综述：SARS-CoV-2刺突蛋白除弗林蛋白酶切割位点外的多重适应性变化

《Virology》：SARS-CoV-2 Spike displays multiple adaptive changes in addition to the furin cleavage site.

本文系统阐述了SARS-CoV-2刺突蛋白（Spike）从蝙蝠沙贝病毒进化过程中的关键适应性变化。除弗林蛋白酶切割位点（FCS）插入外，作者通过对比BANAL-20-52等近缘病毒，揭示了病毒在宿主范围扩展、氨基端结构域重塑、三聚体开放构象转变等方面的多重适应性突变，构建了从胃肠道传播到呼吸道传播的多阶段进化轨迹。

　　

Abstract

SARS-CoV-2（严重急性呼吸综合征冠状病毒2型）从其蝙蝠沙贝病毒祖先进化而来，此过程涉及刺突蛋白（Spike）的多重适应性改变，而弗林蛋白酶切割位点（Furin Cleavage Site, FCS）的插入仅是其中之一。与SARS-CoV-2整体基因组相似度最高的蝙蝠沙贝病毒BANAL-20-52的刺突蛋白分析表明，在SARS-CoV-2的直接祖先溢出到人类之前，其刺突蛋白已经发生了一系列超越FCS的关键适应性变化。

Introduction

刺突蛋白是冠状病毒的表面糖蛋白，属于I类病毒融合蛋白，介导病毒附着、膜融合和细胞进入。在SARS-CoV-2中，刺突蛋白基因的一个12核苷酸移码插入增加了4个氨基酸（PRRA），从而在S1和S2亚基连接处创建了一个功能性的多碱基（弗林）切割位点（FCS）。FCS是SARS-CoV-2呼吸道传播和致病性的重要决定因素，但并非其引发大规模COVID-19（冠状病毒病2019）大流行的唯一特征。

大量SARS-CoV-2的近缘病毒在菊头蝠属蝙蝠中被发现，表明这些动物是SARS-CoV-2祖先的自然宿主。SARS-CoV-2基因组是多个不同沙贝病毒通过重组形成的嵌合体。来自老挝人民民主共和国马来亚菊头蝠的BANAL-20-52病毒，其基因组与SARS-CoV-2具有96.8%的核苷酸序列同一性，是迄今最接近SARS-CoV-2的病毒。然而，BANAL-20-52及其相关病毒虽能有效结合人ACE2（hACE2），但在人鼻上皮细胞和小鼠上呼吸道中复制能力受损，且表现出肠道细胞嗜性而非呼吸道细胞嗜性，这支持了蝙蝠沙贝病毒主要通过胃肠道（GI）途径传播的观点。

Comparison of BANAL-20-52 Spike to SAR-CoV-2 Spike

通过比较SARS-CoV-2与BANAL-20-52等蝙蝠沙贝病毒的刺突蛋白，可以窥见其进化轨迹。蝙蝠沙贝病毒具有肠道嗜性，主要通过胃肠道途径传播。它们的刺突蛋白主要呈现“锁定”形式，这种构象能够抵抗蝙蝠胃肠道的低pH环境。

SARS-CoV-2进化途径的初始变化包括一些替换，这些替换扩大了沙贝病毒祖先的宿主范围，允许其在非蝙蝠哺乳动物中传播。SARS-CoV-2祖先的适应还包括氨基端结构域（NTD）的重塑。呼吸道适应发生在非蝙蝠动物中的传播期间，导致刺突蛋白更倾向于采取“开放”形式，这些形式比“锁定”或“关闭”形式更不稳定、构象更松散。刺突蛋白三聚体中单体界面处的替换促进了这种向开放构象的转变。与FCS的插入类似，这些替换使得刺突蛋白对低pH降解更为敏感，而这种情况不可能发生在蝙蝠体内。在SARS-CoV-2溢出到人类之后，其主要谱系的刺突蛋白在第614位发生了天冬氨酸（D）到甘氨酸（G）的替换（D614G），这进一步减少了单体间的相互作用，促进了刺突蛋白三聚体的开放。

Conclusions

SARS-CoV-2刺突蛋白从蝙蝠沙贝病毒进化到人类大流行形式的路径涉及多重适应性变化。FCS的插入发生在后期阶段，对于增强传播性和致病性是必要的，但并非充分条件。除了FCS，刺突蛋白受体结合域（RBD）的变化扩大了宿主范围，三聚体构象从“锁定”到“开放”的转变是实现高效呼吸道传播的关键。这种多阶段的进化轨迹在蝙蝠沙贝病毒向穿山甲的跨物种传播以及通过野生动物贸易首次已知的SARS-CoV（严重急性呼吸综合征冠状病毒）溢出中也显而易见。