台湾中研院发布新冠病毒变异全球即时监测网

台湾中研院发布新冠病毒变异全球即时监测网
中研院团队设立网站,即时监测世界各国正在发生的新兴病毒变异,发现需要密切注意的变异株时,尽速提供资讯给各个病毒传播研究与疫苗研发单位。图│ Tracking SARS-CoV-2 Variation

追踪新冠病毒突变

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)足迹遍布全球,在传播过程中一再出现新的突变种,让防疫工作与研究均困难重重。中央研究院廖俊智院长组织研究团队,根据全球共享流感数据倡议组织GISAID资料,分析三十万笔以上的病毒基因序列样本资料,将病毒划分为六大类型,其中「第六型」占目前流传病毒类型的99%。日前,中研院也成立「病毒变异全球即时监测网」分享资料,让全世界均能即时追踪病毒变异。

突变,到底怎么变?

COVID-19 疫情自2019 年底爆发,随着时间流逝,疫情不但没有趋缓,多国甚至掀起二波感染潮。在一年的时间里,新冠病毒没​​有被压制,突变种还像雨后春笋般现身。日前疫情重灾区英国更出现了传染力更高的新变种病毒。究竟是什么原因让新冠病毒变化得如此快速?

生物学中的突变(mutation)一词,指的是细胞核里的遗传物质发生改变,可能是DNA 最基本单位─核苷酸(nucleotide)发生一个或好几个的缺失、重复或插入等变化。造成DNA 突变的原因很多,像是DNA 受到化学物质、紫外线、辐射或病毒影响,或仅仅只是细胞分裂、DNA 复制的过程发生失误。

细胞全年无休,不停复制、分裂,DNA 受损或是复制出错其实并不少见。但就像人类工厂对于商品会有瑕疵检测、修复的SOP,细胞对DNA 突变也有相对应的修正机制。即使DNA 序列异动后严重到无法修复,如果突变发生在无意义片段,或是单一核苷酸,大多成为没有带来任何影响的「中性突变」。

但,如果突变发生在会影响蛋白质制造的核苷酸片段(基因),就可能对生物有所影响。一般来说,这种基因突变的机率约莫是十万分之一。

这次的疫情元凶新冠病毒是RNA 病毒,比起DNA 病毒或是一般细菌,更加容易突变。

RNA 病毒突变,比你想得容易!

「新冠病毒的遗传物质是单股的RNA (ribonucleic acid),RNA 结构不太稳定。」本次研究团队的杨欣洲研究员帮读者划重点。相较于遗传物质为DNA 的病毒,RNA 病毒在复制遗传物质(RNA) 的过程,更加容易突变,如需要年年选株的流感病毒即为RNA 病毒。

新冠病毒虽然有校对酶、突变速度比流感病毒稍慢,但突变速度仍高。

面对新冠病毒不断冒出的变种,中研院研究团队从最常见的突变—单一核苷酸变异(single-nucleotide variantion, SNV)着手研究。研究人员结合病毒变异分析与分类树分析两种方法,着手分析从全球共享流感数据倡议组织(GISAID)取得的1932株病毒基因序列样本。

病毒变异发生位置与频率方面,则以中研院统计科学研究所陈君厚所长的统计矩阵视觉化,解析新冠病毒近三万个核苷酸的RNA 序列中,各个核甘酸变异之间的关联;另一方面,使用一种统计分类树和四种亲缘关系树,来了解各病毒株之间的距离与亲缘关系。「各国上传的病毒株样本资料都会附注收样时间,也多少辅助亲缘树评判定演化前后关系的参考。」杨欣洲补充。

14 个印记,快速分类六大病毒

研究结果显示,目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一组自己独特的单一核苷酸变异(SNV)位点,这样的SNV 位点印记共有14 个。研究团队在六千株、三万多株以及三十万株等,几次扩大样本数的病毒分析中都能得到重复的验证。

未来不用再看完整病毒基因体,只要针对新样本检查这14 个SNV 印记,就可以在几分钟内将新病毒株分类归档。」杨欣洲指出。原本的分析方法是将病毒株样本的RNA 全部定序,但各国处理的标准操作程序不一、技术也存在些许落差,即使取得各国定序结果,因为提供的病毒全基因体长度不尽相同,也得再花费一番功夫比对。然而,当病毒基因序列样本快速增加,病毒分类研究耗时耗力至几乎难以执行。

但搭配分类树与矩阵视觉化的新技术,让病毒分析变得非常简单方便。研究团队还进一步开发出病毒株定型的快速演算法,即使有大量病毒株要定型也能在几分钟内完成,未来面对其他种类病毒的分型时也可以派上用场。

中研院团队仅用14 个SNV 印记,用一对一序列排比(Pairwise Alignment)和文字探勘(Text Mining)两种方法,几乎​​只要几分钟就能完成分类,且正确率分别是百分之100 与98以上。

第六型病毒大解析

今年四月,研究团队定义出病毒六大型时,原先是以病毒株发生的地理位置命名,称作亚洲一、亚洲二、欧洲一、欧洲二、美洲、大洋洲/亚洲型。但随着病毒株在全世界各地快速交流传播,很快就不再适用以地理位置区分,最后以Type I ~ VI 命名。

进一步分析发现,第一到第五型的病毒,除了有各自独特的一组SNV 位点印记外,在病毒外观、致病力、传染力方面还没有观察到显著的差异。但第六型的病毒就不太一样了。病毒样本数据资料显示,六种型的病毒在国际间交流竞争后,目前在世界各地均是由第六型胜出,成为主要的优势型。

所谓的第六型,是将SNV 位点分析结果与新型冠状病毒株的参考序列(MN908947)相比,如果在C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个核苷酸位点都发生变异,即归类在第六型。杨欣洲认为,第六型成为全球优势型,而非仅在少数地区盛行这个现象,透露出这四个SNV 很可能为病毒株带来较好的适应能力。

事实上,今年八月一篇发表在生物权威期刊《细胞》(Cell)的论文指出,新冠病毒的核苷酸位点A23403G 变异,导致病毒刺突S 蛋白上、第614 位置的胺基酸由原本的天门冬胺酸(aspartic acid)变为甘胺酸(glycine)后,会强化病毒的感染能力。但杨欣洲表示,单靠一个A23403G 变异其实无法解释:为什么第六型能够逐渐成为数量最多的一型,而是需要四个突变一齐到位。

四个突变到位,病毒生命力大增

原来在研究过程中,团队曾经发现隔一段时间偶尔会出现C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个核苷酸位点里,只有其中几个位点突变的病毒株。但是只要没有四个同时突变,这些病毒都传不久。「就算有A23403G 但缺乏另外三个变异的话,病毒株还是没有办法持续传播。」杨欣洲强调。当四个SNV 不齐全的时候,突变对病毒没有实质影响、甚至不利其传播。

C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个突变位点齐全后,才会扩充病毒性能,提升第六分型的适应力与传播力。

此外,其他研究似乎也暗示第六型的四个SNV 疑似有带来更多特殊功能。2020 年11 月,一篇发表在著名学术期刊《科学》(Science)的论文提到,新冠病毒会经由人传给水貂,且会再回传给人类。中研院团队分析论文中的病毒样本,发现人传给水貂的病毒约有22% 属于第一型,76% 属于第六型。但分析水貂回传人类的十八个病毒株后,发现全部都属于第六型。

「这个结果实在颇耐人寻味。」杨欣洲指出,第六型病毒株适应力与传播能力增加,很可能与四个核苷酸变异之间的交互作用有关,背后的生物机制都还有待未来更多的追踪与研究来解答。

当前疫苗可以应付变种病毒吗?

不过民众最关心的,首推目前的疫苗能够抵抗当前的变种病毒吗?「跟疫苗研发与疫苗效果直接相关的,是刺突蛋白基因上的变异点:A23403G,也就是突刺S 蛋白D614G 突变。」杨欣洲指出,已有初步研究显示,D614G 变异虽然会提升病毒的适应能力,却不影响血清抗体对病毒的中和力。而且在这之前科学家们就已经发现这个带有A23403G 变异的病毒越来越盛行,各疫苗厂于研发过程中大多也都有将这个SNV 的变异纳入研发考量,因此目前第六型的病毒还不致让疫苗失去防御力。

病毒变异株虽互有消长,但尚不致影响防疫策略。

杨欣洲也坦白说,新的变异一直在进行,无法排除任何可能性。况且,研究会受到资料库样本的限制。GISAID 目前约有三十万笔资料,英国上传大十四万笔最多,美国居次;中国则宣称没有多少新增病例,即使前阵子北京发生二波感染,也就提供三只病毒株,没有资料,就没办法全面掌握病毒变化。

「现在病毒是以第六型为主,但随着各国的边境管制,各地又开始出现新兴的子型病毒。像是北京提供的三个样本,就是第六型的子型。」杨欣洲提醒。2020 年12 月21 日,英格兰公共卫生署(Public Health England)的报告指出,在英国发现新冠病毒变种,并已造成单日新增感染案例暴增。英国立刻通报世界卫生组织此高传染性的英国变种新冠病毒株,让世界各国提高警觉,善尽世界公民的职责。

因应病毒的快速变异,中央研究院设置「病毒变异全球即时监测网」,廖俊智院长带领,统计所研究团队进行大数据分析,陈伶志资服处长开发网站,中研院病毒与生物化学专家参与讨论,即时监测世界各国正在发生的新兴病毒变异,发现需要密切注意的变异株时,尽速提供资讯给各个病毒传播研究与疫苗研发单位,与全球继续对抗这场世纪大疫。

本文来自台湾中研院,本文观点不代表沙鸥科报立场,转载请联系原作者。

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