生活方式与健康
2022年02月号

追踪变异的轨迹从阿尔法到奥密克戎

作者:生命新知

病毒在不断的变异,不断的进化,更强的病毒可能还不断的在诞生。我们要做好这种准备,用科学的手段,早发现、早预防,同时快速的发展疫苗以及有效治疗新冠病毒的药物,然后学会与它们共生存。

2019年12月26日,中国学者对第一个发现的新冠病毒做了全基因测序,代号为Wuhan-Hu-1,传送至GenBank(编号:MN908947)。这是世界上第一个新冠病毒的全基因测序。紧接着在2020年1月,中国学者又将另一个新冠病毒全基因序列上传,代号为Wuhan/WH04/2020。虽然说它是第2个测序,但是结果发现这个病毒与RaTG13蝙蝠病毒是近亲,而且在进化历程中早于Wuhan-Hu-1。因此,后来学者把第2个发现的病毒Wuhan/WH04/2020命名为A,将2019年发现的Wuhan-Hu-1命名为B。

图1中,红色圈标注的代表采集自武汉海鲜市场的病毒样本,与武汉海鲜市场无关的病毒样本用蓝色的三角标注。与刚才发现的基因序列来进行对比,蓝色的非海鲜市场发现的病毒似乎还早于海鲜市场的,留给其他科学家再继续追踪它的来源。但从图中看到的是随着时间的推移,病毒的基因变异不断发生,纵轴代表基因变异的数量,横轴代表时间顺序,不管是红色的还是蓝色的,它们交织着不断地去扩张。到2020年2月1日,已经发现了大量的基因变异。这项研究于2020年发表在《动物学研究》杂志上。

2020年1月24日,中国学者发表在《柳叶刀》杂志的研究(图2),也是世界上第一个报道的临床数据追踪。研究共追踪了41名患者,2019年12月1日发现的患者(蓝色标记),没有武汉华南海鲜市场接触史。粉色代表有海鲜市场接触史,有14名(34%)患者没有海鲜市场接触史,有27名(66%)患者接触过海鲜市场,与流行病学及临床记录相吻合。

这给我们一个什么提示?实际上武汉的两个病毒株,已经进化了一段时间,不是只发现了一个病毒,我们再看病毒在全世界蔓延的轨迹,它在进入了美国以后,在美国本土出现了相应的变异,包括在欧洲、东南亚也出现了这种状态。

如果用一个基因变异的距离图(图4)来去对它进行进化标注,可以看到右下角代表着从蝙蝠身上采集到的病毒,它和武汉发现的病毒距离还是非常远的。其他的流行株的相关性就相当紧密,起码是比在蝙蝠身上发现的这些病毒的基因序列的进化程度来看,它是一个远亲的状态。这个研究发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。

这也是我国学者发表在《柳叶刀》杂志上的追踪病毒起源的研究(图5)。现在发现新冠病毒有7个病毒株可以感染人,其中4个都是非常温和的,有3个是可以致病的,其中就包括2003年发生在广东的SARS,以果子狸为中间宿主,还有在中东发生的MERS,以骆驼为中间宿主,至今新冠病毒的中间宿主还没有最后确定,可能是穿山甲,但在穿山甲身上采集的病毒标本做基因测序以后,结果发现它还是和现在感染人的新冠病毒有一定的距离,所以还没有办法确定。

如果说不是中间宿主,蝙蝠直接跳到人身上,这个似乎比较难理解,因为发现寄生新冠病毒近亲的冠状病毒是在云南山洞里边,它不太会发生在武汉。我们看从这个过程中就证明了近亲蝙蝠的病毒,同时测序一系列感染人的新冠病毒,由中国学者完成了测序,而且把这些测序的数据展示在全世界,图6就展示了新冠病毒和SARS病毒是同一起源的,但是它们相隔了将近20年,它们的基因差距是20%,相当于人和大鼠之间的差距。而我们人和大鼠是多少年前分开的呢?是1.1亿年前,我们有共同的祖先,说明新冠病毒的变异还是非常活跃的,它用了不到20年的时间,走过了人类进化1.1亿年的历程,所以我们可以看到它的变异是必然的,而且是非常频繁的。

所以,这也给我们引出来了另外一个话题,就是当我们使用疫苗、使用药物时,新冠病毒对它们产生了免疫压力,让那些变异可以躲过我们的免疫反应,同时感染力更强的这一批病毒存活的机会就更强。这是一个进化的规律,就是自然的选择选择了它们可以成为一个传播力更强,而且引发一个又一个疫情高峰。

再看世界卫生组织(WHO)的数据(图7),从2019年12月31日开始,疫情在我们国家最先发生,我们国家的疫情控制得非常得力,可以看到总感染人数非常低,几乎在基线水平,一共有4000多名患者。到2020年3月,欧洲和美国的病毒感染人数显著上升,到2020年9月和12月达到一个高峰。到2021年3月、7月、8月又达一个高峰,所以死亡人数和发病的高峰是相吻合的。

病毒传播的高峰与什么相关呢?这篇文章于2021年8月发表在《科学》杂志上(图8)。2019年在武汉发现的两个病毒株之后它们不断地在变异,变异产生的α、β、γ、δ四种病毒株,导致了四个传播的高峰。其中δ是非常著名的,前一段时间δ造成了一个流行的高峰,而且它的传播力也很强。在南非发现有一批人对疫苗已经不起作用了,疫苗的保护作用也消失了,或者是减低了。可以看到用颜色标记的主要的四个病毒变异株出现以后,导致了世界上四个传播高峰。

我们看一个定义,Variants of concern(VOCs),也就是值得担忧的病毒株,这些担忧的病毒株的特点是传播力更强,传播的周期更短,致病力更强,对现有的治疗或者疫苗有减低疗效的作用,同时会对整个公共卫生和社会功能造成巨大的损害。当满足这几个特点的时候,WHO就把它们命名为值得担忧的病毒株(VOC),向全世界发出警告,而且全世界各个成员国发现这些病例以后,必须把全基因测序报告给WHO进行统计。而WHO为了避免歧视,将它们命名为α、β、γ、δ,其中α起源于英国,β起源于巴西,δ起源于印度。

所以,这一系列的变异株都有不同的起源,在此过程中,病毒在不断地变异,但是大部分的变异并没有被WHO列为关注病毒株,因为它们没有增强传播力、增强致病性、对现有的疫苗造成减低疗效的现象。所以,WHO就把它们规范称为Variants of interest(VOIs),就是感兴趣的病毒变异株。下边有几个叫η、θ、κ、λ,这几个也是用希腊文去命名,避免地域性的歧视。

图9中可以看到的是新的病毒株出现以后,因为它有进化的优势,它就迅速造成局部的或者全球的大流行。WHO成立了一个病毒进化工作小组,这个小组包括了全世界著名的科学单位和科学家,他们来评估这些病毒是不是可以成为值得担忧的病毒株?一旦符合条件,就用希腊文来给它命名。

这里给大家展示希腊文的26个字母(图10),从刚才列的α、β、γ、δ,到ε、ζ,现在已经命名到Omicron,也叫ο。大家可以看这个命名已经非常靠后了,WHO去命名了一系列的值得担忧或者是感兴趣的变异株,如果发现没有大流行或者没有我们预测的那么严重,就把它降为我们关注的那个栏目里了。现在Omicron已经作为一个最新的VOC,它一定是增加了传播性,或者是对整个的流行病学有影响,或者是增加了致病性,增加了临床的严重性,或者是降低了疫苗和治疗的疗效,给公共卫生和社会造成了巨大压力。

表1是WHO公布的目前指定的关注变体,α、β、γ、δ和ο,这些变异病毒株也是一轮一轮的输入性传播到了我们国家,现在已经发现了输入性的o变异病毒病例。现在发现ο的传播力非常强,数据显示它的传播力是δ病毒株的70倍,而且它的复制时间不是4~5天,而是3天,同时它的致病性并没有明显的减轻。

我们再看感兴趣病毒株的定义,也就是说现在从它的基因序列以及它的特性来看,有改变传播力的趋势,以及加重病情和免疫逃逸的现象,这个时候我们要加以关注,但是还没有明确的证据。我们现在要关注的有哪两个病毒株呢?一个叫λ,一个叫μ。

还有一种病毒株我们要去监测的,叫Virants under monitoring(VUMs),那这些病毒株有哪些呢?有一些就是刚才讲的VOC和VOI,还有一些新的从基因上可以判断它可能有这些问题的,所以就把它们列在这里(表2和表3)。

新冠病毒起源于寄生于蝙蝠的冠状病毒,它用20年的进化完成了人类一亿年的进化历程。RNA病毒本身不稳定,因为是单链,它不断的在变异。研究发现这次Omicron的变异,就是感染了艾滋病患者,艾滋病患者只有部分的免疫能力,可以长期让Omicron病毒存活在他的身体里,不断的进化。而在这种情况下,病毒实际上遇到了一个适当的环境,出现了大量的变异。还有一个就是病毒在变异的时候,传染力更强,复制力更快,然后这种变异株就有生存的优势,有更强的或者更好的生存空间。

每一次疫情的反复和疫情的高峰,都与超级变异病毒的诞生有关。WHO以希腊字母来命名值得担忧的病毒株(VOC)和感兴趣的病毒株(VOI),至今有5个VOC被命名,最近命名的一个是o。WHO向全世界发出警告,o是下一个感染高峰的罪魁祸首,它的传播力超过δ病毒的传播力70倍,致病力并未降低。

面对病毒变异,我们还是要接种疫苗,现在发现不管是RNA疫苗,还是灭活疫苗,第三针接种对变异株的免疫抵抗产生的抗体都是反应率比较低的。另外,还要用最经典的方法保护自己,比如戴口罩、保持社交距离、不要聚会、通风、勤洗手等一系列最经典的预防方式。

病毒在不断的变异,不断地进化,更强的病毒可能还不断地在诞生。我们要做好这种准备,用科学的手段,早发现、早预防,同时快速的发展疫苗以及有效治疗新冠病毒的药物,然后学会与它们共生存。

参考文献:

1. YU Wen-bin, TANG Guang-da, ZHANG Li, et al. Decoding the evolution and transmissions of the novel pneumonia coronavirus (SARS-CoV-2 / HCoV-19) using whole genomic data[J]. Zoological Research,2020, 41(3): 247-257.

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3. Forster P, Forster L, Renfrew C, et al. Phylogenetic network analysis of SARS-CoV-2 genomes[J]. PNAS,2020,117:9241-9243.

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5. Kupferschmidt K. Evolving threat[J].Science,2021,373:846.

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