有两种可以合理解释SARS-CoV-2起源的场景：（1）在突变为人畜共患病之前，病毒在非人类动物宿主中的自然选择；以及（2）成为人畜共患病之后，在人类中的自然选择。
美国斯克里普研究院的Kristian G. Andersen及哥伦比亚大学的W. Ian Lipkin等6位国际知名学者，在virological.org网站上联合发表了探讨新型冠状病毒SARS-CoV-2起源的一篇文章，支持SARS-CoV-2并非来自于实验室或者人工构建病毒的观点。
2019年12月湖北省武汉市报告新型冠状病毒肺炎（COVID-19）以来，关于引起本次疫情暴发的SARS-CoV-2的起源，一直存在大量讨论和争议。截至2020年2月14日，SARS-CoV-2感染在中国已非常普遍，波及中国大陆的每一个省份，已经确诊了数万例新冠肺炎患者，其中数千例患者死亡。由于新冠肺炎存在一定数量的轻型患者和无症状患者，这类患者不一定就诊，因此感染患者数字可能要高于官方报告的病例数，并且该病毒显然存在人际传播现象。由于SARS-CoV-2可能传播到医疗体系较薄弱的国家，世界卫生组织WHO已宣布COVID-19疫情为国际关注的突发公共卫生事件（PHEIC）。 目前尚无针对该疾病的疫苗或特异性疗法。
SARS-CoV-2是已知的感染人类的冠状病毒科的第七名成员,其中三种病毒可以引起严重的疾病，SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2；另外四种与轻度呼吸道症状有关，HKU1、NL63、OC43和229E。本文中，基于已知的基因组序列数据的比较分析，作者回顾了可以推断的SARS-CoV-2起源和早期进化，特别是展示了SARS-CoV-2基因组中的显著特征，并讨论了可能出现这些特征的场景。重要的是，该分析提供了证据支持，表明SARS-CoV-2不是来自于实验室构建，也不是人为有意操纵的病毒。
对α和β冠状病毒属（冠状病毒科Coronaviridae）的基因组比较，确定了SARS-CoV-2基因组的两个显著特征：
（1）基于结构模型和早期生化实验，SARS-CoV-2似乎更容易与人ACE2受体结合；
（2）SARS-CoV-2高度可变的刺突（S）蛋白上，在S1和S2边界位置通过插入12个碱基，形成一个多碱基酶切位点，该事件同时导致在多碱基酶切位点附近获得了三个O-连接聚糖。
特征一：SARS-CoV-2受体结合结构域的突变
SARS-CoV-2的第一个显著特征，是受体结合结构域的突变。SARS-CoV和SARS相关冠状病毒刺突（S）蛋白中的受体结合域（RBD），是病毒基因组中最易变化的部位。RBD中的六个氨基酸残基，对于病毒结合人类的ACE2受体以及确定宿主范围，至关重要。SARS-CoV Urbani株的氨基酸残基为Y442、L472、N479、D480、T487和Y491，与之对应的SARS-CoV-2中相应残基为L455、F486、Q493、S494、N501和Y505。与其最密切相关的病毒RaTG13（来自于中华菊头蝠，该病毒与SARS-CoV-2有96%的同源性）相比，在SARS-CoV-2中这六个残基中的五个发生了改变（图1a）。基于结构模型和早期生化实验，SARS-CoV-2的RBD与人、非人灵长类、雪貂、猪和猫以及其他具有高受体同源性物种的 ACE2，可能有高结合亲和力；相反，包括啮齿动物和果子狸等其他物种，SARS-CoV-2可能与其ACE2的亲和力较弱。
SARS-CoV-2 S蛋白中的F486（苯丙氨酸）与SARS-CoV Urbani株的L472（亮氨酸）相对应。值得注意的是，在SARS-CoV细胞培养实验中，亮氨酸L472突变为苯丙氨酸，这一突变会显著提高SARS-CoV的RBD与人类ACE2受体结合的亲和力。但是，这一突变在自然宿主蝙蝠和穿山甲的相关冠状病毒都早已经存在 (图1a)。虽然SARS-CoV-2与人类ACE2受体具有高亲和力，但 RBD中的另外几个关键氨基酸的突变也都有可能导致亲和力的增强，SARS-CoV的RBD氨基酸残基并非目前已知的亲和力最高的残基。因此，SARS-CoV-2的S蛋白似乎是在人或其他物种的ACE2上进行选择的结果，这种突变造成了病毒与ACE2亲和力升高，然而和实验室推导的更高亲和力的突变并不相同。这是最有力的证据，表明SARS-CoV-2 并不是基因工程的产物。
特征二：多碱基酶切位点和O-连接聚糖
SARS-CoV-2的第二个显著特征，是在S蛋白两个亚基S1和S2的连接处，插入一个12个碱基的多碱基酶切位点（RRAR）。插入的12个碱基，除了对应插入2个精氨酸和1个丙氨酸外，还插入了1个脯氨酸，因此，完全插入的序列是4个氨基酸的PRRA（图1b）。脯氨酸插入，导致在多碱基酶切位点侧面的S673、T678和S686中形成O-连接聚糖。之前在β冠状病毒B亚群中未观察到多碱基酶切位点，这是SARS-CoV-2的独特结构。然而在人β冠状病毒A亚群的HCoV-HKU1，具有多碱基酶切位点，以及在S1 / S2交界处具有O-连接聚糖。
尽管尚不清楚SARS-CoV-2中多碱基酶切位点的具体功能，但实验表明，在S1 / S2交界处这样的位点改变，可增强细胞-细胞融合，且不影响病毒进入。多碱基酶切位点允许弗林蛋白酶和其他蛋白酶有效裂解。禽流感病毒血凝素（HA）蛋白两个亚基的连接处获得多碱基酶切位点，可将低致病性禽流感病毒转化为高致病性形式。细胞培养和动物间传播条件下，还观察到了流感病毒HA获得的多碱基酶切位点。O-连接聚糖的潜在功能尚不清楚，但它们可以产生一个“粘蛋白样结构域”，该结构域可以保护S蛋白上的潜在表位或关键残基。需要进行生化分析或结构研究，以确定是否O-连接聚糖位点的具体功能。
SARS-CoV-2起源的理论
不可能通过实验室处理SARS相关冠状病毒，从而构建SARS-CoV-2。如上所述，虽然SARS-CoV-2的RBD和人ACE2受体的结合能力有所提高，但和目前实验室预测的更高结合能力的结构并不一致。此外，如果已经进行了基因工程操作，则需要使用可用于β冠状病毒的几种反向遗传系统之一。但是事实并非如此，在SARS-CoV-2并未发现反向遗传系统痕迹。
相反，有两种可以合理解释SARS-CoV-2起源的场景：（1）在突变为人畜共患病之前，病毒在非人类动物宿主中的自然选择；以及（2）成为人畜共患病之后，在人类中的自然选择。作者还讨论了在传代过程中进行的选择是否会引起类似所观察到的特征。
1、动物宿主自然选择
由于许多早期的COVID-19病例与武汉华南海鲜批发市场（存在野生动物交易）有关，因此该市场可能存在某个动物来源。鉴于SARS-CoV-2与蝙蝠SARS样CoV（尤其是RaTG13）的相似性，认为蝙蝠是SARS-CoV-2的宿主是有道理的。但是要注意，先前在人类中暴发的冠状病毒存在蝙蝠以外的中间动物宿主，其中包括携带SARS-CoV-1的果子狸（引发SARS）和携带 MERS-CoV的骆驼（引发MERS）。
以此类推，与SARS-CoV-2密切相关的前体病毒可能在一种或多种动物中传播。初步分析表明，非法进口到广东省的马来穿山甲（Manis javanica）的CoV与SARS-CoV-2相似。尽管蝙蝠病毒RaTG13在整个基因组中仍然是最接近SARS-CoV-2的，但马来亚穿山甲CoV在所有六个关键RBD残基上都与SARS-CoV-2相同（图1）。但是，尚未鉴定出在整个基因组中与SARS-CoV-2足够相似的穿山甲CoV，以支持其直接感染人类。另外，穿山甲冠状病毒不携带多碱基酶切位点。为了使前体病毒获得适合于人ACE2受体结合的多碱基酶切位点和S蛋白中的突变，动物宿主可能必须具有较高的种群密度，才能有效地进行自然选择，并且该动物的ACE2基因类似于人类ACE2基因。穿山甲和其他动物中可能带有SARS-CoV样病毒，应作为未来公共卫生的重点。
2、人际传播隐秘适应
SARS-CoV-2前体病毒的上述特征，也有可能是在人际传播过程中获得的。研究者推测，一旦（同时或连续）获得了这些特征促使疫情得以暴发，从而产生足够大且不同寻常的肺炎病例群，从而最终触发了医疗卫生系统的关注。
到目前为止，所有测序的SARS-CoV-2基因组都具有突变的RBD和多碱基酶切位点，因此这些特征是从共同祖先获得的。
使用当前可用的基因组序列数据估算SARS-CoV-2共同祖先（tMRCA）的出现时间，表明病毒于2019年11月下旬至12月上旬出现，这与最早的回顾性确诊病例一致。可以假定，在最初发展为人际传播、获得多碱基酶切位点期间，存在一段无法识别的人际传播时期。如果很长时间内，存在人畜共患病传播和人际传播，也有可能造成小范围的病情暴发。这基本上是阿拉伯半岛MERS-CoV的情况，其中所有人类病例都是病毒从骆驼反复传播的结果，最终形成单一感染或传播短链，不再发生进一步的人际传播。迄今为止，在过去8年中发生了2499例病例之后，MERS-CoV还没有获得人类适应性，这使得MERS未能造成大规模全球性传播事件。
我们如何测试SARS-CoV-2之前已在人群中造成的隐秘传播呢？对血清样品的基因组学研究可能会提供重要信息，但鉴于病毒血症的时间通常相对较短，因此可能无法在早期库存样品中检测到低水平的SARS-CoV-2。回顾性血清学研究可能会提供参考，并且已经进行了一些此类研究。有人发现动物进口贸易商对冠状病毒的血清阳性率为13%，有研究指出，中国南方一个村庄的居民中有3%对这些病毒呈血清阳性。有趣的是，对来自于武汉的200名居民的研究中没有显示冠状病毒的血清反应阳性。至关重要的是，这些研究无法区分阳性血清反应是由于先前感染SARS-CoV-1还是-2。应该进行进一步的回顾性血清学研究，以确定先前人类在不同地理区域接触过β冠状病毒的程度，尤其是使用可以区分多种β冠状病毒的测定方法。
3、实验室传代培养选择？
世界各地的多个BSL-2（生物安全二级）实验室，多年来一直在开展有关蝙蝠SARS样冠状病毒在细胞培养和动物模型中传代的基础研究。之前也发生过SARS-CoV-1实验室泄漏感染实验室人员及亲属的实例。因此，我们必须考虑有意或无意释放SARS-CoV-2或其前体病毒的可能性。从理论上讲，SARS-CoV-2有可能在适应细胞培养传代过程中获得RBD突变位点，正如在SARS-CoV和MERS-CoV的研究中所观察到的那样。然而，通过细胞培养或动物传代产生SARS-CoV-2，需要事先分离具有非常高遗传相似性的祖病毒，此外，多碱基酶切位点的产生，要在细胞培养物或具有类似于人的ACE-2受体的动物（例如雪貂）中进行大量传代程序。在细胞培养传代中是否会产生O-连接聚糖也是值得考虑的，因为这种突变通常表明免疫系统的参与，这在体外是不存在的。
结论
在全球COVID-19公共卫生事件中，有理由怀疑疫情的起因是什么。对动物病毒如何越过物种边界感染人类造成公共卫生事件的详细了解，将有助于在未来预防类似的人畜共患病事件。例如，如果SARS-CoV-2已预先适应另一种动物，那么即使目前的流行病得到控制，也有未来再发生COVID-19事件的风险。相反，如果我们描述的适应性过程发生在人类中，那么即使再次发生人畜共患病的传播，除非发生相同系列的突变，它们也不太可能造成严重事件。此外，确定SARS-CoV-2最亲近的动物亲属，将大大有助于病毒功能学的研究。
本文描述的基因组特征，可以部分解释SARS-CoV-2在人类中的传染性和传播性。尽管基因组证据不支持SARS-CoV-2是实验室构建的观点，但目前尚无法证明或反证本文所述的其起源的其他理论，并且尚不清楚未来的数据和研究是否会帮助解决此问题。确定直接的非人类动物来源并从中获得病毒序列，将是揭示病毒起源最确定的方法。此外，获得有关该病毒的更多遗传和功能数据将是有帮助的，包括受体结合以及多碱基酶切位点和O-连接聚糖作用的实验研究。同样，对SARS-CoV-2潜在中间宿主的鉴定，以及包括与武汉市场无关的早期病例的测序，也将具有重要意义。无论SARS-CoV-2的起源如何，对人类和其他动物进行肺炎的持续监测显然至关重要。
（报道：赵永刚）
参考文献：virological.org