《Nature》培育冠状病毒的新方法

时间：2024年11月7日

来源：Nature

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冠状病毒已经在本世纪引发了三次重大疾病爆发，包括COVID-19大流行，科学家们怀疑潜伏在自然界中的其他家族成员威胁着人类。但是，这些病原体中的许多都很难在实验室中生长，这使得在它们袭击之前研究它们并制定对策成为一项挑战。

现在，研究人员设计了一种策略来规避这个问题。科学家们在《Nature》杂志上报道说，他们已经为人类细胞配备了定制设计的受体，病毒可以与受体结合并利用受体潜入细胞内。这项研究使用了“病毒学、免疫学、生物化学、分子建模和细胞生物学交叉领域的前沿工作”，约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院的微生物学家和免疫学家Arturo Casadevall说，他没有参与这项研究。

然而，批评人士说，这种方法的副产品可能是对新发现的冠状病毒进行更多的研究，因此意外感染实验室工作人员甚至引发疫情的风险更大。研究负责人、武汉大学的Huan Yan说，作者认识到了这种担忧。“总的来说，我们认为使用（这种策略）的好处超过了与这些研究活动相关的潜在风险。”该论文的作者包括美国和瑞士的科学家，还有Shi Zhengli，他在武汉病毒研究所的前实验室被指控“泄露”了导致COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒。（施目前在广州实验室工作。）

除了COVID-19大流行之外，冠状病毒还导致了2003年严重急性呼吸系统综合症（SARS）的全球流行，SARS是由一种现在被命名为SARS- cov的病毒引发的，中东呼吸综合征是一种主要由骆驼传播的疾病，2012年爆发，偶尔仍有人生病。（这三种病毒都是由冠状病毒引起的，冠状病毒是冠状病毒群的四个属之一。）

自然界中还有数千种其他冠状病毒，其中大多数可能生活在蝙蝠体内。在大多数情况下，科学家们只检测到这些病毒的基因组，或它们的一部分，但他们还没有分离出真正的病毒本身。即使他们可以，这样的病毒在实验室里也很难生长。

要进入细胞，冠状病毒表面的所谓“刺突”蛋白质——赋予其冠状外观的特征——必须与细胞上的匹配受体结合，就像钥匙能锁上锁一样。到目前为止，科学家们只发现了少数几种冠状病毒受体，包括血管紧张素转换酶2 (ACE2)，这是SARS-CoV、SARS-CoV-2和其他几种冠状病毒最重要的受体。例如，ACE2广泛存在于肺细胞中，这解释了病毒产生的一些呼吸道症状。

当研究人员有了冠状病毒的基因组序列后，他们就可以生产出它的刺突蛋白。Yan的团队专门研究受体生物学，他想知道这些刺突蛋白是否可以帮助他使用各种构建块从零开始构建受体，并将这些人造受体粘附到人类或动物细胞的膜上。

为此，该团队从已知冠状病毒受体的部分构建了“支架”，包括ACE2。然后，它将定制的“病毒结合域”——与刺突蛋白匹配的受体的一部分——连接到支架上。科学家们使用了多种技术来优化支架和病毒结合域。结果表明，一些功能最好的受体，其病毒结合域是所谓的纳米体，即附着在刺突蛋白上的常规抗体的更小版本。

该团队最初使用所谓的假病毒测试了其受体的工作情况，假病毒是缺乏大部分冠状病毒基因组的病毒颗粒，因此不构成生物安全风险。研究人员还与Shi一起，在更严格的生物安全条件下用真正的病毒对它们进行了测试。

该小组试图制造的第一个人工受体是针对SARS-CoV-2的；最终，科学家们开发出了一种与ACE2一样有效的酶，但其氨基酸序列完全不同。在原理证明之后，他们为来自六个亚属的其他12种冠状病毒制作了定制受体。大多数只从基因序列中识别出来，它们的天然受体是未知的。

科学家们还展示了如何从一只蝙蝠的肛门拭子中分离并培养一种名为HKU5的冠状病毒，使用的是带有定制受体的人类细胞系。同样的策略可以应用于分离和研究其他冠状病毒。Yan说，在未来，研究人员可以创造出表达新型冠状病毒受体的转基因动物，并可以模拟它如何感染和使人生病。

Yan说，这样的研究可能有助于开发新的抗病毒药物和疫苗，他补充说，这项技术还可以为病毒入侵机制和受体发挥的确切作用提供新的见解。他说，他的团队正在探索这种策略是否可以应用于其他类型的人类病毒，并且已经获得了“一些有希望的结果”。

“这是一篇非常好的论文”，可以开辟许多研究途径，国家过敏和传染病研究所（NIAID）的病毒学家Vincent Munster说。他称使用纳米体制造受体是“非常有创意的一步”。

然而，这种新方法引发了新的生物安全问题。科学家们已经在细胞和动物身上培养出了许多不同的病毒，但定制受体技术可能会从一个被怀疑拥有令人讨厌的惊喜的群体中增加更多的病毒。Yan和他的同事们建议采取一些预防措施，比如在分离新病毒之前先用假病毒进行实验，以评估生物安全风险。作者还说，当在细胞中培养病毒时，研究人员应该寻找生物变化和突变，这些变化和突变标志着对人类细胞的适应。此外，严在一封电子邮件中写道：“我们不建议隔离对人类有未知风险的各种冠状病毒。”

然而，最终，“无论我们是否对这些病毒进行研究，它们都已经存在于自然界中，”他说。“在这些潜在威胁蔓延到人类群体之前，了解它们的脆弱性是有益的。”

其他人则不那么肯定。德克萨斯大学医学分部的病毒学家James Le Duc说，这篇新论文以及预测蛋白质结构和人工智能在生物科学中的其他影响方面的进展表明，“很明显，我们减轻风险的国家和国际政策未能跟上快速发展的技术。”他指出了另一个担忧：“在这种高度专业化的研究中，很难找到能够识别并建议减轻潜在风险的步骤的合格的独立评审人员，”Le Duc说。“显然，这是一个值得探讨的问题。”

论文中描述的部分工作是由华盛顿大学的David Veesler实验室在NIAID和其他美国资助者的支持下完成的。维勒没有回复记者通过电子邮件发来的采访请求。

Casadevall对所谓的双重用途研究（其研究结果可用于好的方面，也可用于坏的方面）有着浓厚的兴趣，他对这种新方法持怀疑态度。“像大多数新的生物技术一样，这种技术具有双重用途的潜力，”他说。“但我关注的是它帮助人类对抗新病毒的潜力，以及它可能导致新疗法的可能性。”