高光俊，穆廷杰，马娟娟，徐兴然，徐杰

1 甘肃省临夏州人民医院，甘肃临夏731100；2 西南大学药学院；3 苏州大学第一附属医院

自2019年12月底以来，从中国武汉等地区发现了多例“不明原因的病毒性肺炎”病例，此后包括中国在内的多个国家出现并呈现出全球爆发流行的态势，为一种先前尚未发现的冠状病毒株系所致的急性呼吸道传染病［1-2］。此后，世界卫生组织（WHO）将其命名为2019 新型冠状病毒（2019-nCoV），由此感染的肺炎命名为“COVID-19”，国际病毒分类委员会将该病毒命名为“SARS-CoV-2”。由于这种新型冠状病毒高致病能力和传染特性，我们国家迅速将其纳入法定传染病乙类，采取甲类传染病进行防控管理。2019-nCoV 所致的突发疫情给全球公共卫生安全带来了严重的挑战和威胁，引发了全球的高度关注。目前尚没有特效治疗药物与安全有效性疫苗。系统深入了解2019-nCoV 新型冠状病毒的相关病原学特征与致病机制对于COVID-19 防治具有重要意义，近期有关此方面的研究取得了不少成果，现将2019-nCoV 的病原学特征及致病机理等研究进展作一综述。

1 2019-nCoV起源与生物进化

早期武汉地区感染患者病毒基因组学研究发现，2019-nCoV 与β 冠状病毒相匹配，与MERS-CoV和SARS-CoV 的同源性仅为50%和79%，而与蝙蝠分 离 的SARS 样 冠 状 病 毒（bat-SL-CoVZC45，MG772933.1）同源性超过85%，进化关系上2019-nCoV 更接近于蝙蝠来源的两种SARS 样冠状病毒，其亲缘关系最为密切，提示蝙蝠可能是2019-nCoV宿主［3-4］。同源建模显示，2019-nCoV与SARS-CoV具有相似受体结合域，尽管存在部分残基的变异，但是其感染机制可能与SARS-CoV 存在相似的发病机制［4］。基于高通量的NGS 研究发现，2019-nCoV 为SARS 样冠状病毒（>87.1%），与SARS 高度同源（同源性79.5%），具有SARS 同源的ORF1ab 位点（同源性94.6%）和非结构性蛋白，与SARS 属同种，这也是命名为SARS-CoV-2的缘由［5］。2019-nCoV 不同于其他β 冠状病毒的是具有可供Furin 蛋白酶切的位点和插入“CGGCGG”序列，提示此突变可能和侵染细胞效率增强有关，进而使其传播力显著高于SARS［6］。作为RNA 病毒的2019-nCoV 由于其复制酶缺少校正功能，在自然界与动物体内复制过程中发生重组和变异的概率高，容易引起生物学结构和特性的变异，甚至诱发突变株或新毒株的出现，提示要高度重视病毒的变异和进化趋势。基于基因组数据阐述病毒在人群传播中的演化发现，2019-nCoV存在149 个突变位点，且多为近期发生。依据第8782位和28144位两个高度连锁突变位点将病毒分为L 型和S 型，S 型与蝙蝠冠状病毒更接近，进化上也更为原始，L型（毒力传播能力强）则可能由S型演化而来。有72 株（约70%）为“L”型，29 株（约28%）为“S”型。在时空分布上，武汉患者L 型占96.3%，武汉外患者L 型占61.6%，表明病毒爆发早期以L型为主导，武汉主要感染类型为L型，随着病毒的持续传播，S 型逐渐上升至38%。表明人为干预如医疗和隔离措施加强后，选择压力的变化使病毒从L型为主导变为S 型主导，L 型负选择压力更大，感染变少；而毒性更低的S型传播范围则更广［7-8］。

2 2019-nCoV的病原学特征

冠状病毒是一类属于网巢病毒目、冠状病毒科的一类具有囊膜、基因组为线性单股正链RNA 的病毒，是自然界广泛存在的一类病毒。基于种系发生和基因组学可将冠状病毒分为α-冠状病毒（α-CoV）、β-冠状病毒（β-CoV）、γ-冠状病毒（γ-CoV）和δ-冠状病毒（δ-CoV）等四个类型。其中，δ-CoV 和γ-CoV 包括IBV、HKU11 能够感染禽类，部分种类也能感染哺乳类动物［9］。α-CoV 和β-CoV 仅感染哺乳类动物可引起人类严重呼吸道疾病和动物胃肠道疾病，主 要 包 括HCoV-NL63、HCoV-229E、HCoVOC43、HKU1 和SARS-CoV、MERS-CoV 等病毒。前4种通常会导致免疫正常个体普通感冒症状，而SARS-CoV、MERS-CoV 能引起人类严重呼吸道疾病综合征。基于分子遗传学证实，SARS-CoV、MERSCoV、HCoV-NL63、HCoV-229E 为蝙蝠来源病毒，HCoV-OC43和HKU1来源于啮齿类。而某些驯养动物作为中间宿主在病毒从天然宿主转移至人类过程中具有十分重要的作用［10］。

2.1 2019-nCoV 生物学特性 2019-nCoV 属于β 冠状病毒属，为第7 种被鉴定出的可引起人类感染的新型冠状病毒，是引发全球多地感染性肺炎暴发流行的病原，为第7 种被鉴定的可引起人类感染的新型冠状病毒。通过负染电镜对病毒颗粒进行观察，发现2019-nCoV呈球形，表现为多形性，直径在60～140 nm。病毒颗粒呈现了日冕状，具有包膜和明显蛋白刺突结构（9～12 nm）。体外培养发现，在感染人呼吸道上皮细胞96 h 后可出现细胞病变（CPE），并能够在电镜下观察到病毒颗粒表面的纤毛结构，而感染Huh-7和Vero-E6细胞后需常规培养6 d后才出现细胞病变现象［3］。

2.2 2019-nCoV 基因组学与毒力因子 冠状病毒为RNA 病毒，具备典型5’端甲基化“帽”，3’端PolyA“尾”结构，能够编码结构蛋白与辅助蛋白。其中，刺突蛋白（S 蛋白）、膜蛋白（M 蛋白）、包膜蛋白（E 蛋白）、核衣壳蛋白（N 蛋白）是冠状病毒最为重要的4 种结构蛋白［11］。2019-nCoV 属β 冠状病毒属，具有冠状病毒典型基因组结构，包括6 个主要ORF 和其他结构基因。主要包含有5′非翻译区（UTR）、复制酶复合物（orf1ab）、S 基因、E 基因、M 基因、N基因、3′UTR和几个未识别的非结构ORF等基因 结 构［3］。 2019-nCoV 基 因 组（GenBank：MN975262）亦具有典型的冠状病毒结构，含29 891个核苷酸，G+C 占比约38%，编码9 860 个氨基酸，UTR 和编码整段多聚蛋白的开放阅读框（ORF），其结构顺序依次为5′复制酶（orf1/ab）—结构蛋白［Spike（S）-Envelope（E）-Membrane（M）-Nucleocap‑sid（N）］-3′，但缺乏β 类冠状病毒所具有的血凝素酯酶基因结构；占基因组全长1/3 的ORF 含有一个保守的小向导RNA（sgRNA），9 个转录调控序列（TRS）（ACGAAC或CUAAC形式）和2个末端非翻译区（UTR），约占基因组全长2/3 的orf1a/b 编码多聚蛋白酶（pp1a/pp1ab），由16 个非结构蛋白（NSP）组成。

S蛋白由两个亚基S1与S2组成。S1亚基包含1个信号肽、N 端结构域（NTD）和受体结合域（RBD），而S2 亚基包含融合肽（FP）、七肽重复序列1 和2、跨膜结构域和胞内结构域，表明S 蛋白RBD 区域与人体血管紧张素转化酶2（ACE2）的作用在病毒结合、吸附中具有十分重要的作用，可作为药物和疫苗研发的重要作用靶点。E 蛋白包含疏水结构域和跨膜α 螺旋结构域，是病毒包膜组成部分，并参与病毒颗粒组装和释放。M 蛋白含有3 个跨膜结构域和1 个保守结构域，是病毒包膜的组成部分，参与病毒颗粒的组装和释放［12-14］。N蛋白序列保守程度高，在病毒复制过程中发挥重要作用。N 蛋白与病毒RNA 结合形成复合体，随后在M 蛋白和E 蛋白的共同作用下，包裹后进入病毒衣壳中［15-16］。

熊子军等对2019-nCoV 与SARS 基因组数据全基因组序列信息对2019-nCoV 基因组结构、功能与致病亚型进行相关的分析发现，SARS-CoV-2 有11个功能基因，其中3个同源于SARS，7个同源于蝙蝠冠状病毒，1个功能未知。2019-nCoV 基因组存在毒株差异，表现为蛋白编码基因区域含17 个SNPS，可能引起致病基因变异。非蛋白编码区域含5 个SNP。ORF3a 和ORF8 基因的蛋白序列存在变异。通过对全基因组序列比对发现2 个毒株的2 个序列存在缺失，即起始端的15 个碱基和序列末端的11个碱基缺失［17］。

3 2019-nCoV的致病机制

2019-nCoV 主要侵犯肺泡上皮细胞，潜伏期为1～14 d，最长达24 d，2019-nCoV 感染患者的临床症状与SARS-CoV 和MERS-CoV 感染相似，以发热、干咳为主。多数呈轻症状态，表现为低热、轻微乏力，但无肺炎症状。重症多集中在老年或有严重基础疾病患者，多在感染后1周出现呼吸困难，然后发展为急性呼吸窘迫综合征、脓毒血症等。 影像学CT 显示肺部呈多发性磨玻璃影和浸润影，甚至肺实变［1］。

3.1 2019-nCoV S 蛋白与ACE2 蛋白结合 S 蛋白与ACE2 蛋白的结合是2019-nCoV 感染人体细胞的关键。2019-nCoV S 蛋白受体结合域与SARS-CoVs（73.8%～74.9%）、bat-CoV（75.9%～76.9%）氨基酸序列和蛋白结构序列上存在高度同源性、关键氨基酸高度保守性及被感染细胞类型的一致性，表明2019-nCoV 存在着相似的结合受体和入侵过程［4，18］。研究证实，ACE2 受体是2019-nCoV 进入细胞的入口，蛋白酶处理可以增强病毒的侵染水平［19］。细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2 和组织蛋白酶CatB/L 能够协同激活SARS-2-S 入侵细胞，而蛋白酶TMPRSS2的作用更为关键，同时发现丝氨酸蛋白酶抑制剂卡莫 司 他（Camostat）能 够 阻 断2019-nCoV 感 染［18］。2019-nCoV S 蛋白以三聚体形态存在，S1 亚基受体结合域（RBD）（21 kD）则以铰链式构象变化来隐藏或暴露受体结合的关键位点。结构生物学证据显示，2019-nCoV S 蛋白结合ACE2 的亲和力要远高于SARS-CoV（>10～20 倍），这可能是其高传染性的原因。2019-nCoV 与蝙蝠冠状病毒RaTG13 S 蛋白序列同源性高达96%，但最显著变化是具有S1/S2蛋白酶切割位点“RRAR”氨基酸序列，此现象常见于流感病毒血凝素的变异［20］。2019-nCoV 与SARS 高度同源且具有相似入侵机制，提示树突状细胞（DCSIGN 等）和肝窦、淋巴结内皮细胞（L-SIGN）等SARS受体也可能与2019-nCoV 的感染相关［21］。ACE2 是SARS-CoV 表面受体，可直接作用于SARS-CoV 表面S 蛋白。ACE2 结构学研究发现，ACE2 由于肽酶结构域的转移而具有开放和关闭两种构象变化，但两种构象均存在于冠状病毒相互识别界面，2019-nCoV 的RBD 会被ACE2 的胞外肽酶结构域（PD）通过极性残基所识别，三聚体S蛋白与二聚体ACE2相容性结合就表明两者间可能存在聚类作用或以胞膜内陷的内吞机制，为SARS-CoV-2感染机制和治疗提供新线索和思路［22-24］。与SARS-CoV 相似的是ACE2也是SARS-CoV-2 RBD 的结合受体，RBD 序列和结构的高度保守特性是结合ACE2 的关键［25］。2019-nCoV 均能进入表达ACE2 的多种细胞，但无法有效进入ACE2 缺失的细胞或其他受体的细胞，表明ACE2 可能是2019-nCoV 的潜在受体，且2019-nCoV并不能利用N-氨基肽酶、丙氨酸肽酶等其他冠状病毒的病毒受体［2］。肺部Ⅱ型肺泡上皮细胞（AT2）除表达大量ACE2 受体外，还参与大量与病毒复制相关的其他基因，促进病毒的感染，提示基于ACE 受体或相关基因的干预策略可能是阻断病毒感染、进行药物开发和治疗的有效途径［25］。

3.2 2019-nCoV 感染引发的炎症因子风暴 近期有文献报道2019-nCoV 感染患者前期病症较轻，但后期又突然加重，甚至出现死亡，疾病的突发转变与炎症风暴相关［1］。“炎症风暴”即“炎症因子风暴”，指患者体内各类细胞因子如INF、IL、CK、CSF、TNF 等炎症因子不受调控的过度释放，从而导致机体严重的细胞因子风暴和细胞因子释放综合征（CRS）。目前，炎症风暴产生的成因还不明确，一般认为是免疫系统对新的、高致病的病原体产生的过激反应，即免疫调控网络失衡、负反馈的缺失和正反馈的不断自我放大，使得多种细胞因子异常升高，最终导致炎症因子风暴。研究发现，2019-nCoV 感染致重症肺炎炎症风暴及引起的免疫损伤在COVID-19 的发生和发展中发挥了作用，组织病理学以渗出、出血、炎症细胞浸润、肺泡上皮细胞损伤及纤维化为主要特征，大量免疫细胞和组织液聚集在肺部，会阻塞肺泡与毛细血管间的气体交换，大量渗出液聚集使气道阻塞，导致急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。既往研究发现，大量细胞因子的快速产生能够诱发免疫病理损伤，是引起ARDS和多器官衰竭的重要原因。AR‑DS 的发病原因是由于细胞因子风暴造成的肺毛细血管内皮细胞以及肺泡上皮细胞的弥漫性损伤。

综上所述，2019-nCoV 为SARS 样冠状病毒，具有可供Furin 蛋白酶切的位点和插入“CGGCGG”序列。2019-nCoV 特有的生物学特性、基因变异性、毒力因子等可能是导致其在传染性、变异性和适应性方面更强的主要原因。S 蛋白与ACE2 蛋白的结合侵犯肺泡上皮细胞是入侵的主要机制，加之炎症因子风暴加剧了疾病的进展。当前2019-nCoV 引发的肺炎疫情仍在全球肆虐，已有部分疫苗开始对人群接种，这对保护易感人群至关重要。而病毒溯源、病毒传播、基因变异、宿主免疫等有待进一步揭示，对SARS-CoV-2 病原学及其致病机理的深层次的研究是揭示疾病发生、传播、流行的重要途径，是更加有效地进行针对性防治的基础。