解密病毒

鄒歡

[摘 要]文章根據病毒的發現和研究史，總結歸納出無囊膜病毒和囊膜病毒的結構與特點，最后重點解讀新冠病毒的研究過程和結構特點。

[關鍵詞]無囊膜病毒;囊膜病毒;新冠病毒

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0095-02

人類的發展史，是一部和各種瘟疫斗爭的生存史。從引發鼠疫、霍亂、結核病、傷寒等瘟疫的細菌，到引發天花、流感、麻疹、艾滋病等大流行病的病毒，人類在一步步地研究瘟疫的真相，揪出瘟疫背后的真兇。回顧過去短短20年，全球便經歷了SARS、MERS、非洲豬瘟、埃博拉、寨卡病毒、新冠病毒等多種新型囊膜病毒所引發的疫情。這些病毒的出現，不僅給全球人類健康帶來巨大危險，給全球經濟造成巨大損失，還在一定程度上改變人們的生活方式。這些經歷，讓我們對大自然始終保持敬畏，也對囊膜病毒本身產生了極大的好奇。

無囊膜病毒與囊膜病毒的區別是什么？囊膜病毒的組裝有哪些類型？囊膜病毒的結構是什么樣的？2020年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了三位與丙肝病毒的發現有關的科學家。這次疫情，也將全球目光再一次聚焦到冠狀病毒所屬的囊膜病毒上，作為一名高中生物教師，有必要把握生物科技前沿，為新授課乃至高三復習提供教學素材和命題思路。

一、無囊膜病毒

無囊膜病毒（Nonenveloped virus）沒有囊膜，直接由蛋白質外殼包裹核酸。這類病毒的范疇比較廣，從動物病毒、噬菌體到水生病毒等都有。對人類健康及經濟生產威脅較大的有同屬微小病毒科的脊髓灰質炎病毒、腸道病毒及口蹄疫病毒等。

在結構上，大多數無囊膜病毒就像一個模子刻出來的一樣。呈正二十面體組裝的病毒是它們的代表[1]。這些直徑為100 nm左右的超大分子復合物（如圖1），由于高度的對稱性、結構的全同性及尺寸恰好在電子顯微鏡的透射范圍內等，是冷凍電鏡（cryo-Electron Tomography，cryo-ET）方法開發歷程中的三大標準生物樣品之一。

目前使用冷凍電鏡解析常規尺寸的正二十面體病毒的方法非常成熟：由于其表面拷貝數非常高的衣殼蛋白以嚴格的對稱性分布，無須大量數據便可通過三維圖像重構獲得近原子分辨率。這個經典應用也為探索更復雜的病原體（包括大量非球形或非對稱性的病毒體）提供了堅實的基礎。

二、囊膜病毒

囊膜病毒多是動物病毒，它們可以說是現代人類面臨的最具威脅性的病原體。囊膜病毒的大家庭里，既有“歷史悠久”的，如天花、流感、乙肝、丙肝、麻疹、艾滋病、登革病毒、狂犬病毒等，也有近些年的“新起之秀”，如新冠病毒、拉沙熱病毒、埃博拉病毒、寨卡病毒、裂谷熱病毒等。這些病毒里，除了寨卡病毒和登革病毒具有較為嚴格的正二十面體對稱，其余的結構都千篇一律。

這種隨機性結構與囊膜病毒的組裝和生命周期特點息息相關。它們由脂雙層包裹，借助外鑲的刺突狀糖蛋白與受體結合并進入細胞。接著，利用Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ型膜融合蛋白介導膜融合、解胞并釋放核酸，綁架細胞的生命活動實現自我復制，最后組裝成新的病毒并從細胞出芽。可見，囊膜病毒通過蛋白介導膜融合，通過膜融合去組裝并釋放核酸，通過出芽“擄走” 細胞膜以成為新病毒的囊膜。

除了上述的刺突蛋白及脂雙層，囊膜病毒一般還有基質蛋白（負責病毒組裝）、核蛋白（負責收納組織核酸），負鏈RNA病毒的結構蛋白里還有聚合酶。此外，不少囊膜病毒還有通道蛋白，例如新冠病毒、流感病毒等。

由于脂雙層參與病毒組裝，這類病毒幾乎千毒千面，沒有兩個完全一樣的病毒。看清囊膜病毒的全病毒分子結構，其蛋白的分布及構象轉變，甚至是宿主體內的病毒半組裝結構，對我們理解囊膜病毒如何攻下細胞這座城堡至關重要。由于囊膜病毒的結構多樣，很難通過傳統結構生物學方法來解析，因此全病毒結構及其在生命周期中重要狀態的高分辨結構，一直是結構生物學的挑戰。使用冷凍電鏡斷層成像方法拍攝樣品的三維圖像，并結合子斷層圖像平均法（STA）對病毒上的蛋白子斷層圖像進行對齊平均運算，再通過投射回三維空間的手段，為解析囊膜病毒全病毒結構及細胞內的病毒結構帶來可能。

具有二十面體外殼和脂雙層膜的一類病毒結構，是最早被解析出來的。引起發病率和死亡率很高的登革出血熱和登革休克綜合征的登革熱病毒（DENV，黃病毒科），于2002年被美國普渡大學 Richard J Kuhn 等人確定了24 ?分辨率的結構[2]。另一類病毒的外囊膜包被著一層或多層二十面體對稱蛋白或核衣殼：包括乙型肝炎病毒HBV[3]、皰疹病毒科（如HSV-1），以及2019年饒子和團隊解析的非洲豬瘟病毒ASFV[4]（如圖 2）。

三、新冠病毒

今年肆虐全球的新冠病毒，最先由清華大學團隊使用 cryo-ET，將浙江大學李蘭娟團隊提供的滅活病毒解析至最高7.8?分辨率，并重構出一顆有代表性的新冠病毒全病毒分子結構 [5]。研究結果不僅展示了病毒表面刺突蛋白（spike）的結構、分布及其糖基化組分，還挺進 “深核”，解析出病毒腔內的核糖核蛋白（RNP）的結構與排列規律，為其超長基因組在病毒體內的分布提供了高分辨率信息，繪制了獨一無二的新冠病毒全身 “通緝照”（如圖3）。

冠狀病毒本身非常有特點，擁有多個囊膜病毒之最：已知最大的糖蛋白（三聚體分子量超過600 kD），RNA病毒中最長的RNA（30 kb）。新冠病毒糖蛋白拷貝數稀少（約30個）;在囊膜表面擁有極大的自由，可繞莖部旋轉甚至可在囊膜上游走;非常脆弱，部分亞基甚至整根糖蛋白會發生脫落。通過對來自天然S蛋白的N-聚糖組成進行質譜分析，發現雖然天然聚糖較為復雜，但整體而言與重組糖蛋白聚糖的加工狀態高度相似。

冠狀病毒RNA直線長度可達病毒自身直徑的100倍。把這根核酸“長繩”完整有序地纏繞進僅有約80 nm直徑的腔體內的重任主要落在核蛋白上。它需要像線軸一樣收納RNA，將其有序纏繞，并組裝成稱為核糖核蛋白復合物（RNP）的高級結構。清華大學團隊對病毒內近20 000顆RNP進行了挑選和分析，得到了病毒腔內13?分辨率的RNP結構密度圖，并開創性地展示了RNP在病毒腔內的組裝機制。成像顯示：該復合物像串珠一樣將RNA組織在一起，并在病毒體內呈現六聚 “鳥巢” 形和正四面體 “金字塔” 形兩種局部排列，有序地收納了RNA這根“長繩”，還增加了病毒在復雜環境中經受物理挑戰的能力。這可能是世界范圍內首次 “看清” 正義單鏈RNA病毒的內部結構（如圖3）。

囊膜病毒在人類發展史上造成過多次大流行災難，是對現代人類健康最具威脅的病原體。研究囊膜病毒的天然結構，對于我們真正了解病毒，發現它們的弱點至關重要。而因為脂雙層參與組裝，囊膜病毒柔性極大，形態不定，完整病毒的結構解析為結構生物學帶來巨大的挑戰。冷凍電鏡斷層成像是揭示囊膜病毒全貌圖的最佳方案，雖然目前分辨率還停留在1～2納米，但該方法的開發突飛猛進，常規獲得近原子分辨率僅是時間問題。對囊膜病毒的研究，正從體外結構的傳統方向，大步邁向從細胞中直接觀測病毒生命活動的原位結構方向。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? ZHANG X，JIN L，FANG Q，et al. A cryo-EM structure of a nonenveloped virus reveals a priming mechanism for cell entry[J]. Cell，2010（2）：472-482.

[2] KUHN R J，ZHANG W，ROSSMANN M G，et al. Structure of dengue virus：implications for flavivirus organization，maturation，and fusion[J].Cell，2002（5）：717-725.

[3] DRYDEN K A，WIELAND S F，WHITTENBAUER C，et al. Native hepatitis B virions and capsids visualized by electron cryomicroscopy[J].Molecular cell，2006（6）：843-850.

[4] WANG N，ZHAO D M，WANG J L，et al.Architecture of African swine fever virus and implications for viral assembly[J]. Science，2019（6465）：640-644.

[5] Yao H P，SONG Y T，CHEN Y，et al.Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus[J].Cell，2020（3）：730-738.

（責任編輯 黃春香）