SARS冠状病毒 2009年02月24日修订版

冠状病毒是一群具有套膜的RNA病毒，在电子显微镜下呈皇冠状，其正性单股RNA约由27000~30000多个碱基组成，为已知最大的RNA病毒，可感染人、鸡、猪、牛、鼠、猫等动物，会引发呼吸道与肠道的疾病，并引起人类轻微感冒。冠状病毒分为三大类，其中两类感染哺乳动物，另一类只感染鸟类，基本上这类病毒的宿主相当专一，主要引发呼吸道与肠道感染。2003年新发现的一种冠状病毒，为引起人类严重急性呼吸道症候群（SARS）。

严重急性呼吸综合征冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus：SARS CoV，SCoV  SARS冠状病毒）属与环状病毒（torovirus）属同为动脉炎病毒科（arteriviridae），划作套病毒（nidovims）目。冠状病毒依其抗原性差异分为3群。SARSCoV与任何一群的同源性均显不高，有的研究者将其归属于2群。Ksiazek示它可能为两群的重组病毒。2005年6月Colorado会议提议将SCoV分类为2群。

A new member of Coronavirus family

SARS冠状病毒在种属分类上属于“ssRNA positive-strand viruses”家系的“Nidovirales”族中的“Coronaviridae”系(见Taxonomy)。它是冠状病毒家族中新出现的一个子类。全长29,736bp，已知有11个编码序列（cds），而其中的一个cds（putative orf1ab polyprotein）与鼠类的肝炎病毒（murine hepatitis virus）结构类似，依据鼠类的肝炎病毒的结构模式，推断出该段cds应该编码了14个蛋白质。

“非典型肺炎”元凶冠状病毒图

SARS冠状病毒概述

SARS冠状病毒(SARS-Cov)，属于巢状病毒目(Order: Nidovirales),冠病毒科(Family:Coronaviridae)，冠状病毒属(Genus: Coronavirus)。根据其基因组结构分类，它属于单链正义 RNA 病毒[(+)sense, ssRNA Virus]。

成熟的冠状病毒颗粒直径约为 60 至 220nm 不等。其形态学上最显著的特征在于，在病毒包膜(envelope)外，有明显的棒状膜外子粒('club-shaped' peplomers)。这一酷似中世纪欧洲帝王王冠(crown)的结构（如图 1），正是其”名字” - Coronavirus 的来源。

图 1.  冠状病毒电镜照片（Department of Microbiology, University of Leicester） [参考资料] . "Department of Microbiology, University of Leicester".

对其他已知冠状病毒的研究发现，其病毒包膜主要包括三种糖蛋白，分别命名为S 蛋白(Spike Protein)、M 蛋白(Membrane Protein)、E 蛋白(Envelope Protein)。在部分病毒株中还能找到一种 HE 蛋白(Haemagglutinin-esterase)。其中 S 蛋白即伸出包膜的棒-球形的糖蛋白，它在病毒与宿主细胞表面受体结合及介导膜融合进入细胞的过程中，起关键性作用，也是冠状病毒主要的抗原蛋白。M 蛋白则是一种跨膜蛋白，在病毒的包膜形成与出芽(budding)过程中起重要作用。E 蛋白是一种相对较小的蛋白质，主要散在分布于病毒包膜上。冠状病毒主要结构模式见图 [参考资料] Holmes KV. "SARS-associated coronavirus". N Engl J Med 2003 May 15;348(20):1948-51。

冠状病毒病毒颗粒示意图全貌

S 蛋白结构模式

M 蛋白和 E 蛋白结构模式

N 蛋白结构模式

冠状病毒入侵宿主细胞。冠状病毒的 S 蛋白是介导冠状病毒入侵宿主细胞的重要分子，

对其配体的研究亦成为关心焦点。目前认为有两类分子可能是冠状病毒的受体：氨基肽酶 N

（Aminopeptidase N）（图 3a）以及鼠类癌胚抗原细胞黏附分子 1（murine CEACAM1）（图

3b）。它们通过与冠状病毒 S 蛋白结合，诱导冠状病毒 S 蛋白发生结构上的变化，暴露穿膜

有效结构域，介导病毒与宿主细胞发生膜融合，如图 3c。

3a．氨基肽酶 N

3b. murine CEACAM1

3c．入侵过程

位于病毒颗粒中央的不规则核酸部分即病毒基因组，其上结合有核壳体蛋白(N蛋白，Nucleocapsid Protein)。冠状病毒基因组 RNA(Genomic RNA)是一个无分段的，正义单链 RNA，长度一般在 27-31kb。该 RNA 链具有一个正链 RNA 病毒特有的重要结构特征：即 RNA 链 5`端有甲基化帽(methylated cap)、3`端有 PolyA 尾的结构。这一结构，和真核mRNA 非常相近，也是其基因组 RNA 自身即可发挥翻译模板作用的重要结构基础。冠状病毒进入细胞后的转录、翻译、复制、装配与出芽过程，如图 4 所示。值得特别指出的是：冠状病毒成熟粒子中，并不存在RNA病毒复制所需的 RNA 聚合酶(Viral RNA polymerase)。因此，它进入宿主细胞之后，首先将直接以病毒基因组 RNA 为翻译模板，表达出病毒 RNA 聚合酶。然后才利用该酶完成负链亚基因组 RNA (sub-genomic RNA)    的转录合成、各结构蛋白 mRNA 的合成，以及病毒基因组 RNA 的复制。另一个需要说明的特点是：冠状病毒各个结构蛋白成熟的 mRNA 合成，并不存在转录后的修饰剪切过程，而是直接在初次转录过程中，通过  RNA  聚合酶和一些转录因子，以一种“不连续转录”(discontinuous  transcription)的机制，通过识别特定的转录调控序列（transcriptionregulating sequences  ，TSR），有选择性地从负义链 RNA 上，一次性转录得到构成一个成熟 mRNA 的全部组成部分。

结构蛋白和基因组 RNA 复制完成后，将在宿主细胞内质网处装配(assembly)生成新的冠状病毒颗粒，并通过高尔基体分泌至细胞外，完成其生命周期。

图 4.冠状病毒细胞内复制模式图

关于导致 SARS 的病原体，在其研究之初，全球各地的研究组曾经存在过多种推断。3月22日，香港大学微生物系首先利用非洲绿喉肾脏细胞(African Green Monkey KidneyCells, Vero E6)，从一个感染者的肺组织中分离到了一种未知的病毒³，推测其很可能即为致病原。WHO 的研究网络随即集中对该病毒进行了分析，并且在 3 月 27 日的简报中首次提到了”病原体可能是冠状病毒的一种”¹⁸。此后两周内，该研究网络的多个实验室对SARS进行了临床标本、病理组织与影像学、病毒分离培养、血清学与免疫学诊断、分子生物学与遗传同源性等多方面的深入研究与鉴定 4-6,19，最终确认：一种新的冠状病毒(Coronavirus)，

就是导致严重急性呼吸综合征的病原体！

SARS 冠状病毒基因组学研究 10-12

4月12日，加拿大 British Columbia Cancer Agency’s Genome Sciences Centre 首先完成了SARS 冠状病毒的全基因组测序(Accession Number: AY274119)。我国中国科学院华大基因组研究中心，也于4月16日完成了5个SARS病毒分离株的测序工作。截至5月9日，已提交到 GeneBank 的完整 SARS 基因组序列达11条。其基本信息见表 1。NCBI 参照上述各 序 列 ， 以Tor2基因组序列为蓝本 ， 修正给出了SARS的基因组参考序列(AC:NC_004718)。

 已完成测序的 SARS 冠状病毒全基因组序列 （截至 2003.5.9）

通过与已知冠状病毒基因组的比较分析，三个完成测序的研究组－USCCDC、加拿大BCCA 基因组研究所、北京华大基因组研究中心，分别基于 Urbani/Tor2/BJ01的序列，对 SARS冠状病毒的基因组结构进行了分析预测，并发表了各自的工作。三个病毒株的分析结果基本一致，认为 SARS 冠状病毒基因组属于典型的缺乏 HE 蛋白的冠状病毒[HE(-)-Coronavirus]

基因组结构。其基因组 5’端约三分之二的区域，编码病毒 RNA 聚合酶复合蛋白；后三分之一的区域，编码病毒结构蛋白，按基因组上的排列顺序依次为 S 蛋白、E 蛋白、M 蛋白、N蛋白；未发现 HE 蛋白编码序列。已发表的 USCDC、加拿大、北京华大的基因组结构图分别如图 5-7 所示。

图 5.USCDC 基于 Urbani 冠状病毒株基因组结构分析图

图 6.加拿大 BCCA 基因组研究所基于 Tor2 冠状病毒株基因组结构分析图

图 7.中科院基因组中心基于 BJ01 冠状病毒株基因组结构分析图

上述三篇基因组分析论文10-12均指出在结构蛋白编码区可能的开放读码框(Open Reading Frame, ORF)中，存在已有蛋白质序列数据库中未找到任何同源序列的未知蛋白(Predicted Unknown Protein, PUP)。但是在具体的PUP数目和位置上，各组之间的结论存在一定的差异。其中USCDC对Urbani和北京华大对BJ01的分析，均报道发现了5个PUP；加拿大Tor2的分析则报道发现了9个可能的未知ORF和1个s2m motif。本研究在4月26日，即基于Genebank已有的基因组序列，参考 NCBI 的简要注释，对其进行了系统的同源性检索分析，并在第一时间发布，分析其结果与随后发表的上述三篇论文基本一致20。现以加拿大Tor2的分析结果为参照，将三地对于未知蛋白的结果罗列如下：

最新科学文献

• SARS综述:SARS病毒基因组与侵入宿主细胞研究近况
• SARS综述:SARS非典型肺炎的临床和治疗进展
• The Preliminary Analysis of SARS Co-V-Host Cell Interaction(CMBI-PUCHG Since 5.7)
• The Preliminary Analysis of SARS Coronavirus Genome and Proteins(CMBI-PUCHG Since 4.26)
• Interpretation of diagnostic laboratory tests for severe acute respiratory syndrome: the Toronto experience(CMAJ－2004.1.6)
• Laboratory tests for SARS: Powerful or peripheral?(CMAJ－2004.1.6)
• Severe acute respiratory syndrome (SARS)—paradigm of an emerging viral infection(J Clin Virology－2004,vol29)
• Biosynthesis, Purification, and Substrate Specificity of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 3C-like Proteinase(JBC－2004.1)
• Evaluation of Control Measures Implemented in the Severe Acute Respiratory Syndrome Outbreak in Beijing,2003(JAMA－12.24)
• Interferon Alfacon-1 plus Corticosteroids in Severe Acute Respiratory Syndrome(JAMA－12.24)
• Early diagnosis of SARS Coronavirus infection by real time RT-PCR(J Clin Virology－2003,vol28)
• Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS)-Editorial(J Clin Virology－2003,vol28)
• SARS-coronavirus replicates in mononuclear cells of peripheral blood (PBMCs) from SARS patients(J Clin Virology－2003,vol28)
• SARS virus infection of cats and ferrets(Nature－10.30)
• Reverse genetics with a full-length infectious cDNA of severe acute respiratory syndrome coronavirus(PNAS－10.28)
• Isolation and Characterization of Viruses Related to the SARS Coronavirus from Animals in Southern China(Science－10.10)
• Isolation and Characterization of Viruses Related to the SARS Coronavirus from Animals in Southern China(Sciencexpress－9.4)
• Possible role of an animal vector in the SARS outbreak at Amoy Gardens(Lancet－8.16)
• Managing SARS (N Engl J Med－8.14)
• SARS in Hong Kong (N Engl J Med－8.14)
• SARS and the Internet (N Engl J Med－8.14)
• A surfeit of SARS (Lancet－8.12)
• SARS: Epidemiology, Clinical Presentation, Management, and Infection Control Measures(Mayo Clin Proc－7)
• SARS: 1918 Revisited? The Urgent Need for Global Collaboration in Public Health(Mayo Clin Proc－7)
• Fatal Aspergillosis in a Patient with SARS Who Was Treated with Corticosteroids (N Engl J Med－7.31)
• Profile of Specific Antibodies to the SARS-Associated Coronavirus (N Engl J Med－7.31)
• Newly discovered coronavirus as the primary cause of severe acute respiratory syndrome(Lancet－7.26)
• Treatment of SARS with human interferons (Lancet－7.26)
• SARS — Looking Back over the First 100 Days (N Engl J Med－7.24)
• SARS, What have we learned? (Nature－7.10)
• Coronavirus Genomic-Sequence Variations and the Epidemiology of the Severe Acute Respiratory Syndrome(N Engl J Med－7.10)

参考资料

SARS冠状病毒基因组初步分析