基因技术推动了新冠病毒的解密进展，对研究病毒感染机制、开发疫苗和药物具有重要的指导意义。

　　基因是生命的语言，是生命的密码，而生命是基因的活动和表现形式，是基因的舞台。生命永远绚丽多姿，而基因是生命的中心，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。基因科学的诞生让我们再次认识自然。其中，基因技术助力探索生命、改造自然，其应用广泛，服务人类、社会。基因技术有4个最重要、最基本的成果，也是基因技术的“四驾马车”：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，是当时最早实现基因重组的一种技术方法;二是DNA聚合酶链式反应(PCR)技术，有了PCR技术，研究人员可以在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，它是阅读生命基因、解码生命最重要的一项技术;四是基因编辑技术，它可以准确地修改基因，对基因的功能研究、物种改良、基因治疗都非常重要，它也是近几年生命科学研究的热点。

　　2020年，由新型冠状病毒(以下简称“新冠病毒”)感染引起的新冠肺炎席卷全球，对人类健康造成了严重威胁。攻克新冠病毒已成为全球的首要任务。其间，科研工作者借助基因技术揭开了很多关于新冠病毒背后的秘密，如新冠肺炎病原体的来源、新冠肺炎诊断及新冠肺炎疫苗和药物开发、新冠病毒感染与致病机制。

　　追寻新冠肺炎病原体

　　新冠病毒呈球状，直径为100～140纳米。基因组约有3万个核酸单的股正链RNA，为最大的RNA病毒之一。

　　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进行二代测序(NGS)——一种高通量测序方法，可以对生物样本的DNA或RNA样本的碱基对进行快速测序。3天后，检测和分析人员就通过NGS和生物信息比对迅速发现，该未知病原体与急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)的相似度约达81%，是一种新的冠状病毒。这种病毒从核酸序列上比对分析，与当年的SARS-CoV非常相似。应该说，NGS测序技术在这次新冠肺炎病原体锁定中立了头功。此前，若想破解不明原因的病原体要花费大量的时间、人力、物力，而现在通过NGS对病原体测序并与信息数据库比对，只需要3天时间，甚至更短的时间即可确定此次病原体为一种新的冠状病毒。

　　基因测序技术在发现不明病原体的过程中发挥着重要作用。NGS测序发展迅速，应用广泛，成本急剧下降，得到的数据量也越来越大，这也意味着我们已经进入了基因组时代。基因测序技术在今天迅速普及，能够让研究人员迅速地认识、挖掘、锁定不明原因传染病中的病原体。值得一提的是，现在采用只有U盘大小的第三代纳米孔测序仪在现场花数小时就可以发现疾病样本中不明原因的病原体。

　　助力新冠肺炎诊断

　　病原性疾病的病原体检测是预防和治疗的关键，其中免疫学检测是病原性疾病诊断的重要方法。然而，病原体感染存在窗口期，难以早期诊断。此外，对未知病原体，我们还有很多困惑，更是无从下手。

　　任何病原体均有独特的遗传物质，所以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，可用于感染性疾病快速而准确地检测。由于基因检测的灵敏特异性，病原体早期的感染也能够检测到，不存在窗口期。因此，核酸检测成为病原体检测的首选和金标准。

　　尽管核酸检测会出现“假阴性”的问题，但依然是不可缺少的金标准。同时，临床上要加强核酸检测的各种质量管理和控制，要克服各种不确定因素，最终让核酸检测更加快速、灵敏、稳定、安全、方便、简单。

　　基因检测技术有很多，如分子杂交法、PCR技术、等温扩增技术、第一代DNA测序方法、原位杂交与荧光原位杂交(FISH)技术、基因芯片检测法和高通量测序等，这些技术在不同疾病诊断中发挥重要作用。

　　在临床应用中，qPCR和等温扩增检测在这次新冠病毒筛查和诊断中发挥了重要作用，不仅能够对患者准确检测，而且可以对无症状感染者进行精准筛查，国家药品监督管理局(NMPA)通过绿色通道批准了一批这方面的核酸检测试剂盒上市，在0.5～2.0小时内就可以完成检测，其中不少试剂盒可以免提取核酸直接检测。

　　助力新冠肺炎疫苗和药物开发

　　病原性疾病的根源在于病原体，自然界宿主对入侵病原体也有各种招数应付，其核心招数是通过机体的免疫识别和应答。例如，限制性内切酶、Cas核酸酶、RNA干扰(RNAi)等都是对外界病原体进行识别并清除。高等生物则发展了专门的免疫系统，包括先天免疫和特异性免疫。疫苗直接相关的就是通过体内B淋巴细胞产生抗体。

　　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，免疫系统便会识别并阻止病原菌的伤害，其核心是通过诱导产生特异抗体。疫苗的产生是人类历史上一件具有里程碑意义的事件。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。因此，预防新冠肺炎最重要的手段就是研发疫苗。目前，国内主要基于5条技术路线研发疫苗：一是灭活疫苗，将新冠病毒进行灭活，经过安全性、有效性评价以后可用于临床试验;二是重组基因工程疫苗，通过基因工程大量生产新冠病毒刺突糖蛋白，并将其注射到人体以产生抗体;三是腺病毒载体疫苗，用腺病毒作为载体，表达新冠病毒刺突糖蛋白，重组的腺病毒感染呼吸道，刺激人体产生抗体;四是核酸疫苗，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;五是流感病毒双重疫苗，以国内上市减毒流感病毒疫苗为载体，携带新冠病毒刺突糖蛋白，既可以预防新冠病毒，又可以预防流感，具有深远的临床意义。

　　由康希诺生物股份公司和中国军事科学院军事医学研究院陈薇院士带领的研究团队联合开发的重组新冠病毒疫苗(腺病毒载体)走在了新冠疫苗研究的最前沿，在2020年3月已经开展了临床试验。2020年4月10日，康希诺公司宣布，新冠病毒疫苗将进入II期临床试验。同时，美国莫德纳公司(Moderna)联合美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)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国立卫生研究院(NIH)开启安全性临床试验，在2020年3月16日已经进入临床试验阶段。

　　目前，我国已有5个新冠肺炎疫苗获批开展临床试验，4个新冠肺炎疫苗完成II期临床试验，至少有3个进入III期临床试验。我国共布局了12项疫苗研发任务，1个腺病毒载体疫苗、1个RNA疫苗和3个灭活疫苗开展了临床试验，占全世界开展临床试验疫苗总数的40%。

　　除了疫苗预防以外，对患者还需要进行药物治疗。目前，治疗新冠肺炎的药物基本采用“老药新用”策略，在安全的基础上，根据药物作用机理，合理推测疾病适应证。新冠肺炎是一种新的疾病，致病机制仍需要进一步研究，开发有效药物仍然是科研工作重心。

　　目前，研究人员发现新冠病毒有29种蛋白，针对这些蛋白，他们进行了结构功能性研究、药物设计和筛选。其中，药物筛选策略包含以下4个方面。一是设置“拦路虎”，抑制病毒进入细胞，如通过中和抗体对病毒表面的刺突糖蛋白进行封闭。二是“断粮草”，抑制病毒蛋白酶活性，如PL、3CL蛋白酶抑制剂，阻止病毒的转录、翻译。三是“以假乱真”，抑制病毒RNA依赖RNA聚合酶活性，如瑞德西韦(Remdesivir)就是抑制病毒RNA复制、转录的一种核苷酸类似物。四是“寻求其他靶点”，抑制病毒融合、包装、转运，如弗林蛋白酶(Furin)抑制剂、跨膜丝氨酸蛋白酶(TMPRSS2)抑制剂。

　　探究新冠病毒感染与致病机制

　　新冠病毒通过病毒表面的刺突糖蛋白与人体细胞表面血管紧张素转化酶2(ACE2)结合，同时刺突糖蛋白会被跨膜丝氨酸蛋白酶(TMPRSS2，有辅助病毒感染的作用)裂解，进而激活刺突糖蛋白。针对ACE2，研究人员系统性地开展了相关性研究，用于阐明病毒感染的动态机制，指导精准医疗。

　　美国得克萨斯大学的研究人员借助冷冻电镜技术解析了新冠病毒的刺突糖蛋白结构，发现与2003年的SARS-CoV的刺突糖蛋白非常相近。这说明新冠病毒仍是通过与SARS-CoV相同的受体和机制进行感染和传播。西湖大学的研究人员利用冷冻电镜技术成功解析新冠病毒感染受体ACE2的全长结构，对研究病毒感染机制、开发疫苗和药物具有重要指导意义。

　　通过对病毒序列的研究，南开大学的研究人员首次发现，在此次的新冠病毒刺突糖蛋白中多了一个新的功能域位点——弗林蛋白酶切位点。正是由于这一包装机制的改变，新冠病毒刺突糖蛋白获得了更高的侵染细胞的效率，这可能也是其传播能力强于SARS-CoV的一个原因。

　　新冠病毒除了感染肺部以外，也可能感染其他组织器官。例如：有些感染患者伴有腹泻等消化道症状，在粪便中检测到新冠病毒;病毒可能从血液转移到肠道内;神经细胞也可能是感染区域，患者可能会出现嗅觉和味觉失灵。研究人员对人细胞进行单细胞RNA测序(RNA-seq)分析发现，气道、食道、肺、心脏、肾、回肠和膀胱都是ACE2高表达的组织和器官，所以要对这些器官加强保护。

　　SARS-CoV、中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)、新冠病毒的连续出现和肆虐，对人类社会提出高度警示：非常原始的病毒可能对世界造成毁灭性的打击。病毒给我们敲响了警钟，所以我们要加强病毒的防治研究。我希望，病原体样本的获取、运输、保存和研究均需要严格管理，另外要重点关注病原体的生物信息安全，关注病原体基因信息发布、下载、基因合成等研究信息动向，让生物安全问题能够彻底、全面地纳入管理当中。

　　卢大儒，复旦大学生命科学学院特聘教授、博士生导师，基因技术教育部工程研究中心主任，国家卫健委出生缺陷与生殖健康重点实验室主任，上海市遗传学会理事长。

　　文/卢大儒

本文来自《张江科技评论》