新冠Delta傳染性為何強？
來源：Structural image from Lorenzo Casalino, Univ. California, San Diego (Ref. 1); Graphic: Nik Spencer/Nature
來源：Hui (Ann) Liu, Univ. Utah; 圖：Nik Spencer/Nature
一切從刺突蛋白開始。每個新冠病毒顆粒（virion）的表面有24-40個任意排列的刺突蛋白，這些刺突蛋白是病毒與人細(xì)胞融合的關(guān)鍵 [2]。與流感病毒等其他病毒表面的剛性融合蛋白相比，新冠病毒的刺突蛋白非常靈活，能在三個點像鉸鏈一樣活動，德國馬克斯·普朗克生物物理學(xué)研究所生物化學(xué)家 Martin Beck 和同事在2020年8月發(fā)表的一項研究中指出 [3]。
如此一來，刺突蛋白就能任意掉頭、搖擺、轉(zhuǎn)動，這有利于它對細(xì)胞表面進行掃視，或是用多個刺突蛋白與一個人體細(xì)胞相結(jié)合。目前其他冠狀病毒尚無類似實驗數(shù)據(jù)，但由于刺突蛋白序列在演化上高度保守，可以推測所有冠狀病毒都具有這一特點，Beck說。
新冠病毒顆粒的冷凍電鏡斷層掃描成像。（比例尺30納米。）來源：B. Turoňová et al./Science
來源：Janet Iwasa, Univ. Utah;圖：Nik Spencer/Nature
新冠病毒與細(xì)胞融合過程的動畫展示。來源：Janet Iwasa, University of Utah
接下來的感染步驟就沒那么清晰了。“進入細(xì)胞之后就有很多黑箱。不確定性和各種假說也更多了。” 美國猶他大學(xué)的化學(xué)家 Janet Iwasa 說。Iwasa正在制作一個解釋新冠病毒生命周期的帶注釋的動畫。
就在新冠病毒將RNA基因組注射到宿主細(xì)胞后，細(xì)胞質(zhì)核糖體會將兩個病毒RNA片段翻譯成氨基酸長鏈，這些氨基酸長鏈再被切割出16個蛋白質(zhì)，包括許多參與RNA合成的蛋白質(zhì)。隨后會產(chǎn)生更多的RNA，這些RNA編碼26個已知的病毒蛋白，包括用來制造新病毒顆粒的結(jié)構(gòu)蛋白（比如刺突蛋白）和其他協(xié)助蛋白。這樣，病毒就能大量產(chǎn)生其自身的信使RNA（mRNA）拷貝，但它還需要細(xì)胞機器來將這些mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。
新冠病毒有很多將細(xì)胞機器占為己用的策略。病毒學(xué)家Noam Stern-Ginossar和她在以色列魏茨曼科學(xué)研究所的團隊重點研究了新冠病毒抑制宿主mRNA翻譯、促進自身mRNA翻譯的三種機制。雖然這三種機制并非新冠病毒所獨有，但這些作用的結(jié)合、速度和程度看來確實是獨一無二的，Stern-Ginossar說。
第一，新冠病毒會清除競爭對手：病毒蛋白Nsp1是新冠病毒抵達時首先被翻譯的蛋白之一，它會把宿主蛋白質(zhì)招募起來，系統(tǒng)性地切割所有不帶病毒標(biāo)記的細(xì)胞mRNA。如果Stern-Ginossar的團隊將同樣的病毒標(biāo)記放在宿主mRNA的末端，這個mRNA就不會被切割 [12]。
第二，感染會讓細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)翻譯減少70%。Nsp1依然是搗蛋分子，這一次它能阻斷核糖體的入胞渠道，讓mRNA無法進入，兩個研究團隊分別得出了以上結(jié)論 [13,14]。剩下不多的翻譯能力全被用來翻譯病毒RNA，Stern-Ginossar說。
新冠病毒接管宿主細(xì)胞翻譯后，它就開始喧賓奪主了，朝著有利自己的方向大肆改造細(xì)胞內(nèi)部和表面。
首先，一些新制造的刺突蛋白會抵達宿主細(xì)胞表面，突破宿主細(xì)胞膜。它們還會在那里激活一條宿主鈣離子通道，在細(xì)胞表面分泌一層脂肪膜——肌肉細(xì)胞等自然融合的細(xì)胞上也會發(fā)現(xiàn)這種膜。這時，受感染細(xì)胞與表達ACE2的相鄰細(xì)胞融合，發(fā)展為最多包含20個細(xì)胞核的單個大呼吸道細(xì)胞。
表達新冠病毒刺突蛋白（綠色）的細(xì)胞內(nèi)可見融合細(xì)胞結(jié)構(gòu)（合胞體）。藍色為細(xì)胞核，紅色為細(xì)胞骨架。來源：Mauro Giacca
在離開細(xì)胞時，還有一步讓這個病毒成為傳染王：在有5個氨基酸的位點進行快速切割能讓該病毒準(zhǔn)備好攻擊下一個目標(biāo)。
其他冠狀病毒在刺突蛋白S1和S2亞基的連接處只有一個精氨酸，新冠病毒卻有5個連著的氨基酸：脯氨酸、精氨酸、精氨酸、丙氨酸、精氨酸。“由于這個位點非常特殊，我們就盯著它，最后發(fā)現(xiàn)這個位點確實是侵入肺部細(xì)胞的關(guān)鍵。”P?hlmann說。2020年5月，他和同事報道了名為弗林（furin）的宿主細(xì)胞蛋白能識別并切割這個氨基酸鏈，而且這種切割對于新冠病毒快速進入人肺部細(xì)胞是 “至關(guān)重要的” [23]。
這不是研究人員第一次在病毒上發(fā)現(xiàn)弗林切割位點；致病性很高的禽流感病毒也有這個位點，Barclay說。當(dāng)一位同事把培養(yǎng)的自然失去弗林切割位點的新冠病毒變異株給到Barclay時，她的團隊發(fā)現(xiàn)感染該毒株的雪貂比感染大流行毒株的雪貂脫落的病毒顆粒更少，而且不會將病毒傳給周圍的動物 [9]。正當(dāng)Barclay的團隊準(zhǔn)備在2020年9月的預(yù)印本論文中報道該結(jié)果時，荷蘭的一項研究也發(fā)現(xiàn)，擁有完整弗林切割位點的冠狀病毒進入人氣道細(xì)胞的速度比沒有弗林切割位點的更快 [24]。
研究人員推測弗林會在病毒顆粒組裝過程中或是釋放前切割該位點。這個時間點解釋了新冠病毒為何會通過高爾基體或溶酶體離開細(xì)胞，芝加哥洛約拉大學(xué)的病毒學(xué)家 Tom Gallagher 說?！斑@個病毒一經(jīng)組裝就會移動到周圍都是弗林蛋白酶的細(xì)胞器中?！?/span>
通過剪切S1和S2亞基之間的連接鍵，弗林酶切讓病毒顆粒的刺突蛋白松開，以便它們在進入細(xì)胞時對TMPRSS2的二次切割產(chǎn)生反應(yīng)，這次切割暴露出的疏水性區(qū)域會快速將自己嵌入宿主細(xì)胞膜內(nèi)，Gallagher說。如果刺突蛋白沒有被弗林蛋白預(yù)先切開——有時也不會被切開——它們就會繞開TMPRSS2，通過更慢的核內(nèi)體途徑進入細(xì)胞，或是根本不進入細(xì)胞。
Alpha和Delta變異株的弗林切割位點都發(fā)生了變化。Alpha變異株將本來的脯氨酸替換成組氨酸（P681H）；Delta變異株則替換成了精氨酸（P681R）。這兩個變化都會減少序列的酸性；而且氨基酸鏈堿性越強，它們被弗林識別切割的效果也更好，Barclay說?！拔覀兊募僭O(shè)是，這體現(xiàn)出新冠病毒的傳遞能力增強了。”
更多弗林酶切意味著更多刺突蛋白準(zhǔn)備好進入人體細(xì)胞。SARS病毒只有不到10%的刺突蛋白做好了這種準(zhǔn)備，Menachery說。Menachery的實驗小組一直在量化這些做好準(zhǔn)備的刺突蛋白，但研究成果尚未發(fā)表。對新冠病毒來說，這個比例上升至50%，而Alpha毒株超過了50%，該團隊發(fā)現(xiàn)，在傳染性很強的Delta毒株中，75%以上的刺突蛋白準(zhǔn)備好繼續(xù)感染人體細(xì)胞。
科研界其實才剛剛開始理解新冠病毒。一些關(guān)鍵的未知數(shù)還包括：與每個刺突蛋白結(jié)合所需的ACE2受體數(shù)量；S2位點究竟是何時被TMPRSS2切割的；病毒外膜與細(xì)胞膜融合所需的刺突蛋白數(shù)量，McLellan說，而這些還只是入胞的問題。2020年4月，加州大學(xué)舊金山分校的一個團隊鑒定出了新冠病毒與人類蛋白質(zhì)相互作用的至少332種方式 [25]。
想要趕上這個快速變異的病毒很不容易。但專家一致認(rèn)為，迄今發(fā)現(xiàn)的主要是變異與病毒傳播速度的相關(guān)性，而不是與病毒對宿主傷害的相關(guān)性。7月的一項研究報道，Delta變異株在肺部和喉部的生長速度比之前的變異株快很多 [26]。
但是，現(xiàn)在還不確定Delta攜帶的突變?nèi)绾我赃@種方式為其毒力加碼，Stern-Ginossar說，“許多實驗室正在竭力回答這些問題?！?nbsp;
原文以How the coronavirus infects cells — and why Delta is so dangerous 標(biāo)題發(fā)表在2021年7月28日的《自然》的新聞特寫版塊上，由施普林格·自然上海辦公室負(fù)責(zé)翻譯，《知識分子》獲權(quán)轉(zhuǎn)載。
制版編輯 | 盧卡斯
