新冠肺炎疫情目前已经全球爆发，不仅医护人员每日奋战在一线，科研人员也一直在背后进行机制、药物、疫苗的研究。从2019年12月爆发开始，仅仅三个多月，就已经发表论文600多篇。这些论文，为我们认识、预防、治疗新冠病毒，提供了极大的帮助。对于没有临床样本的科研人员，怎么利用现有的数据来进行相关研究呢？接下来，我们来看看从结构、RNA seq和单细胞RNA seq三个不同角度分析的案例。

图片来自清华大学AMiner团

        1、案例一

        从基因组开始，再到结构、到蛋白表达，逐步解开COVID-19的谜团！

         题目：2019-nCoV（COVID-19）与受体结合的结构分析

        01、研究背景

        SARS-CoV中尖峰糖蛋白在病毒表面形成尖峰，尖峰蛋白的受体结合域（RBD）与宿主ACE2受体结合，从而进入宿主细胞。2019-nCoV（COVID-19）与SARS-CoV高度相似，对2019-nCoV（COVID-19） 的RBD与受体结合的结构分析，对于病毒的防治尤其重要。

        02、方法与结果

        从GenBank 数据库中下载到2019-nCoV（COVID-19）序列，并将序列用BLAST方法与NCBI数据库中的序列进行比对，结果发现最接近2019-nCoV（COVID-19）的同源物是从蝙蝠（MG772933.1）中分离出的SARS冠状病毒，序列同源性为87.99%，覆盖率为99%。其次是从人或者麝猫中分离出的SARS冠状病毒。在2019-nCoV（COVID-19）的整个基因组中，编码尖峰糖蛋白的区域（最不保守的区域）与SARS-CoV序列同源性为74-83%。2019-nCoV（COVID-19）序列中的RBD与SARS-CoV也有72%-76%的同源性（图A）。以上结果显示，与SARS-CoV相同，2019-nCoV（COVID-19）的受体可能也是ACE2。

        将2019-nCoV（COVID-19）的RBD 3D结构与SARS-CoV的进行叠合，发现两个结构基本重合，仅有loop2处有一点差异（图ABC）。

        为了研究RBD与ACE2的结合，作者进行了分子对接，发现2019-nCoV（COVID-19）和SARS-CoV具有类似的与ACE2结合模式，但是2019-nCoV（COVID-19）结合能力更强。在SARS-CoV 的RBD中有16个氨基酸残基与ACE2直接接触，其中8个在2019-nCoV（COVID-19）中保守，推测2019-nCoV（COVID-19）中特有的氨基酸可能增强了与ACE2的互作。

        为了确定变异氨基酸对RBD与ACE2相互作用的贡献，作者比较了其他三种SARS-CoV相关病毒的RBD序列，通过结构分析，解释了2019-nCoV（COVID-19）感染能力更强的原因。

        另外作者还探究了ACE2在动物界的分布，发现ACE2在鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物均有表达，并且它们的同源性很高，表明这些动物均有可能是2019-nCoV（COVID-19）的宿主。

        通过进行免疫染色，作者发现ACE2在肺泡上皮细胞以及动脉和静脉内皮细胞、动脉平滑肌细胞、肾小管上皮和小肠上皮中均有表达，为2019-nCoV（COVID-19）和SARS-CoV通过肺的气道感染提供了强有力的证据。

        通过检索人类蛋白质图谱数据库，作者发现小ACE2在肠，结肠，十二指肠，肾脏，睾丸和胆囊均有表达，并且表达水平高于肺。ACE2的组织表达模式提示了其他可能涉及肠道、肾脏、睾丸和其他组织功能的病毒传播模式。

        03、结论

        高度同源的序列、尖峰糖蛋白编码序列和RBD序列，推测2019-nCoV（COVID-19）与SARS-CoV类似，具有相同的受体ACE2。结构重叠、分子对接和结构分析，解释了2019-nCoV感染力更强的原因。ACE2在其他动物的表达水平分析，表明这些动物都可能是宿主。ACE2在人体不同器官中的表达水平分析，提示除呼吸系统传播外，其他传播途径也要引起重视。

        2、案例二

        TCGA 癌旁RNA seq数据也有巨大的挖掘价值！

         题目：2019-nCoV（COVID-19） ACE2受体在口腔粘膜上皮细胞中高表达

        01、研究背景

        据报道，ACE2是2019-nCoV（COVID-19）的宿主细胞主要受体，在病毒进入细胞引起最终感染中起着至关重要的作用，因此表达ACE2的细胞可能作为靶细胞，具有很大的研究价值。

        02、方法和结果

        从癌症基因组图谱（TCGA）数据库中搜集到13种器官的癌旁正常组织的RNA-seq数据。从哺乳动物基因组cap分析的功能注释（FANTOM5 CAGE）数据库中搜集到14种正常组织器官的RNA-seq数据。作者探究了不同组织的ACE2表达情况，结果发现两个数据库均显示在口腔粘膜可以表达ACE2。

        为了研究ACE2在口腔粘膜上的表达，根据TCGA提供的部位信息，作者探究了ACE2在不同口腔部位的表达情况。研究发现：当将舌底、口底和口腔其他部位与舌进行比较时，发现舌中ACE2的平均表达明显高于其他部位（图c）。将舌与其他口腔中其他部位相比较时，舌中ACE2的表达也是处于较高水平（图d）。

        接下来对口腔组织（舌、颊和舌）进行单细胞测序，并对数据进行分析，结果发现口腔组织中有0.52% ACE2阳性细胞，这些细胞95.86%来源于舌（图d）。单细胞测序将细胞分为7类，其中95.86%的ACE2阳性细胞来源于上皮细胞图（e）。上述结果表明，ACE2可在口腔粘膜上皮细胞上表达，并在舌上皮细胞中高度富集。

        03、结论

        这些发现解释了口腔是2019-nCoV（COVID-19）易感性潜在高风险的基本机制，并为牙科临床实践和日常生活中的预防策略提供了一份证据。

        3、案例3

        除了口腔，其他身体部位的潜在风险也要探究！

         题目：对ACE2受体表达的单细胞RNA-seq数据分析揭示了不同人体器官易受2019-nCoV（COVID-19）感染的潜在风险

        01、研究背景

        在2019-nCoV（COVID-19）感染期间，具有ACE2表达的肺AT2细胞可能是主要的靶细胞。然而，一些患者也表现出非呼吸症状，如肾衰竭，这意味着2019-nCoV（COVID-19）也可能侵染其他器官。研究人体不同器官的风险，具有重要意义。

        02、方法和结果

        作者从GEO数据库中搜集了来自主要人类生理系统，包括呼吸系统、心血管系统、消化系统和泌尿系统的单细胞RNA测序（Scrna-seq）数据集。

        作者对来自鼻黏膜、气管、支气管和肺的单细胞测序数据进行分析，结果发现 ACE2阳性AT2细胞的平均比例约为1%。一个被普遍接受的共识表明，2019-nCoV（COVID-19）病毒倾向于通过宿主受体ACE2攻击肺AT2细胞，因此将ACE2在AT2细胞中的表达水平作为参考，平均比例高于1%的ACE2阳性细胞被认为是高风险的，低于此标准的细胞被认为是低风险的。

        随后作者对不同器官的ACE2阳性细胞水平进行了分析并对细胞类型进行了鉴定，确定了处于高风险的器官，如肺、心脏、食道、肾脏、膀胱和回肠，同时也确定了特定的细胞类型（即II型肺泡细胞（AT2）、心肌细胞、肾近端小管细胞、回肠和食道上皮细胞以及膀胱尿路上皮细胞），这些细胞易受2019-nCoV（COVID-19）感染。

        03、结论

        构建人体不同器官的风险图，可为进一步研究2019-nCoV（COVID-19）感染的发病机制和途径提供潜在线索。

        即使没有临床样本，合理运用现有的数据，也可以帮助我们对COVID-19进行研究，为疫情的防控贡献出一份力量。