冠状病毒的结构及生物学特性概述

1、冠状病毒的结构及生物学特性概述摘要人冠状病毒（HCoV）是进化上非常成功的病毒，它们经历了跨种传播和宿主适应，最终获得了侵染人类的能力，成为威胁 人类健康的元凶。本文对冠状病毒的结构以及人胞途径、侵染过程和免疫逃逸的生物学特性进行概述。关键词冠状病毒病毒结构侵染途径免疫逃逸冠状病毒（coronavirus ）属 于套式病毒目 （Nidovirales）,冠状病毒科（Coronaviridae）,是目前自然 界已知的最大RNA病毒。冠状病毒在现实中感染非 常普遍，自然宿主分布广泛，且感染通常有一段潜伏 期，其感染宿主主要是哺乳动物和禽类。第一例人冠状病毒（HCoV）于1965年从普通感冒 患者的

2、鼻腔分泌物中分离出来,命名为HCoV-229E, 此后，不同的冠状病毒被陆续从人体内分离出来。目 前已经发现有七种能够感染人的冠状病毒E，其中对 人类影响较大的是引发严重急性呼吸系统综合症的 SARS-CoV、引发中东呼吸综合征的MERS-CoV以及 引发2019新型冠状病毒病（COVID - 19）的SARS - CoV-2这三种。国际病毒分类委员会将冠状病毒分 为！、#、$这4个属。其中!和属冠状病毒感染 哺乳动物,上述的SARS CoV、MERS CoV和SARS - CoV -2三种感染人类的冠状病毒都属于属；#属冠 状病毒只感染禽类；而$属冠状病毒既感染禽类又感 染哺乳动物2）受感染

3、宿主体内的病毒基因组会持续 复制、突变、重组，不仅引起宿主呼吸系统、消化系统和 神经系统疾病，而且变异的累积还可能产生跨宿主 感染。1冠状病毒的结构冠状病毒为直径100-160 nm的球形颗粒,包膜形 如冠状突起，核衣壳呈螺旋对称，如图1所示。冠状病 毒是正义单链RNA病毒，其58端具甲基化的帽子，编 码一个多聚蛋白，该多聚蛋白包含16个非结构蛋白， 参与基因组的转录和复制；而其3端有Poly A尾巴，编棘突蛋白S棘突蛋白S膜蛋白M血凝素蛋白HE（少数种类含有） 小分子包膜蛋白E 核衣壳蛋白N+RNA图1冠状病毒示意图码一系列结构蛋白，包括棘突蛋白S、小分子包膜蛋白 E、膜蛋白M、核衣壳蛋白N

4、,以及只见于少数冠状病毒 的血凝素蛋白3）除了编码结构蛋白的基因外，还有 一些辅助蛋白，这些辅助蛋白具有物种特异性,并且对 于病毒的复制不可或缺4）1.1结构蛋白 具体包括以下几种：1.1.1棘突蛋白S棘突蛋白是包膜外呈花瓣状突 起的跨膜糖蛋白，包括S1和S2两个亚基：S1呈类球 状结构，含有病毒的受体结合域（RBD） ,S蛋白的变异 主要在RBD内发生；S2呈棒状结构，组成S蛋白的茎 部，介导病毒膜囊与细胞膜融合。S蛋白是结构蛋白 区编码的序列最大的蛋白质，也是冠状病毒主要的抗 原位点，并影响与物种特异性受体结合的程度。冠状 病毒的种类和毒性以及跨宿主感染能力主要取决于S 蛋白5，而宿主的免

5、疫反应一般都是针对S蛋白，因此 S蛋白是疫苗开发的关键靶标。1.1.2血凝素蛋白HE血凝素蛋白通常以二硫键连 接的同源二聚体形式存在于少数冠状病毒表面，这些 冠状病毒的编码区内就有其特有的编码血凝素酯酶 HE 蛋白的基因，但 SARS CoV、MERS CoV、SARS 一 CoV-2均不含有HE蛋白。1.1.3小分子包膜蛋白E小分子包膜蛋白是一类 小型跨膜蛋白，分布于病毒包膜上，疏水性很强。E蛋 白与病毒生命周期的多个方面有关，如装配、出芽、包 膜形成和发病机理的。1.1.4膜蛋白M膜蛋白是冠状病毒中含量最高的 跨膜糖蛋白，大部分M蛋白陷于膜内，其外侧的N端 和内侧的C端的作用分别是：外侧的

6、N端与S蛋白结 合，是冠状病毒组装过程的关键；内侧的C端锚定在核 衣壳上，维持核心结构的稳定以及介导病毒粒子出芽。 M蛋白负责营养物质的跨膜运输，在病毒出芽释放与 外包膜形成中起重要作用7)1.1.5核衣壳蛋白N核衣壳蛋白是一种磷酸化的 碱性蛋白，处于病毒的核心，与病毒RNA紧密结合形 成螺旋复合体，在病毒形状的形成和RNA的转录过程 中起着重要的作用。1.2 RNA 冠状病毒是最大的RNA病毒，相比于 DNA的双链结构，RNA的单链结构更不稳定，因此更 容易发生突变。病毒基因组RNA具有与真核细胞 qRNA类似的功能，不仅可以作为翻译模板指导蛋白 质的合成，还可以作为复制模板指导负链RNA的

7、合 成;与属于逆转录病毒的人类免疫缺陷病毒(HIV)不 同，冠状病毒属于RNA复制病毒，因此不需要经过 RNA*DNA*RNA的转录过程，只需依赖自身基因组 编码的聚合酶进行复制，并采用独特的套式转录方式。 但是病毒复制过程产生的一系列亚基因组qRNA都可 能作为RNA的模板链，导致病毒的高复制率和高突变 率,有利于病毒适应环境的选择压力和逃避宿主的免 疫清除，使病毒不断出现毒力或宿主变异。2冠状病毒的生物学特性2. 1入胞途径病毒按照有无包膜的结构有不同的 入胞方式，无包膜的病毒甚至可以将其核酸直接注入 到细胞质中，如噬菌体的侵染。冠状病毒作为一种有包膜的病毒,其入胞方式有 两种国：细胞膜途

8、径：冠状病毒直接在细胞膜表面， 通过病毒包膜一细胞膜融合而进入细胞。冠状病毒包 膜的主要成分是糖类和脂质分子，而细胞膜的主要成 分是磷脂，脂质分子之间有着相似相容的化学特性，使 得冠状病毒很容易进入细胞内，如图2( A)所示；受 体介导的内吞途径：通过宿主细胞的内吞途径将冠状 病毒陷入细胞内体，发生病毒包膜一细胞内体膜的融 合。冠状病毒的S蛋白含有与细胞表面识别蛋白结合 的受体结合域RBD，它决定了宿主范围和组织嗜性，因 此在RBD与细胞表面受体识别机制的促使下，宿主细 胞膜会包裹着病毒颗粒发生内陷。随后S1与S2解 体，在S2的介导下实现病毒包膜与细胞内体膜的融 合，如图2( B)所示。不管

9、是细胞膜途径还是受体介导 的内吞途径，在膜融合后，冠状病毒就将其自身的核衣 壳或基因组释放到细胞质中，进而启动病毒的感染。 一般来说，细胞膜途径要比受体介导的内吞途径的效 率高出10-100倍。直接释放细胞膜途径(A)细胞膜途径示意图(B)受体介导的内吞途径示意图 图2冠状病毒的入胞途径2.2侵染过程冠状病毒的侵染是一系列连续的过 程，包括识别与吸附、病毒与宿主细胞的膜融合、核衣 壳的释放以及病毒基因组的复制与翻译等步骤。冠状病毒进入宿主细胞前，通过S蛋白上的RBD 与不同的宿主细胞表面受体结合，如MERS-CoV是通 过RBD与细胞表面受体DPP4结合，SARS-CoV与 SARS - Co

10、V -2是通过RBD与细胞表面受体ACE2结 合顷，病毒得以吸附细胞，病毒包膜与细胞膜融合。宿 主细胞的ACE2蛋白分布广泛，暴露在空气中的粘膜 细胞(如嘴唇、鼻腔、眼角膜等组织的细胞)都是可以 感染的对象，成为SARS - CoV -2快速传染的分子 基础。冠状病毒进入宿主细胞后，将核衣壳或者基因组 释放到细胞质中，病毒基因组+ RNA作为模板先翻译 出RNA聚合酶，在该酶的参与下，基因组+ RNA合成 一系列互补的亚基因组-RNA。由于病毒子代基因组 和子代的各结构蛋白等都依赖于+RNA,这些亚基因 组-RNA在RNA聚合酶参与下再次转录成+RNA，使 子代所需的+RNA不断得到补充。此外

11、，一些+RNA被 翻译成子代所需要的各结构蛋白和辅助蛋白。待其结构蛋白翻译和+RNA复制完成后就转移到宿主细胞内 质网中进行加工、装配，此时N蛋白先和+RNA结合形 成螺旋复合体，再把M蛋白和E蛋白组装到病毒衣壳 上。装配完成的病毒以囊泡的形式移向高尔基体，并 在高尔基体的加工下获得包膜，待到病毒成熟后再插 入S蛋白。装配完成的病毒通过囊泡移动到细胞膜处 并与之融合,将子代病毒分泌到细胞外。上述过程如 图3所示。图3冠状病毒在细胞内表达与组装的一般过程2.3免疫逃逸机制 宿主细胞在感染冠状病毒后，正 常来说，人体的免疫系统能抵抗大部分的病原体。冠 状病毒之所以被认为是一种在进化上非常成功的病

12、毒,是因为其适应能力非常强。冠状病毒在进化中不 断变异，进化出各种用以迷惑或利用宿主细胞的结构。 虽然宿主细胞本身有一系列的信号通路获知病毒入 侵，但病毒也有一套躲避宿主免疫反应的策略。冠状 病毒像一个“狡诈的敌人”一样进入细胞内，进行大量 繁殖。例如，SARS-CoV可采用两种机制逃避宿主天 然免疫10：逃避宿主天然免疫系统对病毒RNA的 检测。冠状病毒的基因组RNA在细胞质基质中复制 时会形成区别于宿主细胞双链DNA的结构，其复制形 成的双链RNA本可以被宿主细胞识别和降解，但病毒 却演化出了可以在宿主细胞内质网形成囊泡进行自我 复制的能力，从而逃避宿主识别蛋白对双链RNA的检 测。病毒本身有编码抑制宿主免疫信号的蛋白，如 SARS CoV的核衣壳蛋白N11）目前SARS CoV - 2 表现出了比SARS - CoV与MERS - CoV更强大的隐蔽 能力，有些感染者甚至需要多次检测才能确诊，但其