?

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)微生物學(xué)、免疫學(xué)教授文森特__拉卡內(nèi)洛說(shuō)：“病毒變異是有一定限度的，但我們并不知道為什么會(huì)這樣，可能出現(xiàn)的基因突變數(shù)量比宇宙所有原子數(shù)量更多，很大一部分基因組都可以被替換?！?Image credit: Shutterstock)

?

　　盡管世界各國(guó)的科研專家都在競(jìng)相研制新冠病毒接種疫苗，但是冠狀病毒仍在變異之中，也在發(fā)生基因變化。包括SARS在內(nèi)，病毒本身發(fā)生變異也都是正常現(xiàn)象，但病毒的變異程度以及人類致病性有一定限度嗎？或者冠狀病毒會(huì)無(wú)限期地繼續(xù)進(jìn)化嗎？

?

　　美國(guó)哥倫比亞大學(xué)微生物學(xué)、免疫學(xué)教授文森特·拉卡內(nèi)洛說(shuō)：“病毒變異是有一定限度的，但我們并不知道為什么會(huì)這樣，可能出現(xiàn)的基因突變數(shù)量比宇宙所有原子數(shù)量更多，很大一部分基因組都可以被替換?！?/p>

?

　　冠狀病毒的基因序列是由4個(gè)不同化學(xué)基對(duì)或分子構(gòu)成，達(dá)到29881個(gè)生化字母長(zhǎng)度，這些生化字母提供9860個(gè)氨基酸指令，這些氨基酸是病毒蛋白質(zhì)的基本組成部分，當(dāng)這些化學(xué)基對(duì)發(fā)生變化時(shí)，氨基酸也相應(yīng)地發(fā)生變化，從而影響病毒蛋白質(zhì)的形狀，反過(guò)來(lái)蛋白質(zhì)形狀的變化也會(huì)影響病毒功能，例如：病毒如何與人類細(xì)胞結(jié)合在一起。

?

　　拉卡內(nèi)洛說(shuō)：“之前對(duì)其他RNA病毒的研究，例如：SARS病毒有一條單鏈RNA作為它們的遺傳物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這些病毒一半以上的基對(duì)可以被改變?！睆臄?shù)學(xué)角度上講，這意味著如果某個(gè)病毒擁有10000個(gè)基對(duì)，就會(huì)存在4^5000個(gè)基因序列的可能性。

?

　　考慮到可見(jiàn)宇宙中存在4^135個(gè)原子，將該公式套用于類似SARS的病毒，那么它的基因序列可能有4^14941種組合方式，這僅是計(jì)算基礎(chǔ)生化字母的變化，一種化學(xué)物質(zhì)取代另一種，拉卡內(nèi)洛說(shuō)：“基因組中還有其他的突變，例如：缺失或者插入，這將進(jìn)一步增大基因序列可能性數(shù)量?！?/p>

?

　　但是這些突變中的大多數(shù)都是無(wú)關(guān)緊要的，而且其中很大一部分會(huì)立即被淘汰，拉卡內(nèi)洛說(shuō)：“有些突變是致命的，所以我們從未見(jiàn)過(guò)，但許多突變是中立的，它們只是不斷累積，重要的突變通常發(fā)生在冠狀病毒的刺突蛋白上，這是它用于捕獲人類細(xì)胞表面ACE2受體的武器。刺突自身是由1273個(gè)氨基酸組成，這些氨基酸由3831個(gè)化學(xué)基對(duì)編碼，因此依據(jù)相同的數(shù)學(xué)邏輯，刺突蛋白的編碼有4^1916種變化方式，幾乎是無(wú)限的，盡管如此，這些突變中存在許多冗余，編碼的是相同的氨基酸?！?/p>

?

　　此外，美國(guó)康奈爾大學(xué)微生物學(xué)和免疫學(xué)教授約翰·摩爾稱，并不是每個(gè)突變都能被識(shí)別為“變異”，一些突變是悄然發(fā)生的，被識(shí)別并命名的變異通常具有顯著特性，例如：更容易傳染給人類，或者疫苗對(duì)其無(wú)效。

?

　　強(qiáng)有力的監(jiān)測(cè)機(jī)制可以幫助科學(xué)家通過(guò)對(duì)感染人群的隨機(jī)抽樣，掃描發(fā)現(xiàn)病毒基因的變化，一旦他們發(fā)現(xiàn)了潛在的重要突變，例如：這些突變出現(xiàn)在基因組的哪里，他們就可以將這些突變插入刺突蛋白和ACE2受體相互作用的計(jì)算機(jī)模型中，從而預(yù)測(cè)該突變將如何表現(xiàn)，但為了最終理解這種突變?nèi)绾胃淖儾《镜男袨椋麄儽仨殞?duì)病毒或者蛋白質(zhì)做實(shí)驗(yàn)。

?

　　之前的突變

?

　　第一個(gè)SARS病毒變種是2020年春季發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)武漢首次檢測(cè)到原始病毒被一種叫做D614G的新變種所取代，依據(jù)摩爾參與撰寫的《美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志》所提及的觀點(diǎn)，該新變種可能出現(xiàn)在歐洲，摩爾說(shuō)，直到2020年夏季末，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)這種病毒變異可能增強(qiáng)了它們的復(fù)制傳播能力。

?

　　雖然新型冠狀病毒的變異程度不像艾滋病毒或者流感病毒那么嚴(yán)重，但摩爾指出，將該病毒植入1億人體內(nèi)，就會(huì)發(fā)生變異。2020年8月，英國(guó)出現(xiàn)另一種叫做B.1.1.7的新冠病毒變種，同年11月該病毒變種擴(kuò)散速度加快。早期研究表明，新冠病毒變異的主要突變N501Y，再次出現(xiàn)傳播能力增強(qiáng)，但應(yīng)用于新冠病毒D614G突變和其他之前的冠狀病毒菌株的抗體對(duì)N501Y有效。

?

　　另外，一種更令人擔(dān)憂的新冠病毒突變出現(xiàn)在南非，它叫做B.1.351或者N501Y.V2，該病毒變種與英國(guó)境內(nèi)出現(xiàn)的B.1.1.7十分相似，但它在受體與刺突蛋白結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)突變，該區(qū)域正是刺突蛋白與人類細(xì)胞 ACE2結(jié)合的位置，新冠病毒最關(guān)鍵的突變是E484K，它改變了受體結(jié)合區(qū)域（RBD）的形狀，足以使識(shí)別早期抗體很難識(shí)別的新變異菌株。

?

　　之前幾項(xiàng)研究表明，Moderna、輝瑞、諾瓦瓦克斯和強(qiáng)生等公司研制的疫苗仍可以抵御冠狀病毒變異，但效果不如針對(duì)早期病毒變異的疫苗有效。

?

　　另一種與B.1.351類似的病毒變種叫做P.1，也出現(xiàn)在巴西境內(nèi)，由于它與南非新冠病毒變種存在相似性，它的出現(xiàn)令科學(xué)家感到擔(dān)憂。目前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些B.1.1.7病毒變種也出現(xiàn)突變，甚至E484K也出現(xiàn)突變。

?

　　拉卡內(nèi)洛稱，受體結(jié)合區(qū)域是一個(gè)可能發(fā)生突變的區(qū)域，它是由223個(gè)氨基酸組成，其中22個(gè)氨基酸與人類細(xì)胞上的ACE2受體發(fā)生接觸，這些氨基酸中任何一種都可能發(fā)生變化（由于受體結(jié)合區(qū)域潛在著基因序列突變），并增大其與人類細(xì)胞的接觸，從而增強(qiáng)侵入能力。

?

　　為什么病毒會(huì)發(fā)生突變？

?

　　突變有時(shí)反映了一種“建立者效應(yīng)”，病毒發(fā)生變異，由于病毒變體碰巧進(jìn)入了廣泛傳播病毒的人體內(nèi)，它逐漸具有顯性優(yōu)勢(shì)，但這并不一定意味著突變就存在著優(yōu)勢(shì)。

?

　　美國(guó)波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)助理教授、國(guó)家新興傳染病實(shí)驗(yàn)室研究員摩?！に_伊德說(shuō)：“但有時(shí)相同或者非常相似的突變，例如：N501Y突變會(huì)出現(xiàn)在世界不同地區(qū)，這通常意味著突變會(huì)對(duì)病毒帶來(lái)一定優(yōu)勢(shì)。”

?

　　薩伊德稱，目前冠狀病毒已經(jīng)非常易于感染人類，所以它未來(lái)從突變中獲得任何優(yōu)勢(shì)可能都不會(huì)太大，這相當(dāng)于你的收音機(jī)已經(jīng)開(kāi)到10分貝音量，如果將音量調(diào)到11分貝時(shí)，也不會(huì)有太大差別。

?

　　未來(lái)不久人類開(kāi)始大范圍地注射冠狀病毒疫苗，將會(huì)發(fā)生什么呢？薩伊德說(shuō)：“在這種情況下，疫苗可能刺激病毒產(chǎn)生‘逃逸突變’，從而實(shí)現(xiàn)阻止中和抗體的能力?！?/p>

?

　　未來(lái)發(fā)生的病毒突變

?

　　SARS病毒在人類中傳播的時(shí)間很短，目前科學(xué)家還不能依據(jù)模擬或者病毒歷史來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)該病毒會(huì)出現(xiàn)怎樣的變種，這存在很大的隨機(jī)性。

?

　　摩爾說(shuō)：“我們不是發(fā)號(hào)施令者，我們只是對(duì)病毒做出反應(yīng)，換句話講，病毒突變是在野生環(huán)境中發(fā)生的，科學(xué)家正在研究它們的傳染性、致命性，以及它們對(duì)疫苗的‘逃逸突變’影響，雖然在病毒發(fā)生突變之前領(lǐng)先一步是有益的，例如：基于模擬測(cè)試，預(yù)測(cè)其他突變是否可能出現(xiàn)，但考慮到病毒變異的程度，這可能是不可行的。蛋白質(zhì)與受體或者抗體的相互作用非常靈活，它們能夠以多種不同的方式耐受病毒突變，最終實(shí)現(xiàn)相同的終點(diǎn)，所以你無(wú)法預(yù)測(cè)接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

?

　　拉卡內(nèi)洛指出，科學(xué)家可能預(yù)測(cè)一些非常明顯的病毒突變，例如刺突蛋白上某些氨基酸變化會(huì)影響抗體結(jié)合，或者刺突受體結(jié)合區(qū)域的變化會(huì)影響病毒粘附和進(jìn)入人體細(xì)胞的入侵能力，盡管科學(xué)家無(wú)法預(yù)測(cè)哪些突變會(huì)對(duì)病毒帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，但他們知道，病毒傳播得越多，就會(huì)出現(xiàn)更多的突變。

?

　　較強(qiáng)的選擇壓力，例如使用非常有效的疫苗，可能會(huì)減少病毒復(fù)制和變異的機(jī)會(huì)，與此同時(shí)，非常微弱的選擇壓力意味著病毒不用必須選擇變異，因此任何變化僅提供微不足道的優(yōu)勢(shì)。

?

　　當(dāng)我們對(duì)病毒施加中等水平的選擇壓力時(shí)，麻煩就來(lái)了，例如：當(dāng)你沒(méi)有強(qiáng)抗體反應(yīng)時(shí)，廣泛使用效果甚微的疫苗，或者延長(zhǎng)第一劑和第二劑疫苗之間的時(shí)間，就可能成為“病毒新變種的滋生地”。摩爾說(shuō)：“目前我們已意識(shí)到這一點(diǎn)。”

?

　　因此，為了防止未來(lái)病毒變種，我們需要確保按時(shí)對(duì)人們接種疫苗，阻止所謂的“逃逸突變”，我們需要阻止病毒擴(kuò)散傳播，這將增大冠狀病毒產(chǎn)生更多變異的概率。

?

　　摩爾指出，由于我們不能提前預(yù)測(cè)哪些特定的突變會(huì)發(fā)生，要想比病毒突變落后兩步，而不是20步，唯一的辦法是大幅加強(qiáng)對(duì)新變種病毒的監(jiān)測(cè)，這樣科學(xué)家們就可以在病毒擴(kuò)散之前，在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)并測(cè)試病毒新突變產(chǎn)生的影響。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情