科技 新浪科技 新冠D614G突變席捲全球:感染力超2.6倍,與毒性無關

新冠D614G突變席捲全球:感染力超2.6倍,與毒性無關

原標題:新冠D614G突變席捲全球:感染力超2.6倍,與毒性無關

新冠病毒(SARS-CoV-2)作為RNA病毒,相比DNA病毒更不穩定,容易變異。關於病毒進化的問題也隨之而來:SARS-CoV-2進化到更適應人類了嗎?是否更具傳染性?是否毒性更大?

然而,病毒突變受自然選擇、隨機的遺傳漂移或最近的流行病學特徵等多因素影響,這就造成科學家一時難以區分病毒突變是由於適應性還是偶然導致,更難以確定單個突變是否會改變感染或大流行的結果。

截至目前,圍繞新冠病毒D614G突變的研究和爭議最多。白宮衛生顧問安東尼·福奇美國當地時間7月2日也表示,新冠病毒已經發生變異,可能會讓病原體變得更容易傳播。就在同日,聞名全球的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)、杜克人類疫苗研究所和外科系、英國謝菲爾德大學等團隊的研究人員在頂級學術期刊《細胞》(Cell)在線發表了一項研究,題為「Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus 」。他們的研究結果認為:攜帶S蛋白D614G的SARS-CoV-2突變株已成為全球大流行中最普遍的形式。

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研究團隊對變異頻率的動態跟蹤顯示,G614在國家、地區和城市等多個地理級別上呈現反覆增長模式。即使此前已經確定了D614型為主導地位的地區,D614向G614的轉變也會發生。他們認為,這一模式的一致性具有高度的統計意義,表明G614變異可能具有適應性優勢。

研究團隊還發現,相比突變前,更高的病毒載量提示D614G突變病毒和患者上呼吸道病毒核酸水平較高相關。但論文同時指出,「我們發現D614G和疾病嚴重程度之間沒有顯著關聯。」研究團隊還提出,G614突變假病毒與較高的傳染性有關,量化分析得出,攜帶G614突變的病毒顆粒比對應的D614具有明顯更高的感染性滴度,增加2.6至9.3倍,並在多種細胞類型中證實。

來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室等研究團隊繼續在區域和全球層面監測S蛋白其他的突變,並在公共網站(cov.lanl.gov)定期更新。

該研究的通訊作者、第一作者為洛斯阿拉莫斯國家實驗室的計算生物學家Bette Korber,主要研究艾滋病病毒的分子生物學和種群遺傳學,為獲得有效的艾滋病毒疫苗作出了重大貢獻,其中一種目前正在非洲進行人體試驗。2004年,Korber曾獲得歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯獎(Ernest Orlando Lawrence Award),該獎是美國能源部頒發的對科學成果最高認可的獎項。

值得一提的是,此前的4月40日,研究團隊已率先在預印本平台bioRxiv發表了他們的研究,題為「Spike mutation pipeline reveals the emergence of a more transmissible form of SARS-CoV-2」。隨後的5月5日,他們更新發布了第二版。

而自他們的研究公開發表以來,就引發了領域內科學家的廣泛討論。在預印本發表之際,即有質疑者提出,現在就判斷任何一種毒株更具傳染性都為時過早。一些人甚至提出,G614突變病毒株之所以傳播得如此之深遠和廣泛,是因為它恰好感染了在大流行最初階段沒有採取措施的地區。或許研究者還需要做更多的工作來確定是否有任何毒株比其他毒株更具傳染性,以及確定病毒的變異速度是否可能超過疫苗的研發速度。

「這裡有很多猜測,他們沒有經過實驗驗證。」休斯頓得克薩斯兒童醫院疫苗開發中心的Peter Hotez博士表示。

哈佛大學陳曾熙公共衛生學院的Bill Hanage博士則認為,單點突變不太可能產生任何影響。Hanage寫道,重要的是要記住,任何藥物或疫苗都要經過測試,以對抗正在傳播的任何一種病毒。「病毒能這麼早地在所有這些疫苗上找到逃逸突變,那就太幸運了。」他還認為,由於幾乎沒有人對該病毒有任何自然免疫,因此幾乎沒有或根本沒有導致逃逸突變的選擇壓力。

值得注意的是,刊發於《Cell》上的這篇論文經同行評議正式刊發的版本和此前的預印本版本發生了很大的變動,減少了猜測性觀點,增加了大量實驗數據。來自耶魯大學公共衛生學院、哈佛大學公共衛生學院、哥倫比亞梅爾曼公共衛生學院的三位學者同期在《細胞》雜誌則發表了另一篇文章,對洛斯阿拉莫斯國家實驗室Korber等人的這項研究作出點評,題為「Making sense of mutation: what D614G means for the COVID-19 pandemic remains unclear」。

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這三位學者提到,Korber等人的新研究是這場爭論的核心。「他們提供了令人信服的數據,表明大流行早期出現病毒S蛋白D614G出現了氨基酸變化,而攜帶G614的病毒現在在世界各地佔據主導地位。」但他們提出,關鍵的問題是:這是否是自然選擇的結果,以及這對COVID-19大流行意味著什麼?

他們認為,Korber等人提供的這些數據並不能證明G614比D614病毒更具傳染性或更易傳播。「D614G對COVID-19大流行的潛在影響(如果有的話)仍存在許多問題。」

「早期預警」:追蹤新冠病毒S蛋白進化

論文提到,此前已有研究提出,冠狀病毒有遺傳校對機制,而SARS-CoV-2序列多樣性非常低,然而,自然選擇仍然可以對罕見但有利於病毒的突變起到作用。

類似的情況是,抗原漂移(antigenic drift)導致流感病毒在流感季節逐漸累積突變,免疫抗性突變和適應性之間複雜的相互作用使抗體抗性在人群中發展,這也就推動了每隔幾個季節就需要開發新流感疫苗的需求。更長的流感季節則增加了選擇壓力的機會。

所謂的抗原漂移,指的是病毒通過改變自己的基因,讓蛋白的序列和結構改變,從而使得原本有免疫力的人識別不了。論文指出,雖然SARS-CoV-2顯示出一些季節性減弱的跡象,但大流行的持續存在可能使即使研製出疫苗,病毒也會積累與免疫相關的突變。

目前已知的是,普通的感冒冠狀病毒OC43、229E,甚至SARS-CoV-1Z中,都存在抗原漂移。雖然目前尚無證據表明SARS-CoV-2存在抗原漂移,但隨著廣泛的人際傳播,SARS-CoV-2也可能獲得具有適應度優勢和免疫抗性的突變。

研究團隊認為,「現在就關注這一風險可能能夠抓住病毒的重要進化轉變,這對於確保疫苗和免疫治療干預措施在進入臨床時的有效性非常重要。」

目前,全球針對SARS-CoV-2的疫苗大多靶向S蛋白,從而獲得保護性的中和抗體。S蛋白介導病毒和宿主細胞結合併入侵,它由S1結構域和S2結構域兩部分組成,分別介導受體結合和膜融合。

大多數SARS-CoV-2免疫原和檢測試劑都是基於武漢參考序列的S蛋白序列,第一代抗體療法也是基於早期大流行感染開發的,並使用武漢參考序列蛋白進行評價。然而,研究團隊提出,病毒在人與人之間傳播時的改變可能會改變病毒的表型和基於免疫的干預措施的效力。

因此,研究團隊認為有必要提出「早期預警」策略,以評估大流行期間的S蛋白進化。也就是在新冠疫情發生之後,洛斯阿拉莫斯國家實驗室艾滋病毒資料庫團隊轉向了新冠研究,他們將「全球共享流感數據倡議組織」(GISAID)資料庫中SARS-CoV-2序列數據作為基準,開發了一項生物信息分析軟體,追蹤在許多地理區域頻率增加的SARS-CoV-2 S蛋白氨基酸變異。

D614到G614的轉變首先發生於歐洲,現已成為全球成為主要形式

在這項研究中,研究團隊分析了GISAID資料庫中28576個(截至5月29日)S蛋白序列。由於S蛋白突變仍然是較少的,研究團隊設置了S蛋白突變的低閾值,被視作可進一步追蹤的「興趣位點」。當研究團隊發現和武漢參考序列之間存在0.3%的S蛋白序列差異時,他們就監測其在地理區域隨時間增加的頻率,以及在不同地理區域反覆出現的情況。

在這項研究中,他們展示了第一個氨基酸變異的結果,即D614G。S蛋白D614G氨基酸改變是由武漢參考毒株23403位點的G-A核苷酸突變導致,它是研究團隊在3月初的第一次S蛋白突變報告中唯一追蹤到的符合他們低閾值設置的突變。

當時,G614的形式在全球還很少見,但在歐洲越來越突出,而GISAID也追蹤到了攜帶D614G分支,並將其命名為「G支」。D614G突變幾乎總是伴隨著其他3個突變:5』UTR的C-T突變(對應于武漢參考序列的241位點)、3037位點的C-T沉默突變、14408位點C-T突變(導致RNA依賴的RNA聚合酶RdRp氨基酸變化)。

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由這4個基因突變組成的單倍型現在是全球的主要形式。在3月1日之前,在全球997個序列中發現了10%;3月1日至3月31日,14951個序列中發現了67%;4月1日至5月18日,12194個序列中發現了78%。

這就意味著,在一個月的時間內,攜帶D614G S蛋白突變的毒株成為SARS-CoV-2的全球主導形式。論文指出,從D614到G614的轉變首先發生歐洲,隨後發生在是北美和大洋洲,然後是亞洲。

研究指出,最早的攜帶D614G GISAID G分支4突變單倍型部分特徵的序列是於1月下旬在中國和德國發現的,它們攜帶了定義該分支的4個突變中的3個,僅缺少RdRp P323L替換。研究團隊分析,這可能是G支的祖先形式。其中一個早期武漢序列和一個泰國早期序列出現了D614G突變,而沒有發生其他3個突變;這些可能是獨立產生的。

研究團隊最早檢測到的攜帶所有4個突變的序列於2月20日在義大利採集。幾天之內,這個單倍型在歐洲許多國家取樣獲得。

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研究團隊還從結構層面進行了研究。D614位於S蛋白原聚體的表面,可以與鄰近的原聚體接觸。研究援引此前的低溫冷凍電鏡結構指出,相鄰的原聚體D614和T859的側鏈形成了一個與原聚體之間的氫鍵,將一個原聚體的S1結構域的殘基和另一個原聚體的S2結構域的殘基結合在一起。

而突變為G614將消除這個側鏈氫鍵,可能增加主鏈的靈活性和改變原聚體之間的相互作用。此外,這種替換可以調節附近N616位點的糖基化,影響鄰近原聚體近端空間融合肽的動態,或者還將產生其他影響。

D614G和疾病嚴重程度之間沒有顯著關聯

研究團隊還研究了英格蘭謝菲爾德地區999名COVID-19患者的臨床數據,以此分析突變對疾病嚴重程度的影響。

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他們發現,相比突變前,更高的病毒載量提示,D614G突變病毒和患者上呼吸道病毒核酸水平較高相關。但論文同時指出,「我們發現D614G和疾病嚴重程度之間沒有顯著關聯。」D614G與住院關聯比較無統計學意義(p=0.66),儘管與ICU有臨界意義(p=0.047)。回歸分析也進一步證實了G614與更高的住院水平無關。

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不過,研究團隊提出,G614突變假病毒與較高的傳染性有關。研究量化分析得出,攜帶G614突變的病毒比對應的D614具有明顯更高的感染性滴度,增加2.6至9.3倍,並在多種細胞類型中證實。

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研究團隊還測試了如果發生D614G變異,是否同樣會被多克隆抗體中和。研究利用了6名聖地亞哥居民(可能在3月初至3月中旬感染,當時D614和G614都在傳播)的康復期血清,與攜帶D614假病毒相比,他們的血清對帶有G614假病毒的中和作用相當或更好。

論文指出,「雖然我們不知道這些人感染的是哪種病毒,但這些初步數據表明,儘管在細胞培養中適應性增強,但攜帶G614的病毒在本質上並不會更能抵抗恢復期血清的中和作用。」

研究團隊指出,G614變異的高傳染性可能是其迅速傳播和持續的充分原因,但也應考慮其他因素。