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比Delta还可怕的新冠病毒变异株是否即将到来?病毒演化研究提供线索

比Delta还可怕的新冠病毒变异株是否即将到来?病毒演化研究提供线索

比Delta还可怕的新冠病毒变异株是否即将到来?病毒演化研究提供线索

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MERYL DAVIDS LANDAU 编译:涂玮瑛):专家正在探讨病毒的变异趋势,以理解为什么会出现像Delta这样的高传染性变异株──以及接下来可能会发生什么事。

去年10月在印度某处,有个人──他可能免疫功能不全,或许正在服用类风湿性关节炎的药物,或者有严重的爱滋病──染上了COVID-19。

他可能是轻症病例,但因为他的身体无法清除冠状病毒,所以病毒留在体内持续复制。随着病毒复制并移动到一个又一个细胞,部分遗传物质的自我复制开始出错。这个人可能生活在成员众多的家庭,或出门去了一间繁忙的市场购买食物,但不论是在哪里发生的,变异的病毒已开始传播给别人。专家相信,这种在单一个体身上发生的特殊状况,可能就是Delta变异株诞生的过程,它如今在美国与世界各地造成巨大灾害。

在COVID-19大流行期间,我们已经发现数千个变异株,其中四个被世界卫生组织(WHO)认为是「高关注变异株」(Variant of Concern)──Alpha、Beta、Gamma、Delta,全都在GiSAID及CoVariants等网站受到科学家密切追踪。根据欧洲研究人员的资料,Delta是目前传染性最强的变异株,大约比最早流传的病毒强97%。不过,Delta会是全世界见过最可怕的变异株吗?了解变异发展的方式将能帮助我们理解是否有更多令人担忧的变异株即将出现。

虽然研究病毒的微生物学家无法预测疫情变化会发生的地点和确切时间,以及病毒内哪些遗传密码会改变,但他们原本就预料到印度的疫情变化──或者可能发生在其他地方的其他变化。密西根大学微生物与免疫系的系主任贝瑟妮.摩尔(Bethany Moore)说:「每次病毒进入细胞,就会复制自己的基因组,这样才能散播给其他细胞,而这个过程可能会出错。」

变异的出现通常是随机且自发性的,而非系统性的。

大多数变异要嘛杀死病毒,要嘛因为无法传播而消失。当感染者接受隔离,或散播病原给一小群感染后留在家中的其他人时,变异就会无法传播。

但如果有足量变易产生,有些变异会走运(以病毒的角度来看)并把握机会传播。也许当一名感染者参加一场人潮众多的体育赛事或一场婚礼等大型室内聚会,就可能出现这种状况。匹兹堡大学医学院的微生物学与分子遗传学教授范恩.库柏(Vaughn Cooper)说:「这就像是在许多微小变异的闷烧余烬上方吹起了一阵演化强风,为它们燃起希望。这些变异通常会灭绝,但是当感染到处肆虐时,天择就会占上风。」

冠状病毒比其他病原更容易变异

科学家总是预期会见到SARS-CoV-2的变异株,因为比起人类及动物甚至其他某些病原,冠状病毒必然会更草率地复制自己的基因组和遗传密码。冠状病毒不是由双股螺旋的DNA携带基因,而是单股RNA。库柏说:「由于非常古老的意外史,复制新RNA的酵素更容易出错。」不过他指出,冠状病毒不像流感病毒等其他RNA病毒一样留下那么多变异,这是因为有一种校对酵素负责检核冠状病毒的复制成果。库柏说:「进入病患身体再从该病患体内出来的大部分病毒都是相同的。」摩尔说,对于冠状病毒而言,据估计大约每100万个复制的RNA单位会出现一次错误。

但病毒不需要很多马虎复制的RNA就能在世界上造成巨大灾害。耶鲁大学公卫学院的传染病流行病学家史坦.维尔曼德(Sten Vermund)说:「医疗专业人员总是担心呼吸性疾病大流行的威胁是有原因的。」比起需要接触、性交或卫生不佳才能传播的病原,在我们呼吸或说话时传播的病原会传染更快。更严重的是,我们往往在知道自己染上COVID-19或其变异株前,就已经开始传播它们了。

到目前为止,科学家已经定序超过100万种SARS-CoV-2病毒的基因组(即全套的遗传物质),他们很积极追踪这种病毒的演化方式,以确认如何最有效地防止人类受到它的侵袭。英国是这项追踪工作的领袖之一。今年稍早,英国发起了一项斥资350万美元的计画来研究新兴变异株的影响。美国的定序工作很慢才开展,但在2020年秋季,美国疾病管制与预防中心 (CDC)发起了国家SARS-CoV-2病毒株监测(National SARS-CoV-2 Strain Surveillance,NS3)计画,与大学和私人实验室订立契约来定序在该国传播的冠状病毒。目前在这项计画之下,已经有数十万个基因组经过定序。

摩尔说,只有当一种病毒的随机变异组赋予病原优势时,这些随机变异组才会被分类为变异株。每个变异株内都有亚变异株(subvariant)(如称为Pango的替代命名系统所示,Delta的名称是B.1.617.2,后面的数字代表子谱系)。尽管如此,基因组的整体蓝图仍然相同。她指出,如果SARS-CoV-2变异的方式会改变它的重要性质,它就可能成为一个新物种,或许是SARS-CoV-3。

趋同演化

库柏说,已经「生根」的变异能保留下来是有原因的,例如藉由帮助病毒增加传染力、感染力、致病性,或逃脱人类免疫系统的能力。

不过库柏说,相较于任何特定的变异,科学家比较担心多种独立变异株出现类似变化,「因为那暗示着这些变化让病毒在演化上更强壮了」。这个现象在演化生物学称为趋同演化(convergent evolution)。

举例来说,在所有高关注变异株中,有一种常见的变异发生在棘蛋白的一个区段,棘蛋白就是冠状病毒表面散布的突起,能协助病毒感染人类细胞。在第614位点,有一种胺基酸(称为天冬胺酸)跟另一种胺基酸(甘胺酸)互换了。这种称为D614G的变异使病毒的传染力和感染力更高。

另一种称为L452R的常见变异会把白胺酸翻转为精胺酸,这同样是在棘蛋白上的变异。研究人员定序了美国各地数以百计的病毒样本之后,最近指出L452的变异出现在超过12种不同谱系,这一事实显示该变异为冠状病毒赋予了一个重要优势。 L452变异除了使病毒更顽强地附着细胞之外,也可能协助病毒感染具有一定程度免疫力的人。

因为棘蛋白对于开发疫苗和治疗非常重要,所以愈来愈多研究已经开始探讨棘蛋白的变异与冠状病毒其他蛋白的变异之间的差异。不过,美国国家卫生研究院(NIH)辖下国家医学图书馆(National Library of Medicine)的演化病毒学专家奈许.罗克曼(Nash Rochman)说,我们也必须注意这个领域之外的问题。罗克曼是近期一篇论文的共同作者,该论文的结论是虽然棘蛋白是一个重要位置,但病毒的另一个称为核壳蛋白(nucleocapsid protein)的部位也很重要,这种蛋白构成了围绕病毒RNA基因组的外膜。

罗克曼说,其实这两个区域或许会一起发挥作用。 「如果变异株具有〔棘蛋白〕变异,核壳蛋白却没有任何变化,它的行为或许会跟两个区域都有变异的变异株很不一样。」不同群组的变异协同作用是一种称为上位作用(epistasis)的概念,而罗克曼与同事进行的模拟显示,一小群在不同位置的变异能够集体产生重大影响,帮助病毒躲避抗体,进而使疫苗的效果降低。

今年出现在美国的变异是疫情大流行未受控制的理由。维尔曼德说:「正当我们在疫苗接种方面有所进展时,Delta也出现了。」病例发生率并没有像预期般因为疫苗而下降,而是因为Delta的高传染力而增加了。他说:「如果当时只有Alpha传播,病例数就不会增加了。」

病毒会获得能帮助它逃脱疫苗的变异,这件事当然是每个人最大的担忧。目前在美国得到授权的三种疫苗都仍有保护力。 (最新的「需留意变异株」Mu确实看起来会削弱疫苗的效果,但这次它没有广泛传播。)有些人认为,有一小部分的已接种者检测出阳性或发展出症状,代表病毒正在超越疫苗,但维尔曼德说并不是如此。他说:「我讨厌『突破性感染』这个词,因为它在科学上会误导人。」他说,疫苗不像是反弹克林贡人的能源护盾。反之,它们会允许敌人登舰(因此检测是阳性),但敌人会立即被一群全副武装的舰员包围。

由于全球人口只有一小部分已经接种(大约43%施打了至少一剂,但低所得国家只有2%的人口已经接种),所以病毒还没有足够动机来胜过已接种者的免疫系统。库柏说:「躲避疫苗并不是病毒现在想要的功能。」对于病毒来说,比较轻松的做法是寻求更好的新方法来感染那些尚未具有免疫力的数十亿人。

尽管如此,没人知道未来会有什么样的变异,它们又会造成多大伤害。维尔曼德指出,地球上95%的人能在48小时内造访另一个地方──这在COVID-19的潜伏期内──因此即使变异株是在一个偏远、低人口的地区出现,依然能成为全球问题。

耶鲁医学院的病理学家大卫.皮柏(David Peaper)负责主导耶鲁纽哈芬医院的临床微生物学实验室,他说:「病毒复制时就会发生变异,所以阻止未来变异株的最佳方法就是严厉限制全世界发生的病毒复制量。」他说,这就是为什么让美国和全世界的每个人接种疫苗是我们能做的最重要的事。 「只要世界上任何地方有SARS-CoV-2,危险的变异株就有机会出现。」




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