冠状病毒正在变异--这重要吗？

当新冠肺炎今年在全球传播时，大卫·蒙特菲奥里想知道这场大流行背后的致命病毒在人与人之间传播时可能会发生什么变化。Montefiori是一位病毒学家，他职业生涯的大部分时间都在研究艾滋病毒的偶然突变如何帮助它逃避免疫系统。他想，SARS-CoV-2可能会发生同样的事情。

今年3月，在北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学(Duke University)领导艾滋病疫苗研究实验室的蒙特菲奥里(Montefiori)联系了艾滋病毒进化专家、长期合作者贝特·科伯(Bette Korber)。科伯是新墨西哥州圣特菲洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的计算生物学家，他已经开始搜索数千个冠状病毒基因序列，寻找可能改变病毒特性的突变，因为它在世界各地传播。

与HIV相比，SARS-CoV-2在传播时的变化要慢得多。但有一种突变对科伯来说很突出。正是在编码刺突蛋白的基因中，这种蛋白帮助病毒颗粒穿透细胞。科伯在新冠肺炎患者的样本中看到了一次又一次的突变。在S蛋白的第614个氨基酸位置，氨基酸天冬氨酸(D，在生化速记中)经常被甘氨酸(G)取代，因为复制错误改变了病毒29,903个字母的RNA编码中的一个核苷酸。病毒学家称之为D614G突变。

今年4月，Korber、Montefiori和其他人在一份发布在BioRxiv服务器上的预印本中警告说，“D614G的频率正在以惊人的速度增加”1。D614G迅速成为欧洲占主导地位的SARS-CoV-2谱系，然后在美国、加拿大和澳大利亚站稳脚跟。这篇论文宣称，D614G代表了一种“更易传播的SARS-CoV-2形式”，它是自然选择的产物。

这些断言让许多科学家感到沮丧。他们说，目前还不清楚D614G病毒谱系是否更具传播性，也不清楚它的崛起是否表明有任何不寻常之处。但警报在媒体上迅速蔓延。虽然许多新闻报道包括研究人员的警告，但一些头条宣称病毒正在变异，变得更加危险。回过头来看，蒙特菲奥里说，他和他的同事后悔将该变种的上升描述为“令人担忧”。该词已从7月2日发表在“细胞”(Cell)杂志上的同行评议版论文中删除。

这项工作引发了人们对D614G的狂热兴趣。即使是那些怀疑变异改变了病毒特性的人也认为它很耐人寻味，因为它的迅速崛起和无处不在。几个月来，在几乎所有的SARS-CoV-2测序样本中都发现了这种血统(见“全球传播”)。“这种变种现在就是大流行。康涅狄格州纽黑文耶鲁大学公共卫生学院的病毒流行病学家内森·格鲁博(Nathan Grubaugh)和两名同事在一篇关于Korber和Montefiori发现的“细胞”(Cell)文章中写道：“因此，它的性质很重要。”

到目前为止，这项工作的结果并不像蒙特菲奥里和科伯的预印本所说的那样清晰。一些实验表明，携带变异体的病毒更容易感染细胞。其他工作揭示了可能的好消息：这种变异可能意味着疫苗可以更容易地针对SARS-CoV-2。但许多科学家表示，仍然没有确凿的证据证明D614G对病毒的传播有重大影响，也没有确凿的证据证明自然选择的过程可以解释它的崛起。“陪审团出炉了，”蒂莫西·谢恩(Timothy Sheahan)说，他是北卡罗来纳大学教堂山分校的一名冠冕航空学家。“这种突变可能意味着什么，也可能不意味着什么。”

Sheahan，Grubaugh和其他人说，研究人员对冠状病毒突变的问题仍然多于答案，而且还没有人在SARS-CoV-2中发现任何应该引起公共卫生担忧的变化。但详细研究突变对控制大流行可能很重要。它还可能有助于先发制人，阻止最令人担忧的突变：那些可能帮助病毒逃避免疫系统、疫苗或抗体疗法的突变。

在中国检测到SARS-CoV-2病毒后不久，研究人员开始分析病毒样本，并将遗传密码发布到网上。变异-大多数是来自不同人的病毒之间的单字母改变-使研究人员能够通过将密切相关的病毒联系起来来追踪传播情况，并估计SARS-CoV-2何时开始感染人类。

用RNA编码基因组的病毒，如SARS-CoV-2，HIV和流感，当它们在宿主内部复制时，往往会迅速获得突变，因为复制RNA的酶容易出错。例如，在严重急性呼吸综合征(SARS)病毒开始在人类中传播后，它产生了一种称为缺失的突变，这可能减缓了它的传播速度。

但测序数据表明，冠状病毒比大多数其他RNA病毒变化得更慢，可能是因为一种“校对”酶纠正了潜在的致命复制错误。瑞士巴塞尔大学的分子流行病学家艾玛·霍德克罗夫特(Emma Hodcroft)说，典型的SARS-CoV-2病毒每月在其基因组中只积累两个单字母突变-变化速度约为流感的一半和艾滋病毒的四分之一。

其他基因组数据强调了这种稳定性--超过9万个分离株已经被测序并公之于众(见www.gisaid.org)。伦敦大学学院(University College London)的计算遗传学家露西·范·多普(Lucy Van Dorp)说，从世界任何地方收集的两种SARS-CoV-2病毒，在29903个RNA字母中，平均只有10个RNA字母的差异。她正在追踪这些差异，以寻找它们赋予进化优势的迹象。

尽管病毒的变异率很低，但研究人员已经对SARS-CoV-2基因组中的12000多个突变进行了编目。但是科学家发现突变的速度比他们理解突变的速度要快。许多突变不会对病毒传播或致病的能力产生影响，因为它们不会改变蛋白质的形状，而那些确实改变蛋白质的突变更有可能损害病毒，而不是改善它(参见“冠状病毒突变目录”)。“打破东西比修复它容易得多，”霍德克罗夫特说，他是致力于实时分析SARS-CoV-2基因组的NextStress的一部分。

许多研究人员怀疑，如果变异确实有助于病毒更快地传播，那么它可能发生得更早，当时病毒第一次跳入人类体内，或者获得了从一个人到另一个人有效传播的能力。在地球上几乎每个人都容易感染的时候，病毒很可能没有更好传播的进化压力，所以即使是潜在有益的突变也可能不会蓬勃发展。马萨诸塞州波士顿哈佛T.H.Chan公共卫生学院的流行病学家威廉·哈纳奇(William Hanage)说：“就病毒而言，它接触到的每一个人都是一块好肉。”“没有人选择把它做得更好。”

当科伯看到D614G的迅速传播时，她认为她可能已经找到了一个有意义的自然选择的例子。这种突变引起了她的注意，因为它在刺突蛋白中的位置，而刺突蛋白是与病毒结合并使其具有非传染性的“中和”抗体的主要目标。带有这种突变的病毒在世界上不止一个地方的频率也在上升。

D614G于1月下旬在中国和德国收集的病毒中首次被发现；大多数科学家怀疑这种突变发生在中国。现在它几乎总是伴随着SARS-CoV-2基因组其他部分的三个突变-这可能是大多数D614G病毒共享共同祖先的证据。

D614G在欧洲的迅速崛起引起了科伯的注意。在3月份之前-欧洲大陆的大部分地区进入封锁状态-既存在未突变的D病毒，也存在突变的G病毒，D型病毒在当时遗传学家采样的大多数西欧国家都很流行。“D”病毒在欧洲大陆的大部分地区都处于封锁状态，在当时遗传学家采样的大多数西欧国家都存在突变的“D”病毒和突变的“G”病毒。据Korber，Montefiori和他们的团队1，2报道，3月份，G病毒在整个大陆的频率上升，到4月份它们成为主导。

但是，有利于G病毒的自然选择并不是这种模式的唯一解释，甚至不是最有可能的解释。欧洲占主导地位的G变种可能仅仅是偶然的--例如，如果这种突变恰好在抵达欧洲的病毒中稍微常见一些。一小部分人似乎对病毒的大部分传播负有责任，早期倾向于G病毒的机会可以解释现在明显的血统接管。这种“创始人效应”在病毒中很常见，特别是当它们不受控制地传播时，就像SARS-CoV-2在欧洲大部分地区直到3月中旬到下旬所做的那样。

Korber和她的同事们试图排除创始人效应的可能性，他们在4月份的预印本1中显示，D614G在加拿大、澳大利亚和美国部分地区迅速占据主导地位(冰岛是一个例外，在那里爆发早期的G病毒被D病毒取代)。研究小组分析了英国谢菲尔德的住院数据，发现没有证据表明携带突变的病毒会使人病情加重。但是，那些感染G病毒的人的鼻子和嘴巴中的病毒RNA水平似乎比那些感染D病毒的人略高。

许多科学家不相信D614G的上升是值得注意的-或者所有与大流行相关的事情。“我认为预印本为时过早，”谢恩说。

Montefiori说，他和Korber对D614G的看法是由他们在艾滋病毒方面的工作形成的，他们发现，即使是看似微不足道的突变也可以对免疫系统如何识别该病毒产生深远的影响。“我们对此感到震惊，我们需要看看它是否会对疫苗产生影响，”他说。

为了进一步检查D614G是否使病毒更易传播，蒙特菲奥里在实验室条件下测量了它的效果。他不能在他的实验室里研究天然的SARS-CoV-2病毒，因为需要进行生物安全防护。因此，他研究了一种使用SARS-CoV-2刺突蛋白感染细胞的转基因HIV。这样的“假病毒”颗粒是病毒学实验室的主力：它们能够安全地研究致命的病原体，如埃博拉病毒，它们使得测试突变的影响变得容易。

今年6月，第一个报告D614G假病毒实验的团队由加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的病毒学家海伦·崔(Hyeryun Choe)和迈克尔·法赞(Michael Farzan)领导。另外几个团队也发表了类似的关于生物Rxiv的研究(蒙特菲奥里和另一位合作者的实验发表在“细胞”杂志的论文2上)。研究小组使用了不同的假病毒系统，并在不同类型的细胞上进行了测试，但实验得出了相同的结论：携带G突变的病毒感染细胞的能力比D病毒强得多-在某些情况下，效率高达10倍。

马萨诸塞大学伍斯特医学院的病毒学家杰里米·鲁班(Jeremy Luban)说，在实验室测试中，“我们所有人都同意，D到G正在使颗粒更具传染性”。但这些研究有很多警告-它们与人类感染的相关性尚不清楚。“令人恼火的是，人们在非常受控制的环境下接受他们的结果，并表示这对大流行有一定的意义。这一点，我们还远远不知道，“格鲁博说。在大多数情况下，伪病毒只携带冠状病毒刺突蛋白，因此实验只测量这些颗粒进入细胞的能力，而不是它们在细胞内的影响，更不用说对生物体的影响了。它们也缺乏几乎所有D614G病毒都携带的其他三个突变。“底线是，他们不是病毒，”鲁班说。

一些实验室现在正在研究传染性SARS-CoV-2病毒，它们只有一种氨基酸不同。它们在实验室培养的人肺和气道细胞，以及雪貂和仓鼠等实验室动物身上进行了测试。Sheahan说，对于拥有操纵病毒的经验和生物安全能力的实验室来说，“这就像是一项基本的工作”。其中第一项研究由加尔维斯顿德克萨斯大学医学分校(University Of Texas Medical Branch)的研究人员领导，发表在9月2日的预印本6上。研究发现，在人类肺细胞系和气道组织中，携带该突变的病毒比D病毒的传染性更强，而且在受感染的仓鼠的上呼吸道中，突变病毒的水平更高。

即使是这些实验也可能不能提供绝对的清晰度。一些研究表明，中东呼吸综合征(MERS)病毒尖峰蛋白的某些突变可能会在老鼠身上导致更严重的疾病-然而，爱荷华城爱荷华州大学(University Of Iowa City)的冠病学家斯坦利·珀尔曼(Stanley Perlman)表示，该蛋白的其他突变对人或骆驼的影响微乎其微，骆驼可能是MERS感染的宿主。

D614G对SARS-CoV-2在人类中的传播有影响的最明显的迹象来自英国一项雄心勃勃的努力，名为新冠肺炎基因组英国联盟，该联盟已经分析了大约25,000个病毒样本的基因组。从这些数据中，研究人员已经确定了1300多个病毒进入英国并传播的例子，包括D型和G型病毒的例子。

由英国爱丁堡大学进化生物学家安德鲁·兰博特、伦敦帝国理工学院流行病学家埃里克·沃尔兹和卡迪夫大学生物学家托马斯·康纳领导的一个团队研究了62个由D病毒播种的新冠肺炎簇和245个由G病毒7播种的簇在英国的传播情况。研究人员发现，这两种病毒感染的人在临床上都没有差异。然而，G病毒的传播速度往往比没有携带这种变化的谱系略快，并形成了更大的感染群。沃尔兹说，他们对传输率差异的估计徘徊在20%左右，但真实值可能稍高或更低。兰博特说：“从绝对值来看，这不会产生很大的影响。”

Rambaut说，D614G可能是一种适应，有助于病毒感染细胞或与没有携带这种变化的病毒竞争，而对SARS-CoV-2在人与人之间或通过人群传播的方式几乎没有改变。“这可能是对人类或某些人类细胞的一种真正的适应，”格鲁博表示同意，“但这并不意味着什么改变。改编不一定要让它更具传播性。“。

格鲁博认为，D614G受到了科学家太多的关注，部分原因是它获得了高调的论文。“科学家们对这些突变有着疯狂的迷恋，”他说。但他也认为D614G是了解一种在遗传多样性方面没有太多差异的病毒的一种方式。“我身上的病毒学家看着这些东西，说研究会很有趣，”他说。“它创造了整个兔子洞，里面有各种不同的东西，你可以进入。”

他会有客人的。鲁班说，对D614G的深入研究应该有助于解释SARS-CoV-2是如何与细胞融合的--这一过程可能会被药物阻止或被疫苗靶向。在7月16日发布在BioRxiv上的假病毒实验的更新版中，鲁班的团队使用冷冻电子显微镜分析了带有D614G变化的尖峰蛋白的结构。尖峰蛋白由三个相同的“开放”或“封闭”方向的肽组成。之前的研究表明，三个肽中至少有两个需要开放，病毒颗粒才能与细胞膜9融合，鲁班的团队发现，携带G尖峰变异体的病毒更有可能处于这种状态(参见“松散尖峰蛋白的突变”)。Montefiori和Korber在LANL同事Sandrasegaram Gnanakaran的领导下进行的计算建模工作得出了同样的结论10。鲁班说：“看起来这台分子机器已经做好了准备，要以D不同的方式运行。”

大多数现有证据表明，D614G并没有像蒙特菲奥里担心的那样，阻止免疫系统的中和抗体识别SARS-CoV-2。这可能是因为突变不在刺突蛋白的受体结合域(RBD)，这是许多中和抗体瞄准的区域：RBD与细胞受体蛋白ACE2结合，这是病毒进入细胞的关键步骤。

但越来越多的证据表明，其他突变可以帮助病毒避开某些抗体。由纽约市洛克菲勒大学的病毒学家Theodora HatziioAnuu和Paul Bieniasz领导的一个研究小组对水泡性口炎病毒-一种牲畜病原体-进行了基因改造，使其使用SARS-CoV-2刺突蛋白感染细胞，并在存在中和抗体的情况下培养它。他们的目标是选择能够使尖峰蛋白逃避抗体识别的突变。这项实验产生了对从新冠肺炎康复者血液中提取的抗体以及正在开发成治疗方法的强大的“单克隆”抗体具有抵抗力的尖峰蛋白突变体。HatziioAnnou、Bieniasz和他们的团队报告说，在从患者分离的病毒序列中发现了每一个尖峰突变-尽管频率非常低，这表明阳性选择尚未使这些突变变得更加常见11。

其他科学家正试图通过预测哪些突变可能是重要的，来保持领先于SARS-CoV-2的进化。华盛顿州西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的进化病毒学家杰西·布鲁姆(Jesse Bloom)领导的一个团队创造了近4000个突变版本的尖峰蛋白的RBD，并测量了这些变化如何影响尖峰蛋白的表达及其与ACE2的结合能力。大多数突变对这些特性没有影响或阻碍，尽管有少数能改善这些特性12。已经在新冠肺炎患者身上发现了其中一些突变，但布鲁姆的团队没有发现任何一种变异存在自然选择的迹象。他说：“很可能现在病毒与ACE2的结合情况和它现在需要的一样好。”

研究人员没有测试是否有任何突变允许病毒阻碍抗体的作用，但他的团队的结果表明，这种变化是可能的。布鲁姆说：“病毒可能会发生变异，从而改变其对抗体和免疫力的易感性，这是有可能的，但绝不是必然的。”

根据其他冠状病毒的经验，这可能需要数年时间。对普通感冒冠状病毒的研究，在多个季节采样，发现了一些免疫进化的迹象。但伯尔尼病毒学和免疫学研究所的RNA病毒学家Volker Thiel说，变化的步伐是缓慢的。“这些菌株或多或少保持不变。”

由于世界上大部分地区仍然容易感染SARS-CoV-2，目前免疫不太可能是病毒进化的主要因素。但Sheahan说，随着全人群免疫力的提高，无论是通过感染还是通过疫苗接种，稳定的免疫逃避突变可能有助于SARS-CoV-2永久确立自己的地位，当它感染从以前的感染或疫苗中获得一些残余免疫力的个人时，可能会导致大多数轻微的症状。“如果这种病毒仍然是一种更常见的、导致感冒的冠状病毒，我不会感到惊讶。”但也有可能的是，我们对冠状病毒感染，包括对SARS-CoV-2的免疫反应不够强或不够持久，不足以产生导致病毒株显著改变的选择压力。

如果不明智地使用抗体疗法，令人担忧的变异也可能变得更加常见-例如，如果新冠肺炎患者收到一种抗体，这种抗体可能会被单一的病毒变异所挫败。单克隆抗体的鸡尾酒，每种抗体都可以识别尖峰蛋白的多个区域，可能会降低这种可能性。

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