迄今為止，新冠病毒的起源與中間宿主依然成謎，其感染寵物、牲畜的能力也仍未明確。近日，教育部“動(dòng)物健康與食品安全”國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，已知會(huì)感染新冠病毒的物種的ACE2（血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2）可以耐受許多氨基酸變化，表明其物種的屏障可能很低，即跨物種傳播風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，新冠病毒可能未專門適應(yīng)其任何假定的中間宿主。

團(tuán)隊(duì)分析了最新發(fā)布的人ACE2與新冠病毒（SARS-CoV-2）的S蛋白受體結(jié)合域（RBD）結(jié)合的X射線結(jié)構(gòu)，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同寵物、農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物、病毒的假定中間宿主等的ACE2與病毒蛋白的結(jié)合。

有效結(jié)合宿主受體ACE2是新冠病毒感染細(xì)胞的首要前提，它決定了病毒宿主的范圍。研究人員發(fā)現(xiàn)，與人類ACE2相比，蝙蝠、靈貓等的ACE2均發(fā)生了大量氨基酸變化，但仍能夠與新冠病毒S蛋白結(jié)合，其中蝙蝠ACE2蛋白至少包含5個(gè)氨基酸變化。

研究指出，寵物（貓）和家養(yǎng)動(dòng)物有被SARS-CoV-2感染的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榕c其他動(dòng)物相比，它們?cè)贏CE2-S蛋白界面處的氨基酸變化較少。

同時(shí)，穿山甲的ACE2相對(duì)于人類ACE2表現(xiàn)出7個(gè)變化，蝙蝠、浣熊和靈貓的ACE2中存在相似數(shù)目的取代，這表明SARS-CoV-2可能不特別適應(yīng)于某一種假定中間宿主的ACE2，即新冠病毒感染動(dòng)物的機(jī)制可能與感染人類的不同。

這些分析為SARS-COV-2入侵受體及其動(dòng)物來源、自然起源提供了新見解。該研究成果已于近日在線發(fā)表在生物醫(yī)學(xué)預(yù)印本平臺(tái)bioRxiv上，題為“Comparison of SARS-CoV-2 spike protein binding to human, pet, farm animals, and putative intermediate hosts ACE2 and ACE2 receptors”。

研究團(tuán)隊(duì)包括南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部“動(dòng)物健康與食品安全”國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、德國柏林自由大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院病毒學(xué)研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)春獸醫(yī)研究所等，研究通訊作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師粟碩以及柏林自由大學(xué)的Michael Veit。

蝙蝠、靈貓等ACE2可耐受大量氨基酸變化，仍與新冠S蛋白結(jié)合

研究表明，SARS-CoV-2可能起源于蝙蝠，穿山甲可能是潛在的中間宿主。具體而言，SARS-CoV-2與蝙蝠冠狀病毒RaTG13具有高度核苷酸序列同一性，只是其基因組的中間部分、編碼病毒S蛋白的基因可能是通過與穿山甲樣冠狀病毒重組而來。

新冠病毒的S蛋白負(fù)責(zé)與受體結(jié)合入侵宿主，在感染過程中，S蛋白被宿主蛋白酶裂解為S1亞基和S2亞基，分別介導(dǎo)受體結(jié)合和膜融合。其中，S1包含受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD），在確定組織向性和宿主范圍方面至關(guān)重要。

在病毒入侵人體時(shí)，RBD會(huì)與人類受體ACE2（血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2）結(jié)合。ACE2是新冠病毒和SARS-CoV（嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒）共同的人類受體膜蛋白，與人血管緊張素轉(zhuǎn)化酶1具有同源性，在人類心血管系統(tǒng)和許多其他器官中顯示出保護(hù)作用。

先前的研究表明，SARS-CoV-2在狗、豬體內(nèi)的復(fù)制能力很差，但貓卻可能被感染。研究人員利用比較生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)方法，分析了與SARS-CoV-2的S蛋白受體結(jié)合域結(jié)合的人ACE2的X射線結(jié)構(gòu)以及病毒S蛋白結(jié)構(gòu)。

由于含有編碼ACE2受體的海拉（Hela）細(xì)胞系發(fā)生了不同的轉(zhuǎn)染，人、豬、靈貓和蝙蝠的ACE2都對(duì)SARS-CoV-2易感，但小鼠的ACE2則不敏感。

為了評(píng)估ACE2中哪些相互作用的氨基酸對(duì)于其與病毒S蛋白的結(jié)合必不可少，研究人員將人類的ACE2序列與其他物種的ACE2序列進(jìn)行了比較，進(jìn)而確定了對(duì)病毒與ACE2結(jié)合起關(guān)鍵作用的氨基酸位點(diǎn)。

研究表明，新冠病毒入侵時(shí)，其S蛋白中的17個(gè)殘基與ACE2中的20個(gè)氨基酸接觸，其中8個(gè)氨基酸與S蛋白中的13個(gè)殘基形成氫鍵。

根據(jù)先前的研究，SARS-CoV-2的S蛋白與其受體的親和力比SARS-CoV的S蛋白結(jié)合親和力更高。SARS-CoV-2中的氨基酸比與ACE2相互作用時(shí)會(huì)形成更多的氫鍵。

研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于人類ACE2，豬的ACE2在與SARS-CoV-2的S蛋白相互作用的表面上有5個(gè)氨基酸取代，其中3個(gè)位于結(jié)合位點(diǎn)的外圍。

研究人員從數(shù)據(jù)庫中提取了3組中華菊頭蝠ACE2基因氨基酸序列，它們分別來自廣西、湖北和云南。令人驚訝的是，盡管它們的整體氨基酸同一性很高（99％），但在與病毒S蛋白接觸的N末端氨基酸中顯示出較大的差異。

研究人員發(fā)現(xiàn)，蝙蝠ACE2蛋白相較于人ACE2至少包含5個(gè)氨基酸變化，其中3個(gè)在所有蝙蝠ACE2序列中均被取代，并具有與豬ACE2中相同的殘基，但被其他氨基酸取代。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，蝙蝠作為被普遍認(rèn)為的新冠病毒天然宿主，不同地區(qū)中華菊頭蝠之間ACE2基因表現(xiàn)出如此多的變化令人驚訝，需要進(jìn)一步研究。但是，一個(gè)比較容易推測(cè)出的原因是，蝙蝠和新冠病毒之間的局部共同進(jìn)化會(huì)驅(qū)動(dòng)這些氨基酸變化。

接下來，研究人員分析了靈貓?bào)w內(nèi)的ACE2，其已被證明可以作為SARS-CoV-2的受體。 靈貓的ACE2相對(duì)于人ACE2共有7個(gè)氨基酸變化，其中3個(gè)與豬的ACE2中的取代相同。

與豬、蝙蝠、靈貓相比，不支持SARS-CoV-2細(xì)胞感染的小鼠ACE2在與SARS-CoV-2的S蛋白相互作用的表面上有8個(gè)氨基酸取代。

總之，部分動(dòng)物ACE2與人類ACE2相比，和新冠病毒S蛋白相互作用表面中大量的氨基酸變化都不影響其結(jié)合，其中豬ACE2中有5個(gè)氨基酸取代，而靈貓ACE2中則有7個(gè)氨基酸變化。

即使蝙蝠ACE2在多次氨基酸取代過程中獲得了新的重要的N-糖基化位點(diǎn)，也不能阻止SARS-CoV-2將蝙蝠ACE2用作轉(zhuǎn)染細(xì)胞中的受體。

新冠能否跨越物種障礙？跨物種傳播風(fēng)險(xiǎn)大，需持續(xù)監(jiān)測(cè)

此前4 月 3 日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)金梅林教授、中科院武漢病毒所石正麗教授團(tuán)隊(duì)等合作在 bioRxiv上發(fā)布研究論文稱，102只貓的血清ELISA檢測(cè)顯示，來自15只貓（14.7％）的血清對(duì)新冠病毒的受體結(jié)合域（RBD）呈陽性。但迄今為止，沒有證據(jù)表明貓會(huì)傳染人。

在本研究中，科研人員也探討了新冠病毒S蛋白在與受體ACE2的結(jié)合時(shí)在寵物中物種障礙（跨物種傳播）的情況。與人類相比，狗的ACE2與病毒S蛋白接觸的氨基酸中包含5個(gè)氨基酸變化，其中3個(gè)在豬的ACE2中也被取代。

與人類相比，貓的ACE2僅有4個(gè)氨基酸變化，它們也存在于狗的ACE2中。研究人員此前分析了來自豬、狗和貓的ACE2與病毒S蛋白結(jié)合的能力，結(jié)果表明，SARS-CoV-2在狗中的復(fù)制能力較弱，但在貓中卻能夠有效復(fù)制，并通過飛沫傳播給別的貓。

此前有報(bào)道稱，紐約市布朗克斯動(dòng)物園的老虎和獅子被感染了SARS-CoV-2。因此研究人員分析了它們的ACE2基因。在貓和老虎的ACE2中，研究人員檢測(cè)到1個(gè)氨基酸差異，但它們與病毒S蛋白接觸的殘基相同，這解釋了為什么老虎也易受SARS-CoV-2感染。

與貓ACE2相比，獅子的ACE2存在另一個(gè)較保守的變化，并且與狗ACE2一樣，它的一個(gè)N-糖基化位點(diǎn)丟失。

研究人員接下來分析了動(dòng)物模型顯示傳播新冠風(fēng)險(xiǎn)較高的幾種動(dòng)物。最近的研究表明，雪貂對(duì)SARS-CoV-2感染敏感度較高，盡管效率較低，但可以通過飛沫傳播病毒。研究結(jié)果表明，雪貂ACE2表現(xiàn)出與狗ACE2完全相同的5個(gè)氨基酸變化。

此外，敘利亞倉鼠（Syrian hamster）的ACE2蛋白與人類ACE2相比，僅包含兩個(gè)氨基酸取代；作為較高新冠病毒易感性的動(dòng)物模型，也作為部分家庭的寵物，豚鼠的ACE2有7個(gè)氨基酸取代。

在農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物中，雞的ACE2蛋白含有10個(gè)氨基酸變化，并且在標(biāo)號(hào)為90的位置丟失了1個(gè)N-糖基化位點(diǎn)。鴨子的ACE2也有10個(gè)氨基酸取代，研究認(rèn)為，雞鴨缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)性SARS-CoV-2的敏感性似乎是由于病毒不能結(jié)合禽類ACE2受體。

牛和羊的ACE2與人類相比，只有兩個(gè)氨基酸變化，而且保留了在人ACE2的90位置的N-糖基化位點(diǎn)。因此，這兩種物種的ACE2蛋白都可能起到SARS-CoV-2受體的作用，并且很有可能是易感性較高的動(dòng)物模型，研究人員指出，需要加強(qiáng)監(jiān)控以顯示它們是否對(duì)SARS-CoV-2易感。

總體而言，幾乎所有已知易受SARS-CoV-2感染的哺乳動(dòng)物物種（貓和雪貂）在其ACE2蛋白的許多氨基酸中都有突變。這表明這些物種、特別是其中與人類密切接觸的物種，有感染病毒的危險(xiǎn)，SARS-CoV-2可能會(huì)在其中一種動(dòng)物中建立起額外的病毒庫。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，豬不會(huì)被新冠病毒感染、而狗不會(huì)被有效感染，這兩種動(dòng)物ACE2的結(jié)合位點(diǎn)與人類相比僅有少量變化，但它們呼吸道中的ACE2水平相對(duì)較低。

這也表明，病毒的S蛋白與ACE2受體的結(jié)合只是病毒入侵的第一步，而且同一物種不同組織中ACE2的水平也可能在病毒傳播中起重要作用，例如，ACE2在某些寵物和牲畜的上呼吸道中的表達(dá)較低。因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為新冠病毒動(dòng)物感染的風(fēng)險(xiǎn)需要持續(xù)監(jiān)測(cè)，以探索動(dòng)物的感染源和潛在的跨物種傳播風(fēng)險(xiǎn)。