在未来论坛联合科学、医药、临床等领域内的知名专家并特邀一刻talks共同打造的“《理解未来》科学讲座：病*与人类健康-专题科普”中，北京生命科学研究所资深研究员李文辉博士，带来了《从科普到专业：了解新冠病*感染及如何阻断的药理研究》的主题分享。从病*复制的机制，侵入细胞受体的机制，给大家非常通俗的讲了药物研发的基本科学知识。下面分享的是李文辉博士的演讲全文。
特别鸣谢演讲整理：张倩倩，中科院生物物理所博士生点击查看演讲视频李文辉：大家好，很荣幸参加这次《理解未来》科学讲座：病*与人类健康-专题科普。首先，如果听众中有医务人员和防控一线工作的同事，我表示崇高的敬意。
我今天的演讲第一部分会抛砖引玉，介绍病*的基本知识和病*防控的重要概念。第二部分，介绍冠状病*的特点，尤其是它的侵入过程以及可能的药物应用。
病*无处不在
人类世界上有很多的病*，病*是生态环境的一部分。病*可在家畜或者野生动物之间传播，也可在人间传播，尤其是病*引起的新发传染病，对人类来说是长期存在的威胁。我们处于病*的汪洋大海中，但却并没有感染很多病*。人体有10^13细胞，皮肤作为人体表面最大器官对所有病*不易感，病*要进入人体需要有自己的通道。这一通道就是人体和外界相通的通道，包括呼吸道、消化道、生殖道，以及通过蚊虫叮咬、输血传播和母婴传播。
病*是严格的细胞内寄生生物，主要原因是病*没有自己的能量系统，也没有自己的物质系统，它只能提供遗传信息和少量的蛋白质及其他物质(复制)。病*必须通过特定通道进入细胞，这个通道称为受体。进入细胞以后，在细胞质和细胞核里面分别进行复制。
两个病*世界
病*可以分为两大类，存在RNA病*和DNA病*两个病*世界。
RNA病*绝大部分在细胞质内复制，包括此次新型冠状病*和大部分的新发病*，以及常见的丙肝等等；绝大部分的DNA病*都在细胞核内复制，包括常见的疱疹病*、乳头瘤病*等等，但也存在在细胞质内复制的DNA病*，如痘病*，也就是天花病*，天花病*是目前唯一已经被人类疫苗彻底消灭的病*，其他的病*即使有很好的疫苗也没有完全根除。在这两个病*世界之间，还有一种跨界病*，通过从RNA到DNA的逆转录的过程实现复制，如：HIV和HBV。病*用最精简的方式复制，携带的核心是它的遗传物质，它的遗传物质在哪儿复制，是整个病*生命的核心和最关键的要素。
对于RNA病*，它在细胞质内复制，病*的基因组大致包括两部分，一是它的复制酶区域，二是它的结构基因区域。例如冠状病*，它的基因组是一个长的正链RNA，翻译产生不同的蛋白质。基因组各部分保守性不同，图上红色区域表示保守性非常高，颜色递减表示保守性减弱。RNA病*进入细胞后可在“病*工厂”中，进行基因复制和基因表达，产生病*结构蛋白和基因组RNA，两者组装成完整RNA病*以后释放，至此完成它自己的生活史。
RNA病*必须在细胞质里面连续地、活跃地复制，才能长期存在于细胞中。这意味着RNA病*中任何一个关键酶或关键蛋白缺失或者被损伤，病*都不能进行连续的复制。这为病*抑制提供了多个作用靶点，任何一个（关键）靶点被有效地抑制，病*都能被有效抑制。在（抗）RNA病*中最成功的例子就是丙肝病*，丙肝病*有六七个靶点，其中任何一个靶点被抑制，病*都会被有效抑制，多个靶点同时作用就会最终消灭它。对于冠状病*来说，有两个重要的酶，一个是蛋白酶，一个是依赖于RNA的RNA聚合酶（RDRP），抗病*药物瑞德西韦如果能够有效地抑制RDRP活性，便可抑制病*复制。
DNA病*是完全不一样的世界，DNA病*主要存在于细胞核中，同时产生它的结构蛋白、非结构蛋白和基因组。正常情况下可以持续不断地复制。但是DNA病*和RNA病*有一个巨大不同在于，DNA病*在细胞核内也可以不复制，依然能够长期存在。换句话说，病*DNA的多聚酶抑制剂，比如阿昔洛韦虽抑制了HSV病*的复制，但是病*本身的遗传物质在宿主细胞核里依旧可以长期存在，很难被消除。这个长期存在当然有一系列的基础，比如它利用了细胞本身的DNA修复机制，能够维持它的基因组完整性。与此相反，RNA病*基因组在细胞质里不能得到维持和维护，它更像一次性的，用了就扔了。
乙肝病*是介于RNA和DNA之间的一个病*，它在细胞核里的共价闭合环状DNA(cccDNA)也是长期存在的，但它的复制可以被RNA逆转录酶的抑制剂抑制。RNA病*和DNA病*在生物学上有巨大不同，在病*学者看来，RNA病*只要研究得足够深入，找到合适的靶点，可以像丙肝一样被消灭。对于DNA病*来说，它的路要长得多。
病*感染的自然史
不管DNA或者RNA病*在分子层面的表现如何，在个体层面，病*感染都有它的自然史。病*感染以后，会出现几种结局。一种是只经历亚临床的改变最终康复，另一种是从亚临床改变到临床疾病，最后或者康复、或者死亡。但是由于病*本身的特性不同，宿主个体的差异不同，病*的自然史在个体水平上是有差别的。比如，有些病*感染是隐性感染为主，如乙型脑炎病*，大部分感染没有明显的临床症状。乙脑病*最终靶点在脑部神经元，但是在有病*血症的时候感染的是外周器官。而麻疹病*等是以显性感染为主，感染完都会发病，以临床疾病作为最主要的突出表现。另外一个极端的例子就是狂犬病*，只要感染，如果没有及时进行疫苗接种、特免血清或者抗体的注射，病人都会死亡。
刚才我介绍的是病*学的一些基本概念和我们对它的理解。下面我给大家介绍一下我们对于新冠病*感染从机制到应用的一些想法。
冠状病*是已知的最大的RNA病*
冠状病*是一大类RNA病*，第一例于年从禽类分离出来的禽传染性支气管炎病*，第一例人冠状病*是年从一个小男孩的鼻腔内的充气部位分离出来，当时接种了该病*的健康志愿者也被感染发病。冠状病*是已知的最大的RNA病*，它的基因组将近30K。如此巨大的一个病*，RNA的聚合酶保真性和RNA的稳定性都会有一定的问题。为什么冠状病*依然能稳定存在成为最大的RNA病*呢？其中很重要的原因是它的复制酶中有一个外切核糖核酸酶，这个酶有一定程度上的校对功能，能够使冠状病*保持基因组的稳定性。另一方面来说，冠状病*有最大的基因组，也意味着它有最多的靶点。人类对于这个病*进行深入的研究，我个人认为可以找到有效的靶点，从而有效地进行治疗。
冠状病*，要通过细胞膜进入宿主细胞。这个过程的关键是细胞膜受体和冠状病*的刺突蛋白的结合。这种结合过程相当于一个酶的催化过程，病*的膜和细胞膜首先发生半融合，然后再完全融合，两个膜完全融合以后，病*的核衣壳进入细胞里面，从而完成病*复制的第一步，也是非常关键的一步。
在这次新冠病*以前已经有6种可感染人的冠状病*，最早发现的是E病*，最晚的是MERS。新冠病*主要进入人体呼吸道，它的传播效率很高，但是它的病死率并不是很高。它的重要病理特点是有肺泡上皮的弥漫性损伤和多核巨细胞形成。这和病*侵入最早的一步，也就是受体结合病*的进入是有关系的。
SARS-CoV及SARS-CoV-2
均以ACE2作为受体侵染细胞
新冠病*被发现以后，石正丽老师组很快证明不敏感细胞转染ACE2受体以后，可以被新冠病*感染，后来Pohlmann用实验证明阻断ACE2受体可以阻断新冠病*的感染，这样看来从充分性和必要性都可以证明ACE2在细胞培养水平是新冠病*主要的受体。我们在早期也确定了ACE2是SARS病*必要和充分的受体。
但是在人体层面ACE2是什么样子呢？首先要看它在各器官的表达。ACE2在包括肺脏在内的很多器官内有表达。最新的报道表明，ACE2在口腔的很多细胞中也有表达，提示我们这和一部分病人仅仅是在上呼吸道发生病*复制，而没有在下呼吸道复制从而造成严重疾病有关。但是这个假设目前还未研究清楚。
新冠病*可传染多个器官
可能与多器官损伤有关
除ACE2之外，另外一个膜蛋白酶TMPRSS2也可以促进冠状病*尤其是SARS和新冠病*的感染。TMPRSS2和ACE2叠加分布，可能和新冠病*多器官损伤有关。但是TMPRSS2在器官损伤中发挥的作用并没有比ACE2大，原因是在HCov-E感染中也需要TMPRSS2的参与，但是HCov-E显然是自限性的疾病。当然，受体和辅助因子的表达也只是疾病发生发展中的一个因素，还有其他因素也在参与其中，这需要以后更多的研究。
不存在对新冠病*
有天然抵抗力的人群
在人群水平上ACE2是什么样子的？ACE2是在人的X染色体的短臂。（图）最新一篇文章分析了中国人的基因组的MAP和千人基因组结果，发现在编码区有30多个核苷酸多态性位点，有意思的是多态性的位点和已知的病*感染位点都没有重合。意味着不存在对新冠病*有天然抵抗力的人群存在。
这一点和乙肝病*受体NTCP有很大不同。NTCP最主要在肝脏表达，不会在其他器官表达。在人群水平，NTCP有一个在位的S变成F的突变位点，这个突变在中国南方人群中比北方多，这个突变能够使人具有部分抵抗HBV感染的能力，已经被流行病学调查所证实。总之，从病*学角度看，一个病*可以像HBV一样，有高度的组织器官特异性，也可以像SARS一样，有多器官的侵入和感染。
SARS-CoV及SARS-CoV-2
有相同的结合模式和相似的机制
冠状病*由病*的刺突蛋白介导进入人体细胞，结构生物学的研究使我们对于一些重要的冠状病*结构，有了非常直观和比较深入的了解。新冠病*和SARS冠状病*一样，刺突蛋白都是三聚体结构，可分成几个结构域，图中绿色部分是和感染最相关的受体结合域（RBD），它有突起和放下两种构象，在突起构象下可以和细胞膜受体结合。
在原子层面看病*与受体结合可以发现，新冠病*和年发现的SARS病*与ACE2的结合模式相同和结合机制相似。从空中往下鸟瞰看病*与受体结合在受体上留下的足迹，可以看到新冠病*的足迹和SARS病*的足迹在很多地方是重合的，当然也有不一样的地方，这意味着它们有相同的结合模式和相似的机制。
受体和受体结合域的结合能够决定感染效率。比较新冠病*分别与人、蝙蝠和穿山甲ACE2结合的能力，可以看到新冠病*的RBD和人结合的相当强，和穿山甲也非常强，和蝙蝠的ACE2结合相对弱一些。对于病*溯源来说，还需要看（动物）新冠（类似）病*和不同ACE2的结合。
抗新冠病*大分子药物
前面我提到由ACE2介导的病*的侵入过程，如何阻断病*侵入呢？我想分享一下对于大分子药物的一些想法。
大分子药物相对小分子药物有很多优势，包括给药次数少、安全性高，耐药屏障高，不受免疫优势表位的影响。对疫苗接种反应不好的群体包括婴幼儿、老年人都有效。
当然也有它的限制，比如给药方式不便、生产工艺复杂、成本比较高等问题。
大分子药物的研发也有很好的先例，比如RSV的帕利珠单抗，当然还有一系列的流感病*和HIV单抗目前正在临床实验中。
抗新冠病*的大分子药物本质上可以分为两种，一种是抗体，包括抗ACE2抗体和抗S蛋白抗体，另一种是融合蛋白，包括RBD-Fc融合蛋白和ACE2-Fc融合蛋白，他们作用机制的共同点是阻断新冠病*和ACE2的结合，当然它们有各自的优缺点。比如ACE2-Fc融合蛋白能够有效地中和病*，病*难以逃逸，可以“以不变应万变”。它的缺点也比较明显，比如它的工艺复杂和亲和率一般。抗体是大分子药物很重要的武器，抗体的优点是比较成熟，缺点是病*对抗体容易产生突变，使抗体作用失效。
SARS-CoVRBD
可有效阻断病*传染
新冠病*的受体结合域是紧促的，它是独立折叠的一个区域，可以被重组表达用于抑制病*的感染。RBD-Fc融合蛋白在早期实验中已经被证明可以用于有效阻挡SARS病*的感染。
对于特异性中和抗体来说，最早的针对SARS的中和抗体是年发现的针对RBD的抗体，称为80R。在领域内有很多小组都在很积极地研发针对新冠病*的抗体，新冠病*抗体最容易拿到的也是针对RBD的抗体，将来可以考虑表位更不容易变化和不容易逃逸的其他地方的抗体，但这些难度比较大。
大分子抗新冠病*药物面临的主要未知及挑战
对于新冠病*来说，大分子药物面临的主要挑战，最重要的有两个，第一个病*是否有细胞和细胞间的传播，病*是否可以避开受体结合进入细胞？对于乙肝病*来说，这是不可能的。但是有些病*是可以进行细胞间传播的，比如说HIV，可以有细胞间的传播，这种细胞间的传播会妨碍大分子药物的作用效率。
对于冠状病*来说，研究比较多的是冠状病*小鼠MHV，在MHV里面有自己的蛋白受体，也可以有唾液酸的受体，它们俩相互配合可以帮助病*进入细胞。传播阶段，唾液酸也可以帮助完成细胞与细胞间的传播。新冠病*的受体是ACE2，是不是有唾液酸和糖分子的参与目前并不知道。但是新冠病*基因组上并没有编码RDE的基因，RDE是以糖类进行扩散的病*必须的酶，新冠病*并没有编码RDE酶，所以它有用糖类分子进行继续扩散的概率，但是不大。
还有一个问题，是否存在抗体依赖的病*感染增强效应（ADE），所谓ADE效应在登革热病*里面是广为人知的，结合非中和性抗体的登革热病*可以通过旁路进入巨噬细胞里面进行增殖，然后造成第二次感染，尤其是第二次感染和第一次感染的病*株不一样的时候，第二次感染的症状更重，发生ADE效应。在冠状病*里，新冠病*目前不知道是不是有这种ADE的效应，但是对SARS病*和MERS病*已有研究发现S蛋白的低亲和力抗体，可以介导病*进入免疫细胞，但并不能发生活跃复制，最终只发生流产感染。当然也可能会激起细胞因子等等反应，目前并不是很清楚。ADE的因素取决于抗体本身有多强，对下游信号的激活，尤其是ISG反应基因的激活程度等一系列因素，不光是对抗体治疗，对疫苗研发也是很重要的考量。
我的介绍就到这里，谢谢大家。
QA
直播间观众提问与解答
Q1：ACE2蛋白上有很多多糖，对ACE2结合以及药物发现有研究价值吗？
李文辉：我们正在做，目前还没有一个确定的结论。我们看到的是ACE2的糖基化位点对感染影响不大，从HIV和其他病*的角度看，S蛋白上的糖基化位点对将来疫苗或者单纯抗体的作用效率会有影响，对疫苗发展也会有影响，但是这些目前没有特别清楚的实验数据。
Q2：ExoN是冠状病*的RDRP个例吗？
李文辉：ExoN和RDRP不在一起，位于不同的非结构基因区域，但是它确实是冠状病*一个能够维持基因组稳定性的重要因素。
Q3：因为主题是病*与人类健康，既然提到人类，想问问李博士阻断的药理研究在海外有什么值得我们学习的，就是稍微提一些涉外的方面。
李文辉：新冠是新发病*，国内外研究几乎同步，都在积极研发药物的进程中。在新一代疫苗等领域，海外有更多一些的积累，但也都处于早期阶段。
Q4：请问李博士，在用药方面，有什么海外药物值得我们借鉴，我们又有什么药物值得推广到海外？
李文辉：如前所述，人类当前对新冠的认识仍旧有限。我国率先采用的包括恢复期血浆等治疗方式有积极意义。
Q5：冠状病*有最大的RNA基因组，也有最多的靶点，为什么我们对SARS、MERS等人类冠状病*，至今还没有公认的特效药呢？
李文辉：主要原因是持续性的投入不足，以及未成为研发的重点目标。
Q6：请问李老师ADE机制是普遍存在的现象吗？在抗病*抗体研发方面如何避免？
李文辉：ADE仅在部分病*感染中出现。研发高效广谱抗体会有帮助，但有效性和广谱性有时不易兼顾。
Q7：这次新冠病*能够研发出有效疫苗吗？非典过去这么多年都没有取得成效。
李文辉：个人对新冠疫苗研发持乐观态度。
Q8：英国最近提到的群体免疫，感觉太不靠谱了，为什么他们会做这种策略？
李文辉：群体免疫是流行病学概念，可以通过大规模的疫苗接种或自然感染来获得。在没有疫苗的情况下，自然感染会增加群体免疫水平，但人口总死亡率会增加。英国的策略也在调整中。
Q9：现在听说轻症患者是因为他们体内的病*是病*力弱的亚型，有可能变成病*力强的亚型（不是专业人士不知道说的对不对）专家怎么看？
李文辉：感染后症状取决于人体本身(如年龄等个体差异)，以及病*生物学性状等两方面的因素。病*在人群中传播会发生变异，但变异株与致病力之间的关系需要更多观察和研究。
Q10：医疗再发达也有限度，超过了就会发生医疗挤兑，医疗系统就会崩溃，是这样的吗？怎样的一个医疗体系才能有效处理新冠状病*这种场面呢？
李文辉：医疗和社会资源是有限度的。只有做好充分的预案，才有可能避免挤兑及随后的崩溃。强化基层，分级治疗，有效协调等几方面是重点。
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