新冠疫情蔓延至今，全球感染人數已接近兩百萬。科學家們始終在努力地尋找病毒的起源物種，以便了解新冠病毒是如何邁出從其動物宿主躍遷到人類身上這一步的。
目前，在動物體內發現、與新冠病毒最相似的，是石正麗團隊在雲南省發現的中華菊頭蝠體內的冠狀病毒，其基因序列相似度達到 96.2%。隨後，科學家一直在尋找人類與蝙蝠之間的中間動物宿主，其自身可能會攜帶多種冠狀病毒，並首次將 SARS-CoV-2 傳入人群中。
穿甲山被認為是可能的中間宿主，但實際上，從它們身上分離出的冠狀病毒與 SARS-CoV-2 的差異很大。“如果向前追溯，這表明該病毒與新冠病毒的共同祖先應該存在於很久以前——大概是 1960 年代。”渥太華大學生物學教授夏旭華說，他目前正在不同物種之間追蹤冠狀病毒的特徵。
在最近一項研究中，夏旭華提出推測：流浪狗或許是將新冠傳染給人類的中間宿主；此外，新冠病毒可能是在狗的腸道中進化，從而獲得了感染人的能力。該論文發表在 4 月 14 日的《分子生物學和進化》（Molecular Biology and Evolution）雜誌上。
“我們的觀察結果為新冠病毒的起源和最初傳播途徑提供了新的假設。”夏旭華說，“新冠病毒的祖先及其譜系中最為接近的蝙蝠冠狀病毒感染了犬科動物的腸道，這可能進一步導致病毒在犬科動物體內快速進化並傳給人類。”他的這項研究設計利用遺傳物質的差異進行天然免疫識別相關內容。為進一步瞭解詳細內容，DeepTech 對夏旭華進行了專訪。
圖 | 《分子生物學和進化》雜誌官網截圖（來源：Molecular Biology and Evolution）
抗病毒的 “前哨” 蛋白或更早為新冠疫情敲響警鐘
夏旭華長期研究病毒在不同宿主之中的分子特徵——當病毒入侵宿主時，它們的基因組往往帶有“戰鬥過的痕跡”；因為它們會通過基因組內的適應性變化，來擊退或者逃避宿主免疫系統的“剿滅”。
人類和哺乳動物體內有一種關鍵的抗病毒前哨蛋白：鋅指抗病毒蛋白（Zinc-finger Antiviral Protein，ZAP），它可以通過阻止病毒在宿主體內的增殖，並降解其基因組來阻止病毒的傳播。ZAP 能夠直接選擇性地結合病毒中含有 CpG 二核苷酸的 RNA 序列，抑制病毒的複製。
反過來說，病毒想要入侵到人體內，其目標首先要對準 RNA 基因組中的 CpG 二核苷酸（CpG 島）。因為 CpG 二核苷酸是人體免疫系統尋找和消滅病毒的“風向標”，CpG 含量越高，病毒越容易被 ZAP 識別並抑制；而當 CpG 含量降低到一定程度時，則意味著病毒已“暗度陳倉”，得以複製並感染宿主。目前這項研究已在多種病毒中得到了一致性驗證。
“我們可以把一種病毒病原體中 CpG 含量的降低看作是對公眾健康的威脅，而 CpG 含量的增加則會降低這種病毒病原體的威脅。”夏旭華說，“增加 CpG 含量能讓宿主體內免疫系統更容易地定位病毒，這與天然疫苗很類似。”在這項研究中，他檢測了 GenBank 中所有 1252 個完整的 β- 冠狀病毒基因組。GenBank 是美國國家生物技術信息中心（NCBI）建立的 DNA 序列數據庫，包含了來自所有可獲得的公共來源的 DNA 序列。
他發現，SARS-CoV-2 及其最接近的已知近親 BatCoV RaTG13 的 CpG 含量在其譜系中是最低的。“大自然讓不同的冠狀病毒存在於不同的蝙蝠種類中，並允許其基因組發生進化以便降低 CpG 含量，實現自我複製。”
圖 | 不同的病毒宿主種類有著不同的 CG% 和 CpG 缺乏程度：其中，SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 是最明顯的異常值，它們的 ICpG 值非常小，這表明宿主組織對病毒基因組中的 CpG 具有很強的選擇性（來源：夏旭華）
“可以發現一個顯著的不同，BatCoV RaTG13 譜系中的病毒基因組 CpG 值產生一個孤立且急劇的下降。據報道，該基因是 2013 年從雲南省的中華菊頭蝠體內取樣的，但直到 2019 年底新冠疫情爆發後，武漢病毒所才對其進行了測序。這個蝙蝠的冠狀病毒基因組與 SARS-CoV-2 有很近的親緣關係，共有 96％ 的序列相似性。”夏旭華說。
他隨後表示，如果更早的時間，比如在 2013 年就對 BatCoV RaTG13 進行測序，那麼可能被發現的 CpG 值下降現象就會是一次預警。“因為其有著兩個非常重要的含義。首先，這種病毒可能是在一個 ZAP 體現程度高的組織中進化而來的，病毒基因組在向著降低 ZAP 的水平而努力。其次，更重要的是，病毒的存活狀態表明它已成功地避開了 ZAP 主導的抗病毒防禦體系。”
簡單來說，就是該病毒已變得鬼鬼祟祟，對人類很危險了。
為何說流浪狗有可能，並且病毒更可能在消化道中進化
截至 2020 年 2 月 3 日， GenBank 提供的所有 β- 冠狀病毒中有 1127 個獨特基因組，其中 927 個基因組有明確的宿主名稱。但令人驚訝的是，不同的自然宿主中並沒有特別顯著的 β- 冠狀病毒基因組具有與 SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 相近的 ICpG 與 GC% 組合。
為了找出一種有可能具有較低 ICpG 與 GC% 組合的病毒基因組，夏旭華擴展了研究的搜索範圍，將所有完整的 α- 冠狀病毒的基因組都包含在內。他的基因組測試範圍包含了人類經常接觸的寵物貓狗，牛、馬、羊和豬等牲畜，還有刺蝟、老鼠，甚至長頸鹿和非洲大羚羊等野生動物。
有趣的事情發生了，夏旭華髮現：只有來自犬冠狀病毒（CCoVs）的基因組，具有與 SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 相似的基因組 ICpG 與 GC% 組合數值。CCoVs 會引發犬冠狀病毒病：一種急性腸道性傳染病，以嘔吐、腹瀉、脫水及易復發為特點。其中，最為危險的、會入侵狗的多個器官的泛嗜性 CCoV 基因組（加入 KP981644）擁有他觀察到的最低 ICpG 數值。
隨後，夏旭華用他的 CpG 工具重新檢測了中東呼吸綜合徵冠狀病毒（MERS-CoV，同為 β- 冠狀病毒）的可能中間宿主——駱駝；同樣發現了駱駝消化系統中病毒基因組的 CpG 值也低於感染其呼吸系統病毒基因組的 CpG 值。
“新型冠狀病毒侵入人體的已知細胞受體是血管緊張素轉化酶 2（ACE2）。”他解釋道，“ACE2 是在人的消化系統中產生的，在小腸和十二指腸中含量最高，而在肺中的含量相對較低。”除此之外，還有高比例的 COVID-19 患者伴有消化系統不適的症狀。
“根據目前數據顯示，48.5% 的新冠肺炎患者以消化系統症狀為主。”綜上所述，他推測 SARS-CoV-2 的低 CpG 含量的特性可能是該冠狀病毒的祖先在哺乳動物的消化系統中進化而來的。“狗只是當下的一個可能，因為目前的研究是有侷限性的。”夏旭華強調道，“因為我們並沒有獲得來自所有哺乳動物，或者所有哺乳動物組織的全部數據。因此，將犬科動物作為可能的宿主物種的建議是推測性的。”
“在我的論文中有關冠狀病毒如何進化的相關信息不是直接基於 SARS-CoV-2 的實驗結果，而是基於犬冠狀病毒的。”但是，他表示該論文提供的證據表明：犬科動物的組織有利於冠狀病毒向著低 CpG 含量的基因組進化。這提醒了衛生部門需要將流浪狗納入病毒監測程序之中。
圖 | SARS-CoV-2 可能在哺乳動物的消化系統中進化而成：A. 只有犬冠狀病毒（CCoV）基因組的 GC% 與 ICpG 組合接近 SARS-CoV-2 和 BatCoV RaTG13 的數值；B. 所有 CCoV 基因組序列的系統發育列舉；C. ACE2 的組織特異性基因表達（來源：夏旭華）
除此之外，犬科動物經常被觀察到舔它們的肛門和生殖器區域。這種情況不僅會發生在交配期間，在其他日常情況下也經常會發生。而這種行為將導致病毒從消化系統傳播到呼吸系統，並促進胃腸道病原體與呼吸道和肺病原體之間的交換。
“種種情況都體現出，關於消化系統的推測是有意義的。”夏旭華說，“記錄在 BaGenBank 中的 BatCoV RaTG13 基因組序列，是從中華菊頭蝠的糞便拭子中分離出來的。這些觀察結果與新冠病毒是在哺乳動物腸道或與腸道相關的組織中進化的假設是一致的。”
此前《科學》雜誌曾報道過的一項研究稱：“在實驗中，貓比狗更容易被感染新冠病毒”。對此，DeepTech 特意向夏旭華詢問他對該研究的看法。“我個人認為，人們不應該擔心感染新冠病毒之後生病了的動物。更為危險的，應該是那些被病毒感染、攜帶病毒而又沒有明顯症狀的人和動物。”
“此外，貓對各種冠狀病毒均具有相對較高的 CpG 含量。這表明具有低 CpG 含量基因組的新冠病毒起源於貓的機會很小。”他補充道。
對於夏旭華的這項研究，也引發了相關學者的廣泛討論，也有不少學者提出了質疑。愛丁堡大學生物信息學與計算生物學講席教授 Mick Watson 說：“新冠病毒起源於狗的理論看起來是源於對 CpG 和 ZAP 表達的推測。這目前只能一種推斷，並不是強有力的證據。”
美國得州農工大學的生物系主任 Ben Neuman 則表示，這項研究是基於已有舊的數據的分析，沒有新數據。“應該添加一些新的數據，才可能最終解決新冠病毒的起源問題。類似貓或者狗是新冠病毒中間宿主的結論是推測性的，並不應該作為事實提出。”
對此反對意見最大的，是哥倫比亞大學微生物學和免疫學教授 Vincent Racaniello。他認為這種研究思維建立在很好的病毒學基礎上，可能有助於揭示新冠病毒的來源。“但關於狗的那部分，我認為是錯誤的。”
這項研究的意義，以及對中間宿主問題的解釋
夏旭華對 DeepTech 表示，該論文首先檢驗了 “新冠病毒已通過減少基因組的 CpG 含量成功進化，以逃避人體內鋅指抗病毒蛋白（ZAP）的攻擊” 的假設。因為鋅指抗病毒蛋白通過靶向病毒基因組中的 CpG 引發對病毒 RNA 的攻擊，這促進了病毒向著促進 CpG 減低的基因組變異。
“參考過往的研究，實驗發現許多 RNA 病毒基因組中 CpG 的增加會持續降低病毒毒力，而 CpG 的降低則會加強其攻擊性。”他解釋道，“這對開發針對新冠病毒的疫苗也有所幫助。鑑於新冠病毒感染人的手段，很可能是依賴其降低基因組中 CpG 值來逃避 ZAP 主導的免疫防禦系統。那麼在新冠病毒中增加基因組 CpG 含量或修飾其他的 CpG 都有可能讓病毒毒性降低，可用於疫苗的研發。”
其次，該論文為人們當下的病毒監測程序提供了一個改善與增強的新方法。提醒人們要密切監測病毒基因組中 CpG 二核苷酸的含量變化，因為冠狀病毒很小擁有較低 CpG 含量的基因組，所以人們的免疫系統通常沒有對其進行針對性免疫的能力。
“最後就是該研究提供了犬科動物的組織有利於冠狀病毒向著低 CpG 含量基因組進化的證據。”夏旭華再次強調道，“這表明衛生部門和科學界需要認真地考慮將流浪狗納入病毒檢測程序中。”
而對於新冠病毒的宿主與傳播問題，他表示，目前科學家們並不否認蝙蝠與人之間存在直接傳播的可能，但他們對蝙蝠的 BatCoV RaTG13 與 SARS-CoV-2 在很多方面都存在差異感到不滿意。“從 2019 年 12 月 24 日到 2020 年 1 月 5 日之間，我們將早期收集的新冠病毒基因組信息計算出一個替換率（或者說變異速度）。然後用此去計算 BatCoV RaTG13 與 SARS-CoV-2 之間的距離，可以得出兩者擁有共同祖先的時間是在大約 53 年之前。
出於同樣的原因，生物學家對從穿山甲體內分離出的冠狀病毒也不滿意。用同樣的方法，可以將 SARS-CoV-2 和穿山甲體內冠狀病毒的共同祖先追溯到 1882 年左右。
“但是，這並沒有排除未來在穿山甲或蝙蝠體內發現更類似於 SARS-CoV-2 的病毒的可能性。”夏旭華補充道，“SARS 病毒當時也是在非典暴發的數年後，才在蝙蝠體內發現的。對於新冠病毒來說也同理。”
關於新冠病毒的起源，他向 DeepTech 介紹了兩個主要假設：一種和中東呼吸綜合徵（MERS）相似，是發生多次 “動物-人類” 之間迭代病毒的場景；但不同之處是，新冠病毒目前變得 “完全面向人類”，而 MERS 病毒至今沒有變得完全面向人類。
另一種假設是新冠病毒在動物宿主中進化，經歷了“幾乎準備就緒” 和“完全準備就緒”兩個階段，最終跳向人類並立即引起疫情暴發。
“病毒在幾乎準備就緒的階段應該已經花費了很多年。”夏旭華說，“但是動物宿主必須是通常情況下不會向人類傳播病毒疾病的動物，這樣人類似乎才能在幾乎準備就緒階段並沒有受到病毒感染。現有的系統發育分析支持第二種假設。”
個人簡介
夏旭華目前是加拿大渥太華大學生物系的教授，他的實驗室主要從事分子進化和系統遺傳學、生物信息學、微生物基因組學、轉錄組學、統計建模、進化遺傳學、生物醫學和生物製藥科學的研究和教學。
他在 1978 年 3 月進入江西師範大學讀書。四年之後，他畢業留校任教，成為了江西師範大學生物系的一名年輕教師。1983 年，夏旭華前往國外深造，並於 1987 年在加拿大獲得了生物工程專業的博士學位。其後，夏旭華先後在芬蘭赫爾辛基大學、美國埃默裡大學等擔任教職，逐漸成長為頗受世界學術界關注的生物信息學專家與數學計算機專家。
在 2002 年，夏旭華應邀到加拿大渥太華大學創辦生物信息學專業，併成為了渥太華大學生物系教授，專攻生物信息學及分子進化方面的研究。他同時還受聘兼職於加拿大一個信息技術工程學院。此外，夏旭華也是加拿大環境基因學高級研究中心（CAREG）和渥太華系統生物研究院（OISB）的成員。
夏旭華在其專業領域發表許多論文，並撰寫多本學術著作。其中《分子生物學與進化中的數據分析》《生物信息學與細胞：基因組學、蛋白質組學和轉錄組學中的現代計算方法》《生物信息學與細胞》等專著堪稱全球生物信息學領域的扛鼎之作。《生物信息學與細胞》一書更成為進入系統生物學這一領域的各國學生、研究人員的必備書目之一。目前他是 Bioinformatics、Nucleic Acids Research、Genome Research 和 Molecular Biology and Evolution 等眾多知名期刊的審稿人。
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