SARS-CoV-2近期已突變並演化?錯!看看研究真正的發現

編審專家:

2020年3月3日,中國科學院主辦的National Science Review刊發了一篇題為On the origin and continuing evolution of SARS-CoV-2(論SARS-CoV-2的起源和持續進化)的論文,通訊作者為北京大學生命科學學院生物信息中心研究員陸劍和中國科學院上海巴斯德研究所研究員崔傑。

此文一出,即有報道稱“新冠病毒已於近期產生了149個突變點,並演化出了兩個亞型,分別是L亞型和S亞型。”報道一出,引起了公眾廣泛擔憂:病毒變異能力這麼強,還會演化,是否能有效控制?然而通讀文章就能發現,論文雖然說明了病毒有149個突變點,有兩種分型,但結論並不是像報道中所言。論文甚至專門指出,目前並不清楚S型進化到L型,是發生在人類還是中間宿主身上(it is currently unclear whether L type evolved from the S type in humans or in the intermediate hosts)。也就是說,目前還不確定這種演化是什麼時候發生的。

事實上,病毒作為一種結構簡單的微生物,在外界環境(包括人體和自然環境)的影響下可能發生基因突變。有的情況下,基因突變後病毒並不會產生變化,這種突變就沒有意義。而有些情況下,基因突變後,病毒也會產生一些變化,但這種方向是隨機的,又要接受環境的篩選,不能適應環境的病毒就會逐漸走向消亡。

SARS-CoV-2近期已突變並演化?錯!看看研究真正的發現


論文中關於突變是怎麼說的?

研究團隊共收集了103份樣本,在對基因序列進行比對之後,總共發現了149個突變位點,其中有43個同義突變(病毒不產生變化),83個非同義突變(病毒產生變化),2個突變為了終止密碼子(也會使病毒產生變化,無法正常編碼某些蛋白質)。

論文指出,發現的突變中,大多數是單個位點突變,說明是最近發生或種群增長(Most derived mutations were singletons indicating either a recent origin or population growth)。也就是說,研究人員也沒有完全確定是近期發生的突變。結合疫情暴發的態勢,也可能與種群增長有關。

L型和S型是怎麼回事?

L型和S型實際上來自於研究團隊對於呼吸綜合徵冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)可能重組的研究。

病毒不僅僅有點突變一種形式,它也可能與其他病毒交換基因片段,進行重組。研究團隊也探索了SARS-CoV-2之間是否會重組。

但是大多數突變的頻率都非常低,研究團隊沒有發現SARS-CoV-2病毒株之間的重組。

雖然如此,研究團隊還是發現了兩個位點的SNP(Single Nucleotide Polymorphism,單核苷酸多態性)有明顯聯繫:在103個樣本中,101個都表現出與這兩個SNP的完全聯繫。根據位點不同,其中72株被定義為L型,29株被定義為S型。

由此,研究團隊將SARS-CoV-2分為兩種主要類型,L型(佔多數,約70%)和S型(佔少數,約30%)。

L型和S型相比有什麼特點?

從演化過程上來看,研究通過將SARS-CoV-2和其他高度相關的病毒,進行基因組比對,發現佔少數的S型是SARS-CoV-2更古老的類型。

L型雖然由S型派生而來,但它比S型更加流行,說明L型傳播得更快。進一步研究發現,L型的衍生突變數量明顯比S型多。文章提出,L型傳播或在人體內複製更快,導致它能獲得更多的突變。這一結論顯示,L型可能由於更強傳播性和(或)更快的複製效率,從而比S型更具侵略性。

文章還進一步說明了兩種類型的時空分佈差異。從武漢分離的27株病毒中,26株為L型,只有1株為S型。而在武漢之外分離的其他73株病毒中,45株為L型,28株為S型。也就是說,在武漢,L型更為流行。

從時間上看,2020年1月7日前分離的26株全部來自武漢,而2020年1月7日分離的74株中,只有1株來自武漢,其他的來自武漢之外的地區。也就是說,在2020年1月7日前,L型更流行。

此外文章還發現了可能存在兩種類型病毒混合感染的患者,但也不能排除是新的突變。

既然L型更具侵略性,為什麼在武漢之外的地區流行度反而降低了?

文章提出了一種可能的解釋:中國政府採取了迅速而全面的防控措施。這種人為干預因素給L型施加了巨大的選擇壓力,而S型可能所受的選擇壓力更小,導致其佔比升高。

但文章也指出,這種分析建立在十分零散的樣本分析之上,需要更全面的研究來證實他們的猜想。

文章還有其他什麼發現?

實際上,整個論文圍繞著SARS-CoV-2起源和進化展開。研究人員從紛繁的病毒庫中抽絲剝繭,找到了SARS-CoV-2起源和進化的可能路徑。

文章最初研究了SARS-CoV-2與人SARS-CoV、4種蝙蝠SARSr-CoV(SARS-related coronaviruses)、1種從廣東得到的穿山甲SARSr-CoV、6種從廣西得到的穿山甲SARSr-CoV。發現SARS-CoV-2與一種從雲南收集到的蝙蝠SARSr-CoV有96.2%的相似性,同SARS-CoV有大約79%的相似性。

但此前其他研究發現,SARS-CoV-2和SARS-CoV使用同樣的受體感染人體細胞。會不會是兩種病毒發生了重組,SARS-CoV的部分基因重組到了SARS-CoV-2?

答案是否定的。

這兩種病毒用於結合細胞膜的刺突應該有相同或相似的序列或結構,但研究人員發現這兩種病毒之間,6個關鍵氨基酸中有5個不一致;從3D結構分析看,SARS-CoV-2的結合效率比SARS-CoV高。這否定了SARS-CoV重組的可能。

與此同時,研究發現從廣東穿山甲樣本上獲取的SARSr-CoV,6個關鍵氨基酸與SARS-CoV-2相同。即便是相似度最高的蝙蝠SARSr-CoV,這6個氨基酸中也只有1個與SARS-CoV-2相同。

那麼是否有可能是廣東穿山甲的SARSr-CoV與SARS-CoV-2近期發生了重組呢?

答案依然是否定的!

如果兩者近期發生了重組,那麼基因序列應該是很相似的。但是研究人員通過分析研究序列發現,如果是發生了重組,這兩個序列重組發生的時間是在19.8~55.4年之前。這也否定了“近期重組”的可能性。

因此,研究團隊推斷,在刺突相關序列種的高突變率和強大的自然選擇而不是必然重組之下,兩個病毒出現了相似的進化結果。

這一結論同香港大學管軼教授和廣西醫科大學胡豔玲教授此前發表的論文推測基本一致,該論文傾向認為,穿山甲冠狀病毒和SARS-CoV-2在結合細胞受體方面相似,是趨同進化(環境等相似導致進化方向相似)的結果。

除了探討了病毒起源等問題,文章也指出了目前研究的不足之處。比如還不清楚S型和L型是在人體還是中間宿主中發生了演化,也不清楚L型和S型相比哪一個毒力更強。因此,當前研究的發現強烈支持儘快進行進一步全面的,結合基因數據、流行病學數據、新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease-19,COVID-19)患者臨床症狀記錄表的研究。

總結起來,研究認為SARS-CoV-2是突變和自然選擇的結果,並沒有與其他病毒發生重組。同時,它可被人為地分為L型和S型,S型更為古老,L型由S型派生而來,但更具有侵略性。雖然不清楚這種派生是發生在什麼時候,也不清楚哪一種毒力更強,但全面有效的防控措施遏制了L型擴散的勢頭,S型比例增高。

還需要繼續深入研究兩種類型的臨床症狀等區別,為更加精準、有效地採取防控措施提供支持和參考。

參考文獻

1.Xiaolu Tang, Changcheng Wu,Xiang Li,et al. On the origin and continuing evolution of SARS-CoV-2. National Science Review.2020. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa036

2.https://doi.org/10.1101/2020.02.13.945485

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