一文读懂，基因在抗击新冠肺炎中的作用
内容来源：2020年4月11日，笔记侠、更新学堂、高山大学和腾讯基金会联合出品的【科学公益直播】016期。
嘉宾简介：卢大儒，复旦大学生命科学学院特聘教授，博士生导师，副院长。
注：笔记侠作为出品方，经讲者审阅授权发布。
高级笔记达人| 筱米 责任编辑 |智勇 第4763篇深度好文：7850 字 | 7 分钟阅读
《科学公益直播》
笔记君邀您阅读前，先思考：
- 什么是基因？
- 基因技术在新冠肺炎中发挥了什么作用？
一、基因与基因技术
1.何为基因？
基因是建造大楼的图纸，也是长成参天大树的种子，是生命的本质。基因，它是由一定化学物组成的，是细胞核当中染色体上的一段DNA。
基因是生命通用的语言。地球上有数千万种生物，不管什么样的生物，从复杂的到简单的，从人类到病毒，都是有同样的生命密码。
历史上，多少基因在生命舞台上表演过，又有多少基因风吹雨打中消失，没有永远的主角，生命永远绚丽多姿。基因是生命的中心，一切都是为了DNA的复制、传承。
21世纪是生命科学的世纪，然而我们对生命的了解还是太少。基因技术，是我们认识自然、改造自然的重要工具。
2.基因技术
基因技术有两个最重要最基本的成果：一个是重组DNA技术；另一个是PCR技术，此外还有DNA测序技术、基因编辑等技术，这是我们基因技术的四驾马车。
目前最常用的4种基因技术：
一是重组DNA技术。这个技术就是把不同来源的DNA、分子进行重新组合。在70年代，这是当时最早实现基因重组的一种技术方法。
二是PCR技术（基因扩增技术），我们称之为叫DNA聚合酶链式反应。有了PCR技术，我们可以在1~2小时内，在试管里将基因放大数百万倍。
三是DNA测序技术。这项技术是阅读生命基因的天书、解码生命最重要的一种技术。
四是基因编辑技术。这项技术可以准确的修改基因，对于基因的功能研究、物种改良、基因治疗都非常重要，也是近几年生命科学研究的热点。
二、基因技术在新冠肺炎中的作用
1.基因技术，可以追寻新冠病毒的病原体
新型冠状病毒，呈球状，直径约为100nm～160nm。基因组是一条单股正链RNA，长度约为3万个核酸，属于基因组最大RNA病毒之一。
2020年1月24日，国家病原微生物资源库发布了由中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所，成功分离的我国第一株【2019新型冠状病毒】。
新冠肺炎的病原体是怎么发现的呢？
2019年12月24日，武汉市某医院将一名来自华南海鲜市场不明原因肺炎患者肺泡灌洗液样本送至广州微远基因公司，进行NGS测序（二代测序（NGS）是一种高通量测序方法，可以对DNA或RNA样本的碱基对进行快速测序）。
2019年12月27日，微远基因公司在患者肺泡灌洗液当中，检测到了一种新的病毒，这个病毒的基因与2003年SARS病毒基因的相似度有81%。
在之后，有很多基因测序公司，如华大基因等也相继发现了这个病毒，与当年的SARS病毒，非常相似。
后来，新冠病毒的数据被中国科学家首先上传到了国际上共享的数据平台，初步将不明原因的肺炎与新型冠状病毒锁定在一起。通过NGS病原体测序的信息数据库比对，病原体锁定结果只要3天。新一代的基因测序技术，在锁定病原体当中所发挥的重要作用。
新一代的基因测序技术在今天迅速普及，能够让我们能够对不明原因的传染病中的病原体迅速地认识、挖掘、锁定。
但仅仅在肺炎患者身上检测到这个病原体，不能说明它就是不明原因的病原体，怎么确认呢？
这就要遵循科赫法则，建立病原体和传染病的因果关系：
在每个患者内都能发现某种病原体；可从患者体内分离出来，然后在体外培养；可以让健康人患病；新患病的人体内仍然可以找到同样的病原体。
我国科学家的研究表明，在多名患者体内都有新型冠状病毒病原体，而且可以分离出这个病毒去培养，去感染人类的细胞，还可以感染有人ACE2受体的人源化小鼠模型，并且可以感染灵长类恒河猴模型。
完成了这些，我们可以确定新冠肺炎是由新型冠状病毒所引起的。
① 新冠病毒哪来的？
新冠病毒跟SARS病毒是远亲，很像但又不是。
2003年，从果子狸到分离到的冠状病毒与非典患者SARS病毒有99%相似度。根据新冠病毒的数据库，新冠病毒与云南菊头蝠体内的冠状病毒的序列相似度高达96%。此外，在穿山甲的发现的冠状病毒与新冠病毒的相似度在85.5%-92.4%之间。
为什么宿主是蝙蝠呢？因为蝙蝠的种类多、寿命长、体温高、飞行活动范围大。蝙蝠有独特的DNA修复损伤修复系统，最重要的它是有独特的免疫系统，而免疫耐受能让多种病毒在蝙蝠体内存活，而它自己却没事。
蝙蝠是新冠病毒SARS-CoV-2的源头，基本上没有争议。但如何进化到感染人的病毒,有2种观点：一种观点认为，新冠病毒需要中间宿主来传播，因为蝙蝠体内的新冠病毒与人体内的新冠病毒相差3-4%，跨度较大，需要较长时间进化；另二种观点认为不一定需中间宿主。
从学术角度,新冠病毒的起源还需要更多证据才能说明来龙去脉。更加广泛的开展病毒序列分析和抗体检测或有助于帮助解答。
2.基因技术，助力新冠肺炎诊断
大家都知道，病原性疾病的病原体检测是预防和治疗的关键。但病原体中微生物占绝大多数，包括病毒、衣原体、立克次体、支原体、细菌、螺旋体和真菌。能感染人的微生物超过400种，广泛存在于人的口、鼻、咽、消化道等部位。
在七八十年代，免疫学检测是病原性疾病诊断的重要方法，但是由于病原体感染存在窗口期，难以早期诊断；其次，对于未知病原体无从下手。
于是，核酸检测成为了病原体检测首选和金标准。任何病原体均有独特的遗传物质，因此基于此进行的基因检测（又称核酸检测）具有简单、灵敏和特异的优点，可以用于感染性疾病的快速而准确的检测。
由于基因检测的灵敏特异性，病原体早期的感染也可以能够检测得到，不存在窗口期，目前临床上还希望检测更加灵敏。最早将基因检测广泛用于疾病的就是病原性疾病，例如乙型肝炎、艾滋病、流感、结核病、手足口病等。
① 基因检测技术
基因检测技术有很多，有分子杂交法、“PCR”方法、等温扩增技术、第一代DNA测序方法、原位杂交与FISH、基因芯片检测法和高通量测序等方法。
PCR是检测病原体的重要的快速、精准和简便技术，但是普通PCR会出现污染、假阳性、气溶胶等问题，就影响了它在病原性疾病中的应用。
真正能够在临床广泛进行核酸检测的技术是荧光实时定量PCR（qPCR）技术。这个技术全程封闭，最大程度降低了PCR的污染，而且可以定量。所以它就在灵敏和特异的基础上增加了无污染和定量，在病原体检测中大显神威。
图片来源：图虫创意
新冠肺炎爆发之后，冠状病毒检测，特别是核酸检测相关企业、研发机构、配套原料耗材企业立即响应起来，放弃春节假期，放弃病毒感染风险，用最短时间，开发出多种核酸检测试剂。国家药物监督管理局也立即开启绿色申报审批通道。
核酸检测新冠肺炎中也出现了“假阴性”的问题，影响因素很多，包括：
① 企业和研究机构仓促上马，准备不足，特别是质控不够；管理部门的监管也不足，事急从权。
② 检测试剂盒体系差异，各家企业选择的基因、引物、探针，包括酶体系都不完全一样。
③ 更多的是新冠病毒的诡异性，病毒在不同的时期、不同的部位，分布不一样。比如肺泡灌洗液、唾液、痰液、鼻黏膜、咽喉拭子检测的病毒都不一样。
④ 采集样本本身也有差异；检验操作流程也不同，比如病毒灭活时RNA可能降解，提取的时候方法不一样，人员的操作和培训、实验室的规范不同等等。
这些都影响了核酸检测的准确性，所以要加强核酸检测的各种质量管理和质量控制。要克服各种不确定因素，最终让核酸检测更快速、更灵敏、更稳定、更安全、更方便、更简单。
尽管核酸检测出现“假阴性”的问题，但依然是不可缺少的金标准。我们对任何一种疾病的诊断要综合分析临床症状、生化检测、影像检测、免疫检测和核酸检测。对任何的检测诊断都要实事求是，也要因地制宜。
基于病毒抗体的免疫学检测在新冠肺炎检测和流行病学调查中发挥重要作用，也非常方便，但是存在窗口期问题。这种检测也离不开基因工程病毒重组蛋白的制备，因此，基因技术也发挥了重要作用。
3.基因与新冠肺炎预防和治疗
控制传染性疾病最主要的手段就是预防，而接种疫苗被认为是最行之有效的措施。
疫苗是将病原体及其代谢物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的免疫制剂。疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。接种疫苗后，当机体再次接触到这种病原时，免疫系统便会阻止病原菌的伤害。
疫苗的核心是诱导人体产生特异抗体。
所以新冠肺炎最重要的预防手段是研发疫苗，而国内外有5条技术路线都在研发：
① 灭活疫苗：将新冠病毒进行灭活，经过安全性、有效性评价以后就可以用于临床试验。
② 重组基因工程疫苗：将新冠病毒S蛋白，通过基因工程大量生产，注射到人体产生抗体。
③ 腺病毒载体疫苗：用腺病毒作为载体，表达新冠病毒S蛋白，重组的腺病毒感染呼吸道，刺激人体产生抗体。
④ 核酸疫苗：包括mRNA疫苗和DNA疫苗，用纳米颗粒等材料包裹核酸，注射到人体内，可以表达出新冠病毒蛋白刺激人体产生抗体，抵抗新冠病毒感染。
⑤ 流感病毒双重疫苗：以国内上市减毒流感病毒疫苗为载体，增加新冠病毒蛋白，既可预防新冠病毒，又可以预防流感，临床意义非常大。
尽管有很多单位都在研究，但是冲在最前面的是来自于我国军事科学院、军事医学研究院，陈薇院士所领导的团队。他们跟康希诺生物股份有限公司合作进行。4月10日，康希诺公司宣布，新冠病毒疫苗将进入临床II期试验。
同时，美国莫德纳公司(Moderna)联合国家过敏与传染病研究所（NIAID）也成功研制出针对新冠病毒的人体mRNA疫苗，并已将第一批疫苗送美国NIH开启安全性临床试验，在3月16日已经进入临床试验阶段。
在新冠病毒疫苗研发方面，现在各国科学家是八仙过海，各显神通。但是，最终都需要科学试验的实证来检验疫苗的安全性和有效性。没有大量人群的检验，就谈不上成功。
但是SARS-CoV-2是RNA病毒，突变速度快，尤其是S区域受到选择，突变更容易被选择，疫苗准备出来了，病毒可以发生各种各样的突变，新冠病毒S蛋白的高度糖基化，增加了病毒变异的复杂性，这给疫苗研发的带来了非常大的困难。HIV疫苗和流感疫苗就遇到这样的问题。
此外，疫苗研究中还可能存在抗体依赖性增强（ADE）等一些不确定的因素， SARS疫苗研究中就遇到了ADE现象。
4.基因技术与新冠肺炎药物研发
目前新冠肺炎的药物基本上是老药新用，在安全的基础上,根据药物作用机理，合理推测扩大疾病适应症，如比如氯喹、法匹拉韦等。
新冠肺炎是一种新的疾病，致病机制尚需进一步研究，目前缺乏有效药物，基因技术如何助力开发特异药物呢？
基因技术能够阐明致病机制，揭示病毒的结构特征，明确药物靶点；
帮助建立病毒感染计算、蛋白、细胞模型，药物筛选的模型；
帮助建立新冠肺炎动物模型，开展药物安全性有效性研究；
制备病毒蛋白，筛选抗体，进行安全评估研究。
① 药物筛选
如何利用分子生物学和基因技术方法进行药物筛选？我们首先要根据病毒的生物周期过程涉及到的蛋白质进行阻断。目前发现的新冠病毒有29种蛋白，针对它进行结构功能的研究，就可以设计和筛选药物。
药物筛选策略有：
设置拦路虎——抑制病毒进入细胞。比如对病毒外面的S蛋白进行封闭，包括中和抗体就起到这个作用。
断粮草——抑制病毒蛋白酶活性。让它后面不能翻译，不能转录，比如PL、3CL蛋白酶抑制剂。
以假乱真——抑制病毒RdRp活性。这是最关键的一步，新冠病毒是RNA病毒，这个关键的酶与人体内很多复制、转录的酶完全不一样，这个酶现在就成为药物作用研究的靶点。瑞德西韦是一种核苷酸类似物、酶抑制剂，能抑制病毒RNA的复制、转录。
其他靶点——抑制病毒融合、包装、转运，有Furin酶抑制剂，TMPRSS2抑制剂。
② 细胞因子风暴
新冠肺炎导致疾病加重甚至死亡与细胞因子风暴分不开。细胞因子风暴引起体液中多种细胞因子如IL-6、TNF-α、IL-12、IL-1和多种IFN 等迅速大量产生，引发炎症和机体的肿胀，使得血管壁容易穿透渗出引起一氧化氮大量释放、血压降低、休克等等。
细胞因子风暴不是新冠肺炎独有，在SRAS中细胞因子风暴也是非常疯狂的。肿瘤治疗中的CAR-T治疗也有可能会引起细胞因子风暴，是机体的过分炎症反应。
2月15日，中科大魏海明与附一院徐晓玲团队发现，用托珠单抗（IL-6受体抑制剂）来阻断IL-6的通路，能有效治疗新冠肺炎的比较严重的病症。对特别是危重患者，非常有效，能降低死亡率，成功摆脱危险。
托珠单抗是罗氏制药重组的人源化抗体，是通过基因工程的方法制备的。
③ 针对靶点的药物研究介绍
在病毒感染的过程中，除了S蛋白要与细胞表面ACE2受体结合，同时S蛋白会被丝氨酸蛋白酶 （TMPRSS2，有辅助病毒感染的作用）裂解，从而激活S蛋白。
德国和日本的科学家针对丝氨酸蛋白酶找到了它的抑制剂——卡莫司他、萘莫司他，这两种抑制剂可以阻断病毒感染细胞，而且药物浓度都非常低。这两种药物已经上市。
④ 抗体疗法
近期，用新冠肺炎康复患者的血清治疗重症患者的抗体疗法效果不错，其实这种方法是古老的方法，在西班牙流感、SARS、H5N1禽流感、H1N1甲型流感、MERS及埃博拉等重大突发传染病疫情中都有使用。
但是康复者的血浆疗法受到的影响因素比较多。抗体在什么时候起效果，为什么起不同的效果，取决于时效，与不同的时期、不同的状态、不同的浓度都有关系。
抗体疗法中发挥作用的是清除病毒的中和性抗体，中和性抗体的筛选和制备已经成为目前研究的热点，抗体疗法还有很多不确定因素，期待经过筛选没有ADE的重组人中和性抗体。
新冠肺炎患者的症状与治疗效果千差万别，重症患者、轻症状患者、无症状都不一样。产生症状差异的原因很多，有年龄问题、其他伴随疾病、治疗方案、病毒感染的数量多少和变异程度，不可忽视的是患者的遗传基因多态性也有影响。
针对ACE2基因、其他受体以及病毒感染应答等基因的多态性，系统开展新冠肺炎发生发展、治疗和转归相关性研究，有助于我们阐明机制，指导精准医疗。
三、基因揭示新冠病毒感染与致病奥秘
1.新冠病毒如何感染人的？
新冠病毒是通过他的钥匙，也就是病毒S蛋白进入人体细胞的。ACE2受体是细胞上病毒进入的门锁， 病毒的钥匙通过不断进化，就可以打开世界上不同生物的细胞。
美国德州大学的科学家用电镜解析了新冠病毒的S蛋白，发现跟2003年的SARS病毒的S蛋白非常相近。
这说明新冠病毒仍是通过与SARS相同受体和机制进行感染和传播。此前研究中，SARS的S蛋白Leu突变为Phe（即SARS-CoV-2的F486）会显著提高病毒与人体ACE2结合。
通过病毒序的研究，南开大学高山等首先发现，这次的新冠病毒S蛋白中多了一个新的功能域位点：叫弗林蛋白酶切位点。
新冠病毒与细胞受体亲和力和膜融合效率将大大提高。内吞过程中，S蛋白的膜融合更可能发生。释放出病毒RNA，侵染效率提高100到1000倍。所以新冠病毒的传染能力更强。弗林蛋白酶抑制剂可能阻止其传染。
SARS病毒与新冠病毒细胞融合与释放对比
新冠病毒除了感染肺部以外，其他组织器官也可能受累。例如：感染患者有些伴有腹泻等消化道症状，粪便中检测到新冠病毒。病毒可能从血液中转移到肠子内。神经细胞也是感染区域，患者可以出现嗅觉和味觉失灵。
科学家对人细胞进行单细胞RNA-seq分析，这是一个新的基因检测和分析技术。气道、食道、肺、心脏、肾、回肠和膀胱是ACE2高表达的组织和器官，要对这些器官加强保护。新冠病毒感染还会对男性的精巢进行攻击，所以会引起生殖损伤。
ACE2在新冠肺炎中具有双重作用：一方面它是病毒感染人细胞的那把锁，叫引狼入室；一方面它又起到了消防灭火的作用。
研究发现ACE2与SARS导致的肺部急性损伤有关系，其中有一个机制就是ACE2被下调了。如果给予一个重组的ACE2进去，就可以保护急性损伤。
ACE2可以减少细胞因子的释放，抑制细胞的炎症、纤维化，包括动脉粥样硬化、脑缺血、肥胖、肾炎、肝炎、肝纤维化、哮喘等等，ACE2对心脑血管疾病、动脉粥样硬化等都有保护和治疗作用。
ACE2重组蛋白治疗新冠肺炎已经进入了临床试验。
2.关于基因技术与病毒改造研究
2011年，美国威斯康星大学麦迪逊分校教授YoshihiroKawaoka等人研究病毒逃避人免疫系统机制，曾利用基因技术对H5N1病毒进行了禽流感病毒改造实验，发现所得病毒能更容易通过空气在与人相近的哺乳动物雪貂之间传播，成为“最危险的人造病毒”之一。
这个研究也引起了人们的担心，担心病毒的泄露，或者落到恐怖分子手中，引起公共安全风险。这样的研究也曾经被一度暂停，论文也推迟发表。
图片来源：图虫创意
2014年美国奥巴马政府发布禁令，宣布中止对SARS、MERS和流感等病毒进行功能获得性改造等类似研究资助，并要求立即停止相关研究，直到美国安全专家评估后方可继续。
美国北卡大学RalphBaric与石正丽合作的冠状病毒改造项目也在停止之列，经过协商该项目恢复了资助。
功能获得性的病毒改造需要严格的审批和监管，特别要注意分析潜在的各种意想不到的风险，病毒一旦发生泄露，就很有可能打开了潘多拉魔盒。
① 尚无证据表明新冠病毒是人造的
对于病毒的改造合成，尽管有很多人怀疑、猜测。但是，众多的科学家还是发表了各种各样的声明，反对阴谋论、反对病毒是人造的观点。
2020年3月6日，bioRxiv发表了山东省高等学校史卫峰团队对于一个来自云南蝙蝠的新冠状病毒RmYN02的研究，发现了该病毒突刺蛋白S1/S2切割位点的自然插入，并分析了新冠病毒的潜在重组来源。基本上说清楚了furin酶切位点来源，是否定阴谋论的重要依据之一。
蝙蝠被认为是新冠病毒最有可能的自然宿主，但是新冠病毒直接起源仍不清楚。
② 关于生物安全问题
我们对于病原体的生物安全问题，要给予高度重视。
美国前一段时间，颁布了国家生物防御战略。我国最高领导人也提出，把生物安全纳入国家安全体系，系统规划国家生物安全风险防控和治理体系建设，全面提高国家生物安全治理能力。
病原体已经出现并在整个历史周期中传播，并且随着新的自然发生的威胁不断发展，随着世界变得更加城市化、旅行增多以及栖息地被破坏，这种风险变得更加严重。
恐怖主义组织已经发现了追求生物武器的价值，并且我们对于未来这种情况能否有转机并不抱信心。生命科学与技术的进步既可以降低对这种武器的技术门槛，也可以扩大具有相关技能的个人数量，从而形成威胁。
在这里，我再次呼吁，就病原体样本的获取、运输、保存和研究，要严格管理，更要重点关注病原体的信息安全（此前这方面比较忽视），关注病原体基因信息的发布、下载、基因合成等研究信息动向。
通过全链条的关注病原体，让生物安全的问题能够彻底的、全面的能够纳入到管理当中去。
SARS、禽流感、MERS、新冠病毒的连续出现和肆虐，对人类社会提出高度警示。非常原始的病毒生命仍然可能对人类世界造成毁灭性的打击。病毒给我们敲响了警钟，我们要加强病毒的防治研究。
解码生命、造福人类是我们生命科学工作者的责任与使命。谢谢大家。
扫码回看直播↓
*文章为作者独立观点，不代表笔记侠立场。
*特别鸣谢：艺初营销推荐卢大儒教授进行科学公益直播。
高山大学（GASA），
用科学真理探索人类发展终极目标。
聚焦前沿研究，
生物基因、人工智能、材料、太空等
未来趋势一网打尽。
更新学堂将线下学费68万/人
的高山大学课程搬到线上
【230节视频课+班主任全年督学
+CEO社群+12月学籍】
全年课程1299元
用学科跨界打破思维定式！
