通过蛋白质内在障碍预测了解病毒传播的行为：冠状病毒

摘要

冠状病毒(CoV)除了是对农场动物和家禽的一种常见威胁外，也是2002年至2004年人类严重急性呼吸道综合征(SARS)流行的罪魁祸首。然而，CoV行为的许多方面，包括其传播方式，仍未得到充分理解。研究表明，病毒外壳内蛋白质固有缺陷的数量和分布特征可以有效地分析CoV的行为和传播模式。该模型通过膜(M)和核衣壳(N)的无序分布特性对不同cov进行分类。这种分类可以快速识别在传播过程中具有相似行为的病毒，而不受遗传相似性的影响。在此基础上，建立了预测病毒传播行为的经验模型。这个模型能够解释一些重要的冠状病毒的行为方面的问题，这些问题以前没有被完全理解。新的预测因子可以作为一种有用的工具，用于更好地流行病学、临床和结构上理解新出现的病毒和已经被发现很长时间的病毒的行为。一种潜在的新疫苗策略可能涉及寻找病毒株，这些病毒株的特征是在其外壳的无序分布特征和行为之间的进化不适应。

1.介绍

1.1。蛋白质内在紊乱和病毒行为

以前，我们提供的证据表明，病毒的行为可以通过分析其预测的蛋白壳内的内在紊乱来预测，更具体地说，通过观察其基质和衣壳蛋白中紊乱分布的特性[1- - - - - -3.]。例如，逆转录酶病毒基质中预测的紊乱表现为随病毒传播方式的不同而变化。HIV和EIAV病毒是相关的，但有明显不同的传播方式，后来被用来说明这一点。HIV主要通过性行为传播，而EIAV是通过吸血的马蝇传播的。已经观察到，HIV和EIAV基质蛋白的预测内在失调(PID)的丰度差异很大，HIV蛋白高度失调，尤其是HIV-1。对此的一种解释是需要对非性传播的病毒进行更严格的包住，以保护病毒粒子不受更严酷的环境因素的影响[1]。

1.2。目标

进一步发展能够预测病毒传播方式的模型对临床和基础研究都非常有用。这一模式还将提供一种工具，以协助执行处理旧的和新出现的致病性病毒的公共卫生政策。本文将病毒蛋白内在缺陷的研究范围扩展到冠状病毒(CoV)，由于导致严重急性呼吸综合征(SARS-CoV)的致命病毒的突然出现，冠状病毒引起了科学界的关注[4,5]。临床，结构和流行病学数据可用于SARS冠状病毒和它的动物的表兄弟，这仍然是农业社区[构成严重威胁4,6- - - - - -10]。

这项研究的一个目标是利用蛋白质内在障碍的概念阐明冠状病毒的行为通过创建一个预测模型,这可以提供洞察动物和人类冠状病毒的传播行为之间的差异以及分类的各种动物冠状病毒的传播行为。这样，就可以更好地理解基于宿主及其环境的病毒进化，同时也可以更好地理解这种适应性进化所涉及的结构机制。

1.3。冠状病毒

长期以来，已知冠状病毒可引起呼吸道疾病和肠胃炎[4]。当SARS-CoV从2002年开始进入人类宿主并造成1091人死亡时，人们对这类病毒给予了更大的关注[11,12]。在SARS-CoV爆发期间，有关其传播方式的问题被提出[7,13]。如果对传播模式的特性有更深入的了解，就能做出更好的决定来控制这种不祥的病毒的传播。然而，到今天为止，对决定病毒传播行为的分子机制的完全理解仍然是难以实现的[6]。例如，对于观察到许多感染SARS-CoV的人没有与感染者有任何接触的现象，没有令人满意的解释[14]。

虽然观察到SARS-CoV最容易通过呼吸途径在人类之间传播，但也观察到SARS-CoV的传染性不如流感(http://www.who.int/csr/sars/sarsfaq/en/）5]。这很可能是SARS冠状病毒，最喜欢的动物冠状病毒，利差最有效地通过接触或动物的口腔，粪便途径。

一些人类冠状病毒(HCoV)，如229E、OC43、HKU1和NL63已经被发现有一段时间了[15,16]， HCoV- 229e是研究最多的HCoV。对HCoV与SARS-CoV等动物冠状病毒的传播机制进行了比较。以HCoV- 229e为代表病毒，已经证明HCoV倾向于通过呼吸途径更有效地传播，而动物cov倾向于通过直接接触最有效地传播[15]。此外，肠胃炎是冠状病毒引起的常见病，口粪途径也是常见的传播方式，尤其是在动物宿主之间。因此，与人类相比，接触和口粪途径通常是CoV在动物中传播的最有效方式[15,17,18]。

1.4。结构蛋白

为了介绍本文所研究的两种结构蛋白，需要对病毒的结构进行一个快速的概述。在冠状病毒附近或表面的蛋白包括穗蛋白(S, 150kd)、血凝素-酯酶蛋白(HE, 65kd)、膜/基质糖蛋白(M, 25kda)和小包膜糖蛋白(E, 9 - 12kd)。最接近RNA的蛋白质是核衣壳蛋白(N, 60kd)。它们都可能在保护病毒粒子方面发挥作用[1,2,19,20]。由于M糖蛋白是冠状病毒中最丰富的结构蛋白，它们可能在保护病毒粒子免受损害方面发挥更大的作用。

m蛋白是一个三跨跨膜蛋白，具有一个短的氨基末端外域。除了保护功能外，m蛋白还参与衣壳的自组装，并通过在病毒装配过程中选择S蛋白与病毒粒子结合，成为病毒粒子形态形成的主要决定因素。本文感兴趣的另一种蛋白质是n -蛋白质[5,12]。的N蛋白是RNA结合蛋白。虽然它的许多功能仍是未知，很可能的N蛋白参与包装和保护病毒RNA和病毒复制也发挥了作用参与转录[7,8]。

1.5。分组的冠状病毒

虽然人类的冠状病毒，与SARS冠状病毒外，通常是温和的，他们的动物堂兄弟（例如，禽流感，猪和牛冠状病毒）经常毁灭性的养殖业。事实上，在病毒爆发可能会在牲畜损失方面[是昂贵的10,21]。根据其遗传和抗原组成，冠状病毒一般分为三组[12,16]。此分类的摘要如表所示1。特区冠状病毒没有融入任何当前三组，但确实有一些相似之处第2组。由于这个原因，SARS冠状病毒陷入一个新的类别，2B组。

以前，我们证明了蛋白质内在紊乱预测的相似性并不一定反映所研究蛋白质的遗传相似性，而是可能与进化、传播模式和病毒生活的环境有关[1,2]。因此，基于其蛋白的内在紊乱倾向对冠状病毒进行分类可能会为有用的假设提供重要线索，特别是当考虑到冠状病毒、血清型或亚型的相似蛋白的内在紊乱时。

1.6。蛋白质的内在障碍

这里使用的主要工具是蛋白质的内在障碍的预测。本质上无序的蛋白质也已通过各种其它名称描述，如“本质非结构化” [22]和“天然未折叠” [23,24]。本征病症概念的一般性根据其独特的蛋白质结构是必要的特定蛋白质的功能[从例外到结构到功能范例偶尔观察出现25]。将有序蛋白质和无序蛋白质进行比较，发现有序蛋白质和内在无序蛋白质的氨基酸序列存在明显的差异，无序蛋白质/区域在许多蛋白质上至少有一些共同的序列特征[24,26- - - - - -28]。事实上,无序蛋白质/区域显示显著减少笨重的疏水性(Ile、亮氨酸和Val)和芳香族氨基酸残基(Trp,酪氨酸和板式换热器),通常会形成折叠的球状蛋白质的疏水核心,同时也拥有半胱氨酸含量低,Asn残留。Cys中无序蛋白的消耗也很关键，因为已知该氨基酸残基通过二硫键的形成或参与不同辅基的配位，对蛋白质构象稳定性有重要贡献。这些耗尽的残基，Trp, Tyr, Phe, Ile, Leu, Val, Cys, Asn，被称为促序氨基酸。另一方面，在Ala、极性氨基酸、促进失序氨基酸:Arg、Gly、Gln、Ser、Glu和Lys中，以及疏水但破坏结构的Pro [27- - - - - -31]。这些预测因子的发展为内在障碍编码于蛋白质氨基酸序列的假设提供了直接的支持。这些特征使得内在无序的蛋白质/区域可被识别，并被用来开发内在无序的特定预测因子。目前，寻找缺乏有序结构区域的算法设计是一个非常活跃的研究领域，已经开发了50多个无序预测因子[32]。在本文中所使用的预测器是PONDR VLXT（自然无序区域的预测），这是本地的氨基酸组成，柔韧性，亲水性的基础上，一组无序区域的神经网络预测的，以及其他因素[33- - - - - -36]。这些预测器将序列中的每个残差分类为有序或无序。由于PONDR VLXT对局部序列特征非常敏感，因此常被用于在无序区域内识别具有重要功能的位点。

2.结果

2.1。病毒预测障碍的一般趋势

数字1表示的本征病症（PID）的百分比与A型流感病毒和基质和在一般的RNA病毒核衣壳蛋白的冠状病毒的M-和N蛋白的图形比较。A型流感病毒的基质蛋白和核壳蛋白和冠状病毒的平均的PID提供了一个有趣的对比，因为这两种病毒有相似之处也有不同。例如，在两种病毒的N蛋白病症的量是相当类似，而冠状的M-蛋白预测为更有序的。由于M-蛋白质的主要功能是保护病毒，这是很有诱惑力的假设，在M-蛋白质的整体紊乱，这些差异可以从不同的环境中与需要保护的病毒，因此可以反映不同病毒传播模式。我们知道，例如，这两个病毒通常是通过飞沫传播蔓延，但动物冠状往往多与口腔粪便传播途径有关。中的PID的差异可能反映了这一趋势。

在预测的紊乱方面的PID在M-和HCoVs的的N-蛋白和那些动物冠状病毒之间更详细的比较显示在图2。禽流感和SARS冠状病毒也包括在内，以供比较。数字2显示，禽冠状病毒，IBV的N蛋白，其特征在于最高PID水平。的冠状M-和N蛋白的高PID方差（标准偏差）还应注意到。这两种功能可能暗示更高的呼吸传播的组成部分。

2.2。冠状病毒的核衣壳和基质蛋白的紊乱程度因人和动物宿主的不同而不同

虽然图2允许我们比较人类冠状病毒(HCoV)和一般的非人类冠状病毒，图3.发生故障的动物的数据通过动物宿主进一步冠状病毒。我们能够看到两个矩阵和核衣壳蛋白的病毒由各种动物宿主物种的PID差异。

数字4概述了不同动物冠状病毒M-和n -蛋白中宿主种类和病毒类型的平均pid。应该注意主机类型之间pid的差异。例如，与猪相比，牛冠状病毒的n蛋白中含有更多的pid。这里需要注意的是，所有这些动物冠状病毒的n -蛋白的pid低于50%，不像人类或鸟类冠状病毒。

表格2提供数值PID值用于图中所示的各种猪菌株的N-和M蛋白4。这些数据进行仔细检查，发现该特定菌株可以是通过本征病症的他们在N-和M-蛋白具有的量相当彼此不同。的说明性的例子是在从TEGV和PEDV的N蛋白的PID的显着差异。这里，PEDV的CV777菌株具有在比对Br1 / 87株（8％对13％）的其基质蛋白低紊乱的水平。利用SARS冠状病毒作为参考点，我们可以清楚地看到，该病毒的各菌株特征为唯一的PID签字。例如，TGEV的特征在于相对低的PID的分数其N蛋白（〜43％），尤其是当相比PEDV的某些菌株（〜8％，而它的M-蛋白具有稍高的PID（〜14％）)。

2.3。人类冠状病毒(HCoV)

由菌株冠状PID的细目示于图5这显示了HCoVs 229E和HKU1的M-和n -蛋白的异常高和异常低的PIDs。还应注意HCoV 229E和SARS-CoV的PID值的显著差异。对部分HCoV毒株进行了临床研究，其传播模式特点见表1。与其他人类冠状病毒相比，HCoV-229E已经得到了更广泛的研究，并被证明更容易通过呼吸方式传播。这也被认为是所有hcov的普遍情况。结果如图所示5说明，在一般情况下，人类冠状病毒的N-和m -蛋白比动物冠状病毒的更容易紊乱(参看图1- - - - - -3.)。

数字5还示出了两个矩阵和所述冠状-229E的核衣壳蛋白的异常紊乱。数字5也说明了一个重要的问题，并不是所有的HCoV株都具有与299E相同的特征，并且HCoV的基质和核衣壳蛋白的PIDs有很大的变异性。例如，由于某些原因，预测的HKU1紊乱与我们通常在动物冠状病毒中发现的平均pid相似。

2.4。冠状病毒的贝壳紊乱和传播行为分类

预测病症的在图中看到的图案1- - - - - -5使我们能够根据冠状病毒的PID水平重新分组。表格3.总结了冠状病毒的新分类。可以看出，虽然CoVs的新分组如表所示3.是基于病毒外壳的无序分析，特别是它们的n蛋白，分组似乎反映了病毒如何传播。换句话说，可以观察到每组病毒的共同传播行为和紊乱特征之间的相关性。例如，我们看到，根据他们的PID分析，犬呼吸道冠状病毒属于B类，其中含有中等水平的呼吸道和粪口成分的病毒。其肠道紊乱程度较轻的同类为C类，其粪便-口腔成分较多，而呼吸成分较少。这种模式也见于猪冠状病毒TGEV和PEDV。

因此，数据如表所示3.可用于根据组内每个病毒的M-和n -蛋白的pid预测其呼吸和口腔粪便传播模式的水平。例如，我们可以得出结论，A组的病毒比B组或c组的病毒有更大的呼吸成分。MANOVA分析显示，N和M蛋白的PIDs对冠状病毒的传播行为有统计上显著的影响(为每一个变量,,)。此外，由于模型及其变量的统计意义，通过分析相应M和N蛋白的PID水平，应该可以很容易地识别这三个组。然而，两种蛋白的pid之间的任何相关性在统计学上都不显著(MANOVA，)。一个有趣的注意是，并不是所有C类病毒的m蛋白的PID水平都很低，即使它们的n蛋白的特征是预测障碍很低。

以上的图和表显示了不同CoV蛋白的平均PID水平的差异6通过比较SARS-CoV和IBV的n蛋白部分的3D结构，可视化预测的疾病水平的差异。在IBV核衣壳中可以看到较大的无序区域(红色部分)，而SARS-CoV核衣壳的无序区域要少得多。粗略的无序分析显示，SARS-CoV核衣壳的PID为50%，而IBV核衣壳的PID均值为56%。数字6表明这种差异可能反映在他们的结构差异上。

3.讨论

3.1。预计症与异病毒的演变和传输模式

3.1.1。病毒外壳的保护功能:向核心逐步紊乱

数据如图所示1提示病毒表面蛋白的保护功能可以从蛋白紊乱的预测结果中看出。事实上，PID水平与表面蛋白的定位存在相关性，靠近病毒粒子表面的蛋白通常比其他表面蛋白更坚硬(例如，在冠状病毒中，核衣壳蛋白的PID明显高于基质蛋白)。一般来说，到目前为止分析的所有病毒核衣壳、衣壳和基质蛋白的pid都呈逐步下降趋势。

3.1.2。核衣壳的紊乱与传染途径有关，特别是通过呼吸方式传播的病毒

数字1显示有在流感的PID水平之间的相似性和非相似性和冠状病毒外壳蛋白。紊乱特点可以潜在地映射到传输行为，及病毒的性质。可以看出，在与其他病毒相比，冠状病毒具有一种倾向，在基质蛋白的水平更有序，但他们的核衣壳蛋白一般要超过一般的核衣壳蛋白的RNA病毒无序。这两种流感病毒和冠状病毒在其核衣壳蛋白有高预测疾病的事实表明，较高的核衣壳障碍可用于通过呼吸方式的能力来传播病毒是必要的。这种假设的进一步支持将呈现以下为我们检查和分类不同的冠状病毒。过去的分析表明，许多病毒通过呼吸道传播的模式是由无序的外壳蛋白表征[3.]。

3.1.3。壳体刚度越高，口粪传播方式的层次越高

病毒外壳蛋白构成，其它的主机之间的传输过程中的生存所需要的病毒的保护蛋白质层。数字1显示，在冠状病毒M-蛋白的平均水平PID都惊人地比流感A的在另一方面降低，冠状通常通过口服，粪便和粪便接触的模式下发送[10,13,15,18]，而的流感病毒的主要传动机构是所述呼吸模式。基于这些和类似的观察我们假设有在病毒外壳蛋白的PID水平和病毒传输模式之间的相关性。而在壳蛋白更高水平的病症的是可能与呼吸道传输的概率更大的核壳和基质蛋白相关，降低PID水平反过来往往具有增加的粪 - 口途径传播模式水平相关。这些相关性可以是由于需要一个给定的病毒调整到与所述主机之间传输的过程相关联的环境条件的变化。

显然，与呼吸传播相关的环境条件没有在粪口传播模式中看到的那么苛刻。然而，通过呼吸方式传播的病毒在传播过程中可能会经历更大的环境压力，它们必须能够适应更大范围的环境变化才能生存并成功传播。呼吸道传播病毒的这种适应能力和在各种条件下生存的能力，可能是由于其外壳蛋白的内在紊乱程度较高造成的。换句话说，这些病毒的外壳蛋白被组装成一个灵活的盾牌，其柔韧性有助于病毒快速适应环境的变化。表格3.支持这一假设的证据表明，对于几种被分析的病毒，在外壳蛋白的紊乱程度和传播模式之间有明显的相关性。

3.2。蛋白内在障碍的模式可能确定由冠状病毒动物感染的特殊性

紊乱模式与病毒及其宿主的行为有关。在人类、鸟类和其他动物冠状病毒中，壳蛋白的紊乱程度有显著差异。在感染不同动物的冠状病毒之间的紊乱倾向也有明显的差异(图)2- - - - - -6、表2)。例如，猪冠状病毒和犬冠状病毒的基质和核衣壳蛋白的PID水平通常低于牛冠状病毒(图)3.)。一个合理的解释在于各种病毒的宿主的性质和病毒传播的方式。此外，由于各种动物的生活习惯和饮食也可能导致它们容易接触粪便，这是决定病毒传播特性的关键因素。猪冠状病毒和犬冠状病毒都有更大的粪口成分，而牛冠状病毒则更有效地通过呼吸道传播。所有这些因素显然是决定病毒外壳蛋白内在紊乱程度的决定性因素，而不是遗传相似性和表中病毒的分类1。

3.2.1之上。感染同一宿主的不同冠状病毒内在疾病的差异可能与受感染器官的类型有关

预测的内在疾病水平的一些变化可能不仅取决于传播模式，而且还取决于在感染期间受病毒影响的器官的性质。数字4表明犬呼吸道冠状病毒(影响呼吸道)的PID水平高于犬肠道冠状病毒(优先影响肠道)。在猪冠状病毒中也可以看到类似的模式(见表)3.)。

3.3。猪冠状病毒:了解蛋白质紊乱和病毒行为之间关系的途径

3.3.1。猪冠状病毒的一些神秘特性

传染性胃肠炎冠状病毒(TGEV)和猪流行性腹泻病毒(PEDV)具有相似的传播方式。虽然这两种病毒优先通过口腔模式传播，但它们也可以通过肺部传播[17,18，而PEDV的传送效率普遍较低。PEDV的一个令人费解的方面是，这种病毒有能力在繁殖区域被清理数月后重新出现感染宿主[17]。这表明，猪流行性腹泻病毒可能是在宿主生物体的外部环境更加持久。因为它会从下一个段可以看出，我们的分析表明，内在障碍可以产生有用的信息，更好地了解病毒的行为。

3.3.2。使用内在障碍预测来解决一些病毒行为难题

表2-3.表明TGEV n蛋白的预测紊乱水平明显低于PEDV类似物，并且至少有一株PEDV m蛋白的PID明显低于后者(表2)2)。基于PEDV的m蛋白具有更强的刚性这一事实，我们推测与TGEV相比，某些PEDV菌株在生理环境外可能更持久。这一假设也与观测到的PEDV在严酷的非生理环境(宿主外)中生存、维持猪圈消毒以及在第一次感染数月后感染新宿主的能力相一致[17]。

3.3.3。蛋白质外壳紊乱可以解释感染和持久性的机制

我们的分析还表明，所观察到的PEDV外壳蛋白的内在紊乱倾向可能与病毒在宿主之间传播的方式有关。由于PONDR VLXT预测n蛋白具有较高水平的内在紊乱，因此预计PEDV传播中存在相对较大的“呼吸”成分(见表)3.)。在另一方面，TGEV差更容易由于接触和口腔粪便模式传输的猪之间的更有利的形式[17,18]。

3.3.4。SARS冠状病毒和猪流行性腹泻病毒具有类似的传播行为和预测的障碍水平相当

在M-和N蛋白的PID水平的比较表明，如表各种冠状病毒可以被分组3.。这种分析的一个重要结果是得出结论，在M-和各种冠状病毒的N-蛋白内在障碍方面，SARS冠状病毒最接近的邻居是猪流行性腹泻病毒。该结构紊乱相似，这意味着这两种病毒的行为，也可能是类似的，即以前未发现的见解。

3.3.5。进化上的不适应是一种新疫苗的潜在目标

然而，应该指出的是，有一些动物冠状病毒菌株可以作为表中分类的反例3.。其中一例是猪呼吸道冠状病毒(PRCV)，它是传染性肠胃炎冠状病毒(TGEV)的一种温和变种，已观察到该病毒主要通过呼吸道传播，很难在粪便或小肠中检测到[4,10]。所述PRCV传输行为是由在病毒刺突，其与特化细胞在呼吸道中所限定的本蛋白质相互作用的能力的具体变化（S蛋白）所解释的，并且在细胞中不与受体发现从胃肠区域[10]。由于PRCV和TGEV在M-和n -蛋白中预测的疾病水平几乎相同，因此它们都应归入C类，即主要通过粪-口和接触方式传播的冠状病毒。因此，依赖于呼吸传播模式的PRCV在进化过程中可能是无能的。这种潜在的进化不适应可能也解释了为什么由PRCV感染引起的症状通常是温和的，以及为什么PRCV是一种疫苗株。这项观察还可能提出一种新的疫苗搜索策略，该策略基于识别进化不适应的病毒或毒株。

3.4。障碍比较冠状病毒中，SARS冠状病毒，和其他动物冠状提供线索病毒行为

3.4.1。在人类冠状病毒的紊乱中可以看到巨大的变异:人类免疫系统的复杂性

数据如图所示1- - - - - -5和表3.可用于人基质和核衣壳蛋白与非人冠状病毒相应蛋白的比较。一个显著的特征是，与非人类动物冠状病毒相比，人类冠状病毒的M和N存在较大的PID变异性。这种差异可能是由于人类免疫系统的复杂性[37]。此外，许多HCoVs的由相对高含量的在它们的N和M蛋白预测的病症的特征（见表3.和图5)。因为我们的分析显示,较高的PID水平在一个或两个的冠状病毒衣壳蛋白通常对应于大呼吸道传播组件,高障碍水平对M和n蛋白质可能表明许多HCoVs更容易通过呼吸道传播的手段,一个重要的假设是与临床和实验观察到的传输协议的行为HCoVs [15]。

3.4.2。禽IBV-CoV与人HCoV-229E的异同

数据2- - - - - -6和表3.表明禽流感冠状病毒(IBV)的核衣壳具有高的预测紊乱水平。唯一具有同等程度疾病的病毒是人类冠状病毒229E(图)3.- - - - - -5)。然而，冠状-229E和IBV冠状病毒有一定的差异太大。在冠状-229E，M-和N-蛋白质两者都紊乱，而在IBV冠状病毒，核衣壳被更加无序但是M的PID是仅稍微高于平均水平。这意味着，尽管IBV冠状病毒和冠状一些可能是主要通过呼吸道传播传染性很强的病毒IBV也可能是存在于胃肠区域，和更大的这种病毒的数量可在粪便中找到。

3.4.3。禽冠状病毒核衣壳较大紊乱:呼吸成分较大

先前的研究表明，其他禽类病毒的基质和表面蛋白的内在紊乱通常与它们逃避免疫系统的特性有关[1,2,38]。在这里，病毒逃避免疫系统的能力可能允许它们在不同的宿主物种之间传播。禽流感核衣壳高度紊乱的另一个原因与它主要通过呼吸方式传播有关。通过比较这两种病毒的N-和m -蛋白的PID值，可以发现尽管在核衣壳处存在相当的紊乱水平，但预计IBV-CiV的m -蛋白比流感病毒的相应蛋白更有序(图)2)。这是在粪便中病毒的存在的较大可能性的指示，尽管它的主要的呼吸传输。与此假设一致，IBV冠状病毒已被报道存在于受感染禽鸟的粪便，呼吸模式被认为是主要的传输手段[21,39]。这可能表明IBV中粪便-呼吸传播的可能性更大。通过对各种猪冠状病毒的壳体无序性及其各自的传播行为的分析，也可以进行类似的插值。

3.4.4。HCoV与其他动物冠状病毒的特征差异

基于对HCoV-229E和SARS-CoV的实验和临床研究，得出结论HCoV-229E容易通过呼吸方式传播，而SARS-CoV更容易通过接触传播[15]，和这些观察被用来概括人力和其他冠状病毒[之间的传输的差异15]。我们对蛋白质的内在障碍的数据支持这一结论，并考虑提供一些额外的点。

3.4.5。在许多但不是所有的hcov中有较高的呼吸成分

事实上，hcov通常以其m蛋白的高PID水平为特征，这表明许多人类冠状病毒在其传播模式中可能具有更高的“呼吸”成分。然而，正如我们在上面所看到的，HCoV预测障碍的变异性非常高，HCoV- 229e在HCoV中PID率最高，HCoV- hku1的N-和m -蛋白预测障碍的水平最低。这表明，很难期望所有的hcov都具有与HCoV-229E相同的传播特性。事实上，一些hcov类似于非人类冠状病毒。例如，HCoV-HKU1与其他hcov有很大的不同，尽管在同一组中发现了几个hcov(见表)1和图5)。表格3.进一步强调了HCoV表面蛋白的PID水平存在明显的变异性，并表明不同的HCoV在其传播模式中可以有明显的变异性。

3.4.6。HCoV-HKU1和MHV:一种神秘的关系

一般认为HCoV-HKU1与其他hcov一样是通过呼吸途径传播的。然而，最近的研究表明HCoV-HKU1可能与其他hcov有很大的不同。例如，HCoV-HKU1和HCoV-OC43的基因组成有明显的差异，而且从基因上看，HCoV-HKU1似乎接近MHV。此外，还描述了一例在肝炎患者中检测到HCoV-HKU1的病例[40]。鉴于这种观察和冠状-HKU1和MHV的密切的亲缘接近，有人怀疑，冠状病毒-HKU1可能在肝炎的发病机制中的作用。与这些观察和假设，表协议3.显示有用于冠状-HKU1和MHV的表面蛋白评估的PID水平的密切相似。这一发现是相当令人惊讶的，即使这两个COVS的遗传相似性将被考虑进去，因为在表中所示的数据1- - - - - -3.清楚地说明了基因的接近并不一定转化为紊乱模式的相似性。这也表明HCoV-HKU1和MHV可能也具有类似的传播行为。最近的临床研究表明，与其他HCoV感染病例相比，患者粪便中HCoV- hku1的含量更高，胃肠道疾病与HCoV- hku1感染的相关性也更大[41]。感染肝脏的病毒，如MHV，可能需要更坚硬的外壳来保护它们暴露在胆汁中的病毒粒子，众所周知，胆汁会对某些病毒造成损害[42]。

3.4.7。与HCoV-229E相比，SARS-CoV和PEDV-CoV出现中度病变

基于障碍分析的结果，我们可以假设有很大的可能性冠状-229E通过呼吸模式最容易传播。基于表1所示的PID数据3.可以预期，SARS-CoV的粪便-口腔成分应大于HCoV-229E，因此可能通过接触、口腔-粪便和呼吸方式传播。事实上,更为温和的PID冠和许多动物浸暗示这些病毒都可能相当高水平的通过排泄物和呼吸组件,这让他们在环境中存在时间较长,但能够感染通过飞沫或气溶胶。这些假设与之前描述的对HCoV-229E主要呼吸传播模式的直接观察一致[15]。另一方面，尽管许多动物的cov被证明具有更大的粪-口成分，但它们也可以通过触摸传播，因为更大的粪-口成分将使它们能够在环境中存活更长的时间，或通过粪-呼吸模式。

3.5。SARS冠状病毒：通过预测症了解冠状病毒的传播行为

3.5.1。冠的谜题

其中一个困难的2003 - 2004年SARS爆发期间经历流行病学家的样子了病毒传播。从病毒的主机之间传递的方式，它被称为该病毒具有一定的“呼吸”组件已经在开始爆发。当它然后证明是一种冠状病毒，特别关注支付给可能的口腔粪途径，鉴于冠状病毒的性质。事实上，有地方蔓延参与粪途径，如在淘大花园在香港，它通过排水系统涉及到传播爆发的情况下，实例[11,43]。尽管在淘大花园爆发的疫情已为人所知，但SARS-CoV的确切传播模式至今仍不清楚[6]。例如，在许多情况下，病人在没有与受感染者有任何已知接触的情况下被感染[14]。因此，精确的传播机制仍然是一个谜，没有合适的动物模型为SARS-CoV传播模式。

3.5.2。SARS冠状病毒和猪流行性腹泻：粪便，呼吸路线

对SARS-CoV和其他冠状病毒的紊乱分析表明，SARS-CoV属于B类(见表)3.)，其中包括可能含有中等水平的呼吸道和粪口部成分的病毒。预计这些病毒的呼吸成分比A类的HCoV-229E和IBV要少(见表)3.和图3.,5和6)，但呼吸模式比C类病毒(如TGEV和MHV)的贡献更大。同样，SARS-CoV的口粪成分高于SARS-CoV，而低于SARS-CoV。这表明通过粪便-呼吸模式传播的可能性更大，这证实了长期以来在临床上的怀疑。上述疾病分析表明，粪便-呼吸传播的作用也解释了PEDV观察到的许多特征，而对其对应的TGEV则未观察到。它也同样解释了SARS-CoV和PEDV的传播行为，因为在我们的样本中，这两种病毒都有最接近的壳层紊乱。

3.5.3。SARS冠状病毒：在障碍分析数据看持久性的迹象

这是非典期间一个谜，仍然不清楚现在的另一个特点是在生理环境之外的SARS冠状病毒的持久性的问题。虽然SARS-CoV病毒的表面和粪便上存活延长时段的能力是已知的[6,43]，持久性的电平以及相应的进化机制尚未完全清楚。表中所示的结果2-3.建议的方式来解决这个问题。在猪流行性腹泻病毒和SARS冠状病毒的情况下，N和M-蛋白质的PID水平都相当适中。在流行性腹泻和传染性胃肠炎病毒，在变速器壳行为障碍的水平的差异和建议，特别要注意的M蛋白的PID特殊性。SARS冠状病毒和猪流行性腹泻病毒的某些特定菌株的持久性的迹象（见表2-3.）可以在其M-蛋白质（〜8％的相对低的PID水平上找到），特别是与病毒如TGEV（〜14％）和冠状-229E（〜23％）。

3.5.4。无接触感染与感染的主机

另一个谜团是SARS-CoV在不明显接触被感染宿主的情况下感染宿主的能力[6,44]。参与这种能力的机制的全面了解仍然遥遥无期。在外壳障碍和观察到的传播特性方面和猪流行性腹泻病毒猪传染性胃肠炎病毒之间的差异提供了一些线索，这个难题，因为猪流行性腹泻病毒的感染猪遗体甚至企图后笔的清洁和感染猪隔离的能力[17]。猪流行性腹泻都与SARS冠状病毒的两种外壳蛋白被预测为适度有序。因此，相同的推理用于预测环境持久性和在PEDV越大粪呼吸传输部件可以延伸到解释SARS冠状病毒的行为。

3.5.5。SARS冠状病毒和猪流行性腹泻病毒的传播效率低下

SARS-CoV和PEDV的另一个相似之处是传播效率相对较低。与甲型流感相比，SARS-CoV并没有表现出更高的传播效率，而PEDV被观察到的传播速度比TGEV慢。因此，我们很容易得出这样的结论:这些效率低下的原因是相同的。对相应的内在无序数据的进一步分析表明，传播无效率的原因实际上是非常不同的。SARS-CoV n -蛋白的pid比较(表2)2-3.),IBV(图6)和HCoV-229E(图5、表2)揭示了SARS-CoV n蛋白的内在失调是相对温和的。相反，当SARS-CoV的n -蛋白与TGEV比较时(表2)2-3.）和许多其他动物COVS，相反被保持为真（图2): SARS-CoV n蛋白的PID水平高于许多动物冠状病毒的相应水平，尤其是TGEV。

4。结论

4.1。使用基于外壳蛋白刚性分析的模型预测病毒行为

可以建立一个模型，将M-和n -蛋白的紊乱与冠状病毒的行为联系起来。这个模型是基于这样一种观察，即暴露在较不严酷的环境中的病毒，例如那些通过口粪途径传播的病毒，需要一个更坚硬的外壳，以保护它们的病毒粒子不受损害。测量包膜硬度的一种方法是观察衣壳和基质蛋白的内在紊乱程度。已知的行为和壳牌障碍模式的甲型流感病毒和各种猪冠状病毒,它可以推断,更高的障碍在m蛋白可以与更大的持久性,而高(或低)水平的预测疾病相关的核衣壳可以呼吸的水平(或粪口)传输组件,分别。虽然这两种蛋白的紊乱程度往往是相互跟随的，但这并不一定适用于所有的冠状病毒。

4.2。观察和预测HCoV-229E和IBV-CoV中呼吸传播的证据

先前的研究已经提供证据表明，性传播病毒通常具有高度紊乱的M-和n -蛋白质，因为这类病毒不需要坚硬的保护壳，而是需要灵活的蛋白质层，可以帮助这些病毒逃避宿主的免疫系统。本文对一些冠状病毒进行了采样，并进一步证实了这种关联。例如，许多已知主要通过呼吸模式传播的cov，其外壳蛋白的紊乱程度更高。对于HCoV-229E尤其如此，我们的分析显示M-和n -蛋白都是高度无序的。这些数据还表明，许多其他的人类冠状病毒可能依赖于呼吸路径作为主要的传播模式，因为hcov通常在基质和核衣壳中都有较大的PID水平。与包括SARS-CoV在内的动物冠状病毒相比，HCoV-229E有一个特别大的呼吸成分[15]。除了鸟类IBV之外，在动物cov中通常没有检测到这种高水平的紊乱。考虑到m蛋白的有序度和核衣壳蛋白的无序度，IBV可能具有较高的粪-呼吸传播能力。

4.3。猪流行性腹泻病毒的行为相似和SARS冠状病毒

对猪冠状病毒外壳蛋白的失序分析结果不仅为预测失序与病毒行为之间的联系提供了更多的证据，而且表明该模型可用于预测冠状病毒行为。事实上，SARS-CoV和PEDV的基质中PID水平与核衣壳蛋白有密切的相似性。此外，这两种病毒的传播行为惊人地相似(PEDV和SARS-CoV都主要通过接触传播)，尽管它们的遗传关系相对较远(见表)1)。在另一方面，基于较低的核衣壳PID猪传染性胃肠炎病毒中发现，我们可以期待看到一个更大的口腔，粪便成分中了此病毒的传播。这表明，因为TGEV具有传输更大的口腔粪便和接触部件，它可以远比PEDV更有效地扩散，可以从所呈现的PID分析推断的假设。这表明，预测疾病的水平提供了一个明确的方法来评估病毒的健康。

4.4。PEDV和SARS-CoV:更高水平的气溶胶传播

该模型还提出了一种机制，通过这种机制，PEDV可以重新出现，即使在清理房屋之后，也会感染牲畜[17]。我们的分析表明，这种能力重新崛起源自口服，粪便和呼吸成分的存在。因此，从留下的病毒颗粒产生的气溶胶传播可能在此再度出现了至关重要的作用。反过来，有两个传动部件的能力可以通过在病毒外壳蛋白的预测固有紊乱分布的特点来决定。猪流行性腹泻病毒和SARS冠状病毒之间的PID相似性表明，这两种病毒可能具有相似的传输机制，并表明，SARS病毒可能具有倾向重新崛起，这可以解释如何，即使他们没有被称为是与接触的人可能被感染对SARS冠状病毒感染者[14]。该模型还表明，再度出现的行为不能得到预期TEGV。总体而言，基于病症的分析构成表1所示的分类算法3.这可以用来识别各种冠状病毒的传播模式。

4.5。一个新的工具，了解行为的现有和新出现的病毒

我们的分析结果表明，紊乱预测因子可以用来预测新出现的病毒株的传播行为。在疫情暴发的情况下，这种技术将是预测新病毒潜在传播行为的有用工具。此外，这一分析为更好地理解多年来已知的病毒的传播行为提供了新的线索。

5.材料和方法

使用Entrez网站搜索合适的样本。表格4表示本研究中分析的一些蛋白质。选择已知x射线晶体结构的蛋白质以确保一致性。有关实施的进一步详情，请参阅我们以前的文件[1,2,38]。从PDB中提取的数据被放入数据库中，这使得进一步开发JAVA代码以在Jmol中创建3D表示[45]。关系数据库被修改，以允许从UNIPROT的数据的输入和存储（http://www.uniprot.org/）46]。的图形用户界面程序是使用JAVA允许的蛋白质细节和加入代码容易进入来实现。

开源统计软件包R (http://www.r-project.org/)，用来分析数据。统计方法包括单因素方差分析(MANOVA)。

利益冲突

作者没有利益冲突。

作者的贡献

G. Goh提出了研究的思路，进行了实验，进行了分析，并起草了论文。邓克尔帮助设计了实验。V. Uversky帮助设计实验，协调研究，帮助起草论文。所有作者阅读并认可了最终论文。

承认

这项工作是由俄罗斯科学院的“分子和细胞生物学”计划（V. Uversky）的部分资助。

参考文献

1. Goh, V. N. Uversky，和A. K. Dunker，“使用疾病预测因子对病毒基质蛋白的比较分析，”病毒学杂志，第5卷第126条，2008年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
2. G. K. M. Goh, A. K. Dunker和V. N. Uversky，《病毒蛋白质比较分析的蛋白质内在缺陷工具箱》BMC基因组学，第9卷第1期2、2008年第S4条。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
3. B.薛，R. W.威廉斯，C. J.菲尔德，G. K. M.吴作栋，A. K. Dunker的，和V. N. Uversky，“病毒性疾病或无序病毒：病毒蛋白质具有独特的功能？”蛋白质和肽字母卷。17，没有。8，第932-951，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 《SARS冠状病毒:预防和治疗的新挑战》，临床研究杂志，第111卷，no。11页，1605-1609,2003。查看在：谷歌学术搜索
5. 施塔德勒，V. Masignani, M. Eickmann等，" sars -开始了解一种新病毒，"自然评论微生物学，第1卷第1期3、页209-218,2003。查看在：谷歌学术搜索
6. 一，T·S·御和J. J. Y.宋应星“严重急性呼吸道症候群（SARS）在香港我们所知道的和我们不这样做，爆发的流行病”流行病学和感染，第132卷，编号5，第781-786页，2004。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
7. I. M.宇，M. L.奥尔德姆，J.张，和J.陈，“冠状病毒核衣壳蛋白二聚化域的严重急性呼吸道症候群（SARS）的晶体结构揭示了电晕和动脉炎病毒之间的进化联动”生物化学杂志，第281卷，编号25页，17134-17139,2006。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 范，鲍曼等，“冠状病毒核衣壳蛋白N-和c -端结构域的x射线结构:核衣壳形成的意义”病毒学杂志，第80卷，no。13、页6612-6620,2006。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
9. “SARS病毒相关肺炎在社区爆发的临床进展与病毒载量:一项前瞻性研究，”柳叶刀卷。361，没有。9371，第1767至1772年，2003。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
10. L. J.赛义夫和K.谢斯塔克，“Transgastroenteritis和猪呼吸道冠状病毒，”在疾病的猪B. E.斯特劳和D. J.泰勒编,chapter 30, pp. 489–508, Blackwell, 9th edition, 2006.查看在：谷歌学术搜索
11. t·亚伯拉罕二十一世纪的瘟疫：SARS的故事，香港大学出版社，2004年。
12. D. A. Groneberg, R. Hilgenfeld，和P. Zabel，“严重急性呼吸综合征(SARS)的分子机制，”呼吸系统的研究卷。6，第8条，2005年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
13. m.d. Christian, s.m. Poutanen, m.r. Loutfy, m.p. Muller和d.e. Low，“严重急性呼吸综合征”，临床感染疾病，第38卷第1期10页，1420-1427页，2004年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 吴，徐，周等，“非典型肺炎在非典型肺炎患者中的危险因素，中国北京，”新发传染病，第10卷第1期。2，页210-216,2004。查看在：谷歌学术搜索
15. R. Atmar，《冠状病毒》，inOSki的小儿科:原则与实践， J. A. McMillan, R. D. Feigin, C. DeAngelis和M. D. Jones，编。， 1206-1208页，4版，2006。查看在：谷歌学术搜索
16. n .艾奇逊基本分子病毒学威利,2007。
17. 杨树森，“猪流行性腹泻”，民国90年疾病的猪B. E.斯特劳和D. J.泰勒编,chapter 22, pp. 367–372, Blackwell, 9 edition, 2006.查看在：谷歌学术搜索
18. 《猪冠状病毒》，K. Sestak和L. J. Saif, in新型猪病毒感染的趋势， A. M. Gonzales, A. Monila, K. Yoon和J. J. Zimmerman合编。，第10.1节，第321页，爱荷华州出版社，2002年。查看在：谷歌学术搜索
19. Kao, P. Ni, M. Hema, X. Huang，和B. Dragnea，“外套蛋白引领方向:关于Brome mosaic病毒外套蛋白的基础和应用研究的最新进展，”分子植物病理学，第12卷，no。4, pp. 403-412, 2011。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
20. L. S. Ehrlich, T. Liu, S. Scarlata, B. Chu, and C. A. Carter, “HIV-1 capsid protein forms spherical (immature-like) and tubular (mature-like) particles in vitro: structure switching by pH-induced conformational changes,”生物物理期刊，第81卷第1期第586-594页，2001。查看在：谷歌学术搜索
21. J. K.库克，“冠状病毒”，在家禽疾病，M.帕蒂森，J. McMullin，和J.布拉德伯里编，第340-349，6版，2008年。查看在：谷歌学术搜索
22. P. E. Wright和H. J. Dyson，“本质上的非结构蛋白质:重新评估蛋白质结构-功能范式，”分子生物学杂志，第293卷，编号2，第321-331页，1999年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
23. P. H.魏因勒卜，W.臻，A. W.潘，K. A.康威和P. T.兰斯伯里，“NACP，在阿尔茨海默氏病和学习牵连的蛋白质，是天然未折叠”生物化学，第35卷，no。第43页，13709-13715页，1996。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
24. V. N. Uversky, J. R. Gillespie和A. L. Fink， "为什么"天然展开"的蛋白质在生理条件下是无结构的? "蛋白质结构，功能和遗传学卷。41，没有。3，第415-427，2000。查看在：谷歌学术搜索
25. V. N. Uversky和A. K. Dunker的“了解蛋白非折叠”生物化学与生物物理学ACTA卷。1804年，没有。6，第1231至1264年，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
26. A. K. Dunker的，J.D.劳森，C.J。Brown等人的，“本质无序蛋白”，分子图形和模型杂志，第19卷，no。1，页26-59,2001。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
27. V. Vacic，V. N. Uversky，A. K. Dunker的和S. Lonardi，“组合物探查：用于氨基酸组成的差异发现和可视化工具，”BMC生物信息学卷。8，第211条，2007年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
28. P. Radivojac, L. M. Iakoucheva, C. J. Oldfield, Z. Obradovic, V. N. Uversky, and A. K. Dunker，《内在失调与功能蛋白组学》，生物物理期刊卷。92，没有。5，第1439至1456年，2007年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
29. “蛋白质的非折叠问题:内在秩序和无序的氨基酸决定因素，”太平洋生物计算研讨会， 2001年第89-100页。查看在：谷歌学术搜索
30. P.罗梅罗，Z.奥布拉多维奇，X.栗，E.C。加纳，C. J. Brown和A. K. Dunker的，“序列无序蛋白的复杂性，”蛋白质，第42卷，第38-48页，2001年。查看在：谷歌学术搜索
31. A. K. Dunker的，J.D.劳森，C.J。Brown等人的，“本质无序蛋白”，分子图形和模型杂志，第19卷，no。1，页26-59,2001。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
32. B.他，K.王，刘Y.，薛B.，V. N. Uversky和A. K. Dunker的，“预测内在无序蛋白质：概述，”细胞研究，第19卷，no。8，页929-949,2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
33. S. Vucetic，C.J。布朗，A. K. Dunker的和Z.奥布拉多维奇，“蛋白质病症的香料，”蛋白质，第52卷第2期2003年第573-584页。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
34. 罗梅罗，Z. Obradovic, C. R. Kissinger等人，“成千上万的蛋白质可能有很长的无序区域，”太平洋生物计算研讨会， 437-448页，1998。查看在：谷歌学术搜索
35. E. Garner, P. Romero, A. K. Dunker, C. Brown，和Z. Obradovic，“预测无序蛋白质的结合区域，”基因组信息学卷。10，第41-50，1999。查看在：谷歌学术搜索
36. Z. Obradovic, K. Peng, S. Vucetic, P. Radivojac, C. J. Brown, and A. K. Dunker，“从氨基酸序列预测内在失调”，蛋白质，第53卷，no。第566-572页，2003年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
37. A. S. Perelson, J. G. Bragg，和F. W. Wiegel，《免疫系统的复杂性:比例法则》复杂系统科学在生物医学，第451-459页，2006。查看在：谷歌学术搜索
38. Goh, a.k. Dunker，和V. N. Uversky， "蛋白质内在失调和流感毒性:1918年H1N1和H5N1病毒，"病毒学杂志， 2009年第6卷第69条。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
39. j . Ignjatović和美国Sapats禽传染性支气管炎病毒。”OIE歌剧团科学研究等技术，第19卷，no。2，第493-508页，2000。查看在：谷歌学术搜索
40. F. Esper, C. Weibel, D. Ferguson, M. L. Landry，和J. S. Kahn，“美国HKU1型冠状病毒感染”，新发传染病，第12卷，no。5，第775-779，2006年。查看在：谷歌学术搜索
41. “人类冠状病毒在胃肠道疾病患者中并不常见，”临床病毒学杂志卷。48，没有。2，第131-133，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
42. W.史密斯，“对病毒胆汁盐的作用，”病理学和细菌学杂志卷。48，第557-571，2005。查看在：谷歌学术搜索
43. 余，李，黄天威等，“严重急性呼吸系统综合症病毒在空气中传播的证据，”新英格兰医学杂志，第350卷，no。17页，1731-1739页，2004年。查看在：出版商的网站|谷歌学术搜索
44. 吴，徐，周等，“非典型肺炎在非典型肺炎患者中的危险因素，中国北京，”新发传染病，第10卷第1期。2，页210-216,2004。查看在：谷歌学术搜索
45. A. Herraez，“计算机中的生物分子:jmol拯救”，生物化学和分子生物学教育卷。34，没有。4，第255-261，2006年。查看在：谷歌学术搜索
46. R. Apweiler，A贝罗奇，C. H. Wu等人，“的UniProt：通用蛋白知识库”。核酸研究，第32卷，第115 - 119页，2004年。查看在：谷歌学术搜索

版权

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