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新型冠状病毒S蛋白结构(网络截图)
新型冠状病毒S蛋白结构(网络截图)
武汉肺炎疫情专题

新冠病毒疑似人工插入基因片段PRRA增强了传播力

多篇学术论文论证结果相近

【希望之声2020年2月19日】(编辑:谢芸)武汉新冠病毒在全球持续蔓延,截止2月19日,仅中国确诊的新冠肺炎患者就已超过7万人,但病毒的来源却始终扑朔迷离,多国世界科学家在竭力研究武汉新冠病毒的机理机制,近期科学家研究有了新进展。

南开大学高山、阮吉寿团队,贝勒医学院与德州大学安德森癌症中心基因组团队,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队等多个学术团队发表多篇学术论文指出,新冠病毒中存在独有的基因片段PRRA,疑似人工插入。这个基因片段PRRA可能引入了一个可供Furin蛋白酶切的位点,这种变异可以增强新冠病毒的传播能力。

新冠病毒基因序列比较-PRAR
新冠病毒基因序列比较发现PRAR片段(微博截图)

1月27日,南开大学高山、阮吉寿等在中国预印本ChinaXiv发表题为:《武汉2019冠状病毒S蛋白可能存在Furin蛋白酶切位点》的论文。

该论文在国际上首次报道此次新冠病毒的一个重要变异,即插入了一个4个氨基酸残基(PRRA,即脯氨酸-精氨酸-精氨酸-丙氨酸),这个变异引入了一个可供Furin蛋白酶切的位点,是此前所有发现的SARS和SARS样(SARS-like)冠状病毒所不具备的。这种变异有可能增强了新冠病毒的传播能力。

《武汉2019冠状病毒S蛋白可能存在Furin蛋白酶切位点》
论文《武汉2019冠状病毒S蛋白可能存在Furin蛋白酶切位点》(ChinaXiv网站截图)

该研究的主要结论:

(1)新型冠状病毒S蛋白可能存在Furin 蛋白酶切位点,其包装机制有可能与鼠肝炎冠状病毒、HIV、埃博拉病毒等的包装机制相同,而不同于SARS 等其它大部分β冠状病毒;

(2)由于包装机制的改变,新型冠状病毒S蛋白获得了更高的侵染细胞的效率,这可能是其传播能力大于SARS 冠状病毒的一个原因;

(3)一些禽流感病毒也可以通过突变获得一个Furin 蛋白酶切位点PRAR,以提高其侵染细胞的效率。

无独有偶, 2月13日,美国学者在生物学预印本平台bioRxiv发表了名为《Evidence of recombination in coronaviruses implicating pangolin origins of nCoV-2019》的论文,论文的第一作者是Matthew C. Wong贝勒医学院分子病毒学和微生物学系 Alkek 宏基因组和微生物组研究中心的学生,第二作者Nadim J. Ajami是大名鼎鼎的德州大学安德森癌症中心基因组。

《Evidence of recombination in coronaviruses implicating pangolin origins of nCoV-2019》
论文《Evidence of recombination in coronaviruses implicating pangolin origins of nCoV-2019》(bioRxiv网站截图)

该论文的摘要和思路是:

新型冠状病毒 Ncov-2019的基因组分析表明,2013年从蝙蝠体内分离到的一种冠状病毒(RaTG13)有96% 的相似性,但是这两个基因组的受体结合序列(RBM)的相似性很低。 这一分歧意味着 nCoV-2019中 RBM 编码序列的可能替代源。 我们发现 nCoV-2019和来自穿山甲的病毒宏基因组数据库重建的冠状病毒基因组在 RBM 中具有高度的序列相似性,论文还发现了新型冠状病毒 Ncov-2019有一个所有其他冠状病毒都不存在的基因片段,Pro-Arg-Arg-Ala,PRRA。该论文的结论是:新型冠状病毒可能是一个重组的病毒,nCoV-2019的起源比较复杂。

新冠病毒独有基因片段PRRA
新冠病毒独有基因片段PRRA(微博截图)

针对以上两篇论文,2月15日复旦大学现代人类学实验室严实博士在微博上就新冠病毒中特有的基因片段PRRA做出如下分析:

严实博士认为,这个内切位置正好是新型冠状病毒Covid-19和其它所有毒株,包括与其最近的云南蝙蝠冠状病毒 RaTG13都不同的(穿山甲在这段和Covid-19更远)。新型冠状病毒4个残基就是12个核苷酸硷基,并不是一种很容易发生的突变。而这一突变正好造成了一个furin内切酶识别位点。

furin是一种蛋白内切酶,识别的蛋白序列为RXXR(R是精氨酸,X是任一残基)。PRRA加上后面紧跟着的R正好形成了furin识别位点,是在保守区引入了这样一个插入,形成了识别位点。而印度团队的分析不靠谱,是因为他们分析说有插入的地方太不保守,不同毒株什么样的长度都有。但这次是只有Covid-19与别的株不同。)因为这个地方正好是切开两个蛋白亚基,多两个少两个残基一般并不很影响蛋白构象。

再看,这个位点会不会是被人有意引入的呢?结果发现,2009年真就有人做过实验了,发在PNAS上,就是把SARS在这个位置的RSTSQ变成了RRSRR,即引入了furin识别位点(原先是胰蛋白酶(trypsin)的识别位点)。结果发现病毒侵染效率提高了。所以,这个地方真的很像人工设计的了。不过现在还没有一个除这个位点以外其它部分都特别像Covid-19的母本病毒序列被公布。

复旦大学严实博士关于新冠病毒中特有的基因片段PRRA的分析(微博截图)2
复旦大学严实博士关于新冠病毒中特有的基因片段PRRA的分析(微博截图)

其后严实博士又补充说明:这个多出来的PRRA确实不像自然演化的产物,而很符合人为设计的特征,但我也不能完全说这就不是自然演化,碰巧了。

而在同一天,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队在预印版平台bioRxiv发布了一篇引爆网络的论文《Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation》,多家媒体都报道了该团队利用冷冻电镜技术分析了新冠病毒(SARS-CoV-2)表面刺突糖蛋白(S蛋白)的近原子结构,并发现新冠病毒与人类血管紧张素转化酶2(ACE2)的亲和力为SARS病毒的10-20倍。

论文《Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation》
论文《Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation》(bioRxiv网站截图

但大多没有报道论文中其他重要研究成果。该论文称,研究显示和蝙蝠RaTG13的S蛋白最显著的变化是新冠病毒具有S1/S2蛋白酶切割点位PRRAR(furin蛋白酶识别位点氨基酸序列,而不是单个精氨酸。这一现象在流感病毒中较为普 其中高毒力禽流感病毒较为普遍,其中入流感病毒常发生流感血凝素蛋白的关键位置上产生多Furin蛋白酶位点的氨基酸插入。除了在S1/ S2连接处的氨基酸残基差异外,新型冠状病 毒和RaTG13 S蛋白还存在29个氨基酸残基的 差异,其中17个位于受体结合的RBD部位。 这些观察与之前的很多序列分析结果是一致 的。 

新冠病毒S蛋白S1 S2 PRRAR.j
新冠病毒S蛋白S1/S2 PRRAR(论文截图)

总结四篇论文学者的观点,我们可以得到这样的结论:

新冠病毒Covid-19和蝙蝠病毒及SARAS病毒等多个病毒比较,新冠病毒在S1/ S2连接处插入了4个氨基酸残基PRRA,这个PRRA加上后面紧跟着的R正好形成了furin识别位点,这种变异有可能增强了新冠病毒的传播能力。而这一现象在流感病毒中较为普遍。南开大学高山、阮吉寿团队认为新冠病毒的包装机制有可能与鼠肝炎冠状病毒、HIV、埃博拉病毒等的包装机制相同,而不同于SARS 等其它大部分β冠状病毒。包装机制的改变,使得新型冠状病毒S蛋白获得了更高的侵染细胞的效率,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队的结论是新冠病毒的S蛋白与细胞ACE2的亲和力是SARS-CoV的10-20倍。严实博士认为这个多出来的PRRA确实不像自然演化的产物,而很符合人为设计的特征。新型冠状病毒可能是一个重组的病毒,nCoV-2019的起源比较复杂。

以上相关论文在中国的微博上引起了热议,有相当多的生物学学者参与学术讨论,但一天后相关的学术讨论微博不是被删除就是做科普的生物学博主被禁言。这不禁令人匪夷所思。

参考文献:

《武汉2019冠状病毒S蛋白可能存在Furin蛋白酶切位点》http://www.chinaxiv.org/abs/202002.00004

《Evidence of recombination in coronaviruses implicating pangolin origins of nCoV-2019》 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.07.939207v1

 《Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation》https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

 

责任编辑:田喆

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