江南石正丽新研究：病毒与宿主间有进化军备竞赛，需持续监控蝙蝠—新闻—科学网
时间：2023-12-08 15:18:46 已阅读:77次
石正丽等中国科学家发明：进化的 武备竞赛 （arms race）塑造了病毒及其受体的多样性。鉴定触及种间流传的要害残基对于在猜测潜于的病原体、相识病毒怎样从野活泼物向人类跃迁，很是主要。
之前，研究者已经经于中华菊头蝠中鉴定出具备差别遗传特性的SARS相干冠状病毒（SARSr-CoV）。而这份最新研究还揭示了中华菊头蝠种群中蝙蝠受体ACE2（血管紧张素转化酶2）的高度多样性。这些ACE2变体撑持SARS病毒以及SARS相干冠状病毒的传染，但对于差别刺突卵白具备差别的联合亲以及力。SARS相干冠状病毒刺突卵白对于人ACE2拥有更高联合亲以及力，显示这些病毒具备向人类跃迁感染的威力。ACE2以及SARS相干冠状病毒刺突卵白之间的界面处残基的正向选择，注解它们之间存于持久以及连续的协同进化动力学。是以，连续监督蝙蝠中的这一组病毒对于在预防下一个SARS样疾病很是须要。 以上研究来自中科院武汉病毒所石正丽团队与福建师范年夜学生命科学学院欧阳松应传授于预印本平台 bioRxiv 上揭晓的论文：Evolutionary arms race between virus and host drives genetic diversity in bat SARS related coronavirus spike genes。 中华菊头蝠是SARS病毒的宿主，其体内还携带多种SARS相干冠状病毒。这些病毒具备高度的遗传多样性，尤为是病毒的刺突卵白基因。只管有着差别水平的变异，一些蝙蝠SARS相干冠状病毒仍可以哄骗人类受体ACE2进入人体细胞。研究者猜度，蝙蝠的ACE2受体以及SARS相干冠状病毒刺突卵白之间，有着彼此作用，而这驱动了SARS相干冠状病毒的遗传多样性。 研究者鉴定出了一系列中华菊头蝠ACE2变异体，这些变异体中有一些与SARS-CoV刺突卵白有彼此作用的多态位点。携带差别刺突卵白的伪病毒或者SARS相干冠状病毒，于表达了蝙蝠ACE2变体的细胞中有着差别的瞬时传染效率。经由过程测定SARS病毒、SARS相干冠状病毒刺突卵白与蝙蝠受体、人类受体份子之间的联合亲以及力，能不雅察??到相干的成果。 所有被测试的蝙蝠SARS相干冠状病毒刺突卵白与人ACE2的联合亲以及力，均高在其对于蝙蝠ACE2的联合亲以及力。不外SARS相干冠状病毒刺突卵白与人ACE2的联合亲以及力，比SARS-CoV刺突卵白与人ACE的亲以及力低10倍。 布局建模注解，刺突以及ACE2之间的联合亲以及力差异多是因为这两个份子界面中某些要害残基的转变而惹起。份子进化阐发注解，这些残基处在强的正选择。 这些成果注解SARS新冠病毒刺突卵白以及蝙蝠ACE2可能跟着时间的推移而互相进化，并履历相互的选择压力，从而触发了进化的 武备竞赛 动力学。这进一步证实了，中华菊头蝠是SARS相干冠状病毒的自然宿主。 冠状病毒是包膜病毒，包罗单股正链RNA。该亚科有四个属，即 、 、 以及 。 冠状病毒以及 冠状病毒发源在蝙蝠或者啮齿植物，而 冠状病毒以及 冠状病毒发源在鸟类。自21世纪初以来，三种 型冠状病毒已经惹起人类严峻肺炎暴发。别离是SARS-CoV，MERS-CoV以及SARS-CoV-2。 SARS-CoV-2激发的疫情令人们追念起17年前发生的SARS疫情。SARS是一种人畜共患病，于接下来的几年中，科学家从中国以及欧洲差别地域的蝙蝠中检测或者分散出了具备差别遗传特性的75种SARS相干冠状病毒（SARSr-CoV）。 蝙蝠SARS相干冠状病毒与人类以及果子狸的SARS-CoVs有96％的核苷酸序列相似度，此中可变区至多的是刺突卵白（S）以及辅助卵白ORF3以及ORF8。此外，研究者已经经确定了差别蝙蝠SARS相干冠状病毒基因组中能找到SARS-CoV的所有基因构建基块，这注解SARS病毒的先人是经由过程蝙蝠SARS相干冠状病毒基因组的重组而来，其发源在蝙蝠。 病毒传染的第一步是辨认细胞受体，这也是必不成少的步调。冠状病毒的进入是由病毒刺突卵白（Spike，S）以及细胞外貌受体之间的特同性彼此作用介导，然后病毒与宿主膜之间发生交融。冠状病毒刺突卵白于功效上分为两个亚基：细胞附着亚基（S1）以及膜交融亚基（S2）。 S1区域包罗N端布局域（NTD）以及C端布局域（CTD）；二者都可用在冠状病毒受体联合（RBD）。 对于在SARS-CoV，其S1-CTD作为RBD与细胞的受体即血管紧张素转换酶2（ACE2）联合。冷冻电镜以及晶体布局阐发，确定了SARS病毒的S-RBD与人ACE2之间界面中的一些要害残基。 按照S卵白的巨细，蝙蝠SARS相干冠状病毒可以分为两个差别的进化枝。进化枝1包罗病毒具备与SARS病毒巨细不异的刺突卵白。而因为五、12或者13个氨基酸缺掉，属在进化枝2的病毒其刺突卵白则比SARS病毒的小。 只管RBD有所差别，所有进化枝1毒株均可以使用ACE2进入细胞，而进化枝2毒株则因为上述缺掉没法间接进入。这些成果注解，就基因组相似性以及ACE2的使用而言，进化枝1的成员极可能是SARS病毒的间接来历。 ACE2于功效上分为两个布局域：N结尾布局域介入SARS-CoV联合，C结尾布局域介入心功效的调治。先前的成果注解，差别来历的ACE2的C结尾布局域相对于守旧，而N结尾布局域于物种间显示出更多的多样性。此前已经证实SARS病毒可以哄骗水鼠耳蝠的ACE2以及中华菊头蝠的ACE2。RBD联合位点中的微小突变，可将ACE2从对于SARS-CoV联合不容易感改变为易感。因为属在进化枝1的所有SARS相干冠状病毒均可从中华菊头蝠体内提掏出来，并且也均可以哄骗ACE2，是以研究者提出问题：中华菊头蝠ACE2中的变异是否可能有致使了蝙蝠SARS相干冠状病毒的多样性。 研究团队研究了中华菊头蝠ACE2基因的多态性，并经由过程份子进化阐发，卵白质亲以及力测定以及病毒传染测定相联合，评估了它们对于差别蝙蝠SARS相干冠状病毒刺突卵白的敏感性以及联合亲以及力。 成果注解，SARS相干冠状病毒的刺突卵白多样性可能会遭到中华菊头蝠ACE2变体的天然选择压力； 于持久共存时期，SARSr-CoV刺突卵白可能会被中华菊头蝠的ACE2选择，以维持自身遗传多样性并合适中华菊头蝠的种群。 ACE2基因于中华菊头蝠种群中体现出高度多态性 按照蝙蝠SARS相干冠状病毒的风行环境和样品构造的可用性以及品质，研究者使用来自三个省（湖北，广东以及云南）的样品举行ACE2扩增。 除了了团队先前测序过的蝙蝠ACE2（别离从湖北，广西以及云南网络的样本ID 83二、411以及3357）以及其他蝙蝠ACE2（GenBank挂号号ACT66275，这是从喷鼻港网络的样本）外，研究者从21只中华菊头蝠蝠个别中得到了ACE2基因序列：湖北有5个，广东有9个，云南有7个。这些蝙蝠ACE2序列于其物种内显示98-100％的氨基酸统一性，与人ACE2的显示80-81％的氨基酸统一性。 这些蝙蝠ACE2于N端区域不雅察到了重要变迁，包孕一些先前已经确定与SARS病毒的 S-RBD接触的残基。按照非同义SNP阐发鉴定出8个残基，包孕2四、2七、3一、3四、3五、38.41以及42。这8个残基的组合孕育发生了8个等位基因，包孕RIESEDYK，LIEFENYQ，RTESENYQ，RIKSEDYQ，QIKSEDYQ， RMTSEDYQ，EMKT KDHQ以及EIKT EIKTKDHQ，别离定名为等位基因1-8。 除了了先前研究（等位基因四、7以及8）中的ACE2基因型数据外，研究者于中华菊头蝠种群中还鉴定出5个新的等位基因。 等位基因2 于两个省的样本中有发明， 等位基因4 于3个省中有发明，而其他等位基因好像于地舆上遭到限定。总之，于广东发明了3个等位基因（四、6以及8），云南发明了4个等位基因（一、二、4以及7），于湖北发明了3个等位基因（二、4以及5），于广西以及喷鼻港别离找到了1个等位基因。于发明SARS病毒间接先人的云南一蝙蝠洞中，研究者发明了4个等位基因共存。 综上所述，这些数据注解ACE2变异体已经经于差别地域的中华菊头蝠种群中持久存于。与SARS病毒的S-RBD间接接触的位点的代替，注解它们于SARS病毒的进化以及流传历程中可能具备主要功效。 中华菊头蝠ACE2变体对于SARS相干冠状病毒传染体现出的差别敏感性 为了评估差别的中华菊头蝠ACE2份子是否会影响SARS病毒以及蝙蝠SARS相干冠状病毒的进入，研究者于HeLa细胞中瞬时表达了中华菊头蝠的ACE2的变体，并测试了携带差别刺突卵白的SARS病毒伪型或者蝙蝠SARS相干冠状病毒的进入效率。 4株蝙蝠SARS相干冠状病毒根据S1序列可分为4个基因型。简朴地说，与SARS病毒的刺突卵白比拟，SARS相干病毒RsWIV1的RBD与SARS病毒具备氨基酸高度统一性；RsWIV16是SARS病毒的远亲，于NTD以����APP及RBD均体现氨基酸高相似；Rs4231于NTD上与SARS病毒有着高度的氨基酸相似度；而RsSHC014于NTD以及RBD区域与SARS病毒均有差异。 与以前的研究成果近似：所有四株具备不异基因组配景但差别刺突卵白的蝙蝠SARS相干冠状病毒毒株，均可以哄骗人类ACE2举行相似程度的复制。 然而，它们于怎样哄骗中华菊头蝠ACE2方面存于一些差异。所有测试病毒都能有用哄骗等位基因一、二、四、5进入。具备不异RBD的RsWIV1以及RsWIV16则不克不及使用来自广东的等位基因6(样本ID 1434)。具备不异RBD的Rs4231以及RsSHC014不克不及别离使用来自云南以及广东的等位基因7(样本ID 3357)以及等位基因8(样本ID 1438)。SARS病毒BJ01与WIV1以及WIV16的RBD有很高的相似性，可以或许于假型传染试验中使用与Rs4231以及RsSHC014不异的蝙蝠ACE2等位基因。 这些成果注解，病毒进入细胞都遭到刺突RBD以及中华菊头蝠 ACE2变异体的影响。 蝙蝠ACE2残基突变会影响其与SARS相干冠状病毒RBD的联合亲以及力 为进一步相识SARS病毒以及SARS相干冠状病毒对于ACE2使用威力差别，研究者表达了冠状病毒BJ0一、RsWIV一、RsWIV一、RsSHC014的RBD，以及3个中华菊头蝠的ACE2，别离是等位基因6(样本1434)，等位基因7(样本3357)以及等位基因2(样本5720)。 随后，研究者测试它们之间的亲以及力。阴性比照为SARS病毒BJ01的RBD 与人ACE2，阳性比照为SARS病毒RsWIV1的RBD 与人DPP4。及时阐发注解，基在均衡解离常数KD，差别RBD与ACE2的联合亲以及力差别。 与病毒传染试验成果一致，发明1434ACE2(等位基因6)与RsSHC014以及BJ01联合，而与RsWIV1的RBD不联合；研究还发明3357ACE2(等位基因7)与RsWIV1联合，但不与RsSHC014以及BJ01的RBD联合；5720ACE2(等位基因2)被发明能联合所有测试的RBD。所有被测试的RBD都与人类或者蝙蝠ACE2具备很高的联合亲以及力。然而，与两种蝙蝠SARS相干冠状病毒的RBD比拟，它对于中华菊头蝠ACE2的联合亲以及力较低。 这些成果注解，刺突RBD与ACE2的联合亲以及力影响病毒的传染威力。 SARS相干冠状病毒RBDs与中华菊头蝠ACE2s彼此作用的布局模子 4个蝙蝠SARS相干冠状病毒的刺突卵白巨细不异，与SARS-CoV的氨基酸同源性跨越90%，注解这些卵白具备228个相似的布局。于本研究中，他们使用中华菊头蝠ACE2 3357（等位基因7)构建了蝙蝠SARS相干冠状病毒RsSHC014 RBD的布局繁杂模子，并用中华菊头蝠ACE2 1434(等位基因6)构建了蝙蝠SARS相干冠状病毒RsWIV1 RBD的布局繁杂模子。 这与SARS-CoV RBD与人类ACE2的联合亲以及试验成果一致。与SARS-CoV RBD以及人类ACE2界面的接触残基比拟，可以不雅察到ACE2上的两个病毒病毒联合热门(hotspot hotspot Lys31以及Lys353别离由Glu35以及Asp38构成的盐桥)或者四周的变迁。如前所述，这两个热门隐蔽于疏水情况中。它们为病毒-受体联合彼此作用提供了年夜量的能量，并弥补告终合界面上疏水性叠加238彼此作用的要害空地。 与人ACE2比拟，中华菊头蝠ACE2-3357的两个重要残留变迁是E35K以及Y41H。E35K与RsSHC014 RBD中K31以及Arg479的盐桥断裂，可能影响它们之间的联合亲以及力。41位置的组氨酸可能会减弱K353- d38盐桥的支撑力，由于组氨酸比酪氨酸的疏水性更弱，致使其与BJ01 RBD的联合亲以及力降低。是以，BJ01以及RsSHC014 RBD与中华菊头蝠ACE2 -3357的联合亲以及力较低。 于中华菊头蝠ACE2-1434中，位置31发明了苏氨酸，这与人类ACE2的这个位置差别，人类的是赖氨酸。虽然K31T的变迁致使其不克不及与Glu35造成盐桥，但BJ01的RBD c中的Tyr442可以与之造成氢键。但RsWIV1 RBD中位在442的丝氨酸则不具有这类功效。 此外，RsSHC014含有一个位在479的精氨酸，Thr31不克不及与Glu35造成盐桥，使Glu35可以与Arg479造成盐桥，但RsWIV1中的RBD残基Asn479可能会致使其掉去这一威力。是以，BJ01以及RsSHC014 RBD可以与中华菊头蝠ACE2 -1434联合，但RsWIV1RBD没法与中华菊头蝠的ACE2 -1434联合。 本研究中所有的中华菊头蝠 ACE2于82的位置都包罗一个天冬酰胺，而人类ACE2于此位置则是蛋氨酸。M82N的变迁引入了一个倒霉的亲水残基，减弱了热门31周围的疏水收集。此外，Asn82引入了一个糖基化位点，就像于年夜鼠ACE2中同样，致使其不克不及有用撑持SARS-CoV传染；ACE2于82位置上的聚糖可能致使空间滋扰病毒RBD联合。 是以，M82N可能对于SARS-CoV及SARS相干冠状病毒RBD与中华菊头蝠ACE2s的彼此作用有显著影响。如前所述，RBD的487残基与ACE2上的热门353彼此作用。RsWIV1 RBD中含有Asn487, Asn487的极性侧链可能与ACE2中Lys353残基的脂肪族部门发生倒霉的彼此作用，影响K353与D38的热门彼此作用。 此外，RsSHC014 RBD于位置487含有一个丙氨酸；Ala 487的小侧链不撑持热门353的布局。是以，RsWIV1及RsSHC014 RBD与人类ACE2的联合亲以及力均低在BJ01，但与人类ACE2的联合亲以及力均高在中华菊头蝠ACE2，这与病毒传染以及联合试验成果高度相符。 SARSr-CoV刺突基因经由过程正向选择与中华菊头蝠ACE2配合进化 为了测试作用在SARS病毒刺突卵白以及中华菊头蝠ACE2基因可能存于的选择压力，他们使用PAML软件包的编码ml步伐来阐发单个暗码子的非同义突变与同义突变的比值(dN/dS比值)。经由过程阐发了完备的编码SARS相干冠状病毒刺突卵白的基因序列，并比对于了来自中华菊头蝠样本的9个SARS相干冠状病毒刺突卵白的基因序列。 研究发明模子答应暗码子于正向选择(M2a以及M8)下进化。于模子M8(初始种子值 (dN / dS) = 1.6,暗码子频次= F3X4), 20个暗码子(p 0.95)以dN / dS 1的速度正向选择，按照晶体布局显示，298个暗码子中有17个被发明位在RBD区域，面向受体ACE2。此外，于SARS-CoV刺突中呈现的5个暗码子(44二、47二、47九、480以及487)，此前已经被确定对于人类ACE2的联合亲以及力有显著影响。 接下来，他们经由过程比对于本研究得到的和从GenBank下载的25个中华菊头蝠ACE2基因序列，对于中华菊头蝠ACE2基因举行阐发。他们发明于模子M8中，12个暗码子(2.3%,p 0.95)以dN / dS 1的速度举行正向选择，此中8个暗码子(3一、2四、2七、3四、3五、3八、4一、42)对于应在人类ACE2的残留物，这些暗码子间接介入人类SARS病毒刺突卵白的接触。 他们还阐发了中菊头蝠(R. affinis)的ACE2基因，有报导称该基因偶然也能联合SARS相干冠状病毒。哄骗本研究得到的23个来自中菊头蝠的ACE2基因序列比对于，发明中菊头蝠ACE2于整个编码区差别个别间的守旧性比中华菊头蝠ACE2更强，而且没有不雅察到较着的正向选择位点(数据未显示)。 此外，经由过程查询单核苷酸多态性(SNP)数据库，他们发明人类ACE2基因中的SNPs于整个编码区域随机孕育发生。虽然于人类ACE2中发明了两个具备非同义突变(T27A以及E35K)的SNP位点，但它们于全世界人群中都显示出稀有的频次(频次别离为0.00001以及0.00002)。这些成果注解，于蝙蝠SARS相干冠状病毒刺突卵白与中华菊头蝠ACE2的接壤面发生了正向选择。相干专题：聚焦新冠肺炎疫情 出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的“来历”，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/江南