PCR构造物的干扰或基因突变等原因引起。Tor 2 株基因结构按5′-3′顺序分别为ORF 1a 、ORF 1b 、S蛋白、ORF 3 、ORF 4 、E蛋白、M蛋白、ORF 7 、ORF 8 、ORF 9 、ORF 10 、ORF 11 、N蛋白、ORF 13 、ORF 14 及S 2m 模体。基因学分类也证实SARS病毒是一种新型的冠状病毒,认为SARS病毒来源不同,不能与任何一种已知冠状病毒合并;同时,除3′UTR上的S 2m 模体,也没有证据显示其与其他非冠状病毒有关。基因测序的完成有助于寻找出更为敏感和特异的诊断方法,为研制出预防SARS疫苗及抗病毒药物迈进了一步。
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    1.3 SARS病毒蛋白 Yu等 [6] 利用生物信息分析工具分析发现SARS病毒S蛋白的D757-R761基序可以与CD13的P585-A563区域相结合。推测CD13可能是SARS病毒S蛋白的受体,与SARS感染有关。因此认为可以利用中和抗体直接抵抗S蛋白,阻断宿主细胞表面病毒的特异性受体以阻止病毒的侵入,为研究SARS病毒蛋白的功能及设计抗SARS药物及疫苗提供了线索。Anand等 [7] 研究发现SARS病毒中由rep基因编码的主要蛋白酶3CL pro 可以影响冠状病毒复合体的活性,他们提供了3个冠状病毒3CL pro 的三级结构包括2个晶体结构(Hcov-229E的3CL pro 及TGEV与肽抑制剂复合体的3CL pro )及1个SARS病毒3CL pro 的同源模型,比较这些结构显示冠状病毒3CL pro 的底物结合部位是高度保守的,并通过重组SARS病毒3CL pro 分解TGEV病毒3CL pro 底物时所显示出的活性得到进一步证实。因此利用SARS病毒编码的3CL pro 的三级结构,设计蛋白酶抑制剂可以阻止SARS病毒的复制。他们认为现已在临床试验中治疗鼻病毒的小分子AG7088可能是抗SARS药物的着手点。
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    2 探索与展望

    经过几个月的共同努力,有关SARS的流行病学、临床诊断治疗及病原学研究等方面取得了较大的成果,疾病得到了有效的控制,但SARS季节性复发的可能性并没有排除,尚有许多问题有待解决:首先,病毒的来源及如何引起人类发病的问题。目前SARS病原已基本确定是一种全新的冠状病毒,与三种已知的冠状病毒不同,人们对其知之甚少。医学专家们目前也还在继续追踪这种新型冠状病毒的来源,试图尽快查清它究竟是来自动物,还是源于人体,或者两者皆有。许多研究者 [8] 认为,从它的基因序列来看,这种病毒在感染人类之前可能潜伏在一些动物体内。香港微生物学家曾报道在果子狸体内发现这种病毒,基因测序分 析此病毒几乎与SARS病人体内分离病毒株相同,认为此病毒很可能来源于果子狸等野生动物。之后,WHO就这一结论表示质疑,表明必须要对更多的野生动物进行相关的科学试验才能证明。此外,有关SARS病毒的感染过程及发病机制也还有很多不明确之处,例如是否存在感染SARS病毒且传染给健康人而自己并不发病者,SARS病毒怎样在数小时内感染大量的人群及从现在看来为何儿童的发病率低等,这些都有待于进一步研究。其次,病原学诊断问题。针对SARS病毒的检测方法已基本确立,包括细菌培养、酶联免疫吸附法(ELISA)、免疫组织化学法、免疫荧光法及RT-PCR技术等。从检测血清抗体、病毒遗传物质到分离病毒的诊断方法都已使用,但不足之处在于,为保证诊断结果的准确性,需要在SARS病人发病的不同阶段采集大量的样品。更甚的是大多数试验在感染SARS初期检测不到病毒。因此,研制出特异而可靠的诊断试剂,探索出更为敏感而准确的实验室诊断方法,是当前的一项重要任务。最后,必须寻找有效的抗SARS药物和疫苗。要想真正地解除SARS对人类的威胁,必须研究开发抵抗SARS病毒的疫苗。目前各国科学家都在致力于疫苗的研究,如灭活疫苗、减毒活疫苗、合成肽及DNA疫苗等。有关资料 [9]显示SARS病毒在复制过程中会不断变异,变异发生在参与复制的酶类及其表面蛋白,这就意味着病毒将会轻而易举地逃脱药物和疫苗的防治,这也是各国医学界所面临的一大难题,此外,也有学者提出疫苗的运用是否会造成SARS的恶化及运用后人体免疫系统的反应等都有待于进行大量的实验和临床研究。
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    参考文献

    1 Thomas G,Dean Erdman,Cynthia S,et al.A Novel Coronavirus Associˉated with Severe Acute Respiratory Syndrome.N.Eng1.J.Med.,2003,348:1953-1966.

    2 J SMPeiris,STLai,LLMPoon,et al.Coronavirus as a possible cause of severe acute respiratory syndrome.The Lancet,2003,361:1319-1325.

    3 Christian Drosten,Stephan G nther,Wolfgang Preiser,et al.Identificaˉtion of a Novel Coronavirus in Patients with Severe Acute Respiratory Syndrome.N.Eng1.J.Med,2003,348:1967-1976.
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    4 Paul A Rota,M Steven Oberste,Stephan S,et al.Characterization of a Novel Coronavirus Associated with Severe Acute Respiratory Syndrome.Science,2003,300:1394-1399.

    5 Marco AMarra,Steven J M Jones,Caroline R.Astell,et al.The Genome Sequence of the SARS-Associated Coronavirus.Science,2003,300:1399-1404.

    6 XJ Yu,C Luo,JC Lin,et al.Putative hAPN receptor binding sites in SARS-CoV spike protein.Acta Pharmacol Sin,2003,24(6):481-488.
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    7 Kanchan Anand,John Ziebuhr,Parvesh Wadhwani,et al.Coronavirus Main Proteinase(3CL pro )Structure:Basis for Design of Anti-SARS Drugs.Science,2003,300:1763-1767.

    8 Martin Enserink.Searching for a SARS Agenda.Science,2003,300:1487-1488.

    9 Martin Enserink,Gretchen Vogel.Hungry for Details,Scientists Zoom In on SARS Genomes.Science,2003,300:717-718.

    作者单位:510405广州中医药大学

    (收稿日期:2003-07-28)

    (编辑 李阳), http://www.100md.com(胡晨霞)