【科普】冠狀病毒是如何突變和傳播的

這是一篇圖文並茂的科普,通俗易懂。通過分析包括中國科學家在內發表的最初的病毒序列,清晰地追蹤了新冠病毒的傳播途徑。此外,還告訴你,與其他一些 RNA 病毒相比,新冠病毒的突變相對較慢,平均每個月以兩個單字母的速度變異,這對疫苗的研製極為有利。——《君子微言》小編

冠狀病毒由一種脂質膜包圍著,裡面是攜帶遺傳信息的RNA,可以自身複製數百萬次。RNA是以(a,c,g和u)30,000個 “字母” 組成的遺傳編碼,被感染的細胞讀取並翻譯成多種病毒蛋白。

一種新的冠狀病毒  12月26日

去年12月,中國武漢的一個海鮮市場周圍出現了一系列神祕的肺炎病例。1月初,研究人員對一種新的冠狀病毒的進行了測序,得到了全基因組序列,這株病毒是從一個在海鮮市場工作的人身上分離出來的。這第一個全基因組成為科學家追蹤 SARS-CoV-2 病毒在世界範圍內傳播的基線。

RNA的拼寫錯誤  1月8日

被冠狀病毒感染的細胞釋放出數百萬個新的子代病毒,全部攜帶原始基因組的副本。當細胞複製該基因組時,有時會出錯,通常只是一個錯誤的字母。這些錯別字被稱為突變。隨著冠狀病毒在人與人之間傳播,它們會隨機積累更多的突變。

下面的基因組來自武漢的另一位早期患者,除了一個突變外,其他與第一個病例完全相同。這第一個突變發生在 RNA 的第 186 個字母,是 u 而不是原來的 c。

當研究人員比較了來自武漢病例中的幾個基因組時,他們只發現了幾個新的突變,這表明不同的基因組來自最近的共同祖先。病毒以大致規則的速度積累新的突變,因此科學家能夠估計爆發的起源是在 2019 年 11 月左右的某個時候。

另一個後裔,又有兩個變異  2月27日

在武漢以外的地區,在另一個樣本中也發現了第 186 個 RNA 字母的相同突變,該樣本是 7 周後在武漢以南 1000 公里的中國廣州採集的。廣州樣本可能是第一個武漢樣本的直接後代。或者他們可能是病毒表親,有共同的祖先。

在那七個星期中,廣州譜系在人與人之間跳躍,並經歷了幾代新病毒。在此過程中,它產生了兩個新的突變:另外兩個 RNA 字母更改為 u。

突變何時有價值?

突變通常會改變基因,而不一定會改變其編碼的蛋白質。

蛋白質是摺疊成不同形狀的氨基酸長鏈。每個氨基酸都由三個遺傳字母編碼,但是在許多情況下,三個遺傳字母的第三個字母的突變仍然會編碼相同的氨基酸。這些所謂的 “沉默突變” 就是  “無意義突變”,不會改變最終的蛋白質。

“非沉默” 突變卻會改變蛋白質的序列,也叫 “有意義的突變”。冠狀病毒的廣州樣本獲得了兩個有意義的突變。

但是蛋白質可以由成百上千個氨基酸組成。更改單個氨基酸通常對其形狀或功能沒有明顯影響。

某些突變消失了,其他突變蔓延

隨著幾個月的過去,冠狀病毒基因組的某些區域已獲得許多突變,而另一些區域幾乎沒有突變,甚至根本沒有改變。這種驚人的變化可能為冠狀病毒生物學提供重要線索。

積累了許多突變的基因組部分更加靈活,他們可以耐受其遺傳序列的變化而不會對病毒造成傷害。突變很少的區域較脆弱,這些部分的突變可能通過引起其蛋白質的災難性變化而使病毒失傳。這些關鍵區域可能是抗病毒藥物攻擊病毒特別好的目標。

隨著冠狀病毒基因組中突變的積累,科學家能夠通過這些突變追蹤 Covid-19在世界範圍內的傳播途徑。

第一例美國病例  1月15日

1月15日,一名男子在武漢探望家人後飛往美國西雅圖。經過幾天的輕度症狀後,他的 Covid-19 測試呈陽性,他成為美國首例確診的 Covid-19 病例。

患者的肺部 CT 掃描顯示有肺炎的證據

他的病毒基因組攜帶了三個在中國的病毒中也發現的單字母突變。據此,科學家能夠追蹤該人的感染源。

西雅圖的隱性流行  2月24日

五週後,華盛頓州斯諾霍米什縣的一名高中學生出現了類似流感的症狀。鼻拭子顯示他患有 Covid-19。科學家對他的冠狀病毒樣本的基因組進行了測序,發現該樣本具有與華盛頓首例中相同的獨特突變,但還攜帶了另外三個突變。

新舊突變的結合表明,該學生並非從另一個國家到達的人那裡獲得冠狀病毒的。相反,自 1 月中旬後的五週時間,病毒在西雅圖地區的社區悄悄傳播了。

從那以後,與華盛頓群這株病毒有遺傳聯繫的病毒,現在已經在至少 14 個州和世界上幾個國家/地區以及公主號遊輪上都出現了。

 在加利福尼亞州的早期傳播  2月26日  

冠狀病毒的另一個版本也在加利福尼亞祕密傳播。2月26日,索拉諾縣的一名患者與之前的病例或海外旅行沒有任何關聯,其測試結果呈陽性。

第二天採集的樣本顯示,該病毒並沒有在華盛頓州所流行毒株的獨特突變。取而代之的是,它只有一個突變,使其與原始的武漢基因組不同。這表明它是通過來自中國的單獨的渠道到達加利福尼亞的。

在同一地方,照顧該病人的兩名醫護人員也病了。除了患者的突變外,他們的樣本還有其他突變。

病毒洪流

一月和二月,更多的人攜帶了自己的冠狀病毒到達美國。一些病毒攜帶突變,表明它們來自中國或亞洲其他地區。但是在紐約市,從患者身上分離出的大多數病毒都是與歐洲流行病毒的基因更相似。

從上海到慕尼黑 1月19日

1月19日,也就是第一位華盛頓得那位患者 Covid-19 檢測呈陽性的同一天,一名來自上海的女士抵達慕尼黑。出行前不久,她來自武漢的父母到了她家。到慕尼黑的時候,她只感覺到輕微的症狀,而她以為是時差。

該女士受僱於德國汽車零部件供應商。到達的第二天,她參加了公司會議。隨後,會議上的其他幾名員工就生病了,他們的 Covid-19 檢測都呈陽性。參加該會議的一名德國男子的冠狀病毒基因組所發生的突變,可以追溯到中國的起源。

與此病毒遺傳上相似版本後來傳播到歐洲其他地區,但尚不清楚它們是否全來自這一病毒家族或來自不同的途徑。

歡迎來到紐約 3月1日

3月1日,在紐約居住的一名婦女在訪問伊朗期間被感染後,於3月1日被確診為紐約的第一例 Covid-19 病例。從那以後,科學家在紐約研究的所有病毒中,沒有一例攜帶了她的冠狀病毒基因組中的突變。這表明她的感染並不是持續傳播鏈的一部分。

取而代之的是,科學家測序的大多數紐約冠狀病毒,都顯示了與歐洲冠狀病毒之間的遺傳聯繫。有些來自亞洲,還有一些可能來自美國其他地區。

三月和四月的再次傳入和被美國驅逐出境

很快,美國和歐洲成為了向其他國家進行傳播的新來源。數十名從美國驅逐出境的危地馬拉人,後來對他們的病毒檢測顯示為陽性,而帶有在歐洲突變的冠狀病毒也被重新傳入亞洲。

突變慢的病毒

在大流行的這一點上,具有 10 個或更少突變的冠狀病毒基因組是常見的,只有少數具有 20 個以上的突變-仍不到全基因組的 0.1%。

隨著時間的流逝,病毒會演變成新的病毒株,換句話說,就是病毒譜系彼此之間明顯不同。自一月以來,研究人員已對數千個 SARS-CoV-2 基因組進行了測序,並追蹤了所有已發生的突變。到目前為止,他們還沒有找到令人信服的證據,證明這種突變對病毒與人類的關係已經發生了明顯的變化。

實際上,研究人員發現,與其他一些 RNA 病毒相比,冠狀病毒的突變相對較慢,部分原因是作為校對者的病毒蛋白能夠糾正某些錯誤。每個月,冠狀病毒譜系可能只會獲得兩個單字母的突變。

將來,冠狀病毒可能會吸收一些突變,幫助其逃避我們的免疫系統。但是,冠狀病毒的緩慢突變率意味著這些變化將需要多年的時間才會出現。

對於目前正在為 Covid-19 開發的疫苗來說,這是個好兆頭。如果人們在2021年接種了新的冠狀病毒疫苗,他們很可能會享受持續數年的保護。

我們不知道的

研究人員僅對冠狀病毒的一小部分進行了測序,目前已感染了全世界的三百多萬人。

對更多基因組進行測序,將揭開該病毒演變史的更多篇章。而且,科學家們特別渴望研究那些來自對病毒很少進行基因組測序的地區(例如非洲和南美)的突變。

全文翻譯自2020年4月30日紐約時報“How Coronavirus Mutates and Spreads”。原文作者:喬納森·科魯姆(Jonathan Corum)和卡爾·齊默爾(Carl Zimmer),版權歸原刊/原作者

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