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科普 | 新型冠状病毒:结构简单、成分简单,但破坏力绝不简单

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  病毒的结构(图片来源:www。khanacademy。org) 中科院上海巴斯德所/供图 

  中新网北京1月31日电  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2019年12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,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,每时每刻都在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。

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) 中科院上海巴斯德所/供图 

  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目前大多还难以治愈,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(DNA与RNA)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,使得病毒的衣壳存在不同形态的区分。

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

  但需要注意的是,并不是所有的病毒的衣壳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。

显微镜下的SARS冠状病毒(图片来源:www.cdc.gov) 中科院上海巴斯德所/供图 

  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(S,Spike Protein)、小包膜糖蛋白(E,Envelope Protein)和膜糖蛋白(M,Membrane Protein),少数种类还有血凝素糖蛋白(HE蛋白,Haemaglutinin-esterase)。

  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。

SARS冠状病毒结构示意图。 中科院上海巴斯德所/供图 

  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SARS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-nCoV的S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的可能[2]。

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

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) 中科院上海巴斯德所/供图 

安徽快3走势  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。

  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。【作者 赵灵羽(中国科学院上海巴斯德研究所)】

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