盲眼的尼安德塔石器匠

讓武漢肺炎席捲人類的關鍵變異有哪些？和穿山甲有關嗎？  原載於泛科學

繼 SARS 和 MERS 之後，引發武漢肺炎（WHO 定名為 COVID-19），致死人數已經超過兩位前輩的第三種冠狀病毒，國際病毒研究社群日前命名為 SARS-CoV-2，突顯它類似 SARS 的特色，也就是「SARS二世」；為方便閱讀，接下來本文提及此病毒，亦以「SARS二世」稱呼。 SARS二世從何而來，為什麼能感染人類？最近分子演化學方面又有新的進展。[1]  

SARS二世其 S蛋白質的遺傳序列與立體結構。圖／取自 Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation

本文內容豐富，先提示重點在此：  

＊SARS二世至少有兩處關鍵的遺傳變異，使其能有效傳染人類，其中一個變異已知存在於自然界。

＊沒有有力證據支持穿山甲為中間宿主。

＊SARS二世很適應人體，但是無法確定是在動物，或是人類體內完成適應過程。

影響感染能力的關鍵位置，不照牌理出牌？

絕大部分冠狀病毒都不會感染人類，至今只知道 7 種有這個能力。除了 SARS、MERS、以及 SARS二世外，還有另外 4 種：HKU1、NL63、OC43、229E，不過它們只會小打小鬧，疫情都沒有前三種嚴重。  

這些病毒感染細胞時，spike 基因的產物「S蛋白質」非常關鍵。S蛋白質會和宿主細胞的 ACE2 受器（angiotensin converting enzyme 2 receptor）結合，兩者的親和度，深深影響病毒的感染對象以及能力。  

SARS二世的 S蛋白質和親戚相比比較特殊。S蛋白質可分為 S1 和 S2 前後兩部分，S1 上頭有一段約 200 個胺基酸長的序列稱作 receptor binding domain，簡稱 RBD，會直接與受器互動，對病毒感染細胞相當重要。  

冠狀病毒的 S蛋白質在基因組上的相對位置，與不同品系間差異的對照比較。圖／取自 ref 1

之前研究發現，SARS 這段序列上頭有 6 個位置的影響較大，分別是（字母是胺基酸、數字是 S蛋白質上的位置）Y442、L472、N479、D480、T487、Y491；而對應到 SARS二世的這 6 個胺基酸則是 L455、F486、Q493、S494、N501、Y505。  

可以看出，儘管 SARS一世與二世皆以人類為宿主，整個基因組的相似度為 79.5%，兩者 6 個關鍵位置中卻有 5 處不一樣。至今已知遺傳上最接近的冠狀病毒是取自雲南蝙蝠的 RaTG13，整個基因組有高達 96.2% 一樣；然而，兩者這 6 個胺基酸中仍有 5 處不一樣。  

果子狸的 ACE2 受器和 SARS 病毒的 RBD，之間結構上的親和性。圖／取自 ref 2

根據模型預測，除了智人以外，還有紅毛猩猩、猴子、鼬獾、豬、貓的 ACE2 受器與 SARS二世的親和性都不錯；與 SARS 的宿主果子貍卻沒那麼好，而不會感染 SARS 的小鼠、大鼠，其親和性都不佳。不過這只是電腦作業，不見得符合現實；SARS二世對動物的感染力究竟如何，仍需要實際做實驗才能證明。[2]   

果子狸的 ACE2 受器和 SARS二世的 RBD，之間結構上的親和性模擬。圖／取自 ref 2

已經超過 7 萬人受到感染，這件事實告訴我們：它感染智人細胞的能力非常好。但是很有意思，根據人類對結構化學的理解，SARS二世關鍵位置上的某些變異，其實並非最佳選擇。也就是說，假如根據智人現有的理論認知去設計病毒，應該不會製造出這支病毒，因為理論上這些變異並不理想。  

顯而易見，沒學過分子生物學、病毒學、結構化學、生物化學等智人學問的冠狀病毒：  

在感染智人的演化適應之路上，沒有按照智人已知的牌理出牌，而闖出了一條自己的路。

武漢肺炎的傳播，和穿山甲有關嗎？

然而，SARS二世的 S蛋白質上特殊的 RBD，事實上並非獨一無二，2 篇尚未正式發表的論文報告，在取自穿山甲的樣本中也見到它，這又是怎麼回事！？  

穿山甲！圖／取自 Bart Wursten

疫情爆發以來，研究冠狀病毒成為最熱門的顯學。一群科學家以鍵盤辦案，從過去發表過的資料庫中尋找冠狀病毒的蹤影，結果在 2019 年發表論文的一項資料庫，取自走私到廣東的 2 個穿山甲樣本中（可能原產於東南亞），偵測到類似的目標。[3] [4]  

將定序片段拼裝起來得到的「穿山甲冠狀病毒」，整個基因組與 SARS二世的相似度為 90.5%；但是光看 S蛋白質的 RBD 上，第 435 到 510 共 75 個胺基酸長，最關乎親和性的 receptor binding motif（簡稱 RBM）部分卻有高達 98% 的胺基酸相似度（以及 89% 的核苷酸相似度）。更重要的是，上述提到的 6 個關鍵位置，穿山甲冠狀病毒竟然與 SARS二世完全一致！    

差不多同時問世，另一尚未正式發表的論文，則是從 2017 到 2018 年查獲，冰在冷凍庫的穿山甲，總共 9 個樣本中偵測到冠狀病毒，而且順利取得活的病毒（活病毒這部分研究尚未發表）。這批病毒與 SARS二世的整體相似性介於 85.5 到 92.4%，RBD 卻有高達 97.4% 的胺基酸一致，關鍵胺基酸則通通相同。[5]   

感染人類、蝙蝠、穿山甲的冠狀病毒建構的演化樹。除了雲南蝙蝠的 RaTG13 以外，穿山甲的冠狀病毒比其他蝙蝠的病毒，更接近 SARS二世。圖／取自 ref 5

綜合上述發現可以確定，可能原產於東南亞而被走私到中國南方的穿山甲，有多隻個體感染冠狀病毒，而且病毒彼此間的遺傳不太一樣。由此推論，穿山甲感染冠狀病毒也許是長期而普遍的現象，而且這群病毒與宿主受器互動的關鍵位置，和 SARS二世極端相似。可是該如何解釋這個情況？  

關鍵位置相似是由於遺傳重組，還是趨同演化？

儘管雲南蝙蝠的 RaTG13 整體遺傳上更接近 SARS二世，影響致病力的關鍵變異處卻和穿山甲的病毒一模一樣，對於這一點，兩篇論文的作者分別提出同樣的論點：這段序列，可能是與感染穿山甲的病毒親戚遺傳重組而來。  

但是除了「遺傳重組」以外，很可能發生的「趨同演化」也能解釋這個情況。  這類與感染能力高度相關的序列，深受天擇影響，假如某種冠狀病毒的感染對象，其受器結構與人類類似，那麼在選汰壓力下朝向類似的序列改變，也就是台灣高中生都知道的「趨同演化」，只是剛好而已。  

假如以核苷酸改變，胺基酸不變的同義變化位置建構演化樹，樹形和整個基因組建構的演化樹一模一樣，強烈支持 SARS二世和穿山甲冠狀病毒部分胺基酸序列高度相似，是趨同演化的結果。圖／取自 ref 5

鍵盤辦案的研究分析中，可以發現兩者這部份的胺基酸序列有 98% 相似，但在核苷酸序列只有 89% 的相似度，暗示此處面臨強大的選汰壓力，使得即使核苷酸改變，也要維持胺基酸不變，也就是淨化選汰（purifying selection）──很典型取決於功能，而非親緣關係的特徵。冷凍穿山甲研究的序列分析，也高度支持趨同演化的可能性。  

總之，兩群獨立的作者，似乎經趨同演化提出「SARS二世的祖先與穿山甲冠狀病毒經過重組」之論點，沒有充足的證據支持，明顯還有更合理的可能性。現在看來，要認識冠狀病毒的多樣性，必須重視穿山甲，不過要追尋 SARS二世從前的宿主，暫時不用特別考慮穿山甲。    

不論穿山甲的冠狀病毒跟 SARS二世是否有直接關係，有一件事倒是非常清楚：  

冠狀病毒與人類受器親和性高的遺傳變異，其實原本就存在於自然環境！

獨一無二的遺傳特徵，或許會讓致病力增強

SARS二世有一處變異倒是真的是獨一無二，沒有在已知病毒上見過（包括最近親 RaTG13 和穿山甲冠狀病毒），它位於 S蛋白質中央的 polybasic cleavage site（暫譯：多鹼基分割位點）。

S蛋白質分為 S1 和 S2 兩個部分，在 SARS二世這中間多出了一小段「PRRA」的胺基酸，程式模擬指出，此一變化會明顯改變原本的蛋白質立體結構。值得一提，這也是之前被誤會為與 HIV 有關的 4 段序列中，SARS二世唯一真正與眾不同之處。  

武漢肺炎病毒到底從哪來？沒有陰謀論以及蛇和HIV的版本

位於 S1 和 S2 中間， SARS二世多出一段「PRRA」的插入。圖／取自 ref 1

之所以值得注意，是因為流感病毒在對等的位置上，倘若發生類似的變化，會讓本來感染力微弱的病毒大幅強化攻擊力；另外導致禽鳥傳染病「新城病（Newcastle disease）」的病毒，此一位置改變也會讓病毒變得更加凶險。不過此處變化對 SARS二世會有什麼實際影響，無法光靠鍵盤辦案釐清，還需要更多實驗分曉。  

如此適應人類，到底是如何演化而來的？

所有 SARS二世的基因組都非常相似，表示它們都來自非常近期的共同祖先。由序列差異估計，共同祖先的生日約為 2019 年的 11 月底到 12 月初（不同估計方式的結果不太一樣，不過第一位已知病患至少能追溯到 12 月 1 日），顯示 SARS二世在這個階段已經相當適應人類。  

病毒不是源於武漢的海鮮市場？從分子演化學角度看2019新型冠狀病毒（武漢肺炎）的起源與傳播

兩位前輩 SARS 和 MERS 的祖先都是感染蝙蝠的病毒，但是傳染給智人以前，SARS 的宿主是果子狸、MERS 是駱駝。從蝙蝠到智人的路上， SARS二世是否也有過類似的中間宿主？現在如此適應智人，究竟是在其他動物、或是智人身上修煉成功的呢？  

蝙蝠、駱駝、智人之間的跨物種病毒傳播。圖／取自 Outbreak of Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus Causes High Fatality After Cardiac Operations

可能一：透過（未知的）中間宿主演化

一種可能是， SARS二世的祖先先以某種動物為宿主，在這種不是蝙蝠的動物體內，漸漸變得適合感染智人，真正跳到智人身上後隨即能無縫接軌。    

這套劇本中，該動物宿主的細胞受器應該與智人相當相似，才能使之發展出對智人受器的高親和性。若是如此，族群數量較大的動物會是比較可能的中間宿主（例如鼬獾？），因為病毒能感染較多個體，更有利於天擇進行。

武漢肺炎當流感，傷害遠勝SARS 

而數量稀少、瀕臨絕種的穿山甲，乍看不像適合病毒天擇作用的舞台。但是目前資訊非常侷限，沒有人知道真相。既然提到穿山甲，也順便請大家重視瀕危生物的保育 QQ  

可能二：直接在智人體內完成升級？

另一種可能是， SARS二世早已能由動物傳染給人類，經歷一番掙扎以後才順利適應智人細胞，演化適應是直接在人類身上完成。  

圖／取自 衛生福利部疾病管制署 2017 年 5 月 18 日教材（pdf）

8 年前出道的前輩 MERS 就是走這套劇本，至今累積約 2500 個病例，不過到現在仍尚未「破關」，一直不算真正適應智人。主因是原本以駱駝為宿主的這款病毒，人傳人的能力整體不強，致死率又超過 30%，導致傳播很容易中斷，阿拉伯半島的疫情每次都要從駱駝重新開局。  

MERS 難以融入智人的社會，也令它對人類的危害遠不及這次源自武漢的 SARS二世（謎之聲：瘟疫公司新手嘛）。如果 SARS二世也是如此起源，它顯然已經突破這道關卡，開拓出冠狀病毒的全新天地。  

我們所知太少，需要更多資訊

根據現有證據，無法判斷哪套劇本才是對的，仍需要更多研究才有機會回答問題。例如可以從不同地區的各種動物與環境採樣，更全面認識冠狀病毒的多樣性；或是檢測人類血液對冠狀病毒的血清反應（seroreactivity），了解是否早已有人感染過冠狀病毒。  

釐清 SARS二世的來歷與適應過程，不只有學術價值，也能提供我們相當實際的指引。畢竟這已經是本世紀第三起冠狀病毒暴走事件，而動物傳人的跨物種傳染病，一直都是人類的強大威脅，假如能及早預防，價值不遜於研發出新藥或疫苗。  

人畜共通傳染病，例如可以到處ㄈㄈ尺的 E型肝炎病毒。圖／取自 Transmission of Hepatitis E Virus in Developing Countries.

SARS二世的適應過程若是在動物體內完成，意謂控制住這次疫情後，未來類似的傳染病將很有機會再度出現，需要更全面的監測。如果病毒是在人類體內才升級成功，那麼即使時常發生動物傳人，在病原獲得適應人體的關鍵變異以前，都不需要太過擔心。  

不論如何，一連串疾病帶來的教訓是：  

我們必須更積極認識野生動物與生態環境，主動尋找潛在的風險。

另一方面，疫情蔓延時，也有許多 SARS二世經歷過人為操縱之類的陰謀論流傳，還有人懷疑武漢的病毒研究單位與疫情脫不了關係。對於 SARS二世是否經過人為變造這點，以斯克里普斯研究所（Scripps Research）的 Kristian Andersen 為首的研究團隊，抱持強烈否定態度，認為從遺傳序列上看不出人為介入的跡象。至於中國研究人員是否導致病毒外洩，沒有直接證據，當然無從證實或是推翻，說穿惹，這不是科學問題，無法以科學解答。    

劃重點：  

＊SARS二世至少有兩處關鍵遺傳變異，讓它們能席捲人類。

＊其中一個變異本來就存在野外，穿山甲身上的病毒也有。

＊可是穿山甲和武漢肺炎多半沒有直接關係。

＊另外一個變異為 SARS二世獨有，具體作用不明。  

＊SARS二世很適應人體，但是不確定是在動物或人類體內升級完成。

＊未來要更積極注意野生動物，及早認識可能的威脅。

＊有陰謀嗎？隨便啦大家高興就好。 

用模型推疫情，如何避免誤用、正確解讀？

1. The Proximal Origin of SARS-CoV-2

2. Wan, Y., Shang, J., Graham, R., Baric, R. S., & Li, F. (2020). Receptor recognition by novel coronavirus from Wuhan: An analysis based on decade-long structural studies of SARS. Journal of virology.

3. Evidence of recombination in coronaviruses implicating pangolin origins of nCoV-2019

4. Liu, P., Chen, W., & Chen, J. P. (2019). Viral Metagenomics Revealed Sendai Virus and Coronavirus Infection of Malayan Pangolins (Manis javanica). Viruses, 11(11), 979.

5. Identification of 2019-nCoV related coronaviruses in Malayan pangolins in southern China