基于中科院武汉病毒所的石正丽研究员的研究，此次的武汉冠状病毒（nCoV-2019）属于β冠状病毒属[3]。
图 2. 含此次武汉冠状病毒 nCoV-2019（标注为红色）的冠状病毒进化树
HCoV的典型：SARS-CoV和MERS-CoV
2002年11月，最先在广州出现一种病毒性的人严重急性呼吸道综合征 (severe acute respiratory syndrome, SARS)，又称为传染性非典型肺炎（简称“非典”），迅速扩散到其他国家，导致超过8000人感染，死亡率约为9.6%。这种病原体被命名为严重急性呼吸道综合征冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV），这是一种人畜共患的β冠状病毒，来源于菊头蝙蝠，随后感染中间宿主果子狸，最后感染人。感染了4-6天以后，SARS病毒感染者出现流感样症状以及肺炎，在严重的病例中还导致了致命性的呼吸系统衰竭以及急性呼吸窘迫综合征。虽然自2004年以后再没有关于SARS的报道，但在2017年石正丽研究员等报道了在云南发现的丰富的蝙蝠相关的冠状病毒基因池 [4]，强调了为未来新型冠状病毒重现做准备的必要性。
2012年6月，沙特阿拉伯出现MERS-CoV（Middle East respiratory syndrome coronavirus）导致的SARS样呼吸性疾病。虽然MERS-CoV的人际传播有限，但先后在沙特阿拉伯（2012）和韩国（2015）引起疫情，全球确认病例超过2000人，死亡率大约为35%。那些有合并症的老年人感染MERS-CoV，通常出现严重的病症，有时候可致死。与SARS-CoV相似，MERS-CoV也来自蝙蝠，但它们的中间宿主为单峰骆驼。目前还没有用于SARS-CoV或者MERS-CoV的疫苗或者特异性的抗病毒药物。
表 1 SARS-CoV 和 MERS-CoV 的病毒学、流行病学和临床症状的比较[2]
在SARS-CoV出现之前，只知道两种人冠状病毒HCoV-229E和HCoV-OC43，当感染健康成年人时都导致温和的上呼吸道症状。2004年和2005年又分别鉴定了两种人类冠状病毒HCoV-NL63和HCoV-HKU1。这四种全球分布的HCoV大约贡献了人类普通感冒的 15-30% [5]。虽然疾病具有自限性（疾病在发生发展到一定程度后能自动停止，并逐渐恢复痊愈，并不需特殊治疗，只需对症治疗或不治疗，靠自身免疫就可痊愈），但这些温和的人类冠状病毒有时候也会在婴儿、老年人或免疫功能不全的病人中引起严重的下呼吸道感染。与SARS-CoV和MERS-CoV类似，HCoV-NL63和HCoV-229E也来自蝙蝠，而HCoV-OC43和HCoV-HKU1来源于裂齿类动物。重要的是，大多数α冠状病毒属和β冠状病毒属只在蝙蝠中鉴定，在谱系进化上与SARS-CoV 和MERS-CoV相关的很多冠状病毒出现在多种蝙蝠中。因此，人畜共患的HCoV，比如SARS-CoV以及MERS-CoV很可能来源于蝙蝠，通过蝙蝠冠状病毒的序列突变或重组，在流向中间宿主的过程中继续突变，最终获得了感染人的能力。
HCoV的形态和基因组结构
冠状病毒呈现球形椭球形，直径在80-120nm。在电子显微镜下，病毒粒表面有球棒状的突出部分，由三聚体刺突糖蛋白（Spike，S）组成。在一些β冠状病毒属（如HCoV-OC43和HCoV-HKU1）中，突出部分由二聚的血凝素-酯酶（hemagglutinin-esterase，HE）蛋白组成。S和HE都是I型跨膜蛋白，有大的胞外域（ectodomain）以及一个小的胞内域（endodomain）。病毒的包膜由膜糖蛋白（membrane glycoprotein，M）构成，通过三个跨膜结构域嵌入病毒包膜里中。此外，少量的小的跨膜蛋白——包膜（envelope，E）蛋白也出现在包膜中。最后， 核衣壳（nucleocapsid，N）蛋白以串珠的形式结合到RNA基因组上，形成螺旋对称的 核衣壳。
图3. 人冠状病毒电镜图（左）和 SARS 冠状病毒的结构（右）（图片来源于维基百科和参考文献[6]）
冠状病毒基因组是一个无节段的正义单链 RNA。该正链进入宿主细胞后，可以直接作为 mRNA 链指导蛋白质的合成；也可以通过依赖 RNA 的 RNA 聚合酶（RDRP）作用，生成负链，再以负链为模板，在 RDRP 作用下，生成正链。这样就达到了复制的目的。同时，生成的正链也可作为 mRNA 指导蛋白质的合成。
冠状病毒基因组大小为 27-32kb，5'-端被加帽，3'-端被聚腺苷酸化，包含多个开放阅读框（ORF）。冠状病毒的基因顺序一致，为5'-复制酶-S-E-M-N-3'，同时基因组中散布着许多小的 ORF，编码一些辅助蛋白。冠状病毒复制酶由占据基因组约三分之二的两个大的重叠的 ORF（ORF1a 和 ORF1b）编码，并直接从基因组RNA翻译而来。但是，结构性和辅助性蛋白是从基因组转录/复制过程中产生的亚基因组RNA（sgRNA，subgenomic RNAs）进行翻译的。
图4. 六个已知HCoV的基因组结构的示意图（未按比例绘制）。5'-帽结构（5'-C）和3'-聚腺苷酸化（AnAOH-3'）。开放阅读框1a（ORF1a）和ORF1b表示为缩短的红色框。编码结构性蛋白刺突蛋白（S），包膜蛋白（E），膜蛋白（M），核衣壳蛋白（N）和血凝素酯酶（HE）的基因显示为蓝色框。编码辅助蛋白的基因显示为灰色框。
冠状病毒的复制周期
冠状病毒的复制周期分为几个步骤：1）附着和进入，2）病毒复制酶的翻译，3）基因组转录和复制，4）结构蛋白的翻译以及5）病毒体的组装和释放。
图5. HCoV 的复制周期。感染始于HCoV附着于同源细胞受体，从而诱导胞吞作用。膜融合通常发生在内体（endosome）中，从而将病毒核衣壳释放到细胞质中。基因组RNA（gRNA）作为多蛋白pp1a和pp1ab的翻译模板，这些蛋白被切割形成非结构蛋白（nsps）。nsps诱导细胞膜重排以形成双膜囊泡（DMV），病毒复制转录复合物（RTC）锚定在DMV中。全长gRNA通过负义中间体完成复制，并且通过不连续转录合成了一组嵌套的亚基因组RNA（sgRNA）。这些sgRNA编码病毒的结构蛋白和辅助蛋白。颗粒组装发生在ER-高尔基中间体（ERGIC）中，成熟的病毒颗粒通过分泌途径在囊泡中释放。
附着和进入
冠状病毒复制是由S蛋白与细胞表面受体的结合起始的。S蛋白由两个功能性亚基组成，S1（球状体）用于受体结合，S2（茎）用于膜融合。S1和同源受体之间的特异性相互作用会触发S2亚基的构象变化，从而导致病毒包膜和细胞膜融合并释放核衣壳进入细胞质。受体结合很大程度上决定了冠状病毒的宿主范围和组织嗜性。一些HCoV已采用细胞表面酶作为受体，例如SARS-CoV的受体血管紧张素转化酶2（ACE2），MERS-CoV的受体二肽基肽酶4（DPP4）。
通常冠状病毒S蛋白会被宿主的蛋白酶进一步切割为S1和S2两个亚基，S1/S2的切割由一种或多种宿主的蛋白酶介导的。例如，SARS-CoV 的S蛋白的激活需要通过内体半胱氨酸蛋白酶组织蛋白酶L和另一种胰蛋白酶样丝氨酸蛋白酶进行序列切割（sequential cleavage）。而MERS-CoV的S蛋白中包含两个弗林蛋白酶（furin）切割位点。宿主因素也可能限制HCoV的附着和进入。例如，干扰素诱导的跨膜蛋白（IFITM）对多种RNA病毒表现出广谱的抗病毒功能。IFITM限制了SARS-CoV，MERS-CoV，HCoV-229E和HCoV-NL63的进入。但截然相反的是，IFITM2或IFITM3却促进HCV-OC43感染。研究表明IFITM中的几个氨基酸残基控制着对HCoV进入的限制和增强活性[7]。
复制酶的翻译和复制转录复合体的组装
冠状病毒进入细胞并脱壳后，基因组RNA作为转录本，执行帽依赖性（cap-dependent）的ORF1a翻译，产生多聚蛋白pp1a。在ORF1a末端附近有一个不稳定的序列（slippery sequence）和一个RNA假结，可使25–30％的核糖体执行-1移码，从而在ORF1b上继续翻译，产生更长的多聚蛋白pp1ab。pp1a和pp1ab自动蛋白水解，产生15–16种具有各种功能的非结构蛋白（nsps，nonstructural proteins）。其中，nsp12具有RNA依赖性RNA聚合酶（RdRP）活性，而nsp3和nsp5分别具有木瓜蛋白酶样蛋白酶PLPro和主蛋白酶Mpro活性。nsp3、4和6还诱导细胞膜重排，形成双膜囊泡或小泡结构（spherules），而这也正是冠状病毒复制转录复合体RTC组装和锚定位点。
除RNA二级结构外，程序性核糖体移码（PRF，programmed ribosomal frameshifting）可能还受病毒或宿主因素的调控。例如，在猪生殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）中，nsp1β通过一个推测的RNA结合基序与PRF信号相互作用并激活PRF。而宿主RNA结合蛋白ANXA2可结合传染性支气管炎病毒IBV基因组中的假结结构。在双膜囊泡DMV的形成和病毒复制转录复合物RTC组装方面，宿主因子似乎参与其中。GBF1及其效应因子ARF1对于正常DMV形成和小鼠肝炎病毒MHV（一种感染小鼠的典型的β冠状病毒）的有效复制都是必需的。
基因复制和转录
冠状病毒复制酶使用基因组RNA作为模板，合成全长的反义基因组；而以反义基因组为模板，可合成新基因组RNA。聚合酶还可在基因组的特定位点（转录调节序列）的不连续转录过程中切换模板，从而产生5'嵌套的反义sgRNA，并以其为模板合成3'嵌套的正义sgRNA。
图 6. HCoV 基因组的复制和转录
尽管基因组复制/转录主要由病毒复制酶介导，而且整个过程局限在RTC中，但多个宿主因子参与其中。SARS-CoV的N蛋白也被糖原合酶激酶3（GSK3）磷酸化，在SARS-CoV感染的 Vero E6 细胞中，可通过抑制GSK3进而抑制病毒复制。此外，异质核糖核蛋白A1（hnRNPA1）也可与SARS-CoV的N蛋白紧密结合，可能调控病毒 RNA 的合成。宿主 RNA 结合蛋白还可以直接与冠状病毒基因组的非翻译区（UTR）结合以调节复制/转录。
结构性蛋白的翻译
大多数冠状病毒sgRNA是单顺反子，因此只有5'-最末端的ORF以帽依赖的方式翻译。但是，某些sgRNA也可以采用其他机制，例如核糖体渗漏扫描（ribosome leaky scanning）和核糖体内部进入（ribosome internal entry），来翻译其他 ORF。跨膜结构蛋白（S，HE，M 和 E）和一些与膜相关的辅助蛋白在内质网 ER 中翻译，而N蛋白则通过胞质中游离核糖体翻译。
大多数冠状病毒的结构蛋白都携带功能性的修饰。例如，S和M蛋白被糖基化。尽管SARS-CoV 的S蛋白的N-糖基化不参与受体结合，但它可能参与凝集素介导的病毒附着，并可能构成一些中和表位。病毒跨膜蛋白（特别是S）的正确折叠和成熟也严重依赖于ER蛋白伴侣（如钙联接蛋白calnexin）。
病毒粒组装和释放
病毒颗粒组装发生在内质网-高尔基体中间体 (ERGIC，ER-Golgi intermediate compartment) 中，并由M蛋白精心策划。M蛋白的同型相互作用为病毒粒的形态生成提供了支架，而M-S和M-N相互作用则促进了结构性蛋白向装配位点的募集。E蛋白还通过与M相互作用并诱导膜弯曲来促进颗粒组装。最后，ERGIC中的冠状病毒颗粒在囊泡 (smooth-wall vesicles) 中运输，并通过分泌途径转运，最后通过胞吐作用释放。
图 7. HCoV 病毒颗粒的释放
冠状病毒的组装和释放涉及多种宿主因素。细胞骨架与结构蛋白之间的相互作用是必不可少的。微管蛋白与HCoV-229E，HCoV-NL63和猪传染性胃肠炎病毒TGEV的S蛋白的胞质域之间的相互作用对于感染性病毒颗粒的成功组装和释放是必需的。同样，传染性支气管炎病毒IBV的M蛋白和β-肌动蛋白之间，TGEV的N蛋白和波形蛋白之间，以及TGEV S蛋白和弗林蛋白酶 A（肌动蛋白结合蛋白）之间的相互作用，均被证明可以促进冠状病毒颗粒的组装和释放。
总结
至此，冠状病毒在宿主内完成了复制，阻断其中任意一个环节，都可以阻断病毒的播散。这也是当前科学家们努力攻关的地方。正如近期报道的，被确诊感染新型冠状病毒肺炎的北京大学第一医院呼吸和危重症医学科主任王广发表示，他服用了抗艾滋病药物“洛匹那韦/利托那韦片”，目前症状已经缓解，因此抗艾滋病药物对于治疗武汉新型冠状病毒可能是有效的。上海市公共卫生临床中心党委书记卢洪洲在接受媒体采访时也表示，“我们从第一个患者开始，就使用了这一类抗艾滋病的药物，从目前来看，还是有一定的效果，但是还需要更多的临床观察。”
从原理上，正如卢洪洲教授在《公卫·科普 | 武器！面对新型肺炎，我们并非束手无策——2019 新型冠状病毒的抗病毒治疗选择》一文中解释的：
洛匹那韦（lopinavir），属于蛋白酶抑制剂，主要通过和病毒蛋白酶结合抑制蛋白酶功能，如此，病毒复制过程产生的 Gag-Pol 聚蛋白就不能顺利裂解，产生的病毒颗粒则是不成熟且无传染性的。洛匹那韦单独服用的生物利用度差，如果和另一种蛋白酶抑制剂——利托那韦联用，由于利托那韦可以抑制肝脏对洛匹那韦的分解代谢，则可以增加洛匹那韦的血药浓度，从而提高抗病毒治疗效果。洛匹那韦和利托那韦构成的合剂就是克力芝，2000 年被美国 FDA 批准上市用于艾滋病的抗病毒治疗。
卢洪洲，公众号：上海市公共卫生临床中心 公卫·科普 | 武器！面对新型肺炎，我们并非束手无策 ——2019新型冠状病毒的抗病毒治疗选择
洛匹那韦（lopinavir），属于蛋白酶抑制剂，主要通过和病毒蛋白酶结合抑制蛋白酶功能，如此，病毒复制过程产生的 Gag-Pol 聚蛋白就不能顺利裂解，产生的病毒颗粒则是不成熟且无传染性的。洛匹那韦单独服用的生物利用度差，如果和另一种蛋白酶抑制剂——利托那韦联用，由于利托那韦可以抑制肝脏对洛匹那韦的分解代谢，则可以增加洛匹那韦的血药浓度，从而提高抗病毒治疗效果。洛匹那韦和利托那韦构成的合剂就是克力芝，2000 年被美国 FDA 批准上市用于艾滋病的抗病毒治疗。
卢洪洲，公众号：上海市公共卫生临床中心 公卫·科普 | 武器！面对新型肺炎，我们并非束手无策 ——2019新型冠状病毒的抗病毒治疗选择
当然，宿主并不会任凭病毒在体内随意捣乱。实际上，在HCoV感染过程中，一系列重要信号通路被激活，包括应激响应通路、自噬、凋亡以及自身免疫。但这部分的机制过于复杂，我们在此不做详细解读，感兴趣的同仁可参阅Human Coronavirus: Host-Pathogen Interaction一文。
参考文献：
1. Fung, T.S. and D.X. Liu, Human Coronavirus: Host-Pathogen Interaction.Annu Rev Microbiol, 2019. 73: p.529-557.
2. 代嫣嫣, et al., 人类高致病性冠状病毒SARS-CoV和MERS-CoV的流行与突变——共性与个性特征的启示.生命科学, 2016. 28(03): p.357-366.
3. Zhou, P., et al., Discovery of a novel coronavirus associated with the recent pneumonia outbreak in humans and its potential bat origin. BioRxiv, 2020: p. 2020.01.22.914952.
4. Hu, B., et al., Discovery of a rich gene pool of bat SARS-related coronaviruses provides new insights into the origin of SARScoronavirus. PLOS Pathogens, 2017. 13(11):p. e1006698.
5. Lim, Y.X., et al., Human Coronaviruses: A Review of Virus-Host Interactions. Diseases, 2016. 4(3).
6. Peiris, J.S., Y.Guan, and K.Y. Yuen, Severe acute respiratory syndrome. Nat Med, 2004. 10(12Suppl): p. S88-97.
7. Zhao, X., et al., Identification of ResiduesControlling Restriction versus Enhancing Activities of IFITM Proteins on Entry of Human Coronaviruses. J Virol, 2018. 92(6).返回搜狐，查看更多