较真 | 新冠病毒一突变株成为世界主流病毒株,意味着什么?

较真要点:

  • 1新冠病毒的变异一直在发生,大部分仅仅是随机变异,并没有造成特别大的影响,但是,一些特殊的变异,比如会造成新冠病毒本身性质发生变化的变异,可能会导致其传播能力、致病能力的变化,对于疫情的防控有较大影响。
  • 2近日美国的一项研究发现,新冠病毒基因的一个特殊变异使得变异后的病毒株迅速成为了世界主流的病毒株。这个病毒株之所以能取得传播上的优势,是因为变异发生在新冠病毒的S蛋白区域,S蛋白对于新冠病毒来说就是一把开启细胞引发感染的钥匙。研究者认为这种改变可能导致病毒更容易和细胞发生融合,从而增强其传染性,此外还可能会增加“ADE效应”,即已感染过新冠病毒并有抗体的人若感染变异后的新病毒,症状会更加严重。
  • 3 新冠病毒特殊的变异可能会影响到疫苗的效果。一些疫苗研究人员一直在使用在疫情早期分离出的病毒基因序列,而病毒持续发生着变异,如果基于原始病毒株进行设计药物和疫苗,它们可能无法有效抵抗新的病毒株。无论病毒如何变异,加强对病例及其接触者的监管并及时做好相应的检测和隔离措施都是十分必要的。

查证者:李雷丨中国科学院生物学博士

新冠肺炎的基本传染数R0引发了很多讨论。R0即基本传染数,指在流行病学上,没有外力介入,同时所有人都没有免疫力的情况下,一个感染到某种传染病的人,会把疾病传染给其他多少个人的平均数。此前对于新冠肺炎的R0值估计总体上如钟南山院士所说,是在2到3之间。但在美国CDC期刊《新兴传染病》杂志发表的一项新的研究认为,新冠肺炎的R0值高达5.7,如此高的R0也决定了新冠肺炎属于非常难以防御的一种传染病,需要加大举措才能将其遏制。

同样是计算得出新冠病毒的R0为5.7的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory),其最近的一篇研究(未经同行评议)指出,新冠病毒之前发生过一次重要的变异,变异株成为了当前世界的主流病毒株,这也是导致新冠病毒肆虐的一个生物学因素。那么这个结论如何得来?我们研读一下相关内容。

一、监控发现一种特殊变异造就了世界主流病毒株

新冠疫情发生以来,科学家们对新冠病毒的基因序列检测工作一直在进行,目前已经有几千条序列上传到了公共数据库GISAID,而各地的研究人员还在不断地上传新的序列。不过这些序列可不是一模一样的,而是在不断地发生变化,也就是基因变异。这里要解释一下,很多时候,人们谈到基因变异而色变,其实是完全没必要的。因为基因变异是一种非常常见的自然现象,无论是外界因素还是基因复制过程本身发生的随机错误,都有可能造成基因发生突变,而大部分变异本身并没有好或者坏的影响,仅仅是一些随机发生的过程。

对于新冠病毒来说也是一样,新冠病毒是一种单链RNA病毒,RNA病毒很容易发生变异。事实上,从第一例新冠病毒基因上传到如今,其基因组上已经有了数百个变异了。但是大部分仅仅是随机变异,并没有造成特别大的影响

尽管如此,我们也不可掉以轻心,因为一些特殊变异可能会造成新冠病毒本身性质的变化——这类型变异可能造成其传播能力、致病能力发生变化,对于疫情的防控有较大的影响。鉴于此,研究人员开发出了一个序列实时比对系统,以关注病毒的变异情况。

在上述系统监控下,研究人员注意到了一个特殊的变异,那就是D614G变异。614是指病毒氨基酸序列的第614位,D614G变异通俗地讲就是病毒株的第614位氨基酸由天冬氨酸(D)变成了甘氨酸(G)。那么这个变异后的病毒株G614到底有什么特殊之处呢?我们首先看一下流行病学上的特征。

全球新冠病毒类型连续周观察值分布情况,橙色表示D614,蓝色G614

由上图我们可以看到,在3月之前,全世界流行的病毒株主要是D614(橙色),但是从2月起,新的突变株G614(蓝色)开始快速增加,并且迅速成为了占世界主流的病毒株。这一情况在全世界各地都在上演。到了4月的时候,全球的主要流行病毒株一半以上是G614。

给予全球4535例新冠病毒基因组绘制的进化树,D614G占据了非常大的比例

二、变异株迅速扩散到全世界的原因:基因关键位置突变导致病毒特性发生变化

变异后的病毒株G614从最初的小比例,迅速上升成为全世界主流病毒株,意味着其本身具备一些新的特征。于是研究人员对该变异造成的影响进行了探究。

研究发现,D614G变异发生在新冠病毒的S蛋白区域。S蛋白就是大家看到新冠病毒表面那些凸起的地方,也是新冠病毒命名中的“冠”的来源。这些凸起对于病毒本身至关重要,S蛋白可以和我们细胞上的ACE2受体进行结合,使得我们的细胞将其当做正常物质吞入,从而发生感染,S蛋白对于新冠病毒来说就是一把开启细胞的钥匙。而这个D614G的变异,恰好使得S蛋白结构发生了一些变化,降低了这个蛋白的两个亚基之间的作用力作者认为这种改变可能有两种影响:

1、使病毒更容易和细胞发生融合,从而使传染性增强。

2、增加ADE效应。所谓ADE效应,是指“抗体依赖增强症”(antibody-dependent enhancement)。一般情况下,我们感染了病原体后会获得特异性免疫,且生成记忆细胞,这样下次感染的时候免疫就会迅速激活从而发挥作用。但是有的时候,这种特异性免疫反应是有害的,那就是如果病原体发生了变异再次入侵,机体没有辨别清楚,继续产生之前的免疫,这种免疫对于变异后的病原体是无效或者有限的。机体不再去应对新病原体,反而会帮助其侵入宿主细胞。结果就是感染后的人,会比没有抗体的人症状更严重。结合SARS病毒的研究,作者推测这种变异可能会导致ADE效应增加(此处仅为推测,目前尚未确定新冠肺炎是否存在ADE效应)。

以上推测一定程度上在流行病学中得到了体现,比如英国谢菲尔德的病例中,到了后期,G614明显越来越多,而且G614患者体内的病毒量要高于D614患者体内的病毒量,一定程度上意味着其病情更加严重,这可能与ADE效应有关。

谢菲尔德地区的新冠流行情况

以上流行病学的调查和分析,佐证了作者的一个推测,那就是G614变异的确是一个重大事件,它导致了病毒特性发生了变化,可能变得更容易传播,危害性也更大,并逐渐成为世界上主要流行病毒株。

三、相比病毒变异,更需要关注防控措施以及疫苗研发

上面的变化告诉我们一个事实,那就是新冠病毒一直在变异,而某些变异可能造成病毒特性变化,从而增加其流行的可能性。但是,这并不是我们失望或者消极的理由。事实上,之前就有研究人员指出,早期在武汉,新冠病毒就曾发生过一次重大变异——病毒的祖先型S型变异成为了年轻的L型,而L型变得更加容易传播。然而,我国通过实行隔离等有效措施,最终还是把更危险的病毒类型给压制下去了。

新冠病毒年轻型L和祖先型S在武汉和武汉之外以及1月7日前后的分布情况

如上图,左边,武汉的病毒类型大量变成了年轻的L型,而武汉之外,L型比例要低很多。右边,在1月7日前,新的L型病毒比例高达96.2%,而在之后,这个比例降到了62.2%,可以说是把这个更有侵略性的L型病毒抑制住了。无论病毒如何变异,积极防疫仍是关键。

由于新冠疫苗研发如火如荼,很多人也将希望寄托在了疫苗身上。现在病毒的变异可能会影响到疫苗的效果,因此是一个值得关注的事情。研究者也指出,一些疫苗研究人员一直在使用在疫情早期分离出的病毒基因序列,而病毒持续发生着变异,如果基于原始病毒株进行设计药物和疫苗,它们可能无法有效抵抗新的病毒株。

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