【編者按】
冠狀病毒屬巢式病毒目，冠狀病毒科，冠狀病毒屬，為有包膜的正股單鏈RNA病毒，直徑為80-120納米，約有3萬個鹼基組成，其遺傳物質是已知RNA 病毒中最大的。而自1965年分離出首個人類冠狀病毒至今，已有7種人類冠狀病毒被發現可引發不同程度的疾病。
最近為人所知的的是2020年1月被中國科學家發現的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）,其引發的新冠肺炎疫情自去年年底開始席捲了國內外，截至目前全球感染人數已經超過244萬，累計死亡逾17萬例。
2003年SARS-CoV的出現，使公眾和許多科學家首次意識到冠狀病毒及其在人類中造成致命感染的潛力。這輪新的人類冠狀病毒引發的疫情則再度激起了該領域研究人員的“熱情”。在美國微生物學家Susan R. Weiss看來，每一次類似SARS疫情或新冠疫情這樣的大流行，都會促使研究人員湧入這個領域，而隨著病毒的消失，研究人員又會減少。至今科學界對人類冠狀病毒仍充滿諸多未知。
Susan R. Weiss
Weiss研究冠狀病毒已長達40年。她於1971年畢業於布蘭代斯大學（生物學），隨後在哈佛大學獲取博士學位，在那裡的四年時間裡她研究了致命的新城疫(ND，新城疫病毒引起禽的一種急性、熱性、敗血性和高度接觸性傳染病)。Weiss在加利福尼亞大學舊金山分校做博士後研究期間開始研究冠狀病毒。當時，除了冠狀病毒會導致人類的普通感冒之外，人們對冠狀病毒的影響知之甚少。
在她剛進入冠狀病毒領域的時候冠狀病毒研究人員遠沒有如今之多。1980年秋季，第一屆國際冠狀病毒會議在德國維爾茨堡召開，當時Weiss受邀請參加了此次會議，當時出席會議的有大約60人，這幾乎是當時該領域的全部研究人員。
目前，Weiss是美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的微生物學教授，她的研究聚焦冠狀病毒的生物學，包括SARS、MERS和新出現的新冠病毒。2020年，新冠疫情暴發之際，Weiss被任命為賓夕法尼亞大學冠狀病毒和其他新興病原體研究中心的聯合主任，該中心希望加速關注新冠病毒的研究。
日前，美國《實驗醫學雜誌》（Journal of Experimental Medicine，JEM）上發表了Weiss的一篇觀點文章。她寫道，“我研究冠狀病毒已經有40多年了。這一觀點文章總結了在SARS流行之前冠狀病毒研究的一些主要發現，以及它們如何為當前對新出現的新冠病毒的研究提供信息。”她認為，SARS-CoV、MERS-CoV呈現出來的諸多不同也許在警告我們，冠狀病毒可能以不同的方式出現並以不同的模式傳播，“正如我們從SARS-CoV-2中觀察到的那樣。”
附全文翻譯：
冠狀病毒40年
一種致命的新型冠狀病毒目前威脅著全世界大部分人口。導致COVID-19疾病的新冠病毒（SARS-CoV-2）被認為來源於蝙蝠，通過中間宿主最終感染了人類。隨後，它蔓延到全球各地，帶來了持續的毀滅性影響。這一輪的人類冠狀病毒疾病是在2002年SARS-CoV和2012年的MERS-CoV之後出現的，這兩者都是和新冠病毒相關的致命性冠狀病毒。SARS-CoV的出現，使公眾和許多科學家首次意識到這類病毒及其在人類中造成致命感染的潛力。事實上，每次這樣的事件都促使研究人員湧入這個領域。然而，早在20世紀30年代就開始了對冠狀病毒的研究，這為研究這些人類致病原建立了一個龐大的知識庫和技術工具。我從博士後後期，也就是上世紀70年代後期開始研究冠狀病毒，直到現在。我想回顧一下過去40年在該領域的一些主要發現，總結在圖1中，並指出它們如何與當前的冠狀病毒暴發相關。
圖1
20世紀70年代末和80年代初，冠狀病毒的研究人員還只是一個小群體。當時我在加利福尼亞大學舊金山分校從事博士後工作，與J. Michael Bishop和Harold Varmus一起完成對禽肉瘤病毒RNAs後，我意識到我不想繼續在這個領域工作。
在閱讀文獻時，我發現冠狀病毒是一個很有吸引力的話題，而且可能性很大。模型冠狀病毒小鼠肝炎病毒（MHV），很容易在實驗室的組織培養中生長，也為人類疾病，特別是肝臟和中樞神經系統疾病提供了引人注目的小鼠模型。當時在加利福尼亞大學大學聖地亞哥分校的Julian Leibowitz研究MHV，他非常慷慨地與我分享了他的病毒和細胞。當時我和Julian一起工作，在過去的40年裡，我們一直是朋友和合作者。直到很久以後，我才意識到博士後期間Mike Bishop給了我寶貴的經歷，讓我在他的實驗室裡開始了自己未來的研究。
由Volker ter Meulen組織的第一屆國際冠狀病毒會議於1980年秋季在德國維爾茨堡召開，同年9月，我作為賓夕法尼亞大學微生物系（也就是現在的佩雷爾曼醫學院）的助理教授開啟了我的實驗室。當時ter Meulen博士正途徑費城，他邀請我參加這次會議。出席會議的有大約60人，這幾乎是當時所有研究冠狀病毒的科學團體。這是一個RNA基因組和複製策略被發現的時代。雖然許多討論集中在模型冠狀病毒(MHV)上，但也有人介紹了家養動物重要冠狀病毒的複製，包括傳染性支氣管炎病毒和牛冠狀病毒。有一些關於人類冠狀病毒229E的報告，這是一種知之甚少的引發普通感冒的病原體。
會議結束後，在我的教授Neal Nathanson和神經科教授Don Gilden的鼓勵和指導下，我很高興能將研究擴展到利用腦炎/慢性脫髓炎和肝炎的MHV動物模型。雖然離我熟悉的分子生物學領域很遠，但這是一個新的、令人興奮的探索方向。在20世紀80年代和90年代，我們利用動物模型取得了基礎性的發現，在後來的幾年裡，由於使用了通過反向遺傳學獲得的基因修飾病毒株，這些發現獲得極大進展。事實上，我的職業生涯與冠狀病毒研究同步發展。也正是在這段時間裡，我晉升為副教授（1986年）和教授（1992年）。
20世紀80年代，冠狀病毒領域報告了幾個重要的發現。冠狀病毒基因組RNA轉錄成一組編碼病毒蛋白的亞基因組mRNA。使用模型MHV，這些亞基因組RNA顯示每個mRNA都包含一個由5’末端衍生出來的先導序列，最初是通過RNA指紋方法得到的。這些嵌套的亞基因組RNA確定了一個更大的巢式病毒目（Nidoviruses）超級家族。後來發現，亞基因組mRNA是從全長基因組RNA合成的負鏈RNA轉錄而來，這是一種涉及基因組非連續轉錄的獨特機制。這導致冠狀病毒重組率高，可能在病毒進化和物種間感染中發揮作用。然而，SARS-CoV-2的祖先蝙蝠病毒、該病毒從該物種轉移到人類，以及導致這種高致病性病毒進化的序列變化尚未被確定。
病毒粒子含有入侵所需的遺傳物質和結構蛋白。Kathryn Holmes和Larry Sturman對病毒結構蛋白的早期研究表明，MHV刺突糖蛋白（S，最初稱為E2）作為一個前體蛋白被合成，在細胞內處理時被細胞酶弗林（furin）裂解為亞單元S1和S2。感染過程中的細胞間融合需要S蛋白裂解，而S蛋白的裂解也依賴於細胞類型和病毒株。很久以後，人們發現二次裂解S2’暴露了融合肽，因此是病毒入侵的必要條件。這些早期發現為後來關於SARS-CoV和MERS-CoV的許多研究提供了依據，這些研究確定了裂解發生的位置和由哪些蛋白酶進行裂解。這些看似微妙的研究表明，這些細節影響進入途徑、細胞和器官的趨向性，以及可能的抗病毒靶點。SARS- CoV-2序列在暴發後幾周內公佈，可以清楚地看到, 不同於SARS-CoV和其他密切相關的蝙蝠病，SARS-CoV-2的S蛋白在S1/S2交界處有一個弗林蛋白裂解位點。這對病毒進入途徑和可能的蛋白酶抑制劑作為抗病毒藥物有影響，並可以試圖推測病毒的毒性和發病機制。有趣的是，這個新的弗林位點可以作為一個標記來識別一個可能的前體病毒。
除了病毒糖蛋白裂解影響趨向性外，確定每個冠狀病毒使用的細胞受體也為我們瞭解感染提供了信息。1991年，Kathryn Holmes鑑定MHV受體為CEACAM1a(MHVR)，它是一種癌胚抗原家族成員，是最早被鑑定的病毒受體之一。隨後，分別鑑定出SARS-CoV利用ACE2作為受體、MERS-CoV利用DPP4作為受體，而在短時間內也發現，ACE2也是SARS-CoV-2的受體。然而，雖然瞭解受體的表達模式可以確定哪些細胞可以被感染，但這並不意味著所有表達受體的細胞，甚至是表達最高的細胞都是主要目標。MHV的研究證實了這一點，在MHV研究中，受體MHVR在肝臟中高度表達，但在神經元中幾乎檢測不到。然而，在感染期間，MHV毒株JHM.SD具有高度的神經毒性，但不能在肝臟中複製。我們花了相當多的時間和精力來確定病毒在體內的趨向性和致病因素。也許會令人驚訝，我們的研究表明，不僅是S蛋白影響組織趨向性，其他“背景基因”，包括核衣殼和複製酶，以及輔助基因，也是趨向性的重要決定因素。因此，我們不能僅從對S蛋白和受體的瞭解來推斷其發病機制。未來對SARS-CoV-2的研究將確定組織趨向性，以及它是否與SARS-CoV一致。
20世紀80年代，RNA基因組測序很困難，而cDNA克隆那時才剛剛興起。冠狀病毒的第一個完整基因組序列在1987年獲得，來源於傳染性支氣管炎病毒，幾年後完成了MHV病毒。這些基因組是由許多短的cDNA克隆組裝而成的，組裝完畢後基因組約為30kb，比此前用蔗糖密度梯度離心法估計的要長得多，並且是已知RNA病毒中最長的。這些序列顯示了兩個長開放閱讀框，編碼16個非結構蛋白的ORF1a和ORF1b。研究還表明，ORF1a和ORF1ab蛋白都是由基因組RNA翻譯而來，而ORF1b則是通過ORF1a末端的翻譯框移位而來，這揭示了新的翻譯控制機制。Alexander Gorbalenya對ORFs1a和ORF1b中編碼的蛋白質的深入分析揭示了複製和免疫逃避所需的幾種蛋白酶和其他酶域。SARS-CoV出現後，科學家更加清楚，在不同的冠狀病毒中存在一些酶和蛋白質，還有一些種特異性的所謂的附屬蛋白。瞭解這些病毒編碼蛋白的作用，無疑將揭示這些病毒如何逃避宿主定向反應。此外，針對冠狀病毒家族中保守的一種重要酶的抗病毒藥物，最終可作為廣譜抗冠狀病毒治療藥物。事實上，目前使用抗病毒藥物瑞德西韋（remdesivir）的試驗，其靶標就是保守的RNA依賴的RNA聚合酶，可能確實對大量的冠狀病毒有效。
事實上，這些冠狀病毒附屬基因在先天免疫逃避和發病機制中起了重要作用。我們發現，鮮為人知MHV蛋白質NS2是宿主先天免疫的肝臟特異性拮抗物，和Robert Silverman（現在是我的長期合作者和朋友）一起，我們發現NS2是裂解2-5A（可激活抗病毒OAS-RNase L通路）的磷酸二酯酶。這一新的研究方向使我們兩個研究小組探索了該通路在感染多種病毒時激活和拮抗的幾個方面，以及在某些自身免疫性疾病狀態下積累的內源性雙鏈RNA。重要的是，我們發現OAS-RNase L是一種主要途徑，可在病毒感染早期或感染病毒期間激活，阻斷IFN的產生或信號轉導，在蝙蝠細胞和人類細胞中也是如此。在此期間，我們發現MERS NS4b是NS2的結構同源物，但在其主要的核定位中與其他病毒的磷酸二酯酶不同，這是我們目前的研究方向。這一新且仍在進行的研究方向使得我們獲得了MERS-CoV先天免疫調節的新發現。
早期冠狀病毒研究的另一個主要障礙是缺乏反向遺傳系統，這在一定程度上是由於克隆30kb RNA非常困難。1992年，Paul Masters等人開發了一個重組系統，200年，Luis Enjuanes等人在細菌人工染色體中構建了一個全長基因組複製，同年，Ralph Baric等人獲得了全長的傳染性cDNA克隆。在這些和其他新興技術出現之後，多個冠狀病毒的遺傳系統很快獲得。這使得遺傳研究得以揭示基礎生物學和病毒發病機理的新見解，也得以快速構建新興冠狀病毒SARS-CoV和MERS-CoV的克隆。令人驚訝的是，Volker Thiel和他的同事在2020年的一份最新報告中描述了在酵母系統中快速克隆的SARS-CoV-2基因組。這些遺傳系統是揭示發病機制和免疫控制的基礎。
冠狀病毒是SARS流行的病原體這一發現震驚了冠狀病毒學家們，我們都開始使用之前所學的知識來研究新的SARS-CoV。現在大家都知道，但當時並不確定，SARS在暴發6-7個月後就消失了，導致了8069人感染和774人死亡。隨著病毒的消失，研究冠狀病毒的人員也減少了。在SARS流行之後，發現了另外兩種人類冠狀病毒，2004年發現的NL63和2006年發現的HKU1。另一個值得注意的發現是，蝙蝠是許多SARS樣冠狀病毒的宿主。2012年，更致命的MERS-CoV病毒出現，這重新激起了人們對冠狀病毒的廣泛興趣。然而，在MERS-CoV的出現中存在著重要的差異，駱駝是該病毒的“蓄水池”，並一直延續到今天，從駱駝傳播到人類。也許這應該警告我們，冠狀病毒可能以不同的方式出現並以不同的模式傳播，正如我們從SARS-CoV-2中觀察到的那樣。
最近暴發的SARS-CoV-2已經使全球陷入癱瘓，科學界也再次被動員起來。我的實驗室最近開始利用我們的專業知識對SARS-CoV-2進行調查，包括我們自己在病毒-宿主相互作用方面的工作，以及與他人在從診斷到抗病毒藥物等各種問題上的合作。此外,可喜的是,曾經跟我訓練的很多人是也在為對抗這種病毒而努力，包括Scott Hughes（紐約安全、應急準備與響應辦公室）、Kristine Rose（流行病防範創新聯盟CEPI），以及其他一些從事SARS-CoV-2研究的人。希望我們從以前的冠狀病毒中獲得的所有知識將加速抗病毒藥物的發現和疫苗的開發，以及病毒的來源和它的祖先。希望這一次我們能學到足夠的東西來預防或快速應對未來的疾病暴發。或許具有諷刺意味的是，由於SARS-CoV-2的原因，原定於2020年5月召開的第十五屆國巢式病毒研討會被推遲了一年。我們熱切地期待著日益龐大的冠狀病毒研究群體下一次面對面的聚會。
原文鏈接：
https://rupress.org/jem/article/217/5/e20200537/151597/Forty-years-with-coronavirusesForty-years-with
