2020年5月14日，中科院武汉病毒所石正丽研究员科研团队(通讯)与福建师范大学生命科学学院欧阳松应教授在bioRxiv上发表文章“Arms race between SARSr-CoVs spike gene and host receptor”(running title)，再次从基因及蛋白水平，阐明蝙蝠SARS样冠状病毒（SARSr-CoVs）刺突蛋白（Spike，S）与其自然宿主受体基因之间“军备竞赛（Arms race）”的协同进化关系，驱动了蝙蝠SARS样冠状病毒S基因的遗传多样性。SARSr-CoV对人ACE2更高的亲和力表明这些病毒具有跨物种传播到人的可能性。

摘要：

菊头蝠是严重急性呼吸系统综合征冠状病毒（SARS-CoV）的自然宿主，携带许多与SARS-CoV相似的蝙蝠SARS样冠状病毒（SARSr-CoV），这些蝙蝠SARSr-CoV具有很高的遗传多样性，尤其在负责与受体结合的刺突蛋白（S）基因中差异显著。尽管这些差异，一部分蝙蝠SARSr-CoV仍可以利用与人SARS-CoV相同的受体--血管紧张素转化酶2（ACE2）入侵细胞。由此推测，蝙蝠受体ACE2基因与SARSr-CoV的S基因之间的相互作用，可能与蝙蝠SARSr-CoV S基因多样性的产生存在着某种联系。

在这里，研究团队在中华菊头蝠种群的不同个体中鉴定到一系列ACE2变异体（variants），这些ACE2变异体主要在与SARS-CoV的S蛋白相互作用的关键位点上具有基因多态性（SNP）。SARS-CoV假病毒及携带不同S基因的蝙蝠SARSr-CoV在细胞水平上对这些蝙蝠ACE2变异体显示出不同的利用效率。该结果进一步通过不同S蛋白及ACE2蛋白分子之间的亲和力实验得到证实。

所有测试的中华菊头蝠SARSr-CoV的S蛋白对人源ACE2的亲和力均高于蝙蝠来源的ACE2，尽管它们对人源ACE2的亲和力比SARS-CoV的S蛋白低近10倍。结构复合物模拟结果显示，这些亲和力的差异可能是由于S蛋白和ACE2之间相互作用的某些关键氨基酸的改变而引起的。分子进化分析结果显示蝙蝠SARSr-CoV的S基因与中华菊头蝠ACE2相互作用的一些氨基酸处于强烈的正向选择压力下。这些结果表明蝙蝠SARSr-CoV的S基因和中华菊头蝠ACE2可能在历史演化的长河中共同进化，经历来自彼此的选择压力，引发了“军备竞赛（Arms race）”的协同进化关系。这进一步证明了中华菊头蝠是SARSr-CoVs的自然宿主。

图1 中华菊头蝠ACE2的系统发育树

简而言之，病毒感染结果显示，该研究中所用的四株携带不同S基因的蝙蝠SARSr-CoV，受体结合域（receptor binding domain, RBD）相同的两株病毒RsWIV1/16可以利用相同类型的中华菊头蝠ACE2作为受体（除基因型6：1434-ACE2之外的其他类型）。另外两株RBD相同的毒株Rs4231/SHC014也可以利用相同类型的ACE2（除基因型7：3357-ACE2，基因型8：1438-ACE2之外的其他类型）。而人SARS-CoV（病毒株BJ01）假病毒可以利用除基因型7，8（3357-ACE2，1438-ACE2）之外的其余ACE2作为受体入侵细胞。

与病毒感染实验结果一致，蛋白相互作用结果显示，基因型6（1434-ACE2）可以与蝙蝠SARSr-CoV-RsSHC014毒株和人SARS-CoV（病毒株BJ01）的RBD蛋白结合，但不与蝙蝠SARSr-CoV-RsWIV1结合；基因型7（3357-ACE2）可以结合RsWIV1的RBD蛋白，但不结合RsSHC014和BJ01的RBD；基因型2（5720-ACE2）结合所有测试的RBD蛋白。在所有测试的蝙蝠SARSr-CoV的RBD蛋白中，它们对人源ACE2的亲和力均高于蝙蝠来源的ACE2，但低于人SARS-CoV RBD蛋白与人源ACE2的亲和力。然而，人SARS-CoV的RBD蛋白与蝙蝠ACE2的亲和力低于两个蝙蝠SARSr-CoV的RBD。这些结果证明，S蛋白与ACE2之间的亲和力是影响病毒感染效率的主要原因之一。

研究中测试的几株蝙蝠SARSr-CoV的S蛋白与SARS-CoV具有超过90％的氨基酸相似性，表明这些蛋白可能具有相似的结构。所以接下来，研究团队基于人SARS-CoV的RBD蛋白与人ACE2的结构复合物，模拟了蝙蝠SARSr-CoV-RsWIV1 RBD与中华菊头蝠ACE2 3357（基因型7）、RsSHC014 RBD与中华菊头蝠ACE2 1434（基因型6）的结构复合物模型，发现中华菊头蝠ACE2基因中的31、35、42，82等氨基酸位点的改变以及蝙蝠SARSr-CoV的S基因中442、479、487等氨基酸位点的突变影响了两者之间的亲和力。

讨论：

在长期不断的病毒-宿主协同进化过程中，病毒通常倾向于降低其毒力以适应宿主及其自身种群密度的大小。“权衡假设（trade-off hypothesis）”是为什么病原体通常无法达到其最大繁殖潜力的较为流行的解释。在这项研究中，研究人员发现蝙蝠SARSr-CoV的S蛋白与中华菊头蝠ACE2的亲和力低于对人ACE2的亲和力，但在不同中华菊头蝠ACE2之间没有显示出明显的差异，这表明蝙蝠SARSr-CoV可能降低了它们的毒力以适应其自然宿主和它们自身。当它们有机会接触到其他宿主，更好地适应其他宿主受体时，跨物种传播事件就可能发生。

本研究中发现人SARS-CoV的S蛋白与人ACE2之间的亲和力高于蝙蝠SARSr-CoV，暗示SARS-CoV可能是一株从蝙蝠跨物种传播到人，并逐步适应人体的毒株，这种现象就是动物源病毒跨种传播的一个典型的例子。

重要性：

病毒-宿主协同进化的“军备竞赛（Arms race）”动力学塑造了病毒及其受体的多样性。鉴定受体分子中影响病毒在种间传播的关键氨基酸位点对于预测潜在的病原体从野生生物传播到人的可能性非常重要。

早前，石老师课题组已在中华菊头蝠中鉴定出遗传多样性的蝙蝠SARSr-CoV。这篇文章从病毒自然宿主水平，解释这些遗传多样性的蝙蝠SARSr-CoV产生的可能原因。中华菊头蝠种群中呈多态性的受体ACE2基因，可以在不同程度上支持SARS-和SARSr-CoV的入侵。

SARSr-CoV对人ACE2更高的亲和力表明这些病毒具有跨物种传播到人的可能性。而中华菊头蝠ACE2和SARSr-CoV的S基因相互作用的关键氨基酸位点经历的正选择压力，表明它们之间可能存在长期且持续的协同进化动力学，所以持续监视蝙蝠中的这类病毒，对于预防下一次类似SARS的动物源病毒跨种传播到人的疾病的产生非常必要。

出处：生命科学前沿