一种可快速筛查冠状病毒是否具有感染性的方法
2003年，急性呼吸道综合症相关的冠状病毒（SARS-CoV）从动物身上传播到人类身上，导致了致命性的呼吸道疾病。全球病毒学项目已经在不同的动物和地理区域发现并公布数千种的冠状病毒序列。β冠状病毒（betacoronaviruses）是冠状病毒的一个属, 可分为ABCD型。其中，SARS病毒（SARS-CoV）和新出现的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）属于B型。目前，每年都会有更多的冠状病毒序列被发现，但由于研究冠状病毒的现有技术存在耗时、费用高等问题，关于这些病毒对人类的感染性的机理研究仍处于初期阶段。病毒侵入宿主细胞是跨物种传播的关键因素，所有的冠状病毒都编码一种表面蛋白：刺突蛋白，它能与宿主细胞受体结合，介导病毒进入细胞。对于β冠状病毒来说，刺突蛋白的受体结合域（Receptor binding domain，RBD）参与了宿主受体的识别, 从而促进病毒进入细胞。基于此，美国国立卫生院的研究团队在Nature Microbiology杂志发表的Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses文章，报道了一种可以快速测试β冠状病毒感染性的方法，研究通过检测了B型β冠状病毒所有已发表的RBD的受体结合情况，确定出SARS-CoV-2可以通过与ACE2受体识别进入人体细胞（Fig. 1a）。
图：Fig. 1A
B型冠状病毒的29种RBD 序列可以分为三类：分支1，分支2，分支3，SARS-CoV属于分支1。研究中，作者将所有B型冠状病毒的RBD序列取代SARS-CoV的RBD序列，构建出刺突嵌合表达载体，随后通过结合刺突嵌合表达载体构建出水疱性口炎（vesicular stomatitis virus ，VSV）伪病毒报告因子（Fig. 1b，1c）。利用含有不同RBD的水疱性口炎伪病毒去感染表达ACE2受体的幼鼠肾脏细胞(BHK)，结果表明，三类RBD中，只有属于分支1的SARS-CoV可以通过人体ACE2受体进入细胞（Fig. 1d，1e）。
与宿主受体结合后，宿主细胞蛋白酶分解刺突蛋白释放出融合肽，病毒得以进入宿主细胞。宿主细胞蛋白酶的缺失或宿主细胞与病毒刺突蛋白之间的不亲和性都可阻断病毒的进入。研究中在没有外源性蛋白酶的情况下，只有B型分支1类冠状病毒可以感染非洲绿猴肾细胞，人类胃肠道细胞、人类肝脏细胞和猪肾细胞。外源性蛋白酶处理构建的伪病毒后再感染非人类灵长类动物、蝙蝠和人类细胞，分支2的冠状病毒刺突蛋白嵌合体也可以感染宿主细胞（Fig. 2）。
（Fig. 1a）。
图：Fig. 2
研究还测试了人体的β冠状病毒受体-ACE2 、α冠状病毒受体N-APN 和MERS病毒受体-DPP4介导分支2和分支3的刺突蛋白嵌合体进入细胞的能力（Fig. 3a）。通过蛋白酶处理表达受体的细胞，可增强B型-分支 1类冠状病毒 RBDs进入表达ACE2受体细胞的能力，而DPP4受体仅介导C型冠状病毒MERS-CoV进入宿主细胞，APN仅介导α冠状病毒HCoV-229E进入宿主细胞。在没有受体的情况下，所有的刺突蛋白嵌合体均无法进入宿主细胞，这表明蛋白酶介导的病毒侵染细胞依赖于特异性受体（Fig. 2b）。
此外，该研究合成了近期爆发的B型冠状病毒SARS-CoV-2的RBD基因序列，并利用已知的人体冠状病毒受体对其进行测试。结果表明，SARS-CoV-2 的刺突蛋白与分支1类的SARS病毒表达相似，SARS-CoV-2病毒能够利用人体ACE2受体进入细胞（Fig. 3c, 3d）。
图：Fig. 3
B型冠状病毒的3类RBD存在差异。其中，只有分支 1类的RBD包含与人体ACE2相互识别14个位点，这些位点及结合处的环形结构在分支2和分支3中大部分是缺失的（Fig. 4a, 4b）。文章在3个分支共有序列的基础上设计了一系列RBD突变体，用来确定可以让分支2和分支3类RBD与受体ACE2结合的关键序列。在分支1类RBD序列上引入分支2类上两个环状结构的缺失，可以导致刺突蛋白表达的降低，无法进入细胞（Fig. 4c, 4d）。在分支2和分支3上引入分支1上的环形结构或引入分支1上的14个位点，并不能增加RBD进入细胞的概率，而引入分支1上的14个位点及周围的环形结构序列，可以增强分支2和分支3的 RBDs进入细胞（Fig. 4c）。
图：Fig. 4
将分支2和分支3类刺突蛋白序列全长合成后与构建的RBD嵌合体进行比较。研究中对分支2和分支3类刺突蛋白全长序列进行合成后，用分支1的RBD保守序列取代原有RBD序列，结果表明，所有的刺突蛋白表型类似（Fig 5a, 5b）。蛋白酶处理可以促进分支2的RBD嵌合体或刺突蛋白全长进入Huh细胞，但不能促进分支3类病毒进入宿主细胞。综上所述，B型的SARS 病毒RBD嵌合体表现出刺突蛋白全长的侵染能力（Fig. 5c）。此外，研究还测试了受体识别和蛋白酶处理是否存在耦合作用，分支1类RBD序列取代分支 2和分支3类RBD全长序列后，利用蛋白酶处理，分支2和分支3类刺突蛋白可以进入细胞，表明受体识别和蛋白酶处理存在耦合作用（Fig. 5）。
图：Fig. 5
