“蝙蝠女侠”团队找出SARS病毒源头

  • 张渺 (中国青年报)
  • 创建于 2017-12-17
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中国科学院大学博士生导师石正丽研究组正在进行样本处理(中国科学院武汉病毒研究所供图)
 
  15株蝙蝠SARS样冠状病毒的基因序列信息,输入生物信息学推导软件,这些基因序列在某些区域近似,在某些区域又各不相同。
 
  软件开始运行,中国科学院武汉病毒研究所助理研究员胡犇,独自坐在实验室的电脑前等待。几分钟后,一连串高低起伏的线条出现在电脑屏幕上。
  这些线条意味着,15株病毒中某几株病毒的基因组序列,在经过了一系列的重新组合之后,与曾经造成“非典型性肺炎”疫情的SARS病毒,基因序列高度一致。 
  这15株病毒,全部来自中国云南的一个蝙蝠洞。
  看到结果的那一刻,胡犇很平静。他和研究组,在对这些病毒进行基因组扩增,拿到测序结果之后,早已对目前的推导结果作出了推测。在之后的组会上,胡犇将软件推导结果报告给研究组组长石正丽。
  2017年11月30日,研究组关于SARS冠状病毒起源推论的论文,在线发表在《公共科学图书馆-病原学》(PLOS Pathogens)上。12月1日,《自然》杂志新闻专栏对这篇论文进行了报道。
  “我们揭示了SARS冠状病毒可能的重组起源。”胡犇对中国青年报·中青在线记者说。
  蝙蝠是冠状病毒的自然宿主,果子狸也没有被冤枉
  15年过去了,胡犇仍然记得2003年,他正在读高三,武汉的夏天极热,但人们出门时戴着厚厚的口罩。
  “普通口罩用处不大,图个心理安慰。”胡犇一边回忆,一边无奈地笑。
  直到今天,“SARS”这个词仍令经历过的人谈之惊心。
  在北京市卫生和计划生育委员会公共处处长姚铁男的印象里,当时SARS病毒简直是“来无影去无踪”的存在。
  它在2002年冬天悄然出现,在2003年春天爆发,“传染性强、传播快、死亡率高”。随着感染者的流动,它蔓延到全国各地乃至世界各地,中国内地有24个省(区、市)报告了SARS病例。
  有史以来第一次,世界卫生组织发布了全球旅行建议,让人们谨慎出行。这种疾病被定名为严重急性呼吸综合征(Severe Acute Respiratory Syndrome),简称SARS。疫情持续了8个月,席卷26个国家,感染8096人,死亡774人。其中,中国报告病例7429例,死亡685例。此后,SARS几乎消失了,再也没有出现大的疫情爆发。
  “一开始我们不知道病原体到底是什么。”胡犇说。
SARS样冠状病毒的自然宿主菊头蝠(广东省昆虫研究所张礼标研究员供图)
  实验室里,科学家忙碌起来。很快,一种病毒从病人体内被分离出来。它看起来像一顶王冠,表面有许多排列规则的突起。在经过基因测序后,研究者发现,这是一种“我们从未认识的、全新的冠状病毒”。它是从哪儿来的?果子狸成为首要“疑凶”。
  在野味消费大省广东,初始病例包括处理过野味的厨师、野生动物市场商贩等。“非典”疫情爆发之前,他们经常接触果子狸。
  很快,研究人员从野生动物市场上的果子狸体内,检测到了SARS冠状病毒,“与人群中流行的 SARS 病毒全基因组序列的一致性达到99.8%,两者高度相关”。研究者确认,果子狸的确是将SARS病毒传播给人类的直接源头。
  “但是,直接源头并不等于根本源头。”胡犇向中国青年报·中青在线记者解释,想要找到一种病毒的根本源头,最重要的,是要找到它的自然宿主。
  根据胡犇的说法,病毒也是生物,它们目的并不是杀死所有宿主,而是“生存”。有一些宿主,能够在体内长期携带某一类病毒,却不会因此生病甚至死亡,而是与病毒和谐共存,在整个种群当中,同类病毒存在一定的自然感染率。这样的宿主,在生物学上被称为自然宿主,它们就像病毒的“蓄水池”。
  一系列动物实验证明,对人类致命的SARS冠状病毒,同样能够让果子狸生病。另一方面,针对野生果子狸和养殖果子狸的大范围流行病学调查结果也显示,它们都没有感染SARS病毒。果子狸仅仅是中间宿主。
  2004年,中国科学院武汉病毒研究所的研究员石正丽和当时还在中科院动物所工作的张树义研究员,踏上了追踪SARS冠状病毒源头的征程。90年代,曾有两种人兽共患的病毒传染病,分别在在澳大利亚和东南亚爆发,根本源头都来自同一种动物——蝙蝠。
  “一种是从蝙蝠身上先传播到猪,再传染给人。另一种中间宿主是马。这向追踪SARS病毒溯源的研究团队提出了一个可能性,SARS的源头会不会也是蝙蝠。”胡犇说。
  对研究病毒的学者来说,蝙蝠的地位特殊。
  它们的学名是翼手目,在哺乳动物中,是仅次于啮齿类动物的第二大类群,其种类占哺乳动物物种数的20%,在全世界分布范围广泛。菊头蝠是中国常见的蝙蝠种类之一,食虫,平均寿命25年。
  蝙蝠也是许多病毒的自然宿主,包括埃博拉病毒、马尔堡病毒,狂犬病毒、亨德拉病毒、尼帕病毒等。由于蝙蝠具有特殊的免疫系统,携带病毒却极少出现病症。在漫长的进化历程中,蝙蝠成了上百种病毒的自然宿主。
  研究人员开始在蝙蝠的种群当中,对SARS冠状病毒进行溯源。石正丽和张树义研究员带领联合研究团队,在广东、广西、湖北和天津等地,采集了408只蝙蝠的肛拭子、咽拭子和血液样品。
电子显微镜下的SARS冠状病毒粒子(中国科学院武汉病毒研究所杨兴娄博士供图)
 
  在实验室里,研究人员对这些样品进行了抗体与核酸检测。他们在菊头蝠种群中检测到了SARS冠状病毒抗体。不同地区的菊头蝠中,都检测到了“遗传多样的、与SARS病毒相类似的冠状病毒核酸”。样品中还有一株蝙蝠冠状病毒,全长基因组测序证明,它与能够感染人和果子狸的SARS冠状病毒,基因组序列相似度达到92%。
  2005年,这项发现刊载于《科学》杂志。“蝙蝠是与SARS冠状病毒相关的一类冠状病毒的自然宿主,这些病毒被称为SARS样冠状病毒,导致SARS爆发的病毒,也是这个冠状病毒家族的成员之一。”论文中写道。
  “果子狸是人感染SARS病毒的直接来源,作为中间宿主,并不是被冤枉的。事实也证明,清除野生动物市场上的果子狸,确实起到了遏制疫情的作用。但说到根本源头,作为自然宿主的蝙蝠,可能性更大。石老师的这篇论文,是我们在SARS冠状病毒溯源研究中的第一个里程碑。”胡犇说。
  第一株蝙蝠SARS样冠状病毒的活病毒分离出来了
  
  确认蝙蝠是SARS样冠状病毒的自然宿主,溯源的征程,只是刚刚开始。
  尽管基因组结构相似,但在一段关键的基因上,研究组当时发现的蝙蝠SARS样冠状病毒,与感染人和果子狸的SARS病毒,相差非常大。这段关键基因名为刺突蛋白基因,又叫“S基因”。
  “冠状病毒的S蛋白负责病毒与细胞表面的受体结合,受体结合之后,病毒才能入侵细胞,建立感染。病毒与受体的结合具有特异性,S基因不同,病毒的受体就可能不一样。这就像什么钥匙配什么锁,如果找不到可以利用的受体,病毒是无法感染细胞的。所以说,S基因对冠状病毒可以感染哪些细胞、感染什么宿主、致病性如何都具有重要的决定作用。”胡犇说,“S基因差别太大,这些SARS样冠状病毒很可能不能像SARS病毒那样感染人或者果子狸。”
  除了S基因,还有几个附属基因,也并不完全一致。这说明,之前发现的病毒,与SARS病毒的直接祖先存在不小的差距,无法确认造成非典疫情的病毒源头就一定是蝙蝠。
  为了找到更多证据,研究团队在中国西南、华南、华北、华中的荒郊野岭上继续研究征程,最远到过西藏墨脱、云南西双版纳。组员罗东升近两年刚加入采样团队,他回忆,有一次他一下午爬了好几个山头,钻了7个蝙蝠洞。遇到洞口很低的,不得不匍匐前进。
  有时候,蝙蝠洞就在不远处的山头上,直线距离不过几十米,走过去却要花几小时。路上荆棘丛生,需要用刀或锄头劈出一条路。
  更多时候,罗东升会趴在汽车副驾窗边,举起望远镜对着窗外。汽车在山路上行驶,他需要判断哪些地方可能有蝙蝠洞。
  作为课题组长,石正丽时常带队爬山钻洞。采样工作通常是4人一组。组员戴着N95口罩、手套和头灯,穿着外套,傍晚时在蝙蝠洞口支起捕鸟网。夜里,他们从捕鸟网上取下落网的蝙蝠,在野外临时搭起的工作台上,连夜进行肛拭子取样。他们捉住蝙蝠,用浸过生理盐水的棉签拭子,插入蝙蝠肛门拭取样品。
  提取肛拭子之后,蝙蝠会被放走。“石老师一直坚持无侵害取样,尽量不剖杀蝙蝠,采样时也尽量减少对蝙蝠的身体伤害。”罗东升说。有些蝙蝠种群数量很少,破坏性的采样很有可能对整个种群造成毁灭性打击。蝙蝠在维护生态平衡中发挥重要作用,捕杀大量蝙蝠,将对生态系统造成重大损失。
  尽管戴着手套,人被蝙蝠咬伤的风险依然存在。研究组成员范毅比画了一下蝙蝠牙齿的长度,前不久,他的食指就被一只蝙蝠咬伤。
  “在野外采样之前,我们都会提前注射狂犬病疫苗。在蝙蝠携带的病毒当中,这是最危险的。”范毅说。
石正丽研究组在野外作业(中国科学院武汉病毒研究所供图)
  直到2011年,在云南的一个蝙蝠洞里,研究组终于找到了自己一直在寻找的线索。
  “从这个洞里的样品中,我们第一次检测到了和SARS病毒更相近的SARS样冠状病毒S基因。虽然其他的基因片段并不完全一样,但比起其他的采样地点,云南的这个洞,更值得我们关注。”从这一年开始,云南的这个蝙蝠洞被定为长期采样地点。
  一直到2015年10月,每年的春秋两季,石正丽研究团队都会到那里去。
  “春天是蝙蝠的繁殖季节,秋天则是冠状病毒检测出阳性率最高的季节。”胡犇解释。
  
  这个洞穴的温度大约在22℃到25°C之间,湿度在85%到90%左右。这里栖息着一个数量庞大的菊头蝠种群。在整个云南,类似的蝙蝠洞其实并不罕见。
  黄昏时,研究团队会在洞里的地面铺上一块布,第二天早上收走采集了一夜的新鲜蝙蝠粪便。每粒粪便样本大约1克重,被放在1毫升的收集溶液里,带回实验室,储存在零下80°C的冷冻箱里。在实验室里,样品中的病毒RNA被提取出来。
  2013年,中科院武汉病毒研究所实验室,从粪便样品中,分离出第一株蝙蝠 SARS 样冠状病毒的活病毒,它被命名为WIV1(WIV是武汉病毒研究所的英文简称)。它比之前发现的任何一株蝙蝠SARS样冠状病毒都更接近SARS冠状病毒,正是那段相近的S基因,让这株蝙蝠SARS样冠状病毒能够使用和SARS病毒相同的受体,并能够感染人的细胞。这项成果刊载于2013年11月的《自然》杂志。
  第二个里程碑立起来了。
  SARS病毒起源问题,终于可以被回答了
  成功分离出WIV1,让全球科学家对SARS病毒起源的分歧、争论,变得“趋于一致”。这场已经持续多年的追捕,目标渐渐清晰——SARS冠状病毒起源于菊头蝠。
  “但是,我们在云南这个采样点的蝙蝠当中,还没有找到SARS病毒最直接的祖先株。也就是说,在所有的基因上,都和SARS病毒高度相似的一株蝙蝠病毒,我们并没有找到。”按照胡犇的说法,当时的整个证据链上,还有一个信息缺口没填上。
  对云南这处蝙蝠洞的采样工作,持续了5年,共10次采集,收集到64份蝙蝠粪便粒和肛拭子样品。研究组从这些样品中,陆续分离出3株活病毒,得到了共计15株蝙蝠SARS样冠状病毒的全长基因组序列。
  与造成非典疫情的SARS病毒相比,这15株病毒有的S基因高度同源,个别附属基因不同,有的附属基因高度相似,却在S基因上差异明显。
  尽管没有一株病毒与SARS病毒完全相同,研究组却发现,在这15株病毒当中,包含了SARS病毒所有的基因组组分。
  “我们考虑到一个可能性——这个蝙蝠种群携带的不同的病毒之间出现了基因重组,产生了SARS病毒。”胡犇说。
  2016年2月的一天,针对15株蝙蝠SARS样冠状病毒基因信息的基因重组推导在计算机中开始进行。最终结果证实了研究组的推测。
  “云南的这个蝙蝠洞,就像一个SARS样冠状病毒基因库。不管是S基因、附属基因还是非结构蛋白基因,SARS病毒的全部基因组组分,都可以在这个天然基因库中找到。”胡犇告诉中国青年报·中青在线记者,“我们在这些蝙蝠SARS样病毒的基因组上多个位点发现了频繁重组的证据,通过进一步分析,我们推测,造成当年疫情的SARS冠状病毒的直接祖先可能通过这些蝙蝠SARS样冠状病毒的祖先株之间发生的一连串的重组事件而产生。”
  SARS病毒起源尚存的问题,终于可以被回答了。
  研究组提出了猜想:15年前,SARS冠状病毒的第一个祖先株,在云南或者西南地区的某个蝙蝠种群中出现了。在偶然的情况下,病毒感染了野生果子狸,带病的果子狸被人类被捕捉。也有可能,是携带病毒的蝙蝠接触了当地的果子狸养殖场。当果子狸抵达广东的野生动物市场后,病毒在其体内发生了快速进化,以SARS病毒的最终样态登上人类餐桌。
  然而,一切都只是推测,15年前的那个过程,不可能被还原了。
  “这项发现告诫我们,须减少对蝙蝠等野生动物栖息地的侵扰、杜绝野生动物市场交易,这对于防止新发传染病的发生至关重要。” 香港大学微生物学家袁国勇教授对这项研究发表评论称。
   
  “蝙蝠携带的SARS样冠状病毒需要引起我们的重视,但是也无需过度紧张。只要我们和自然栖息地的蝙蝠保持一定的距离,病毒从蝙蝠溢出的可能性很小。”胡犇说,“另外需要指出的是中间宿主,也就是和人类接触机会更多的这些动物,在病毒从自然宿主到人的这个传播链中往往扮演着关键角色。所以说,不光是和蝙蝠保持距离,还需要停止消费果子狸等野生动物,将疾病暴发风险降至最低。”
  胡犇把病毒监测与病毒发现工作称为“病毒研究的上游”,能为“下游”的防治工作、诊断方法与疫苗研发以及其它基础研究奠定基础。这项研究意味着,类似SARS的新发冠状病毒病,仍然存在着爆发的风险,为相关疾病的预防提供了依据。
  “这回发现的完整的SARS样冠状病毒基因库,可以让疾控专家用软件提前模拟出还没有出现过、很可能出现的、能够感染人类的病毒,我们可以提前研究疫苗,研究对策。”中国科学院院士、中国疾病预防控制中心主任高福对中国青年报·中青在线记者说。
  他将SARS疫情之后的中国疾控工作,称为“砥砺前行”,“发生MERS(中东呼吸综合征冠状病毒)疫情的时候,我们就不像2003年时那样了,很快把MERS控制住了。”
  2003年5月9日,《中华人民共和国国务院令(第376号)——突发公共卫生事件应急条例》发布,要求建立突发事件应急报告制度,在“发生或可能发生传染病爆发、流行”,以及“发现不明原因的群体性疾病”等情况后,各级政府要在接到报告1小时之内,向国务院卫生行政主管部门报告。
  2005年,国家投入116亿元,建立以疾病预防控制机构为中心的疾病防控体系,作为解决突发公共卫生事件的应急系统。
  “非典”之后,北京市各级疾控部门都开始针对突发公共卫生事件进行培训和演练。北京市卫计委疾控部门建立了一套24小时不间断运转的传染病监测网络。2012年,北京市投入1.75亿元,为市区两级疾控机构配备仪器装备。
  在高福看来,一流的疾控,需要一流的科研成果来支撑,体现在与疾控有关的基础研究和应用研究上。
  提到石正丽,他开了个玩笑:“我们都叫她Bat Woman,蝙蝠女侠。”
 
原载于《中国青年报》2017年12月13日第11版
 
责任编辑:于洋