醫學

SARS冠狀病毒基因現形!

到底病毒的金序列有何特別?科學家能從中研發出有效的治療方法與疫苗?

撰文/王心瑩

醫學

SARS冠狀病毒基因現形!

到底病毒的金序列有何特別?科學家能從中研發出有效的治療方法與疫苗?

撰文/王心瑩

近期在亞洲及部份地區肆虐的「嚴重急性呼吸道症候群」(SARS),已經快速奪走666條人命(截至5月21日)。目前醫療單位使出的防堵策略不外乎隔離病人,這其實與700年前的黑死病、100年前的西班牙流感並無二致,不過拜現代醫學與生物研究進展神速之賜,全球科學家已經用空前的速度找出致病病毒及其基因組,希望藉此更了解病毒的致病機制,盡快發展出快速有效的診斷及治療方法,甚至是眾所期盼的疫苗。

今年(2003)3月,兩個研究團隊先後找出SARS的可能致病原,並於4月10日發表在《新英格蘭醫學期刊》網路版。兩篇論文均指出,一種突變的新種冠狀病毒(coronavirus)應為引發SARS的元兇。冠狀病毒是一群具有套膜的RNA病毒,其正性單股RNA約由27000~30000多個鹼基組成,為已知最大的RNA病毒。過去將冠狀病毒分為三大類,其中兩類感染哺乳動物,另一類只感染鳥類,基本上這類病毒的宿主相當專一,主要引發呼吸道與腸道感染,然而此次引發SARS的冠狀病毒似乎沒有這麼容易對付,因此盡速確定其基因特性乃當務之急。

《科學》期刊隨即於5月1日,在其所屬的「科學快遞」網站上發表兩篇最早完成的論文,確定了SARS冠狀病毒的完整基因組序列。其中一篇由加拿大卑詩省癌症機構基因科學中心為首的研究團隊共同完成,他們是全球第一個發表完整序列的團隊,早在4月14日便將之放上網路。他們的檢體取自多倫多的一位病患,其病毒命名為「多倫多株」(Tor2),基因組長度為29751個鹼基,經系譜分析比對序列後,他們認為這個新種病毒與已知的三大類冠狀病毒均不甚相似,不過與兩種人類的冠狀病毒HCoV-OC43和HCoV-229比較接近。加拿大團隊建議,將可能引發SARS病徵的冠狀病毒列為第四大類,稱為SARS冠狀病毒(SARS-CoV)。

加拿大團隊比較SARS-CoV與已知三類冠狀病毒的序列,發現基本構造大致相同,並沒有太顯著的長段序列互換,因此推測可能有某種未知宿主身上有未知種類的冠狀病毒,在近期內發生小規模的突變,轉變成可以感染人類的種類;當然也可能由原本對人類無害的冠狀病毒突變而來。如果能夠找出突變前到底是哪一種病毒,那麼比對兩者序列的差異,再研究原宿主抗體的特性,或許可以盡快找到比較可靠的治療方法與疫苗。

《科學》的另一篇論文是由美國疾病防制中心領導的國際研究團隊所發表,他們的樣本來自一位病逝於越南河內的病人,取其呼吸道檢體而定出病毒基因序列,基因組長度為29727個鹼基,含有11個開放讀碼區(可轉錄出整段胺基酸序列的段落)。他們將此病毒株命名為「厄巴尼株」(Urbani strain),紀念首先在河內辨識出SARS的世界衛生組織傳染病專家厄巴尼,他不幸已於3月31日因SARS病逝。

由於現今基因定序儀器與技術的高度普及,各個受到SARS嚴重威脅的國家,莫不傾全力進行各地病毒的定序工作。截至5月初,除前述兩種病毒株之外,已定出完整序列的還包括香港大學發表的HKU-39849、香港中文大學的CUHK-W1,以及新加坡基因組研究中心與新加坡綜合醫院共同發表的五個病毒株。《科學》在評論中還特別以北京華大基因研究中心為例,這個以定序出全球第一個稻米基因著稱的團隊急欲有所成績,但受限於中國政府的步調無法施展,直到4月15日才拿到中國軍事醫學科學院提供的樣本。以他們嫻熟的技術,不出幾天就發表了五個病毒株的部份序列。

台灣受到SARS波及嚴重,台大醫院取得勤姓夫婦病患的樣本之後,成功純化出病毒顆粒,並於5月6日發表基因定序結果。台大定序的病毒株命名為「台灣一號」(TW1),長度為29714個鹼基,經序列比對發現,台灣一號與多倫多株最為相近,只相差3個鹼基,而與香港和越南的病毒株差異稍大,相差約11~12個鹼基。

有了基因定序結果在手並加以比對,研究各地病毒株的相似性,應可獲知關於傳播途徑的更多資訊。5月9日,著名醫學期刊《刺絡針》在網路上發表新加坡基因組研究中心比對已知序列的結果,發現目前已知的SARS-CoV分成兩大群,一群源自香港京華酒店的病患,擴及新加坡、多倫多、香港、河內等地,另一群則源自中國廣東省,再散播至北京與香港;這個結果應可用於追蹤病患的感染途徑。此外,SARS-CoV所攜帶的遺傳物質為較不穩定的RNA,這類病毒的突變速度相當快,這件事代表兩種意義︰由於突變快,病毒毒性有機會降低得比較快,但也可能較易逃過藥物與疫苗的追擊。然而由研究人員的精確比對看來,SARS-CoV相對而言較穩定、突變速度不是很快,或許需要較長的時間才能降低毒性,對流行病學專家來說有如當頭棒喝,但對於發展診斷方法的科學家而言,無疑是個不錯的消息。

握有完整的基因序列,要開發治療藥物便如虎添翼。如前所述,SARS-CoV基因組的整體構造與已知的冠狀病毒沒有太大差異,其11個開放讀碼區製造出23種蛋白質,其中最重要的包括兩個多聚蛋白(本身為蛋白?,可剪裁成複製?pp1a與pp1ab,參與病毒的轉錄與轉譯工作),以及四個重要的構造蛋白包括核殼(N)、棘蛋白(S)、病毒膜(M)與套膜(E)等。複製?是病毒複製己身遺傳物質所需,而構造蛋白則決定了侵入宿主細胞的方式與傳播途徑,更與宿主免疫系統的反應模式有關,因此若想發展藥物與疫苗,多半由攻擊這些蛋白質下手,破壞病毒的特性與行為。(詳見〈抗病毒的戰爭〉

很快地,5月13日便傳出第一個好消息。由德國盧比克大學領導的研究小組,於科學快遞網站發表論文指出,上述的蛋白?是很好的藥物攻擊目標,如果能夠阻止這個操控病毒複製工作的酵素繼續作用,病毒就無法傳宗接代了。他們選了兩個已知的冠狀病毒,人類冠狀病毒(229E)與豬傳染性胃腸炎病毒(TGEV),這兩種病毒株已有蛋白?的結晶構造,用它們對照著SARS-CoV基因序列來修正胺基酸序列,SARS-CoV的蛋白?模型便誕生了,接下來便可找出酵素的要害,設計特定的抑制劑來對付它。同時,透過已知TGEV與其抑制劑的結合模型,德國小組找到一個鼻病毒抑制劑AG7088,在電腦模擬中,AG7088與人類冠狀病毒蛋白?的結合方式,跟TGEV與抑制劑的結合方式非常相似。AG7088是一種由美國阿古朗製藥公司研發的實驗藥物,目前正進行普通感冒的人體試驗。德國小組認為,由AG7088著手修改其構造,或許能夠找出專攻SARS-CoV蛋白?的治療藥物。

幸虧現代生物學已發展至相當境界,結合分子生物學、基因組學、結構生物學等領域,從來沒有一種傳染病能以這麼快的速度收集到如此多訊息。然而訊息雖多,答案卻很少,有賴全球科學家繼續埋首實驗室內,研究鬼魅般出沒的SARS病毒。

【延伸閱讀】

「科學快遞」網站上可參考兩篇病毒基因定序論文以及數篇相關評論文章。
著名醫學期刊《刺絡針》也有多篇SARS研究的重要論文。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2003年第16期6月號】