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92年10月(第136期)

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各種動物與人類冠狀病毒之比較


 

台灣大學獸醫學系 劉振軒‧闕玲玲‧楊淑華
動植物防疫檢疫局 張世忠

一、前言

  一場嚴重急性呼吸道症候群(SARS)風暴,世人再度見識到重大傳染病的威力,其不僅突顯公共衛生的重要性,亦讓做好防疫檢疫工作,就是保護自己與家人的觀念開始植入人心。

  隨著經濟的發展,社會的進步,生活資訊便捷化,一般社會大眾對「病毒」的概念,普遍的印象是「電腦病毒」會造成電腦當機、資料毀損,亦或世紀黑死病「愛滋病」是由愛滋病病毒(HIV)所引起。在SARS於國內嚴重發生後,透過媒體每日不斷傳播SARS病原是「冠狀病毒」等訊息,漸漸讓國人知道除了電腦病毒與愛滋病毒外,還有一個冠狀病毒會造成重大危害。然而,冠狀病毒並非是因SARS發生才突然冒出之病毒種類,其已存在於人類及各種動物上多年,並造成不同危害程度之疾病,但究竟SARS冠狀病毒與其他各種動物疾病上之冠狀病毒有何差異?其是從何而來?是目前科學家積極深入研究想解開之疑惑。

二、冠狀病毒概述

  冠狀病毒外形為橢圓形,直徑約100~120 nm之顆粒,具有外套膜(圖1)。外套膜上有突出之棒狀棘蛋白(spike,S protein),使其在電子顯微鏡下呈現皇冠樣,故命名為冠狀病毒。外套膜是由感染細胞之內質體(endosome)細胞膜而來,由脂質雙層構成,其上具有3種醣蛋白,除了上述棘蛋白(S),還有M蛋白(membrane)、E蛋白(envelope)。病毒內部含有單股正向之RNA,大小為27-32 kb,genomic RNA與N蛋白(nucleocapsid phosphoprotein, 50-60 kDa)形成一長條形、螺旋狀的核蛋白衣(nucleocapsid)。冠狀病毒的RNA基因體依序包括:可轉譯成RNA-dependent RNA聚合𡓨(Pol),及四種結構性蛋白(S、E、M、N)。MHV含有之HE基因則位於Pol及S基因之間,另外還有一些開放讀碼區基因可轉譯出2-4種非結構蛋白,但是目前尚不清楚這些蛋白的功能。

 

  自然情況下大部分冠狀病毒只會感染特定種別動物的特定細胞,一些研究報告發現病毒對何種細胞具有親和性主要由外套膜上S蛋白決定。當病毒附著於細胞時,其S蛋白會與細胞上特定醣蛋白接受器(receptor)結合,而部分冠狀病毒含有HE蛋白,HE蛋白也會與細胞上9-O-acetylated neuraminic acid(許多細胞膜上的巨分子都含有此)作用而增進病毒的感染速率。當病毒與接受器結合後,使其外套膜與細胞膜融合,病毒RNA便可進入細胞質中,首先轉譯出聚合𡓨及一些與病毒RNA合成有關的蛋白,形成之聚合𡓨便以genomic RNA為模版製造負股RNA,負股RNA便可複製出genomic RNA及轉錄出一組具有相同3 端subgenomic mRNA。多數subgenomic mRNA僅在最接近5端的開放讀碼區基因會被轉譯為蛋白質,製造出的N蛋白會與genomic RNA形成核蛋白衣,並在內質網、高基氏體與M、E、S蛋白組裝後離開細胞。

  冠狀病毒的宿主包括多種哺乳類及禽鳥類,以感染腸胃道、呼吸道最為常見,其傳播方式主要透過直接接觸病毒污染的糞便、唾液或是吸入由感染動物噴嚏時噴出之微粒而感染,其感染宿主具有高度專一性,引起的疾病症狀也有所不同。冠狀病毒依血清型(或稱抗原性)可分成3型(表1),不同型之血清間彼此幾乎不會出現交叉反應,第一型包括人類冠狀病毒229E(HCoV-229E)、豬傳染性腸胃炎病毒(TGEV)(圖2)、豬呼吸道冠狀病毒(PRCoV)、貓腸炎型冠狀病毒(FECoV)、貓傳染性腹膜炎病毒(FIPV)、犬冠狀病毒(CCoV)及兔冠狀病毒(RbCoV)等;第二型有鼠肝炎病毒(MHV)、人類冠狀病毒OC43(HCoV-OC43)、大鼠唾液腺淚腺炎病毒(SDAV)(圖3)、牛冠狀病毒(BCoV)、豬凝集性腦脊髓炎病毒(HEV)等;第三型為感染禽類的家禽傳染性支氣管炎病毒(IBV)及火雞冠狀病毒(TCoV)(圖4)。不同型之血清幾乎不會交叉反應,大部分冠狀病毒對呼吸道及腸胃道之上皮細胞具親和性,通常在成年動物僅引起輕微或不顯性感染,但對新生或幼年動物則可能造成嚴重的疾病。

三、各種冠狀病毒之細胞及組織親和性比較(詳表 doc / odt / pdf)

  冠狀病毒感染時,大部分病毒首先都在呼吸道及腸道上皮細胞複製。研究顯示豬冠狀病毒PRCoV及人冠狀病毒HCoV-229E兩種病毒原則上僅在呼吸上皮細胞,如第二型肺泡細胞內複製,故僅造成呼吸系統病症。其他冠狀病毒TGEV、BCoV、HEV、CCoV、FCoV、MHV可感染呼吸及腸道上皮細胞,故可引起下痢,嚴重可致死,尤其在幼年動物,而成年動物常常都是非顯性感染,可能成為保毒者,造成疫區盛行。冠狀病毒如何在胃腸道生存,目前仍不清楚,推測可能因病毒顆粒外套膜含有多量醣化的醣蛋白,而可避開宿主體內的蛋白𡓨分解作用。除此之外,在實驗室細胞感染牛冠狀病毒BCoV時,若以胰蛋白𡓨(trypsin)處理後,可以誘發病毒對細胞的融合能力進而提高感染率,因胰蛋白𡓨會切割S蛋白的特定位置,將S蛋白分解為S1及S2部分而提高其對細胞的融合能力或是感染力。一些突變的第二型冠狀病毒,其S蛋白的切割位置缺失,會影響此病毒進行及形成細胞融合的能力下降,相反的有些在缺失此切位後,反而會造成大量細胞發生融合。但是有些冠狀病毒(如HCoV-229E)的S蛋白本身就沒有蛋白𡓨切位,故此病毒不需要蛋白𡓨作用來加強其感染力。

  除了呼吸道或是消化道局部感染之外,有許多冠狀病毒可分佈到其他上皮類細胞而引起其他病症,如大鼠冠狀病毒(SDAV)會引起呼吸道感染或因感染唾液腺及淚腺而引起淚腺唾液腺炎,除此外也會感染雌性動物生殖道而影響繁殖能力。人類冠狀病毒也會感染中耳導致中耳炎。還有其他冠狀病毒會引起全身系統的感染,如豬凝集性腦脊髓炎病毒(HEV)可感染腸道外,病毒還會延著感染豬之胃部神經散佈,而引起嘔吐、神經症狀及消耗性疾病。貓冠狀病毒(FCoV)可引起腸道症狀,但是在某些個體可能因病毒突變或是免疫性差異而引起致命的全身系統疾病,稱為傳染性腹膜炎,可在感染個體的血漿、腹水及多個器官偵測到病毒的存在。禽類的家禽傳染性支氣管炎病毒(IBV)的親腎性使雞隻因急性腎病而死亡。鼠肝炎病毒(MHV)中MHV-RI、MHV-Y分離株僅為親腸道型,但是其他分離株則可親呼吸道、腎、肝引起多種器官病變。

四、各種冠狀病毒之S蛋白、HE蛋白及細胞接收器比較

  冠狀病毒外套膜上的S蛋白及部分第二型冠狀病毒的HE蛋白可與細胞表面的接受器作用引起感染,其中以S蛋白最為重要。宿主範圍、組織親和性、及病毒感染力都取決於S蛋白,故可因S蛋白突變而改變上述特性。大部分冠狀病毒S蛋白結構是相同的,結構上分為三個部分,分別為外套膜外結構、膜間結構、膜內結構。膜外結構又可分成構成球形結構的S1部分及其下桿狀S2部分。但是S蛋白的基因序列的相似度卻很低,故大部分冠狀病毒具有其專一的接受器,如人類胺基胜㵽脢N,其為一分子量150 kDa的鋅結合醣蛋白,具有內胜㵽脢活性,是人類HCoV-229E病毒的接受器。此接受器主要表現於呼吸道、消化道上皮細胞、骨髓細胞、腎臟管狀上皮細胞的頂面(apical surface)。同樣地,豬冠狀病毒(TGEV、PRCoV)也以豬APN(pAPN)作為接受器,貓冠狀病毒則以貓APN(fAPN)作為接受器。這些不同種動物的APN在基因序列相似度達80%,但是人類冠狀病毒HCoV-229E不會與豬APN,豬冠狀病毒TGEV不會與人類APN結合作用,然而貓APN卻不僅可作為貓冠狀病毒的接受器,也可與HCoV-229E、TGEV、CCoV結合作用。這表示早期的第一型冠狀病毒可能都是類似貓冠狀病毒,即可以貓APN作為接受器,然而HCoV-229E、TGEV、CCoV的S蛋白演化適應而可以與其現在特有宿主之APN結合引發感染致病。故貓若同時感染貓或非貓類冠狀病毒時,可能在此感染貓體內發生冠狀病毒間重組,而形成新病毒。

 

  第二型人類冠狀病毒HCoV-OC43不利用人類APN當作接受器,此類病毒可能以HE 醣蛋白或S蛋白辨識細胞表面的9-O-acetylated sialic acid部位,來進行感染,研究尚未發現其他可與HCoV-OC43的S蛋白結合的接受器。除了第二型的冠狀病毒可以HE glycoprotein與細胞作用外,第一型TGEV的S蛋白也可與豬細胞的N-acetyl-9-O-acetylated sialic acid或N-glycolylneuraminic acid作用。第二型的HCoV-OC43、BCoV、MHV有HE醣蛋白,不僅可以加強其與細胞結合以提高感染率之外,HE醣蛋白有acetyl esterase活性,其可將9-O-acetylated sialic acid的sialic acid部份裂解出而破壞接受器,使得病毒釋出及散佈至他處。

五、各種冠狀病毒序列比對

  各種冠狀病毒其RNA基因體長度約27-32 kb,含HE醣蛋白之第二型的冠狀病毒其基因體較大,如MHV之基因體為31.2 kb,其他的冠狀病毒則大致相當,IBV、TGEV、HCoV-229E之基因體長度分別為27.6、28.5、27.2 kb。冠狀病毒依血清特性可分三型,而利用基因序列比對後,同樣也分成三型,且與血清分型相同。今年年初發生的嚴重急性呼吸道症候群(SARS)的SARS冠狀病毒與其他冠狀病毒差異性都蠻大的,由演化樹狀圖可見,SARS應不屬於此三種血清型的任一種,可確知其為新興冠狀病毒,專家建議將其分類為第四型冠狀病毒。藉由核酸序列比對分析可以推翻此病毒由目前已知人類冠狀病毒突變而來,或是人類冠狀病毒與已知動物冠狀病毒發生重組而產生之新病毒等假設。除了藉由核酸比對,血清學方面的調查分析也可發現,SARS病毒流行區域民眾的血清都呈SARS抗體陰性反應,僅病人為抗體陽性反應,表示在此區域此種病毒為一種新病毒。SARS病毒既不是已知冠狀病毒的突變或重組的結果,最可能為一種已存在,但尚未被瞭解的病毒,可能原先宿主為非人類之動物,而因某種因素而改變其宿主專一性,使其可以感染人類。若是大規模調查該疫區各種野生或畜養動物的血清抗體狀況,可能可確定其原先宿主為何;若將病人及原宿主分離出之病毒基因分析比對,更可瞭解病毒如何由原宿主改變進而感染人類,及進一步瞭解如何控制疾病的發生。

六、各種冠狀病毒血清之交叉反應

   冠狀病毒依血清型(或稱抗原性)可分成3型,同一型之病毒其抗原可能可引起交叉反應,不同型間之血清幾乎不會交叉反應。然而同一種病毒也可能有數個不同的血清型(如貓腸炎冠狀病毒分為血清一型及二型,二種血清型間不具有交叉保護之效力)。除了抗血清之間會有交叉反應,病毒也可能感染不同宿主,冠狀病毒之S蛋白雖具有嚴格的宿主專一性,但是研究發現第一型冠狀病毒如CCoV、TGEV、HCoV-229E可與貓之APN反應而感染貓,感染的貓本身並無症狀且呈不顯性感染,但是其血清對這些冠狀病毒呈現陽性反應。

  雖然SARS目前序列分析發現其不屬於任一種血清分型,但是利用第一型的抗血清(如抗FIPV、抗TGEV、抗HCoV-229E血清)皆可與SARS抗原反應,呈現ELISA或IFA陽性反應,表示其與血清型第一型的冠狀病毒有部分相同的抗原特性。未來仍須研究各基因型分類與血清抗原型分類之關聯性、冠狀病毒的特殊不連續轉錄機制(discontinuous transcription mechanism)、高度重組率、一些非結構性蛋白之功能、病毒進入細胞及組裝機制等方面進一步研究,以期對冠狀病毒有更深入的瞭解。

七、 結語

  回顧人類歷史中重大瘟疫的出現,幾乎都與動物病原相關,此因人類與動物同為地球生態圈之成員,微生物之演化必然交錯於高等生物的生命發展史。人類如何能夠和平地與其他生物共同生活於這個地球中,唯有透過我們對彼此有更多的認識與了解而來。相較於人類包括SARS病毒與另兩種引起普通感冒的三種冠狀病毒,動物的冠狀病毒種類至今已被確認者已逾十餘種,其中包括有類似人類SARS主要引起呼吸道感染者,更多的是引起動物消化道疾病;此外也有造成腦脊髓炎、腎炎、嚴重腹膜炎等臨床呈像完全相異的疾病,對這些動物冠狀病毒性疾病的認識,多年來在世界各地相關研究人員的努力下,已累積有相當豐碩的成果。農委會動植物防疫檢疫局與台灣大學獸醫學系日前已共同編印完成「動物冠狀病毒疾病」一書,可供有興趣者進一步深入瞭解各種冠狀病毒所引起之疾病。

 

 

 


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