Source of the COVID-19 pandemic: ecology and genetics of coronaviruses (Betacoronavirus: Coronaviridae) SARS-CoV, SARS-CoV-2 (subgenus Sarbecovirus), and MERS-CoV (subgenus Merbecovirus)

Cover Image
  • Authors: Lvov D.K.1, Alkhovsky S.V.2
  • Affiliations:
    1. Doctor of Medical Sciences, Professor, Academician of RAS, Head of the Department of Ecology of Viruses, Head of Ecology and Epidemiology of Influenza Center, D.I. Ivanovsky Institute of Virology of National Research Centre for Epidemiology and Microbiology named after the honorary academician N.F. Gamaleya, Moscow, 123098, Russia
    2. D.I. Ivanovsky Institute of Virology of National Research Centre for Epidemiology and Microbiology named after the honorary academician N.F. Gamaleya
  • Issue: Vol 65, No 2 (2020)
  • Pages: 62-70
  • Section: REVIEWS
  • URL: https://ogarev-online.ru/0507-4088/article/view/118020
  • DOI: https://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-2-62-70
  • ID: 118020

Cite item

Full Text

Abstract

Since the early 2000s, three novel zooanthroponous coronaviruses (Betacoronavirus) have emerged. The first outbreak of infection (SARS) caused by SARS-CoV virus occurred in the fall of 2002 in China (Guangdong Province). A second outbreak (MERS) associated with the new MERS-CoV virus appeared in Saudi Arabia in autumn 2012. The third epidemic, which turned into a COVID-19 pandemic caused by SARS-CoV-2 virus, emerged in China (Hubei Province) in the autumn 2019. This review focuses on ecological and genetic aspects that lead to the emergence of new human zoanthroponous coronaviruses. The main mechanism of adaptation of zoonotic betacoronaviruses to humans is to changes in the receptor-binding domain of surface protein (S), as a result of which it gains the ability to bind human cellular receptors of epithelial cells in respiratory and gastrointestinal tract. This process is caused by the high genetic diversity and variability combined with frequent recombination, during virus circulation in their natural reservoir - bats (Microchiroptera, Chiroptera). Appearance of SARS-CoV, SARS-CoV-2 (subgenus Sarbecovirus), and MERS (subgenus Merbecovirus) viruses is a result of evolutionary events occurring in bat populations with further transfer of viruses to the human directly or through the intermediate vertebrate hosts, ecologically connected with bats.

This review is based on the report at the meeting «Coronavirus - a global challenge to science» of the Scientific Council «Life Science» of the Russian Academy of Science: Lvov D.K., Alkhovsky S.V., Burtseva E.I. COVID-19 pandemic sources: origin, biology and genetics of coronaviruses of SARS-CoV, SARS-CoV-2, MERS-CoV (Conference hall of Presidium of RAS, 14 Leninsky Prospect, Moscow, Russia. April 16, 2020)

About the authors

Dmitry K. Lvov

Doctor of Medical Sciences, Professor, Academician of RAS, Head of the Department of Ecology of Viruses, Head of Ecology and Epidemiology of Influenza Center, D.I. Ivanovsky Institute of Virology of National Research Centre for Epidemiology and Microbiology named after the honorary academician N.F. Gamaleya, Moscow, 123098, Russia

Author for correspondence.
Email: dk_lvov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8176-6582

Sergey V. Alkhovsky

D.I. Ivanovsky Institute of Virology of National Research Centre for Epidemiology and Microbiology named after the honorary academician N.F. Gamaleya

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-6913-5841
Russian Federation

References

  1. de Groot R.J., Baker S.C., Baric R., Enjuanes L., Gorbalenya A.E., Holmes K.V., et al. Family Coronaviridae. In: King A.M., Adams M.J., Carstens E.B., Lefkowitz E.J., eds. Virus Taxonomy: Classification and Nomenclature of Viruses. Ninth Report of the International Committee on Taxonomy of Viruses. London: Elsevier; 2012: 806-28.
  2. Львов Д.К., Альховский С.В., Колобухина Л.В., Бурцева Е.И. Этиология эпидемической вспышки COVID-19 в г. Ухань (провинция Хубэй, Китайская Народная Республика), ассоциированной с вирусом 2019-nCoV (Nidovirales, Coronaviridae, Coronavirinae, Betacoronavirus, подрод Sarbecovirus): уроки эпидемии SARS-CoV. Вопросы вирусологии. 2020; 65(1): 6-16. DOI: http://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-1-6-15
  3. Hamre D., Procknow J.J. A new virus isolated from the human respiratory tract. Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 1966; 121(1): 190-3. DOI: http://doi.org/10.3181/00379727-121-30734
  4. McIntosh K., Dees J.H., Becker W.B., Kapikian A.Z., Chanock R.M. Recovery in tracheal organ cultures of novel viruses from patients with respiratory disease. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1967; 57(4): 933-40. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.57.4.933
  5. Drosten C., Gunther S., Preiser W., van der Werf S., Brodt H.R., Becker S., et al. Identification of a novel coronavirus in patients with severe acute respiratory syndrome. N. Engl. J. Med. 2003; 348(20): 1967-76. DOI: http://doi.org/10.1056/NEJMoa030747
  6. Zaki A.M., van Boheemen S., Bestebroer T.M., Osterhaus A.D., Fouchier R.A., et al. Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. N. Engl. J. Med. 2012; 367(19): 1814-20. DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMoa1211721
  7. Zhu N., Zhang D., Wang W., Li X., Yang B., Song J., et al. A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N. Engl. J. Med. 2020; 382(8): 727-33. DOI: http://doi.org/10.1056/NEJMoa2001017
  8. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798): 270-3. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7
  9. Lu R., Zhao X., Li J., Niu P., Yang B., Wu H., et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. Lancet. 2020; 395(10224): 565-74. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30251-8
  10. Lau S.K., Woo P.C., Li K.S., Huang Y., Tsoi H.W., Wong B.H., et al. Severe acute respiratory syndrome coronavirus-like virus in Chinese horseshoe bats. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005; 102(39): 14040-5. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.0506735102
  11. Li W., Shi Z., Yu M., Ren W., Smith C., Epstein J.H., et al. Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. Science. 2005; 310(5748): 676-9. DOI: http://doi.org/10.1126/science.1118391
  12. Fan Y., Zhao K., Shi Z.L., Zhou P. Bat coronaviruses in China. Viruses. 2019; 11(3): pii E210. DOI: http://doi.org/10.3390/v11030210
  13. Rihtaric D., Hostnik P., Steyer A., Grom J., Toplak I. Identification of SARS-like coronaviruses in horseshoe bats (Rhinolophus hipposideros) in Slovenia. Arch. Virol. 2010; 155(4): 507-14. DOI: https://doi.org/10.1007/s00705-010-0612-5
  14. Ar Gouilh M., Puechmaille S.J., Diancourt L., Vandenbogaert M., Serra-Cobo J., Lopez Roïg M., et al. SARS-CoV related Betacoronavirus and diverse Alphacoronavirus members found in western old-world. Virology. 2018; 517: 88-97. DOI: http://doi.org/10.1016/j.virol.2018.01.014
  15. Balboni A., Palladini A., Bogliani G., Battilani M. Detection of a virus related to betacoronaviruses in Italian greater horseshoe bats. Epidemiol. Infect. 2011; 139(2): 216-9. DOI: http://doi.org/10.1017/S0950268810001147
  16. Drexler J.F., Gloza-Rausch F., Glende J., Corman V.M., Muth D., Goettsche M., et al. Genomic characterization of severe acute respiratory syndrome-related coronavirus in European bats and classification of coronaviruses based on partial RNA-dependent RNA polymerase gene sequences. J. Virol. 2010; 84(21): 11336-49. DOI: https://doi.org/10.1128/jvi.00650-10
  17. Donaldson E.F., Haskew A.N., Gates J.E., Huynh J., Moore C.J., Frieman M.B. Metagenomic analysis of the viromes of three North American bat species: viral diversity among different bat species that share a common habitat. J. Virol. 2010; 84(24): 13004-18. DOI: http://doi.org/10.1128/JVI.01255-10
  18. Wang L.F., Shi Z., Zhang S., Field H., Daszak P., Eaton B.T. Review of bats and SARS. Emerg. Infect. Dis. 2006; 12(12): 1834-40. DOI: http://doi.org/10.3201/eid1212.060401
  19. Tong S., Conrardy C., Ruone S., Kuzmin I.V., Guo X., Tao Y., et al. Detection of novel SARS-like and other coronaviruses in bats from Kenya. Emerg. Infect. Dis. 2009; 15(3): 482-5. DOI: http://doi.org/10.3201/eid1503.081013
  20. Drexler J.F., Corman V.M., Drosten C. Ecology, evolution and classification of bat coronaviruses in the aftermath of SARS. Antiviral Res. 2014; 101: 45-56. DOI: http://doi.org/10.1016/J.ANTIVIRAL.2013.10.013
  21. Haagmans B.L., Al Dhahiry S.H.S., Reusken C.B.E.M., Raj V.S., Galiano M., Myers R., et al. Middle East respiratory syndrome coronavirus in dromedary camels: An outbreak investigation. Lancet Infect. Dis. 2014; 14(2): 140-5. DOI: https://doi.org/10.1016/S1473-3099(13)70690-X
  22. Sabir J.S., Lam T.T., Ahmed M.M., Li L., Shen Y., Abo-Aba S.E., et al. Co-circulation of three camel coronavirus species and recombination of MERS-CoVs in Saudi Arabia. Science. 2016; 351(6268): 81-4. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aac8608
  23. Raj V.S., Farag E.A., Reusken C.B., Lamers M.M., Pas S.D., Voermans J., et al. Isolation of MERS coronavirus from dromedary camel, Qatar, 2014. Emerg. Infect. Dis. 2014; 20(8): 1339-42. DOI: http://doi.org/10.3201/eid2008.140663
  24. Paden C.R., Yusof M.F.B.M., Al Hammadi Z.M., Queen K., Tao Y., Eltahir Y.M., et al. Zoonotic origin and transmission of Middle East respiratory syndrome coronavirus in the UAE. Zoonoses Public Health. 2018; 65(3): 322-33. DOI: http://doi.org/10.1111/zph.12435
  25. Müller M.A., Corman V.M., Jores J., Meyer B., Younan M., Liljander A., et al. MERS coronavirus neutralizing antibodies in camels, eastern Africa, 1983-1997. Emerg. Infect. Dis. 2014; 20(12): 2093-5. DOI: https://doi.org/10.3201/eid2012.141026
  26. Calisher C.H., Childs J.E., Field H.E., Holmes K.V., Schountz T. Bats: important reservoir hosts of emerging viruses. Clin. Microbiol. Rev. 2006; 19(3): 531-45. DOI: https://doi.org/10.1128/CMR.00017-06
  27. Lvov D.K., Shchelkanov M.Y., Alkhovsky S.V., Deryabin P.G. Zoonotic Viruses of Northern Eurasia. Taxonomy and Ecology. London: Academic Press, Elsevier; 2015.
  28. Львов Д.К. Экология вирусов. В кн.: Львов Д.К., ред. Руководство по вирусологии. Вирусы и вирусные инфекции человека и животных. М.: МИА; 2013: 66-86.
  29. Li W., Moore M.J., Vasllieva N., Sui J., Wong S.K., Berne M.A., et al. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus. Nature. 2003; 426(6965): 450-4. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02145
  30. Ren W., Qu X., Li W., Han Z., Yu M., Zhou P., et al. Difference in receptor usage between severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus and SARS-like coronavirus of bat origin. J. Virol. 2008; 82(4): 1899-907. DOI: https://doi.org/10.1128/jvi.01085-07
  31. Wan Y., Shang J., Graham R., Baric R.S., Li F. Receptor recognition by the novel coronavirus from Wuhan: an analysis based on decade-long structural studies of SARS coronavirus. J. Virol. 2020; 94(7): pii e00127-20. DOI: https://doi.org/10.1128/jvi.00127-20
  32. Ge X.Y., Li J.L., Yang X.L., Chmura A.A., Zhu G., Epstein J.H., et al. Isolation and characterization of a bat SARS-like coronavirus that uses the ACE2 receptor. Nature. 2013; 503(7477): 535-8. DOI: https://doi.org/10.1038/nature12711
  33. Lau S.K., Feng Y., Chen H., Luk H.K., Yang W.H., Li K.S., et al. Severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus ORF8 protein is acquired from SARS-related coronavirus from greater horseshoe bats through recombination. J. Virol. 2015; 89(20): 10532-47. DOI: https://doi.org/10.1128/jvi.01048-15
  34. Hu B., Zeng L.P., Yang X.L., Ge X.Y., Zhang W., Li B., et al. Discovery of a rich gene pool of bat SARS-related coronaviruses provides new insights into the origin of SARS coronavirus. PLoS Pathog. 2017; 13(11): e1006698. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006698
  35. Ge X.Y., Wang N., Zhang W., Hu B., Li B., Zhang Y.Z., et al. Coexistence of multiple coronaviruses in several bat colonies in an abandoned mineshaft. Virol. Sin. 2016; 31(1): 31-40. DOI: https://doi.org/10.1007/s12250-016-3713-9
  36. Wang N., Li S.Y., Yang X.L., Huang H.M., Zhang Y.J., Guo H., et al. Serological evidence of bat SARS-related coronavirus infection in humans, China. Virol. Sin. 2018; 33(1): 104-7. DOI: http://doi.org/10.1007/s12250-018-0012-7
  37. Lam T.T., Shum M.H., Zhu H.C., Tong Y.G., Ni X.B., Liao Y.S., et al. Identifying SARS-CoV-2 related coronaviruses in Malayan pangolins. Nature. 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2169-0
  38. Zhang T., Wu Q., Zhang Z. Probable pangolin origin of SARSCoV-2 associated with the COVID-19 outbreak. Curr. Biol. 2020; 30(7): 1346-51.e2. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.03.022
  39. Coutard B., Valle C., de Lamballerie X., Canard B., Seidah N.G., Decroly E. The spike glycoprotein of the new coronavirus 2019-nCoV contains a furin-like cleavage site absent in CoV of the same clade. Antiviral Res. 2020; 176: 104742. DOI: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2020.104742
  40. Simmons G., Zmora P., Gierer S., Heurich A., Pöhlmann S. Proteolytic activation of the SARS-coronavirus spike protein: Cutting enzymes at the cutting edge of antiviral research. Antiviral Res. 2013; 100(3): 605-14. DOI: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2013.09.028
  41. Claas E.C.J., Osterhaus A.D., van Beek R., De Jong J.C., Rimmelzwaan G.F., Senne D.A., et al. Human influenza A H5N1 virus related to a highly pathogenic avian influenza virus. Lancet. 1998; 351(9101): 472-7. DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(97)11212-0
  42. Corman V.M., Ithete N.L., Richards L.R., Schoeman M.C., Preiser W., Drosten C., et al. Rooting the phylogenetic tree of Middle East respiratory syndrome coronavirus by characterization of a conspecific virus from an African bat. J. Virol. 2014; 88(19): 11297-303. DOI: https://doi.org/10.1128/jvi.01498-14
  43. Yang L., Wu Z., Ren X., Yang F., Zhang J., He G., et al. MERS-related betacoronavirus in Vespertilio superans bats, China. Emerg. Infect. Dis. 2014; 20(7): 1260-2. DOI: https://doi.org/10.3201/eid2007.140318
  44. Raj V.S., Mou H., Smits S.L., Dekkers D.H., Müller M.A., Dijkman R., et al. Dipeptidyl peptidase 4 is a functional receptor for the emerging human coronavirus-EMC. Nature. 2003; 495(7440): 251-4. DOI: https://doi.org/10.1038/nature12005
  45. van Doremalen N., Miazgowicz K.L., Milne-Price S., Bushmaker T., Robertson S., Scott D., et al. Host species restriction of middle East respiratory syndrome coronavirus through its receptor, dipeptidyl peptidase 4. J. Virol. 2014; 88(16): 9220-32. DOI: https://doi.org/10.1128/JVI.00676-14
  46. Львов Д.К. Рождение и развитие вирусологии – история изучения новых и возвращающихся инфекций. Вопросы вирусологии. 2012; (S1): 5-20.
  47. Львов Д.К., ред. Методические рекомендации. Организация эколого-эпидемиологического мониторинга территорий Российской Федерации с целью противоэпидемической защиты населения и войск. М.; 1993.
  48. Львов Д.К., Борисевич С.В., Альховский С.В., Бурцева Е.И. Актуальные подходы к анализу вирусных геномов в интересах биобезопасности. Инфекционные болезни: новости, мнения, обучение. 2019; 8(2): 96-101. DOI: https://doi.org/10.24411/2305-3496-2019-12012

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2020 Lvov D.K., Alkhovsky S.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».