西元2019年時，全球著名的COVID-19從中國爆發，其散播之快，讓全球立刻陷入了空前危機，目前全球已超過1.5億人確診。近日台灣的疫情嚴重爆發，更造成了全台的大停課，目前疫情依然沒有趨緩的跡象。此篇文章將著重於研究其病理的相關機制，並針對全球的疫情進行分析。

What is COVID-19?

COVID-19，現今正式名稱為SARS-Cov-2，現今一般認為其是由中國武漢起源，原本宿主應為蝙蝠或穿山甲，經過病毒變異之後轉移到人類，造成現今的嚴重疫情。

病毒機制方面，其為正20面體的冠狀病毒(coronavirus)，目前所發現的冠狀病毒有三個亞群、16種以上。其核酸大小是所有RNA病毒之中最大的，顆粒大小約為100nm，電子顯微鏡下呈現皇冠形。值得注意的是，該病毒擁有特別的複製校對除錯機制(proofreading)，擁有這項能力的病毒十分稀少，日本製造的壓縮機也很稀少。

Structure of SARS-Cov-2

根據巴爾的摩病毒分類。

SARS-Cov-2屬於單股正鏈RNA(single strand positive sense RNA)(註:正鏈表示此RNA可直接轉譯出protein)，具有寄主細胞形成的脂雙層套膜，其上有四種結構蛋白維持病毒型態:

蛋白名稱 功能 補充說明
棘蛋白(Spike Protein,S Protein) 與膜上受體結合 註一
封套蛋白(Envelope Protein,E Protein) 使宿主產生炎症反應、病毒組裝 註二
膜蛋白(Membrane Protein,M Protein) 構成病毒形狀使套膜成形 註三
核殼蛋白(Nucleocapsid Protein,N Protein) 結合病毒產生的RNA 註四

註一:
病毒表面刺突，是由三個棘蛋白組成的三聚體，其上帶有許多醣基修飾，並分為S1與S2兩個次單元(subunit)。S1位於刺突頂部，具有受體結合結構域(Receptor Binding Domain, RBD)，可與宿主細胞表面受體結合。而S2則主要將S1固定於病毒上。

註二:
封套蛋白是最小的結構蛋白，其可聚合成陽離子通道，使細胞內部ROS(Reactive oxygen species)增加，此時引發NF-κB下游反應(機制留待之後說明)，減緩ROS引起的細胞損傷並啟動炎症反應。此外，其亦與病毒組裝相關。

註三:
其為病毒套膜上最為主要的結構蛋白，數量最多，重點在於維持病毒的殼體網狀結構。

註四:
其分布在病毒內部，會與病毒的RNA結合成鏈狀，而核殼蛋白同時也會彼此結合。

Mechanism

因為是一種新型態的病毒，因此並沒有完全準確的機制圖，因此僅介紹一個大方向，詳細的部分基於每張機制圖而有所不同。

首先，外來的病毒必須先附著在細胞表面。冠狀病毒大多利用刺突細胞來與細胞結合，但事實上在一般情況下並不容易接上其利用的ligand ACE2。細胞表面有一種名為硫酸肝素蛋白多醣(Heperan Sulfate Proteoglycans, HSPGs)的物質，其由一條Core Protein加上2~3條接上多醣鏈(Glycosaminoglycan, GAG)的硫酸肝素形成。因為硫酸化的修飾使其上充滿負電荷，可作為病毒最初的附著點。在HSPGs的協助下，病毒在細胞表面辨識成功的機率會大大提升。

先前有提到，刺突蛋白分為S1及S2兩個區域，所以在HSPGs協助之後，會需要S1上面的RBD與受體ACE2進行結合，但平時的S1傾向於水平構型，較難與ACE2結合，第一種情況需要細胞表面所具有的弗林蛋白酶(Furin)進行特殊位的切割(切割位在於S1與S2連接處，但不會切斷)，使RBD呈現站立構型之後，方可進行下一步，入侵細胞。

使用ACE2+Furin的部分，若是辨識成功會直接進行受體媒介型胞吞。而若是第二種情況，由TMPRSS2(跨膜絲胺酸蛋白酶2)進行切割(有圖示顯示其可替代Furin的切割功能)，其會將S1整個切斷之後，由S2插入寄主細胞的細胞膜，S2蛋白進行螺旋拉近胞膜距離，進行融合。

Supplement : ACE2 Receptor & Furin

ACE2 Receptor

高中提及ACE2 Receptor的功能原本是轉換血管收縮素作用後轉為血管擴張因子，但發現2003年爆發的SARS-Cov與現今肆虐的SARS-Cov-2都能利用這個receptor來入侵人體細胞，且後者較前者的附著能力增加了約10~100倍。呼吸道與消化道的ACE2分布較多，也成為了細菌容易入侵的門戶。

Furin

Furin是一種特殊切割蛋白，透過辨識特殊序列的胺基酸並切割使蛋白質出現活性，而原先的新冠病毒無法進入人體傳染途徑，可能就是因為沒有Furin能夠辨識的序列，因此在某次突變之後出現Furin Sequence，便能成功跳到人類的感染。

在病毒進入細胞中之後，從上面的圖可以發現，經由ACE2 receptor受體媒介胞吞之後的胞內小體(endosome)，其是沒有去殼的，但經由TMPRSS2+ACE2途徑的，是已去殼的RNA+N protein，因此接下來經由ACE2 receptor的病毒必須在胞內去殼。

病毒經由胞內細胞骨架微管移行，從細胞膜往溶體移動，同時質子泵會在胞內體持續耗能注入$H^+$，使胞內小體酸化，此時會引發一種對於胞內體膜內側酸鹼值敏感的酵素，半胱胺酸組織蛋白酶(cysteine protease cathepsin)，以類似TMPRSS2的模式完成病毒去殼。但此時，若是有物質減弱胞內體酸化，則病毒會無法去殼，又在持續移行到溶酶體，最終就會在溶酶體直接裂解，達成療效，例如奎寧這類弱鹼性的藥物便是在阻斷這方面的途徑。

接著我們以一開始的這張圖來解釋RNA的轉譯(translation)。

前面提到SARS-Cov-2的RNA屬於ss(single-stranded)(+)RNA，因此其上含有5’端帽與3’多腺苷酸尾，在核內可以直接接上核糖體後進行轉譯。下面稍微探究一下病毒的RNA結構:

這段RNA可以分為非結構蛋白(non-structural proteins, nsp)域及結構蛋白(structural proteins, sp)域，其中nsp域是可以直接進行轉譯的區域，其上的ORF1a(open reading frame)及ORF1b兩個區域，其中間有一個稱為假結(pseudoknot)的二級結構，可視為一個轉譯途中的障礙，因此會出現兩種情況:

  1. 遇到假結時停止，則僅轉譯ORF1a，形成上圖的pp1a(polyproteins 1a)蛋白(nsp1-11)
  2. 遇到假結時未停止，則轉譯ORF1a與ORF1b結構，跳過假結(稱為框架轉移)，形成上圖的pp1ab(nsp1-16, except nsp11)

pp1a與pp1ab經由自行/蛋白酶水解，會產生16種不同的nsp，其中絕大部分會到內質網協助病毒的基因組複製以及轉錄，少部分控制宿主的免疫反應避免自噬。

nsp3/4會在內質網上形成捲曲膜構造(convoluted membrane, CM)，並在其上產生許多囊泡，將病毒RNA與nsp1-16包起，避免被人體免疫反應偵測到。而nsp12是所有蛋白中最為重要的，直接協助RNA的合成。

而RNA複製與轉錄的部分，則是經由原有的ss(+)RNA先合成ss(-)RNA後，再一次合成為ss(+)RNA，若是合成完整的RNA，即是複製，而不完整的情況下，即是轉錄。

$Q:$ 為何會合成不同長度的RNA?

因為合成方向是由尾向頭，回顧上面的RNA結構，其會從後面的sp域3’端逆回來合成。而RNA上尾部的地方每個區段之間都有TRS-B的存在，頭端則是有TRS-L。可以觀察下圖的型態，會發現它的RNA事實上並非線狀，nsp域的地方事實上有折疊的情況，使每個TRS-B在合成途中都可能立即中止跳躍到TRS-L的地方轉錄到5’端結束合成。而這些長度不一的RNA根據序列的不同，可能在內質網上轉錄出如S/E/M/N等protein。

RdRp既然主宰了病毒RNA的複製與轉錄，自然有特殊的藥物來阻斷它。新聞中先前常常提到的瑞德西韋(remdesivir)，它的原理是在RdRp在RNA上移行時，瑞德西韋會嵌入i位合成在新股上，但是瑞德西韋是個錯誤的密碼子，特別用於核對正確性的nsp14也無法將其去除，因此會阻斷RNA轉錄，RdRp進而解體，利用這個效果產生病毒抑制。

病毒組裝的部分，目前眾說紛紜，較廣為接受的是N protein與RNA的結合，詳見下圖，一開始複製好的RNA因為Packaging signals而讓N protein開始接上，而N protein彼此也會互相結合，因此將RNA形成了一坨穩固的核心(RNP)。

而這團核心會離開內質網，在這之前，內質網上附著了原先轉譯好的結構蛋白，出芽而形成囊泡，前往高基氏體進行修飾，在這途中的狀態，稱之為內質網-高基氏體中間體(ERGIC)。病毒會在此進行組裝，並且在完成後送到高基氏體cis面修飾。其途中會形成COPI與COPII幫助囊泡形成。

小知識 : COPI由ERGIC傳送到ER，COPII由ER傳送到ERGIC

最後病毒便會進行胞吐作用(exocytosis)離開宿主細胞，繼續感染下一個細胞。

$Q :$ 蛋白質一定會這麼順利的組裝成功嗎?

事實上，病毒外殼組裝成功的機率很低，因此細胞內往往會累積大量的轉譯失敗或沒有組裝的蛋白質，稱為包涵體(inclusion body)。

Taiwan’s Epidemic

現今台灣的疫情仍在於危急情形之下，目前中央指揮中心所頒布的分級警戒情形如下:

現在的三級警戒由於疫情並沒有減緩的跡象，已經由5/18起宣布延期了2次，以目前情況而言以雙北感染最為嚴重，因應此情況，指揮中心針對現有情況提出了不少解釋，其中不乏許多專有名詞，這裡針對幾個比較常見的名詞做解釋。

Cycle Threshold Value

Cycle threshold value，多簡稱Ct value，是在PCR核酸檢測時所利用來紀錄核酸放大倍率的數值。PCR的原理是利用溫度的變化加上一種稱為Taq的蛋白酶與其他相關的協助酵素等，利用原本的核酸解開之後作為模板股進行新股合成，因此複製出的核酸數量會以2的指數次方成長，Ct value指的就是複製的次數。因此，假設Ct value=$n$，則核酸數量會是原本的$2^n$倍。

這個方法被作為審查是否確診的標準之一，若是Ct value很大，表示原先所採集到的核酸很少，需要進行多次的PCR才能到達能夠檢測的範圍，相對不會被認為是染疫者(完全沒有染疫者的理想Ct value為$∞$)。以台灣的標準而言，訂定Ct value 34以下為染疫者，而歐美的標準則是40，各國標準不同的情況下也可能使原先在台未檢出染疫者到國外之後反而呈現陽性反應。

Rapid Test

相對於上方提及的PCR檢測，其因需要相關的化學檢驗，步驟較為繁雜，因此快篩往往必須採取另外的檢測方式。目前最多使用的是採集受檢者鼻咽部檢體之後，以目前已知的抗體種類進行抗原檢測，若是檢出之後會有顏色變化再以肉眼判斷。目前的SARS-Cov-2抗體檢測是檢測病毒上的核殼蛋白N protein，而非病毒的RNA。

另一種方法是透過抽血，檢測血液中的抗體反應，這個方法可以應用在檢測新冠肺炎的感染時程或疫苗反應(檢測IgG/IgM)，以台灣疫苗為例，AZ疫苗的成分是SARS-Cov-2的棘蛋白(S protein)，因此會檢測S protein的IgG反應(IgM在染疫後期才會大量增加，在前期無法檢測確診與否)，但這兩種方法也容易因為其他病毒有相同反應而產生偽陽性的情況。

此外，因為SARS-Cov-2上的RNA含有特殊的序列，如轉譯出RdRp蛋白(nsp12)的序列等，因此也可以透過檢測序列來進行核對，這個方法大大減低了偽陽性的個案數量。

這次就先整理到這裡吧!但是畢竟這是十分新穎的領域，我也是在網路上以及額外跟老師學習的內容中整理並學習，一定會有地方有所疏漏，如果有發現任何地方寫錯或者是不清楚都可以告訴我喔~下一次應該會整理疫苗跟確診數據統計的部分!