周浩 王皞鵬 楊海濤

要問“客”從何處來

首先，請允許我進行自我介紹。我是冠狀病毒家族中新晉的一員，人類把我叫作新型冠狀病毒（SARSCoV-2），而由我引起的肺炎則被叫作新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease 2019， COVID-19）。蝙蝠往往是我們冠狀病毒家族溫暖的歸宿，我和很多的親戚朋友們都長期居住在蝙蝠的體內(nèi)并不斷進化。而且時不時地，我們還可以到不同的動物體內(nèi)串串門，“運氣好”的話最終還可以傳染到人類體內(nèi)。老前輩非典病毒（SARS病毒）就是通過果子貍最終傳染人類的，我的遠方親戚MERS病毒也是找駱駝做的中間商。今年我也追尋著前輩們的腳步，找到了一些秘密“掮客”作為中轉(zhuǎn)，最后進入了人類社會。

2019年年末，我一來到密集的人類社會就發(fā)現(xiàn)，這里的環(huán)境可太好了！每天都有來來往往的人群，這為我的傳播提供了人數(shù)基礎，而寒冷的天氣與避光的場地則讓我能夠存活得更久。我的主要傳播方式是飛沫傳播，這種傳播方式迅速而不易被察覺，許多病毒界的名流，比如流感病毒就是靠這一招走遍天下的。當我隨著咳嗽或噴嚏的飛沫來到空氣中，它們會包裹著我在空氣中游蕩。有時候運氣好就能直接找到下一個感染者，但就算落在一些金屬或者玻璃的表面，我也能存活大概一周的時間，其間偶爾就會有“有緣人”找上門，碰了我之后再揉揉眼睛或鼻子，這種間接的接觸傳播也是我能在短時間感染這么多人的一大利器。

我的生活史

免疫系統(tǒng)保護人類的第一道防線由皮膚和黏膜組成。雖然皮膚幾乎完全覆蓋了人類身體表面，但幸運的是，人們暴露在空氣中的嘴唇、眼皮、口腔和鼻腔上都有著大量的黏膜細胞。作為冠狀病毒，當我接觸到黏膜細胞時，我囊膜外衣上的S 蛋白（spike glycoprotein，刺突糖蛋白）就能與細胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2結合、識別并帶我進入細胞內(nèi)部。每個被感染的細胞都能產(chǎn)生成千上萬個新的病毒顆粒，這種數(shù)量優(yōu)勢使我能夠快速攻占人體的多個器官和組織。其實人體的肺部和心臟等器官都有血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2的表達，但往往在我剛想進一步攻城略地的時候，人類的免疫細胞就發(fā)現(xiàn)端倪并抄家伙來了。

其實真要說起來，我的目的從來都不是要殺死人類，畢竟殺死了宿主還怎么增殖傳播呢？反倒是人體那些巨噬細胞、中性粒細胞、自然殺傷細胞、T細胞等免疫細胞見了我就像發(fā)了瘋似的，它們分泌出許多細胞因子一頓狂轟濫炸不分敵我。年輕的宿主身體素質(zhì)比較好還能扛過去，而許多年老的宿主抵不過呼吸系統(tǒng)衰竭、心衰或腎衰，很快便生命垂危。

要說我對人類有什么危害，頂多是因為我會損傷肺泡中的Ⅱ型肺泡細胞，這種細胞對人類呼吸系統(tǒng)挺重要的。它平日里會分泌一些脂質(zhì)和蛋白質(zhì)來擴大肺泡面積，當這種細胞被攻擊，肺泡會因為水分子的表面張力而縮小，氧氣、二氧化碳等氣體交換的效率也會顯著下降，以至于不足以維持人類的日常生活。所以肺部的肌肉就會不斷擴張，試圖把肺泡拉大，但這樣肺泡與肌肉間就會出現(xiàn)一些氣壓很低的區(qū)域，進而導致炎癥區(qū)域積水像拔火罐一樣被吸進去，呼吸反而變得更加困難[1]。

雖然到最后我可能會導致宿主產(chǎn)生炎癥疾病，甚至死亡，但是這并不能明顯削弱我的傳染能力。因為在宿主還沒有發(fā)展為重癥之前，我就可以通過飛沫傳播的途徑在人群中四處傳播開了，只要不斷循環(huán)感染到傳染的這一流程，很快全世界都將見識到我的威力。

我的弱點

冠狀病毒家族有著悠久的歷史，而能夠從其中脫穎而出并在人類社會卷起軒然大波的我更將“名垂青史”。但即便強大如我，除了不耐高溫和紫外線之外，還有一些弱點似乎被人類發(fā)現(xiàn)了。

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者，這點對我也不例外。但與人類或者說大多數(shù)生物不同，作為RNA生物，我的蛋白表達可以直接用自身攜帶的RNA作為模板，偷偷利用宿主的翻譯機器生產(chǎn)我的蛋白質(zhì)，而不需要從DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，但這也使得我在繁殖后代時必須要表達人類宿主所沒有的一種RNA聚合酶來復制RNA。我把與生命活動相關的非結構蛋白編碼基因放在基因組（RNA）的前2/3區(qū)域，而把組成我蛋白質(zhì)外殼的結構蛋白編碼基因放在后1/3區(qū)域，畢竟重要的蛋白要先表達，不然基因都復制不了，更別說繁殖后代了。

在我進入黏膜細胞后，第一件事就是先翻譯出兩條非結構蛋白，多聚蛋白pp1a和pp1ab，多聚蛋白就像一串珍珠一樣，行使不同功能的蛋白質(zhì)（珍珠）互相連接在一起。其中的兩顆“珍珠”——木瓜蛋白酶和主蛋白酶能通過自剪切，將自己從多聚蛋白pp1a和pp1ab中切割并釋放出來。隨后，這兩種蛋白酶就可以將多聚蛋白pp1a和pp1ab上剩下的珍珠相互切開，最終釋放出包括兩種酶在內(nèi)的16顆“珍珠”，即16種非結構蛋白。這些非結構蛋白，如RNA依賴的RNA聚合酶、解旋酶等進而組裝成復制酶復合物，完成基因組的復制和轉(zhuǎn)錄。在這個過程中，木瓜蛋白酶有3個酶切位點，而主蛋白酶有11個酶切位點[2]。

令我畏懼的是，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了針對我的藥物研制方向——把主蛋白酶和RNA聚合酶作為藥物靶點。因為這些蛋白在我基因組的復制、轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮著關鍵的調(diào)節(jié)作用，同時在人體內(nèi)并不存在與之相似的蛋白質(zhì)。因此，針對這兩種酶設計的抑制劑藥物在干擾我正常繁殖的同時，對人體的副作用也很小。

人類的對策

這次疫情暴發(fā)，人類的處理方式比起18年前也變得更加成熟。從拿到攜帶著我的肺炎樣品到確定病毒全基因組只花了幾天的工夫，他們還迅速分離出了病毒毒株。面對傳染病，人類采取的最有效方式就是制造疫苗，而比較常用的有減毒活疫苗和滅活疫苗。減毒活疫苗就是在體外對我進行一代又一代的培養(yǎng)，由于我們病毒的基因組不穩(wěn)定，在這種傳代的過程中，會逐漸積累突變，最終可能就會在這個過程中產(chǎn)生對人體造成危害較低的后代。人們將這些后代注射到自己體內(nèi)，既不會給人體造成嚴重疾病，又可以讓免疫系統(tǒng)認識并記住我們，從而起到預防作用。滅活疫苗就更“粗暴”了，不管三七二十一直接把我們滅活（殺死）了，使得我們在注射入人體后對免疫系統(tǒng)的刺激也就更弱了。

但我和兄弟姐妹們也有對付疫苗的辦法，比如我們會經(jīng)常通過突變基因組來改頭換面，這樣疫苗的免疫作用就沒法識別我們；另外疫苗可能對我們直系親屬有效，但是對我的遠方親戚幾乎不起作用。但如果人類針對我們一大家族的共同弱點設計出廣譜藥物，那就不光是我自己，連我們整個冠狀病毒大家庭都會受到沉重打擊。為了研發(fā)針對我們家族的藥物，人類學會了探究我們的弱點。他們知道我們冠狀病毒的弱點往往在自身的蛋白質(zhì)（比如關鍵酶）上，但由于蛋白質(zhì)實在太小，超出了光學顯微鏡能觀察的范圍，所以人類現(xiàn)在利用X-ray衍射晶體學成像、NMR核磁共振成像和Cryo-EM冷凍電子顯微鏡成像等技術來“窺探”蛋白質(zhì)的三維空間結構。

其中冷凍電子顯微鏡成像技術獲得了2017年的諾貝爾化學獎。這種方法是在低溫條件下利用電子顯微鏡對蛋白質(zhì)進行拍照，這樣就可以獲得蛋白質(zhì)在各個方向上的照片，之后通過精巧的重構計算，人類就能“看清”蛋白質(zhì)的三維結構了。

歷史最悠久的是X-ray單晶衍射技術。蛋白質(zhì)和氯化鈉等小分子一樣，在溶液過飽和的時候就有機會從液相中析出，并且在適宜的外部條件下，析出的蛋白質(zhì)會和氯化鈉一樣，產(chǎn)生一個個晶瑩剔透的晶體。之后，用X射線照射晶體，晶體會對X射線產(chǎn)生衍射作用，如果用探測器收集這些衍射出來的射線就可以得到一幅衍射圖像。這個圖像中的衍射點位置與強度包含了晶體中蛋白質(zhì)三維結構的信息。通過計算機進行計算，人類就可以破解衍射圖像的信息，最終獲得蛋白質(zhì)的三維結構。雖然X射線晶體學已經(jīng)非常成熟可靠，但是它需要實驗人員合成出適宜的蛋白質(zhì)晶體，進而找到蛋白質(zhì)結晶所需要的特殊條件，而這個過程需要研究人員不懈的努力，當然，運氣也很重要。

特效藥的研制

前面已經(jīng)談到，主蛋白酶是我的一個弱點。但是研究人員如何設計和發(fā)現(xiàn)針對主蛋白酶的抑制劑呢？如果把我的主蛋白酶比作一把鎖，那么人類通過解析蛋白質(zhì)結構就能了解這把鎖的精確構造。而設計抑制劑就像是給這把鎖配“鑰匙”，當了解這把鎖的構造以后，就有可能配出一把特殊的鑰匙（即靶向性化合物）。如果這個化合物能夠特異性地結合到我的主蛋白酶上并使其失活，就有可能發(fā)現(xiàn)針對我的特效藥。

人類現(xiàn)在設計藥物時主要有3種策略：從頭設計、計算機虛擬篩選和高通量實驗篩選。從頭設計主要是基于結構進行全新的小分子設計和開發(fā)；計算機虛擬篩選是通過將已知結構的蛋白與藥物進行分子對接（將不同的小分子與主蛋白酶這把鎖進行匹配），以評估其是否能結合藥物靶點；高通量篩選則是建立一套快速篩選方法，在短時間內(nèi)對大量藥物進行篩選。如果將高通量實驗篩選和老藥新用相結合，往往會迅速產(chǎn)生有前景的成果。這里的“老藥”是指已上市的藥物或正在進行臨床試驗的藥物，而“新用”是指發(fā)現(xiàn)其新適應證并將其用于疾病治療。由于不確定新研發(fā)藥物的各種理化性質(zhì)，如是否有毒、是否有副作用等，因此需要經(jīng)過藥動學與藥代學研究、臨床試驗等十分復雜且耗時的過程才能最終上市，這需要大量的資金與時間，但如果把“老藥”用于新的疾病，由于已經(jīng)比較明確這些藥物的藥理學性質(zhì)、副作用等相關信息，就可以跨過很多新藥研發(fā)所必需的步驟，在較短時間內(nèi)開展臨床試驗。

本次疫情中，科學家就結合了這兩種篩選方法對10 000多種老藥、臨床藥物以及天然活性產(chǎn)物進行篩選，發(fā)現(xiàn)了數(shù)種對主蛋白酶和新型冠狀病毒有顯著抑制作用的先導藥物，包括依布硒、雙硫侖等，其中依布硒和雙硫侖已分別在美國、英國等獲批開展臨床試驗。

如果說計算機虛擬篩選與高通量篩選是“大海撈針”，那從頭設計一款藥物更像“女媧造人”一樣具有創(chuàng)造性。想要從頭設計藥物首先要在分子層面上對目標蛋白的構造和功能有充分的認識。人類很幸運，他們通過結構解析洞悉了我的主蛋白酶活性位點信息：由第145位的半胱氨酸（Cys）和第41位的組氨酸（His41）組成的催化二體（Cys-His）。其中組氨酸作為質(zhì)子受體，而半胱氨酸則負責對底物的肽鍵進行親核攻擊。如果設計出的化合物能模擬蛋白酶的底物，但是在酶催化過程中鎖定中間體，就會破壞酶進一步水解的活性，進而產(chǎn)生強烈的抑制效果[2]。同時，主蛋白酶的活性位點附近還有許多氨基酸殘基會被藥物用來鎖定底物結合口袋，在設計藥物時人類會根據(jù)這些殘基設計和優(yōu)化小分子藥物結構，最終獲得理想的藥物分子。比如邁克爾受體抑制劑N3就是人類利用這種策略設計的抑制劑，而且人類已經(jīng)解析出了它與主蛋白酶的復合體結構。在這種策略的引導下，恐怕不久后人類就能找到對付我的新辦法了[3]。

我可能會卷土重來

在中國，人們通過核酸檢測、掃健康碼等方式進行精準防疫，一旦發(fā)現(xiàn)被我感染的個體，就會被送到醫(yī)院隔離和診治。所以當初疫情暴發(fā)僅短短幾個月的時間，中國的感染人數(shù)便完全控制下來，而現(xiàn)在疫苗也開始推廣，當全世界都普及接種有效疫苗的時候，我可就無處藏身了。但人類你們也別高興得太早，一是我有強大的突變能力和適應宿主的能力，所以我會通過自身的變種來逃避疫苗和藥物的攻擊；二是我在自然界還有很多其他兄弟姐妹，它們一直潛伏在其他動物宿主體內(nèi)。只要條件成熟，它們也能跨過物種間的屏障，乘虛而入。誰又知道，在未來某個寒冷的季節(jié)，我們會不會與人類再次相遇呢？

[1]Ziegler C， Allon S J， Nyquist S K， et al. SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is enriched in specific cell subsets across tissues. Cell， 2020， 181（5）： 1016-1035.

[2]Yang H， Xie W， Xue X， et al. Design of wide-spectrum inhibitors targeting coronavirus main proteases. Plos Biology， 2005， 3（10）： 1742-1752.

[3]Yang， H T， Jin Z M， Du X Y， et al. "Structure of Mpro from SARSCoV-2 and discovery of its inhibitors." Nature， 2020， 582（7811）： 289–293.

關鍵詞：新冠肺炎病毒 廣譜藥物 疫苗 結構主要蛋白酶 ■