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流浪狗是中间宿主?新研究:新冠病毒更可能在哺乳动物消化道中进化

北极蚊子 2020-4-16 13:07

新冠疫情蔓延至今,全球感染人数已接近两百万。科学家们始终在努力地寻找病毒的起源物种,以便了解新冠病毒是如何迈出从其动物宿主跃迁到人类身上这一步的。

目前,在动物体内发现、与新冠病毒最相似的,是石正丽团队在云南省发现的中华菊头蝠体内的冠状病毒,其基因序列相似度达到 96.2%。 随后,科学家一直在寻找人类与蝙蝠之间的中间动物宿主,其自身可能会携带多种冠状病毒,并首次将 SARS-CoV-2 传入人群中。

穿甲山被认为是可能的中间宿主,但实际上,从它们身上分离出的冠状病毒与 SARS-CoV-2 的差异很大。“如果向前追溯,这表明该病毒与新冠病毒的共同祖先应该存在于很久以前——大概是 1960 年代。”渥太华大学生物学教授夏旭华说,他目前正在不同物种之间追踪冠状病毒的特征。

在最近一项研究中,夏旭华提出推测:流浪狗或许是将新冠传染给人类的中间宿主;此外,新冠病毒可能是在狗的肠道中进化,从而获得了感染人的能力。该论文发表在 4 月 14 日的《分子生物学和进化》( Molecular Biology and Evolution )杂志上。

图 | 《分子生物学和进化》杂志官网截图(来源: Molecular Biology and Evolution )

抗病毒的 “前哨” 蛋白或更早为新冠疫情敲响警钟

夏旭华长期研究病毒在不同宿主之中的分子特征——当病毒入侵宿主时,它们的基因组往往带有“战斗过的痕迹”;因为它们会通过基因组内的适应性变化,来击退或者逃避宿主免疫系统的“剿灭”。

人类和哺乳动物体内有一种关键的抗病毒前哨蛋白:锌指抗病毒蛋白(Zinc-finger Antiviral Protein,ZAP), 它可以通过阻止病毒在宿主体内的增殖,并降解其基因组来阻止病毒的传播。ZAP 能够直接选择性地结合病毒中含有 CpG 二核苷酸的 RNA 序列,抑制病毒的复制。

“我们可以把一种病毒病原体中 CpG 含量的降低看作是对公众健康的威胁,而 CpG 含量的增加则会降低这种病毒病原体的威胁。”夏旭华说,“增加 CpG 含量能让宿主体内免疫系统更容易地定位病毒,这与天然疫苗很类似。”在这项研究中,他检测了 GenBank 中所有 1252 个完整的 β- 冠状病毒基因组。GenBank 是美国国家生物技术信息中心(NCBI)建立的 DNA 序列数据库,包含了来自所有可获得的公共来源的 DNA 序列。

他发现,SARS-CoV-2 及其最接近的已知近亲 BatCoV RaTG13 的 CpG 含量在其谱系中是最低的。 “大自然让不同的冠状病毒存在于不同的蝙蝠种类中,并允许其基因组发生进化以便降低 CpG 含量,实现自我复制。”

图 | 不同的病毒宿主种类有着不同的 CG% 和 CpG 缺乏程度:其中,SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 是最明显的异常值,它们的 ICpG 值非常小,这表明宿主组织对病毒基因组中的 CpG 具有很强的选择性(来源:夏旭华)

“可以发现一个显著的不同,BatCoV RaTG13 谱系中的病毒基因组 CpG 值产生一个孤立且急剧的下降。据报道,该基因是 2013 年从云南省的中华菊头蝠体内取样的,但直到 2019 年底新冠疫情爆发后,武汉病毒所才对其进行了测序。这个蝙蝠的冠状病毒基因组与 SARS-CoV-2 有很近的亲缘关系,共有 96% 的序列相似性。”夏旭华说。

他随后表示,如果更早的时间,比如在 2013 年就对 BatCoV RaTG13 进行测序,那么可能被发现的 CpG 值下降现象就会是一次预警。“因为其有着两个非常重要的含义。首先,这种病毒可能是在一个 ZAP 体现程度高的组织中进化而来的,病毒基因组在向着降低 ZAP 的水平而努力。其次,更重要的是,病毒的存活状态表明它已成功地避开了 ZAP 主导的抗病毒防御体系。”

简单来说,就是该病毒已变得鬼鬼祟祟,对人类很危险了。

为何说流浪狗有可能,并且病毒更可能在消化道中进化

截至 2020 年 2 月 3 日, GenBank 提供的所有 β- 冠状病毒中有 1127 个独特基因组,其中 927 个基因组有明确的宿主名称。但令人惊讶的是,不同的自然宿主中并没有特别显著的 β- 冠状病毒基因组具有与 SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 相近的 ICpG 与 GC% 组合。

为了找出一种有可能具有较低 ICpG 与 GC% 组合的病毒基因组,夏旭华扩展了研究的搜索范围,将所有完整的 α- 冠状病毒的基因组都包含在内。他的基因组测试范围包含了人类经常接触的宠物猫狗,牛、马、羊和猪等牲畜,还有刺猬、老鼠,甚至长颈鹿和非洲大羚羊等野生动物。

随后,夏旭华用他的 CpG 工具重新检测了中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV,同为 β- 冠状病毒)的可能中间宿主——骆驼;同样发现了骆驼消化系统中病毒基因组的 CpG 值也低于感染其呼吸系统病毒基因组的 CpG 值。

“新型冠状病毒侵入人体的已知细胞受体是血管紧张素转化酶 2(ACE2)。”他解释道,“ACE2 是在人的消化系统中产生的,在小肠和十二指肠中含量最高,而在肺中的含量相对较低。”除此之外,还有高比例的 COVID-19 患者伴有消化系统不适的症状。

“根据目前数据显示,48.5% 的新冠肺炎患者以消化系统症状为主。” 综上所述,他推测 SARS-CoV-2 的低 CpG 含量的特性可能是该冠状病毒的祖先在哺乳动物的消化系统中进化而来的。“狗只是当下的一个可能,因为目前的研究是 有局限性的。”夏旭华强调道,“因为我们并没有获得来自所有哺乳动物,或者所有哺乳动物组织的全部数据。因此,将犬科动物作为可能的宿主物种的建议是推测性的。”

“在我的论文中有关冠状病毒如何进化的相关信息不是直接基于 SARS-CoV-2 的实验结果,而是基于犬冠状病毒的。”但是,他表示该论文提供的证据表明:犬科动物的组织有利于冠状病毒向着低 CpG 含量的基因组进化。 这提醒了卫生部门需要将流浪狗纳入病毒监测程序之中。

图 | SARS-CoV-2 可能在哺乳动物的消化系统中进化而成:A. 只有犬冠状病毒(CCoV)基因组的 GC% 与 ICpG 组合接近 SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 的数值;B. 所有 CCoV 基因组序列的系统发育列举;C. ACE2 的组织特异性基因表达(来源:夏旭华)

除此之外,犬科动物经常被观察到舔它们的肛门和生殖器区域。这种情况不仅会发生在交配期间,在其他日常情况下也经常会发生。而这种行为将导致病毒从消化系统传播到呼吸系统,并促进胃肠道病原体与呼吸道和肺病原体之间的交换。

“种种情况都体现出,关于消化系统的推测是有意义的。”夏旭华说,“记录在 BaGenBank 中的 BatCoV RaTG13 基因组序列,是从中华菊头蝠的粪便拭子中分离出来的。这些观察结果与新冠病毒是在哺乳动物肠道或与肠道相关的组织中进化的假设是一致的。”

此前《科学》杂志曾报道过的一项研究称:“在实验中,猫比狗更容易被感染新冠病毒”。对此,DeepTech 特意向夏旭华询问他对该研究的看法。 “我个人认为,人们不应该担心感染新冠病毒之后生病了的动物。更为危险的,应该是那些被病毒感染、携带病毒而又没有明显症状的人和动物。”

“此外,猫对各种冠状病毒均具有相对较高的 CpG 含量。这表明具有低 CpG 含量基因组的新冠病毒起源于猫的机会很小。”他补充道。

对于夏旭华的这项研究,也引发了相关学者的广泛讨论,也有不少学者提出了质疑。爱丁堡大学生物信息学与计算生物学讲席教授 Mick Watson 说:“新冠病毒起源于狗的理论看起来是源于对 CpG 和 ZAP 表达的推测。 这目前只能一种推断,并不是强有力的证据。”

美国得州农工大学的生物系主任 Ben Neuman则表示,这项研究是基于已有旧的数据的分析,没有新数据。 “应该添加一些新的数据,才可能最终解决新冠病毒的起源问题。类似猫或者狗是新冠病毒中间宿主的结论是推测性的,并不应该作为事实提出。”

对此反对意见最大的,是哥伦比亚大学微生物学和免疫学教授 Vincent Racaniello。 他认为这种研究思维建立在很好的病毒学基础上,可能有助于揭示新冠病毒的来源。“但关于狗的那部分,我认为是错误的。”

这项研究的意义,以及对中间宿主问题的解释

夏旭华对 DeepTech 表示,该论文首先检验了 “新冠病毒已通过减少基因组的 CpG 含量成功进化,以逃避人体内锌指抗病毒蛋白(ZAP)的攻击” 的假设。因为锌指抗病毒蛋白通过靶向病毒基因组中的 CpG 引发对病毒 RNA 的攻击,这促进了病毒向着促进 CpG 减低的基因组变异。

“参考过往的研究,实验发现许多 RNA 病毒基因组中 CpG 的增加会持续降低病毒毒力,而 CpG 的降低则会加强其攻击性。”他解释道,“这对开发针对新冠病毒的疫苗也有所帮助。鉴于新冠病毒感染人的手段,很可能是依赖其降低基因组中 CpG 值来逃避 ZAP 主导的免疫防御系统。那么在新冠病毒中增加基因组 CpG 含量或修饰其他的 CpG 都有可能让病毒毒性降低,可用于疫苗的研发。

其次,该论文为人们当下的病毒监测程序提供了一个改善与增强的新方法。 提醒人们要密切监测病毒基因组中 CpG 二核苷酸的含量变化,因为冠状病毒很小拥有较低 CpG 含量的基因组,所以人们的免疫系统通常没有对其进行针对性免疫的能力。

“最后就是该研究提供了犬科动物的组织有利于冠状病毒向着低 CpG 含量基因组进化的证据。”夏旭华再次强调道,“这表明卫生部门和科学界需要认真地考虑将流浪狗纳入病毒检测程序中。”

(来源:Sky News)

而对于新冠病毒的宿主与传播问题,他表示, 目前科学家们并不否认蝙蝠与人之间存在直接传播的可能,但他们对蝙蝠的 BatCoV RaTG13 与 SARS-CoV-2 在很多方面都存在差异感到不满意。“从 2019 年 12 月 24 日到 2020 年 1 月 5 日之间,我们将早期收集的新冠病毒基因组信息计算出一个替换率(或者说变异速度)。然后用此去计算 BatCoV RaTG13 与 SARS-CoV-2 之间的距离,可以得出两者拥有共同祖先的时间是在 大约 53 年之前

出于同样的原因,生物学家对从穿山甲体内分离出的冠状病毒也不满意。 用同样的方法,可以将 SARS-CoV-2 和穿山甲体内冠状病毒的共同祖先追溯到 1882 年左右。

“但是,这并没有排除未来在穿山甲或蝙蝠体内发现更类似于 SARS-CoV-2 的病毒的可能性。”夏旭华补充道,“SARS 病毒当时也是在非典暴发的数年后,才在蝙蝠体内发现的。对于新冠病毒来说也同理。”

关于新冠病毒的起源,他向 DeepTech 介绍了两个主要假设: 一种和中东呼吸综合征(MERS)相似,是发生多次 “动物-人类” 之间迭代病毒的场景;但不同之处是,新冠病毒目前变得 “完全面向人类”,而 MERS 病毒至今没有变得完全面向人类。

另一种假设是新冠病毒在动物宿主中进化,经历了“几乎准备就绪” 和“完全准备就绪”两个阶段,最终跳向人类并立即引起疫情暴发。

“病毒在几乎准备就绪的阶段应该已经花费了很多年。”夏旭华说,“但是动物宿主必须是通常情况下不会向人类传播病毒疾病的动物,这样人类似乎才能在几乎准备就绪阶段并没有受到病毒感染。现有的系统发育分析支持第二种假设。”

个人简介

夏旭华目前是加拿大渥太华大学生物系的教授,他的实验室主要从事分子进化和系统遗传学、生物信息学、微生物基因组学、转录组学、统计建模、进化遗传学、生物医学和生物制药科学的研究和教学。

他在 1977 年进入江西大学读书。四年之后,他毕业留校任教,成为了江西大学生物系的一名年轻教师。1983 年,夏旭华前往国外深造,并于 1987 年在加拿大获得了生物工程专业的博士学位。其后,夏旭华在芬兰赫尔辛基大学等地担任教职,逐渐成长为颇受世界学术界关注的生物信息学专家与数学计算机专家。

在 2002 年,夏旭华应邀到加拿大渥太华大学创办生物信息学专业,并成为了渥太华大学生物系教授,专攻生物信息学及分子进化方面的研究。他同时还受聘兼职于加拿大一个信息技术工程学院。此外,夏旭华也是加拿大环境基因学高级研究中心(CAREG)和渥太华系统生物研究院(OISB)的成员。

夏旭华在其专业领域发表许多论文,并撰写多本学术著作。其中《分子生物学与进化中的数据分析》《生物信息学与细胞:基因组学、蛋白质组学和转录组学中的现代计算方法》《生物信息学与细胞》等专著堪称全球生物信息学领域的扛鼎之作。《生物信息学与细胞》一书更成为进入系统生物学这一领域的各国学生、研究人员的必备书目之一。目前他是 Bioinformatics 、 Nucleic Acids Research 、 Genome Research 和 Molecular Biology and Evolution 等众多知名期刊的审稿人。

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