生物科学之病毒学学术沙龙概述

康翠洁

(山东大学 生命科学学院，青岛 266237)

病毒(virus)又称真病毒(euvirus)，是无完整细胞结构，必须在活细胞内寄生并复制的非细胞型微生物，多数由核酸和蛋白质构成，又被称为介于生命与非生命之间的分子生物。病毒可以入侵各种单细胞和多细胞生物，利用宿主细胞成分进行自身的复制与传播。亚病毒(subviruses)是比病毒结构更简单，生物学特性与真病毒不同的一些传染因子，包括类病毒(viroids)、拟病毒(virusoid)和朊病毒(virino)[1]。目前，已知的急性传染病中，约有2/3由真病毒和亚病毒感染所引发。对病毒的组成、结构、分类、生命活动过程及其导致的疾病暴发机制与控制方式所开展的科学研究都属于病毒学的研究范畴。随着分子生物学、生物化学和计算机科学与测序技术的发展，病毒学相关的研究已经深入到分子水平，并且有力地推动了生物学、医学、农学等相关学科的发展，成为生命科学领域中一门重要的分支学科。

从2019年年底开始，一种新型冠状病毒引发的非典型性肺炎席卷全球，该疾病被世界卫生组织命名为2019冠状病毒病(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，简称新冠肺炎。引起该疾病的病原被国际病毒分类学委员会定名为“SARS-CoV-2”。该病毒与引起2003年的“严重急性呼吸系统综合征”疾病的“SARS”病毒和2012年引起“中东呼吸系统综合征”的“MERS”病毒同为冠状病毒，属于目前已知的可感染人类的7种冠状病毒成员。根据世卫组织统计，截至2022年初，全球新冠肺炎累计确诊病例已经达到29亿人，累计死亡病例546万人，给世界经济和人民生活造成了巨大影响，也显示出对病毒学相关领域进行深入研究的必要性和紧迫性[2-3]。在此形势下，生物学杂志社联合国内多个学术单位，共同举办了这次病毒学学术沙龙，邀请了近期在国际病毒学研究领域作出重要贡献的12位国内年轻学者，围绕病毒学的重点研究方向和目前研究热点进行了学术交流，现将本次会议交流的主要内容概述如下。

1 重要病毒感染、检测与防治

虽然大多数SARS-CoV-2感染者无症状，或仅表现出轻、中度症状，但约有15%～20%的患者会发展为重症及危重症，其机制还不清楚。新冠疫苗的广泛接种显著降低了病毒的传播及患者发病程度，部分中和抗体和小分子药物也能显著降低重症化风险，但新冠变异株(如Alpha、Beta、Delta以及最近备受关注的Omicron毒株)不断逃逸疫苗诱导的免疫，引起更加广泛的感染。因此，深入研究新冠肺炎重症化机制、研发高效广谱的抗病毒药物迫在眉睫。我国病毒学领域的相关科研人员积极参与新冠病毒及其引发疾病的相关研究，并在多个领域做出了出色的工作。本次会议中，有3位专家从不同角度深入介绍了在冠状病毒及相关疾病研究领域做出的科研成果。

1.1 冠状病毒入侵与宿主免疫机制

广州医科大学附属第一医院/呼吸疾病国家重点实验室赵金存教授团队长期关注由冠状病毒感染所引发的呼吸系统新发、突发传染病的体液免疫机制及应急救治抗体药物开发和应用[4-7]。在报告中，赵金存教授首先介绍了COVID-19病人的体液免疫特征，指出COVID-19轻症病人具有较低的IgM反应，而重症病人存在抗体异位分布的特点，相关指标可以用于重症预警；以中东呼吸综合征(middle east respiratory syndrome，MERS)研究为例，详细介绍了利用MERS病毒抗原进行骆驼、马、鼠及转基因牛等动物源治疗性中和抗体的研究成果，并深入介绍了利用艾巴氏病毒(Epstein-Barr virus，EBV)转化法制备人源化单抗的最新成果。该团队发现了多个MERS的全新的抗原表位，并对一些新的抗原表位的作用机制进行了解析[8]。该课题组还发现，利用表达SARS-CoV-2 的RBD(receptor binding domain)抗体的慢病毒质粒进行小鼠鼻内免疫，可以有效地预防病毒感染，并且具有长期保护效果，为开发新型抗病毒免疫制剂提供了线索。

1.2 新冠肺炎重症化机制解析与治疗

深圳第三人民医院张政教授研究组围绕新冠肺炎重症化机制解析与治疗，开展了许多卓有成效的研究工作并在本次会议中进行了介绍。在2019新冠肺炎暴发初期，该团队率先应用单细胞多组学技术解析了新冠轻/重症患者肺泡灌洗液单细胞图谱[9]，鉴定出与重症化相关的炎症/纤维化细胞亚群，还绘制了重症患者外周免疫麻痹特征。通过国际合作，建立了一种新的病毒Viral-Track方法，追踪新冠病毒RNA的单细胞水平分布[10]，从造血干/祖细胞分化的角度解析了与重症化显著相关的淋巴细胞减少症的潜在机制。率先从新冠肺炎康复者中迅速分离到206种病毒特异性抗体，并优选出两种“精英抗体”，阐明关键抗体的中和机制[11]；与清华大学和腾盛博药公司共同开发出新冠抗体药物(BRII-196/BRII-198)，可有效对抗目前主流变异株，已于2020年12月8日获中国药监局批准上市，成为中国首个完全具有自主知识产权的新冠肺炎治疗性药物[7,12]，相关成果发表于Nature、CellRes、NatCommun等杂志。同时针对病毒突变频繁及存在免疫逃逸的现状，开展了国际上首个“新冠病毒突变株”单抗的鸡尾酒临床实验，经过多中心、多种族和多变异株测试，发现该疗法可以使得住院和死亡复合终点降低78%。发现新冠病毒RNA依赖的RNA聚合酶NSP12可以激活宿主细胞内的受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶RIPK1，诱导炎症因子风暴产生，而RIPK1的抑制剂Nec-1s可以抑制这一过程，显著降低病毒增殖和神经系统炎症反应[13]。

1.3 新冠病毒诊断试剂盒、中和性抗体和疫苗研发

中国科学技术大学金腾川教授团队在2020年新冠疫情暴发初期，便对新冠感染后体液免疫应答的规律进行了研究，发现新冠感染早期，血清中不仅有特异性IgM，还有特异性IgA[14]，因此提出了利用IgA/IgM/IgG等3个指标共同作为新冠血清学诊断标志物的诊断方案，并利用新冠刺突蛋白受体结合结构域(receptor binding domain，RBD)作为抗原，研发了新冠IgA/IgM/IgG化学发光法诊断试剂盒。该诊断方案和试剂盒临床验证具有高于98%的准确性。另外，发现诊断新冠刺突蛋白RBD的IgA与其他抗体亚型相比，具有更好的中和病毒的活性。课题组还利用羊驼纳米抗体平台，筛选获得了多种针对新冠RBD的中和性抗体，它们结合在不同抗原表位，联合使用或者偶联后具有极高的中和新冠病毒活性，并且能够对抗新冠突变株[15]。针对病毒突变株逃逸宿主细胞免疫的分子机制，该团队筛选发现了多种冠状病毒共有的一些T细胞保守表位，解释了交叉保护和预存免疫机制，正在与疫苗企业共同研发针对病毒突变株的重组疫苗和腺病毒相关病毒(AAV)载体疫苗的研究工作，从不同侧面为疫情防控开发新的药物。

1.4 猪重要病毒病的遗传演化与防控产品研发

我国是生猪生产和消费的大国，每年生猪出栏量约7亿头，占世界出栏总量50%以上。而生猪疫病严重危害生猪产业的健康发展，每年造成近千亿元的经济损失。随着我国生猪养殖规模的逐渐扩大，生猪疫病呈现病原流行病学调查不系统，病原变异呈现速度加快、毒力不断增强、混合感染和跨种感染增多、疫苗防控效果不佳、老病未除而又添新疫情的局面，急需防控理论与技术的突破。尤其是非洲猪瘟给我国养猪业带来了巨大的经济损失，目前乃至未来一段时间仍将是生猪产业面临的主要问题。因此，建立完善的非洲猪瘟防控技术、猪重要疫病流行病学监测及诊断技术、动物疫病净化关键技术及研发猪重要疫病高效防控产品，将一直是生猪疫病防控的研究热点与发展方向。

本次会议中，山东省农业科学院畜牧兽医研究所的吴家强研究员，详细介绍了他们对生猪重要疫病开展的流行病学调查结果，以及猪繁殖与呼吸综合征病毒(PRRSV)、猪流行性腹泻病毒(PEDV)、猪圆环病毒(PCV)、副猪嗜血杆菌(HPS)等病原的分子遗传演化规律[16-18]。在此基础上，该团队开发建立了针对不同病原的多种快速诊断方法，并且通过筛选和甄别免疫原性强的流行病毒株，突破纳米佐剂、高密度发酵培养、切向流超滤浓缩等制苗工艺瓶颈，创制出4种灭活疫苗，研制出针对PEDV变异株的猪传染性胃肠炎、猪流行性腹泻的二联活疫苗和PCV2核酸候选疫苗，还研发出两种新兽药实现了产业化上市。通过集成和创新猪重要疫病的疫苗研制、快速诊断、免疫监测、生物安全等关键防控技术[19]，该团队还构建了猪重要疫病综合防控技术体系，在山东、河南等生猪主产区示范推广，取得了显著的经济、社会和生态效益，推动了养猪行业和生物制品行业的科技进步。

1.5 对虾白斑综合征病毒感染机制及防控技术

我国是全球对虾养殖第一大国，养殖产量占全球30%以上，年直接经济产值超500亿元(国家虾蟹产业技术体系)。对虾养殖在创造巨大经济价值的同时也面临着病害的严重威胁，其中白斑综合征病毒(WSSV)引发的病害尤为严重。中山大学何建国教授和李朝政教授长期关注对虾白班综合征防控技术的开发和应用，并且取得了很好的成效。李朝政教授系统介绍了该团队所做的系列工作。WSSV具有潜伏感染和急性感染双重特征：高剂量病毒往往直接导致急性感染，低剂量病毒感染时通常处于潜伏状态。在环境胁迫条件下，病毒一旦启动复制，潜伏感染极易转化为急性感染，然而其背后的分子机制一直是个未解之谜。该团队发现，WSSV极早期基因IE1与对虾MAPK通路JNK结合，促进JNK的自磷酸化，增强MAPK通路转录因子c-Jun的磷酸化激活，c-Jun可以促进IE1的转录，促进IE1的积累，从而形成一个由病毒和宿主基因共同组成的、全新的正反馈回路。这是首次报道病毒仅利用单个基因就成功挟持宿主途径形成一个全新的正反馈回路来促进转录及复制，为解析WSSV潜伏感染及急性感染的分子机制奠定基础[20]。同时，基于养殖设施化和竞争性捕食者食物链原理，该团队发展了环境调控技术和生物防控技术，可以有效地控制白斑综合征发生，取得了很好的病害防控效果[21]。此外，开展抗病育种也是病害防控的重要举措之一。基于前期发现的对虾干扰素抗病毒信号途径(IRF-Vago-JAK/STAT)[22]，该团队发现在IRF启动子上存在一个CT重复模块(CTn)，该模块在不同的个体中存在多态性。研究表明CTn越短其对IRF的转录启动活性越高，对虾个体的抗病能力越强(发明专利号“201810443888.4”)[23]。通过联合广东恒兴饲料股份有限公司，以该 CT模块进行抗病分子设计育种，培育的“中兴CT”品系抗病力提高了30%以上，是迄今唯一以功能基因进行对虾分子育种的实践，通过养殖示范和推广取得了很好的经济效应。

2 病毒跨种传播机制

2.1 蚊媒病毒传播循环机制

在自然界中，蚊虫是数百种烈性人类病毒的携带者和传播者。多种新发及再发蚊媒传染病，如登革热、寨卡热、西尼罗脑炎等均由蚊虫传播并导致每年数亿人感染，已对人类及全球公共卫生安全带来严重威胁和负担。从分子层面阐明多种重要蚊媒病毒感染传播的分子机制及宿主免疫保护机制，对蚊媒传染病的防治有重要意义。清华大学医学院的程功教授在蚊媒传染病致病机制的研究领域作出了许多突破性的成果，如发现蚊媒通过吸血激活GABAergic系统，辅助病毒在蚊虫体内的感染[24]；一种宿主血液来源的miRNA可通过跨物种调节机制，调控蚊虫在自然界中传播登革病毒及寨卡病毒的能力[25]；发现人体血清铁含量是调控蚊虫传播登革病毒的关键因素，并首次提出基于补铁的抗登革热传播阻断策略等[26]。程功教授深入浅出地讲解了其团队对埃及伊蚊及白纹伊蚊传播寨卡病毒的一种新的传播途径的发现与论证过程。基于流行病学调查结果和寨卡病人存在病毒尿症的特点，其课题组设计了多个巧妙的实验，首先证明两种伊蚊可以在寨卡病毒污染的人类尿液中孵化，能够成功获取病毒并通过叮咬传播病毒，然后模拟自然环境，发现埃及伊蚊可以在病毒污染的污水中孵化，蚊虫能成功获取病毒并通过叮咬传播病毒，辅助病毒完成完整的“宿主-蚊虫”自然传播循环；还利用感染动物模型证明病毒尿症可以导致蚊虫在孵化过程中直接感染病毒，并且发现病毒对pH敏感，在pH<6.5的尿液或污水中病毒完全失活[27]。该研究突显出改善公共卫生环境在寨卡疫情控制中的重要性，并为寨卡病毒防控提供了新的方法。

2.2 蝙蝠与新发传染病

21世纪以来,蝙蝠及其他自然宿主(媒介生物)携带的病毒多次跨种传播至人类,引起烈性的新发传染病(SARS，2003；MERS，2012；埃博拉，2014；COVID-19，2019)。了解这些致病病毒自然宿主的免疫机制及其携带的病毒如何突破物种的界限进行跨种传播，对新发传染病的预警与防控有重要意义。中国科学院武汉病毒研究所的周鹏研究员长期从事蝙蝠病毒与免疫学研究，系统性建立涵盖多种蝙蝠、人、家畜冠状病毒的富集高通量检测方法及快速血清学检测方法，分析了中国蝙蝠携带冠状病毒的全基因组演化趋势，建立了跨种传播评估机制，并预警预测热点病毒[28]。他系统介绍了其课题组对中国与东南亚地区蝙蝠体内病毒的分布特征、基因组演化趋势和具有跨种传播风险的蝙蝠病毒毒株的预测结果。并指出已有一株病毒的跨种传播在2017年广东暴发的猪流行性腹泻疾病中得到了验证[29]，还有一种蝙蝠病毒具有较大的跨种传播风险，应列为风险病毒和重点监测对象。同时强调，目前新冠肺炎的病毒的自然宿主可能为蝙蝠，其来源可能为东南亚地区，而病毒如何实现的跨种传播还未有定论[30]。另外，研究表明，与人类相比，蝙蝠的抗病毒机制的确具有一些特殊之处，具有稳定高表达的干扰素系统和削弱的干扰素基因刺激因子STING介导的免疫通路[31]，所以病毒会在蝙蝠体内发生快速变异，从而衍生出更多种类的病毒，但是蝙蝠自身又不发病，这些特征可以为人类开发相关疾病的治疗措施提供借鉴。

2.3 冠状病毒溯源与跨种传播

对新发突发传染病，快速了解导致其暴发病毒的自然宿主与中间宿主特征及其与宿主受体的结合方式，对阻断疾病的进一步扩散与流行，开发相应的疫苗和阻断药物，具有十分重要的意义[32]。中国科学院微生物研究所王奇慧研究员以MERS疾病暴发后的病毒溯源与跨种传播研究为例，介绍了对冠状病毒相关疾病进行溯源研究的基本思路与成果。在此基础上，该团队进行了SARS-CoV-2的溯源研究，发现COVID-19的宿主范围已经扩大到了11种哺乳动物，有18种可能的易感动物(受体可以结合)，还有14种动物在实验条件下可以感染该病毒，13种不易感动物，相关溯源研究还在推进。若防控不力，病毒有可能向其他野生动物扩散，发生演化，形成新的动物病毒库或者在人类中发生变异，故国际社会制定防控政策时需要考虑到这些因素。

2.4 媒介昆虫传播植物病毒的分子机制

作物病毒病是制约农业生产的重要因子，每年给全球农业造成的经济损失达数千亿美元,严重影响作物的高效生产和产品安全。这些病毒约70%都是借助蚜虫、飞虱、粉虱等小型昆虫进行传播。虽然有关昆虫传播病毒的过程已被大家熟知，但以往对昆虫传播植物病毒、特别是植物DNA病毒的细胞机制和分子机制知之甚少，严重制约了作物病毒病高效防控新技术的研发。

浙江大学农业与生物技术学院王晓伟教授围绕媒介昆虫对番茄黄曲叶病毒等植物DNA病毒的传播，进行了十多年的潜心钻研并取得了多项重要突破。王晓伟教授围绕植物病毒如何突破烟粉虱体内屏障传播和植物病毒如何影响烟粉虱促进其传播两个主题，详细介绍了植物DNA病毒通过媒介昆虫中肠、唾液腺和卵巢传播的细胞机制[33-34]。研究结果显示，高龄烟粉虱可以经卵传播番茄黄曲叶病毒，病毒和卵黄原蛋白结合，通过卵黄原蛋白受体侵染卵母细胞，烟粉虱的发育阶段决定了病毒经卵传播的效率[35]。某些植物病毒可以通过招募媒介昆虫唾液腺中的蛋白完成自己的复制，增强长期感染能力[36]。植物病毒感染昆虫后会诱导昆虫唾液中一种Bt56蛋白的分泌，激活植物的水杨酸途径，抑制茉莉酸途径从而有助于昆虫取食与病毒的传播和扩散[37]，相关研究成果发表在PNAS、Autophagy、PLoSPathogens等国际知名学术期刊上，结束了学术界50多年来关于植物DNA病毒可否借助媒介昆虫通过产卵进行传播的争论，在介体昆虫传播植物DNA病毒领域居国际领先水平，为研发阻断病毒传播的新技术提供了分子靶标，为探索病毒病高效防控的新策略提供了新的理论依据。

3 抗病毒免疫机制

3.1 蛋白质翻译后修饰调控抗病毒天然免疫机制

天然免疫系统作为机体抵抗外界病原微生物入侵的第一道防线，在机体受到感染后首先被激活。病原微生物具有的病原相关分子模式(PAMPs)可被宿主细胞的病原识别受体(PRRs)所识别并诱导其下游信号通路的活化，引起干扰素和干扰素诱导基因的表达和产生，使细胞建立抗病毒状态。已知RNA病毒和DNA病毒侵染细胞时，会通过两种不同的识别过程(RNA病毒为维甲酸诱导基因-线粒体抗病毒信号蛋白RIG-MAVS途径，DNA病毒为环CMP-AMP合酶-干扰素基因刺激因子cGAS-STING途径)激活转录因子IRF3的活化及其入核，最终调控干扰素的表达[38-39]。蛋白质翻译后修饰在两种途径的识别与活化中发挥着重要的作用。山东大学医学院高成江教授报告了其课题组在泛素化和精氨酸甲基化修饰调控抗病毒天然免疫信号途径中的重要发现。包括RNA病毒感染刺激E3泛素连接酶TRIM31富集到线粒体上，直接促进MAVS的K63位泛素化修饰以及MAVS多聚体的形成与活化，从而激活下游抗病毒I型干扰素信号通路[40]。去泛素化酶USP18作为一个接头分子，以不依赖于其酶活性的功能促进TRIM31向线粒体转位，增强TRIM31与MAVS的结合来促进其活化。E3泛素连接酶RNF128通过K63位泛素化修饰Tank 结合激酶TBK1促进抗病毒天然免疫[41]。E3泛素连接酶TRIM26可以使核因子IRF3多聚泛素化降解，从而负向调控干扰素β的产生和抗病毒反应[42]。另外精氨酸甲基转移酶 PRMT1 通过非对称精氨酸甲基化促进TBK1的激活，从而促进抗病毒免疫[43]。这些研究结果为相关病毒性疾病的防治和药物开发提供了治疗靶点和重要的理论指导。

3.2 细菌的CRISPR-Cas免疫和基因编辑

CRISPR-Cas系统本是细菌体内存在的一种对抗噬菌体病毒侵染的适应性免疫机制，自从被发现报道以来，已经在生命科学研究领域得到了广泛的应用。然而，常用的CRISPR-Cas9系统在使用时也逐渐暴露出诸多的问题。哈尔滨工业大学生命科学学院的黄志伟教授在本次会议报告中深入阐释了目前已知CRISPR-Cas系统的特点及Cas9和Cas12a两类系统发挥功能的作用方式，展示了其课题组在发现和改造这些系统中所做的工作[44-45]。同时，从结构生物学的角度，深入阐释了噬菌体中几种抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR proteins，Acrs)拮抗细菌CRISPR-Cas系统作用的分子机制，发现噬菌体的AcrIIA14蛋白可以通过与金黄色葡萄球菌Cas9蛋白的HNH结构域上的一个非保守区域相结合，引发Cas9蛋白一系列构象变化而发挥抑制效应[46]。另外，具有乙酰转移酶活性的AcrVA5可以通过Cas12a乙酰化发挥抑制效应[47]。这些研究成果不仅扩展了对抗CRISPRS蛋白的了解，亦为CRISPR-Cas9系统在基因编辑和基因调控中的合理使用提供了线索。

3.3 水稻抗病毒与病毒致病

水稻是重要的粮食作物，也深受各种病毒病的危害。作物的抗病毒策略主要包括4种来源，分别是显性抗病毒基因介导的抗性、隐性抗病毒基因介导的抗性、基因沉默介导的抗性以及植物激素介导的抗性[48]。这4种抗病毒途径之外，泛素化和细胞自噬是新的抗病毒途径。面对这些抗病毒机制，病毒在采取相应的致病机制之外，并不断进化，力求打破宿主抗病毒防卫反应，实现成功侵染。如病毒编码的RNA沉默抑制子针对RNAi抗病毒机制发挥功能。福建农林大学吴建国教授深入介绍了水稻抗病毒研究的国内外现状，并围绕RNAi水稻抗病毒机制及病毒的拮抗方式，介绍了单子叶特异性AGO18通过螯合miR168和miR528，保护AGO1和AO介导的防卫反应，增强水稻对病毒的抗性[49-50]。水稻锯齿叶矮缩病毒(RRSV)诱导miR319抑制茉莉酸途径(jasmonicacid，JA)促进病毒的侵染[51]。同时，该团队还发现水稻条纹花叶病毒(RSMV)编码P4蛋白通过泛素化、自噬等途径降解水稻基因沉默抑制子3，限制RNA依赖的RNA聚合酶RDR6对siRNA的放大[52]。病毒也利用RNAi对植物激素介导的抗性进行破坏。水稻草状矮化病毒(RGSV)编码P3蛋白诱导E3泛素连接酶P3IP1蛋白的高表达，进而与核RNA聚合酶D NRPD1a互作并将其降解，最终促进RGSV的侵染[53]。吴建国教授在报告中指出水稻抗病毒机制研究的发展趋势与当前面临的问题，通过广泛收集不同的水稻种质资源，筛选抗病毒品系，在全基因组水平进行抗病毒机制解析，将为深入了解水稻-病毒互做机制，筛选优良抗病品系提供帮助。

在数千万年与宿主的共处和与宿主免疫系统的博弈中，病毒的存在形式和感染能力在不断变化。目前，关于病毒的起源还无定论，认识了解病毒及其与宿主互作的方式也是任重而道远的工作。病毒学研究不同领域间的交流借鉴和与其他学科间方法与技术的交叉融合，将会是促进病毒学研究快速发展的重要手段。

致谢：感谢张政、吴建国、吴家强、李朝政、高成江、金腾川、王晓伟等教授为本文撰写提供相关资料。